Aprenda electrónica con el simulador de circuitos LTspice XVII E-Book

Tomás Domínguez Mínguez

• Herausgeber: Marcombo
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Sprache: Spanisch

Seitenzahl: 517

Veröffentlichungsjahr: 2022

Beschreibung

Si este libro le ha llamado la atención, es probable que de pequeño desarmara sus juguetes electrónicos para verlos por dentro e investigar su funcionamiento. Una vez abiertos, le parecería milagroso que el amasijo de cables y piezas colocado sobre un circuito impreso pudiera hacer aquello para lo que fue diseñado. Pero ni es un milagro ni es tan complicado como parece. Basta con unos conocimientos básicos de electrónica. Este libro comienza con la explicación de los principios de funcionamiento de los componentes más elementales: las resistencias, los condensadores y las bobinas. Después, avanza por el mundo de los semiconductores, empezando por los diodos, y continúa con los transistores hasta llegar a algunos de los circuitos integrados más populares. Sin embargo, a la hora de construir un circuito, no es suficiente con disponer de los conocimientos teóricos. También se necesitan tener buenos instrumentos de laboratorio, como una fuente de alimentación, un generador de ondas, un osciloscopio, etc. De no contar con ellos, tras realizar un diseño, comprar los componentes y montarlos en una placa de pruebas, si el circuito no funcionara, no sabría el motivo. Esto le provocaría una sensación de impotencia que seguramente desembocaría en el abandono de lo que podría haber sido una bonita afición. No todo el mundo tiene un laboratorio bien equipado, ya sea porque considera que los aparatos son caros, porque no tiene espacio donde ponerlos o porque todavía no tiene claro si les va a sacar provecho. No obstante, hay una forma de solventar esta cuestión: el uso de un simulador de circuitos. Y ahí es donde este libro le proporciona ayuda de nuevo, pues le enseña a utilizar uno de los más conocidos, el LTSpice® XVII. LTSpice® es de uso libre y se ejecuta tanto en Windows como en MacOs. Con él, será capaz de desarrollar circuitos con todo tipo de componentes. Los resultados de su comportamiento se podrán ver en visores que muestran las formas de onda de la tensión en cualquier punto del circuito, la intensidad que recorre cada componente o la potencia que disipa. Adicionalmente, le facilitará la realización de análisis que determinen su desempeño según la frecuencia de la señal con la que se trabaje, en función de la temperatura, etc. Aunque todos los capítulos utilizan circuitos de ejemplo con los que se demuestra el funcionamiento de los componentes electrónicos descritos, hay un capítulo final dedicado al desarrollo de aplicaciones prácticas que le permitirá aprovechar los conocimientos adquiridos. Con este libro será capaz de crear juegos de luces o sonidos, saber cuándo debe regar las plantas, desarrollar una alarma de incendios o hasta un detector de mentiras.

Leseprobe

APRENDA ELECTRÓNICACON EL SIMULADOR DE CIRCUITOSLTspice® XVII

Tomás Domínguez Mínguez

APRENDA ELECTRÓNICACON EL SIMULADOR DE CIRCUITOSLTspice® XVII

Tomás Domínguez Mínguez

Aprenda electrónica con el simulador de circuitos LTspice® XVII

Primera edición, 2022

© 2022 Tomás Domínguez Mínguez

© 2022 MARCOMBO, S. L.www.marcombo.com

Cubierta: ENEDENÚ DISEÑO GRÁFICO

Maquetación: cuantofalta.es

Correctores: Nuria Barroso

Directora de producción: M.a Rosa Castillo

Cualquier forma de reproducción, distribución, comunicación pública o transformación de esta obra solo puede ser realizada con la autorización de sus titulares, salvo excepción prevista por la ley. Diríjase a CEDRO (Centro Español de Derechos Reprográficos, www.cedro.org) si necesita fotocopiar o escanear algún fragmento de esta obra.

ISBN: 978-84-267-3484-6

Producción del ePub: booqlab

Al niño que nunca perdió la ilusiónde hacer realidad sus sueños.

TABLADE CONTENIDO

1. INTRODUCCIÓN

2. MAGNITUDES ELÉCTRICAS BÁSICAS

2.1 Intensidad

2.2 Voltaje

2.3 Resistencia

2.4 Potencia

3. CORRIENTE CONTINUA Y CORRIENTE ALTERNA

4. COMPONENTES ELEMENTALES DE UN CIRCUITO

4.1 Resistencias

4.1.1 Asociación de resistencias

4.2 Condensadores

4.2.1 Asociación de condensadores

4.3 Bobinas

4.3.1 Asociación de bobinas

5. LEYES FUNDAMENTALES DE LA ELECTRÓNICA

5.1 Ley de Ohm

5.2 Leyes de Kirchhoff

6. LTSPICE XVII

6.1 Principios de funcionamiento de LTspice XVII

6.2 Instalación

6.3 Estructura de la interfaz

6.4 Barra de menús

6.5 Barra de herramientas

6.5.1 Carga y almacenamiento de archivos

6.5.2 Organización de ventanas

6.5.3 Otras herramientas

7. EL EDITOR DE CIRCUITOS

7.1 Inserción de componentes en un esquema

7.1.1 Resistencias

7.1.2 Condensadores

7.1.3 Bobinas

7.1.4 Otros componentes

7.2 Conexionado de componentes

7.3 Reposicionamiento de componentes

7.4 Copiado, pegado y eliminación de componentes

7.5 Otros elementos de un esquema

7.5.1 Tomas de tierra

7.5.2 Etiquetas de red

7.5.3 Comentarios

7.5.4 Directivas Spice

8. FUENTES DE VOLTAJE Y DE CORRIENTE

8.1 Fuentes de voltaje

8.1.1 Fuente de voltaje constante

8.1.2 Fuente de voltaje senoidal

8.1.3 Fuente de voltaje pulsante

8.1.4 Otras fuentes de voltaje

8.2 Fuentes de corriente

9. SUS PRIMEROS CIRCUITOS CON LTSPICE

9.1 Resistencia conectada a una fuente de voltaje constante

9.2 Resistencia conectada a una fuente del voltaje senoidal

9.3 Condensador conectado a una fuente de voltaje senoidal

9.4 Bobina conectada a una fuente de voltaje senoidal

10. ANÁLISIS TEMPORAL

10.1 Establecimiento del intervalo de análisis

10.2 Condiciones iniciales

10.3 Otras opciones de configuración

11. ANÁLISIS DEL PUNTO DE OPERACIÓN EN CONTINUA

12. ANÁLISIS DE BARRIDO DE FRECUENCIAS

13. TIPOS DE FILTROS

13.1 Filtro paso bajo

13.2 Filtro paso alto

13.3 Filtro paso banda

14. ANÁLISIS PARAMÉTRICO

15. EL VISOR DE FORMAS DE ONDA

15.1 Barra de herramientas

15.2 Barra de menús

15.2.1 Trazas

15.2.2 Paneles

15.2.3 Escalas de los ejes

15.2.4 Otros grupos de opciones

15.3 Títulos de las gráficas

16. DIODOS

16.1 Fundamentos físicos de funcionamiento

16.2 Curva característica

16.3 Parámetros característicos

16.4 Tipos de diodos en LTspice

16.4.1 Diodos rectificadores

16.4.2 Diodos led

16.4.3 Diodos Zener

17. FUENTES DE ALIMENTACIÓN

17.1 Transformadores

17.2 Circuito rectificador de onda completa

17.3 Circuito rectificador de onda completa con filtrado

17.4 Circuito rectificador de onda completa con filtrado y estabilizado

18. ANÁLISIS DE BARRIDO EN CONTINUA

19. ANÁLISIS DE TEMPERATURA

20. IMPORTACIÓN DE MODELOS DE TERCEROS

21. TRANSISTORES BIPOLARES

21.1 Fundamentos físicos de funcionamiento

21.2 Parámetros característicos

21.2.1 Características eléctricas

21.2.2 Valores máximos

21.3 Curvas características

21.4 Regiones de operación

21.5 Aplicaciones de un transistor bipolar

21.5.1 El transistor como interruptor

21.5.2 El transistor como amplificador

21.5.2.1 Recta de carga de un transistor

21.5.2.2 Teorema de Thévenin

21.5.2.3 Estabilización del punto de trabajo

21.5.2.4 Amplificadores de varias etapas

22. TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO

22.1 JFET

22.1.1 Fundamentos físicos de funcionamiento

22.1.2 Parámetros característicos

22.1.3 Curvas características

22.2 MOSFET

22.2.1 MOSFET de enriquecimiento

22.2.2 MOSFET de empobrecimiento

22.3 Aplicaciones de un transistor FET

22.3.1 El transistor como amplificador

23. EL ESTÁNDAR SPICE

24. AMPLIFICADORES OPERACIONALES

24.1 Realimentación

24.2 Características de un amplificador operacional

24.3 Importación de subcircuitos de terceros

24.4 Aplicaciones de un amplificador operacional

24.4.1 Amplificador inversor

24.4.2 Amplificador no inversor

24.4.3 Comparador

24.4.4 Mezclador

24.4.5 Filtros activos

24.4.5.1 Filtro paso bajo

24.4.5.2 Filtro paso alto

24.4.5.3 Filtro paso banda

25. ANÁLISIS DE LA FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA EN CONTINUA

26. OSCILADORES

26.1 Osciladores de realimentación

26.1.1 Oscilador de Colpitts

26.1.2 Oscilador RC

26.2 Osciladores de relajación

26.2.1 Multivibrador astable

27. TEMPORIZADORES

27.1 Características del NE555

27.2 Modo de funcionamiento monoestable

27.3 Modo de funcionamiento astable

28. EJERCICIOS PRÁCTICOS

28.1 Componentes básicos

28.2 Circuitos

28.2.1 Luces intermitentes

28.2.2 Luces de encendido secuencial

28.2.3 Detector de mentiras

28.2.4 Control de humedad

28.2.5 Encendido automático de luces

28.2.6 Sensor táctil

28.2.7 Encendido temporizado de luces

28.2.8 Interruptor electrónico

28.2.9 Piano digital

28.2.10 Generador de efectos sonoros

28.2.11 Alarma de incendios

Unidad 1

INTRODUCCIÓN

Si está leyendo este libro, seguro que de pequeño desarmaba sus juguetes electrónicos para ver qué tenían por dentro e investigar cómo funcionaban. Una vez abiertos, le habría parecido milagroso que todo ese amasijo de cables y componentes colocados sobre un circuito impreso pudieran llegar a hacer aquello para lo que fue diseñado. Pero, ni es un milagro, ni es tan complicado como parece. Solo es necesario tener unos conocimientos básicos de electrónica.

De manera formal, la electrónica se define como una rama de la física que se ocupa del comportamiento de los electrones y sus aplicaciones, motivo por el que forma parte de diversas ingenierías. No obstante, para disfrutar con ella no hace falta ser físico o ingeniero. Tan solo es preciso aprender las bases de funcionamiento de los componentes utilizados y el modo de combinarlos en circuitos con los que se pueda conseguir aquello que se desea. Porque, cualquier dispositivo electrónico, por muy complejo que sea, está formado por componentes más sencillos que trabajan conjuntamente.

Por eso, este libro comienza explicando los principios de funcionamiento de los más elementales: las resistencias, los condensadores y las bobinas. Después, se avanzará por el mundo de los semiconductores, estudiando los diodos y los transistores (tanto bipolares como JFET y MOSFET). Por último, se hará una incursión en los circuitos integrados más populares, que no son otra cosa que circuitos electrónicos en miniatura que realizan tareas requeridas comúnmente.

Sin embargo, a la hora de construir un circuito no es suficiente con disponer de los conocimientos teóricos. Si realmente quiere sacar partido a la electrónica deberá contar, al menos, con los componentes que formen parte de sus propios circuitos, así como de un conjunto de instrumentos que le ayuden a comprobar su correcto funcionamiento. Pero, con frecuencia, le faltará alguno de estos componentes (un determinado transistor o circuito integrado, una resistencia o un condensador de un valor concreto, etc.). Puede que sea caro y no se atreva a hacer el desembolso sin estar seguro de que lo que ha diseñado sea correcto. Seguramente, tampoco tenga los instrumentos de laboratorio necesarios para analizar lo que sucede en cada parte del circuito (una fuente de alimentación, un generador de ondas, un osciloscopio, etc.). Como resultado, si este no se comportara según los esperado, apenas dispondría de los medios que le permitieran descubrir el motivo y solucionarlo, por lo que toda la ilusión puesta en un principio se convertiría en frustración.

Y es ahí donde este libro le proporcionará ayuda de nuevo, enseñándole a utilizar uno de los simuladores de circuitos electrónicos más conocidos. El uso de un simulador contribuirá a superar los impedimentos anteriores, ya que le permitirá diseñar y simular su funcionamiento antes de construirlos. De esta forma, durante la fase de diseño será capaz de utilizar todo tipo de componentes, cambiarlos o modificar sus valores. Los resultados obtenidos tras estas modificaciones se podrán ver de manera inmediata en visores que muestran las formas de onda de las señales existentes en cualquier punto del circuito.

Por lo tanto, el objetivo de este libro es doble: por una parte, enseñar los conocimientos básicos de la electrónica y, por otra, el manejo del simulador LTspice XVII para ponerlos en práctica. Ese es el motivo de que los capítulos en los que se enseñan nociones de electrónica se intercalen con los de manejo del simulador. Se ha querido estructurar el libro así, y no formando dos grandes bloques, con el fin de que pueda aprender practicando.

Aunque todos los capítulos utilizan circuitos de ejemplo que le permitirán practicar con los componentes electrónicos descritos, hay un capítulo final dedicado exclusivamente al desarrollo de prototipos, circuitos físicos (no simulados) con los que podrá aplicar los conocimientos adquiridos. Por poner algún ejemplo, será capaz de crear juegos de luces o sonidos, saber cuándo debe regar las plantas, desarrollar una alarma de incendios o, incluso, un detector de mentiras.

Espero que esta obra sirva para abrirle las puertas al maravilloso mundo de la electrónica de la mano del simulador LTspice XVII.

Unidad 2

MAGNITUDES ELÉCTRICAS BÁSICAS

Aunque se supone al lector familiarizado con los conceptos que se van a describir en este capítulo, se hará un breve repaso de los fundamentos físicos de la electricidad. Se empezará por explicar lo que es el voltaje, la intensidad y la resistencia, magnitudes relacionadas con el flujo de electrones que forman una corriente eléctrica. Por último, se definirá el concepto de potencia, utilizado para medir el consumo de energía de cualquier aparato eléctrico.

El término electricidad procede de la palabra griega ἤλϵκτρον (electrón), que significa ámbar. En la Antigüedad ya se sabía que este mineral podía llegar a atraer pequeños objetos (incluso generar chispas) al frotarlo con lana o piel.

2.1 INTENSIDAD

La corriente eléctrica es un término empleado habitualmente en la vida cotidiana. Cuando un enchufe no funciona se dice que no tiene corriente. Pero ¿qué es realmente la corriente eléctrica? Para contestar a esta pregunta, antes hay que saber que la materia está formada por átomos compuestos de un núcleo (en el que hay protones y neutrones), rodeado por una nube de electrones girando a su alrededor. La fuerza de atracción electromagnética del núcleo (con carga positiva) compensa la fuerza centrífuga que haría que los electrones (con carga negativa) abandonaran el átomo, manteniendo una estructura estable. Para ello, en un átomo debe haber tantos protones como electrones.

Si a un material se le aplicara una fuerza externa suficientemente grande, se podría romper este equilibrio de cargas, haciendo que sus átomos perdieran aquellos electrones más alejados del núcleo (en los que se ejerce menor atracción). A partir de ese momento, el material entraría en un estado de excitación, en el que los átomos que han perdido electrones tratarían de capturar los de sus vecinos para volver a una situación de equilibrio. Estos, a su vez, harían lo mismo con los que estuvieran más próximos a ellos, lo que provocaría una reacción en cadena cuyo resultado desencadenaría una corriente eléctrica.

Cuando la fuerza externa que ha provocado el flujo de electrones es la generada por la carga eléctrica de una batería, estos se verán atraídos hacia el polo positivo, haciendo que la corriente vaya en ese sentido. Su número será el que determine la intensidad, por lo que la forma de medirla es contando la cantidad de electrones que pasan por una sección del material en un tiempo determinado. Cuantos más sean, mayor será la intensidad de dicha corriente.

La corriente eléctrica es un flujo de electrones que se desplaza desde el polo negativo al positivo de una batería. Pero, como históricamente se creía que se movía en sentido opuesto (todavía no se conocía la existencia de los electrones), generalmente se sigue adoptando esa convención.

A título informativo, ya que no se quiere entran en cuestiones físicas, la fórmula utilizada para calcular la intensidad de una corriente eléctrica (en amperios) es:

Sin embargo, en vez del número de electrones (que es muy elevado), se prefiere usar el culombio, que equivale a la carga eléctrica de 6 000 000 000 000 000 000 de electrones. De esta forma, un amperio se define como:

Es decir, un amperio equivale a un flujo de 6*1018 electrones que atraviesan la sección de un material conductor cada segundo.

La unidad de medida de la corriente eléctrica debe su nombre al físico y matemático francés André-Marie Ampère, que formuló la teoría del electromagnetismo.

Habitualmente, en electrónica se utilizan medidas de intensidad de corriente más pequeñas que un amperio, en concreto, el miliamperio (mA) y el microamperio (µA). Representan la milésima y la millonésima parte de un amperio, respectivamente.

De forma gráfica, en la siguiente imagen se aprecian las secciones de un material conductor por las que circulan los electrones, cuyo número determina la intensidad de la corriente eléctrica que lo atraviesa.

La imagen anterior recuerda a una tubería de agua. Por ese motivo, muchas veces se compara la intensidad de una corriente eléctrica con el volumen de agua que fluye por ella. Como verá a continuación, este símil también sirve para explicar los conceptos de voltaje y resistencia.

2.2 VOLTAJE

Para que se produzca una corriente eléctrica, debe existir una fuerza que arrebate los electrones de la capa externa a los átomos de un material. Dicha fuerza podría ser provocada por una carga eléctrica que rompiera el equilibrio existente entre el número de protones y electrones de cada átomo. Cuanto mayor sea dicha carga, o potencial eléctrico, mayor será el número de electrones que abandonen sus átomos y, por lo tanto, la corriente eléctrica que lo atraviese. Este flujo de electrones se desplazará desde donde haya un potencial (carga) más alto, hacia donde sea menor, estableciendo el sentido de la corriente eléctrica.

Volviendo al símil hidráulico, la fuerza que provoca una corriente de agua vendrá dada por la energía potencial del depósito en el que se encuentre, es decir, su altura. Cuanto más alto esté el depósito, más energía potencial tendrá, provocando que la corriente de agua se mueva más deprisa en su bajada. Evidentemente, la altura es un concepto relativo, ya que el plano donde cae el agua también puede estar situado a cierta altura. Por ese motivo, la velocidad a la que baje estará relacionada con la diferencia de alturas, es decir, con la diferencia de potencial entre los extremos de la tubería.

De forma similar, cuanto mayor sea la diferencia de potencial (carga eléctrica) entre los extremos de un material conductor, mayor será la velocidad a la que se muevan los electrones para ir del uno al otro. A dicha diferencia de potencial se la conoce como voltaje y se mide en voltios (símbolo V).

El nombre de esta unidad se puso en honor del físico y químico italiano Alessandro Volta, inventor de la primera batería.

Si recuerda, cuanto más alto es el número de electrones que pasan por unidad de tiempo a través de la sección de un material conductor, mayor es la intensidad de la corriente que lo atraviesa. Por lo tanto, cuanto más grande sea la diferencia de potencial de una pila o batería, mayor será la intensidad de la corriente, ya que los electrones viajarán más deprisa.

2.3 RESISTENCIA

No todos los materiales están formados de átomos que se dejan arrebatar sus electrones con la misma facilidad. En un extremo están los aislantes, que se resisten a que estos salgan de sus órbitas, como la madera, el vidrio o la cerámica. En el otro, los conductores permiten que los electrones fluyan libremente, como los metales y sus aleaciones (especialmente el cobre, utilizado comúnmente en el cableado eléctrico). Entre medias hay infinidad de materiales cuya oposición al paso de la corriente varía entre ambos extremos. Para cuantificar esta propiedad, se crea el concepto de resistencia eléctrica, que se define como la dificultad que muestra un material al paso de la corriente.

Siguiendo con el símil hidráulico, la resistencia vendrá dada por el diámetro de la tubería, ya que cuanto mayor sea esta, menor resistencia opondrá al flujo del agua (podrá transportar más cantidad). La siguiente imagen muestra gráficamente este hecho.

De forma análoga, la resistencia de un conductor será mayor cuanto menor sea su diámetro (sección), tal como se aprecia en la fórmula con la que se calcula:

De la fórmula anterior también se deduce que la resistencia de un cable aumenta con su longitud. La constante ρ es la resistividad del material con el que está construido dicho conductor (por ejemplo, la del cobre es 0.017 a 20 ºC).

La unidad de resistencia es el ohmio (representado por el símbolo Ω). A nivel práctico, esta unidad resulta muy pequeña, por lo que, con frecuencia, se suelen utilizar múltiplos como el kiloohmio (KΩ: mil ohmios) o el megaohmio (MΩ: un millón de ohmios).

El nombre de la unidad de resistencia procede del apellido del físico y matemático alemán Georg Simon Ohm, autor de la ley de Ohm que se describe más adelante.

2.4 POTENCIA

La potencia es la cantidad de energía eléctrica consumida (o generada) por unidad de tiempo. Dicha energía es la que necesita cualquier aparato eléctrico para realizar su trabajo, como, por ejemplo, desplazar una carga en el caso de un motor, amplificar un sonido si se trata de un equipo de música, etc. Cuanta más potencia tenga, más energía consumirá en cada instante de tiempo y mayor será el trabajo que pueda llevar a cabo. Siguiendo con los mismos ejemplos, un motor más potente podría desplazar cargas más pesadas, mientras que un equipo de música sería capaz de generar un volumen sonoro mayor.

La potencia se mide en vatios y se calcula como:

Por lo tanto, si un dispositivo eléctrico que se alimentara con 1 V consumiera 1 A de intensidad, su potencia sería de 1 W.

El nombre de la unidad de potencia fue puesto en honor al ingeniero escocés James Watt, cuyas mejoras realizadas a la máquina de vapor hicieron que esta tecnología fuera la clave de la primera revolución industrial.

Conviene puntualizar que, aunque la fórmula anterior es la que habitualmente se utiliza para la definición de potencia, es estrictamente válida únicamente para corriente continua. Si fuera alterna, solo serviría para aparatos puramente resistivos, como una bombilla o un radiador eléctrico; tomando, eso sí, el valor eficaz de la intensidad y el voltaje (concepto que estudiará más adelante). Cuando el circuito contenga elementos capacitivos o inductivos (por ejemplo, un motor), dicho cálculo ya no sería correcto, porque, como comprobará con posterioridad, deberá tenerse en cuenta el desfase provocado por dichos componentes entre las formas de onda de la corriente y el voltaje. Cuando simule el comportamiento de sus primeros circuitos, compuestos de bobinas y/o condensadores, terminará de entenderlo.

Para poner en valor esta magnitud eléctrica, si alguna vez ha tenido la curiosidad de entender los conceptos por los que se factura la luz, habrá visto dos relacionados con la potencia:

• Potencia contratada.

• Consumo realizado.

La potencia contratada se paga por kW (1 kW son 1000 W) y representa la potencia máxima que la compañía se compromete a suministrarle. Usted podrá conectar simultáneamente tantos aparatos eléctricos como quiera, hasta llegar a dicho límite. Una vez superado, saltaría el interruptor de control de potencia (ICP).

En cambio, el consumo eléctrico se paga por kWh (kilovatio hora). Se mide así porque representa la energía eléctrica utilizada, que se calcula como:

Por ese motivo, 1 kWh es la energía correspondiente a 1 kW de potencia durante 1 hora.

En física, la energía se mide en julios. Un julio es un vatio consumido en un segundo (1 Ws). Por lo tanto, 1 kWh son 3 600 000 julios.

Unidad 3

CORRIENTE CONTINUA Y CORRIENTE ALTERNA

Hasta ahora, cuando se hablaba de intensidad o voltaje se ha supuesto que este tenía un valor constante a lo largo del tiempo, como la procedente de una pila o batería. Sin embargo, como ya sabe, los aparatos domésticos funcionan con corriente alterna. A priori, parece mucho más sencillo trabajar con corriente continua. Entonces, ¿por qué en nuestros hogares solo disponemos de corriente alterna? Porque es la forma en la que la generan los alternadores y, sobre todo, porque es más fácil de transportar. Este último aspecto quizá sea el que más haya pesado a la hora de decantarse por la corriente alterna, ya que las pérdidas de energía eléctrica producidas durante su traslado desde donde se genera hasta donde se consume son menores que en el caso de la corriente continua. Veamos el motivo.

Para llevar la energía eléctrica de un lugar a otro hay que establecer un flujo de electrones que, durante el camino, impactan con los átomos del material conductor, convirtiendo esta energía cinética (movimiento) en calor. Es lo que se conoce como el efecto Joule. Para calcular el calor generado se utiliza la fórmula:

La intensidad viene dada en amperios, la resistencia en ohmios y el tiempo en segundos. La cantidad de calor obtenida corresponde a calorías.

Este calor generado es la causa de la pérdida de energía eléctrica que se produce en su transporte al destino donde debe consumirse. Entonces, ¿cómo se podría disminuir este efecto, ya que no es posible evitarlo? A simple vista, se observa que el componente de la fórmula que tiene más influencia es la intensidad de la corriente, ya que su valor está elevado al cuadrado. Así pues, disminuyendo la intensidad, se conseguiría que el calor generado fuera mucho menor. En consecuencia, el reto estaría en transmitir la misma cantidad de energía eléctrica con la mínima intensidad.

Observando la fórmula anterior, es evidente que la resistencia del cable también deberá ser lo menor posible. Aquí se tendrá que llegar a un equilibrio entre su valor y el coste del material.

Para resolverlo, recuerde que la energía es el producto de la potencia por el tiempo:

Y que la potencia se define como:

Por lo tanto, a igualdad de potencia, cuanto mayor sea el voltaje, menor tendría que ser la intensidad. De ahí que, si se aumentara el voltaje a miles de voltios con un transformador, se disminuiría la corriente en la misma proporción. Eso se traduciría en un flujo de electrones muy pequeño que disminuiría drásticamente la pérdida de energía eléctrica convertida en calor a lo largo del trayecto que tiene que recorrer. En consecuencia, como dicha energía no se malgasta calentando el cable, casi toda llegaría a su destino. Posteriormente, solo quedaría utilizar otro transformador para bajar la tensión a la utilizada normalmente en las casas.

Como pronto descubrirá, los transformadores no funcionan con corriente continua, por lo que, para elevar la tensión a miles de voltios deberá trabajarse con corriente alterna.

Fue famoso el enfrentamiento entre Nikola Tesla (considerado como el padre de la electricidad tal como la conocemos hoy en día) y Thomas Alba Edison (inventor, entre otros, de la bombilla incandescente) debido a que este último defendía el transporte de la corriente continua. Ambos protagonizaron lo que los periódicos de la época denominaron “La Guerra de las Corrientes”.

Si bien la corriente continua fluye de manera estable en una sola dirección a lo largo del tiempo, la alterna cambia su valor y dirección con el tiempo de forma cíclica. En concreto, adopta una forma senoidal como la que puede ver a continuación.

Dicha forma se debe a que la corriente se genera por el giro de un rotor dentro de un alternador, en el que cada vuelta produce una onda completa (ciclo).

En una primera observación se puede ver que las ondas se repiten en un intervalo de tiempo constante, llamado periodo (se representa con el símbolo T), que se mide en segundos. En el ejemplo mostrado en la figura anterior corresponde a un segundo. Sin embargo, para especificar la rapidez con la que varía una corriente (intensidad o voltaje) se utiliza el concepto de frecuencia. Su unidad de medida es el hercio (Hz) y representa una onda que completa su ciclo en un segundo (como la de la imagen anterior). Cuando se habla de la frecuencia y del periodo realmente se hace referencia al mismo concepto desde dos puntos de vista diferentes. Tanto es así, que uno es el inverso del otro:

El nombre de esta magnitud procede del físico alemán Heinrich Rudolf Hertz, entre cuyos descubrimientos se incluye el de las ondas de radio.

Otro concepto importante es el de la amplitud, entendido como el valor más alejado del punto de equilibrio o medio de la onda. Se trata del valor pico y, como puede comprobar en la imagen utilizada de ejemplo, este puede ser positivo o negativo. En concreto, dicha imagen muestra una onda senoidal de 1 V de amplitud (de pico) y 2 V desde punto más alto al más bajo (de pico a pico), es decir, 2 Vpp.

Entonces, cuando se dice que en casa disponemos de una tensión alterna de 220 V, ¿este valor es el de su amplitud? La respuesta es no, porque dicho voltaje se refiere al valor eficaz, que es el que tendría una continua que produjera la misma cantidad de calor al atravesar una misma resistencia durante el mismo tiempo. Es lo que se conoce como voltaje RMS (Root Mean Square: raíz cuadrada media o media cuadrática) y se calcula así:

Aplicando esta fórmula, la amplitud del voltaje que llega a los enchufes de nuestras casas es aproximadamente de 311 V (622 Vpp):

Esta misma fórmula también es aplicable a la intensidad de la corriente, por lo tanto:

Estas fórmulas son válidas únicamente para voltajes e intensidades senoidales. Como verá más adelante, existen diferentes tipos de formas de ondas.

La siguiente imagen muestra en azul el voltaje presente en los enchufes de casa y, en rojo, el valor eficaz equivalente.

La imagen anterior ha sido tomada de LTspice. Más adelante sabrá cómo obtenerla. Como puede observar, el intervalo de tiempo analizado es de 20 ms (0.02 s), el periodo de una onda de 50 Hz. Este valor fue elegido para mostrar en el visor un solo ciclo.

La tensión RMS se muestra como una línea horizontal porque corresponde a una corriente continua (no varía en el tiempo).

Además del valor eficaz, tanto la tensión como la intensidad se caracterizan por tener un valor medio. Este se define como la media aritmética de todos los valores instantáneos de tensión (o intensidad), medidos en un cierto intervalo de tiempo. En el caso de una corriente alterna senoidal será 0 en un ciclo, ya que los valores del semiciclo positivo anulan los del semiciclo negativo.

La potencia media es la que se transforma en calor y/o trabajo y se calcula con la misma fórmula empleada para corriente continua, pero utilizando valores RMS.

Considerando que la amplitud de la tensión o la intensidad es su valor pico, dicha fórmula quedaría como:

La fórmula de cálculo de la potencia anterior solo es válida en circuitos resistivos puros, es decir, aquellos en los que no hay condensadores ni bobinas. Lo más habitual es que se encuentre con circuitos mixtos, por lo que más adelante se introducirán los conceptos de potencia activa, potencia reactiva y potencia aparente.

Unidad 4

COMPONENTES ELEMENTALES DE UN CIRCUITO

Los circuitos electrónicos se construyen con infinidad de componentes, de los cuales hay tres que son básicos. Se trata de las resistencias, los condensadores y las bobinas inductoras. En los siguientes apartados se estudiarán todos ellos, sus principales características, los tipos que hay, etc. Su conocimiento es imprescindible para afrontar cualquier diseño, por muy básico que este sea.

4.1 RESISTENCIAS

En el capítulo anterior, la resistencia se describía como la oposición ofrecida por un material al paso de la corriente eléctrica, pero también es el nombre que se da a un componente cuya función es limitar la intensidad de corriente entre dos puntos de un circuito.

Los símbolos comúnmente utilizados para representar una resistencia son los siguientes:

Una resistencia se caracteriza por:

• Su valor (en ohmios).

• La tolerancia, entendida como el porcentaje de error entre el valor indicado en el componente y el real.

• La potencia disipada (en vatios).

Aunque existen diferentes técnicas de construcción de resistencias, normalmente trabajará con las de película de carbón. Tiene la forma de un pequeño cilindro con dos terminales en sus extremos. Su valor se muestra como una serie de franjas que siguen un código de colores. Por lo general suelen tener cuatro, las tres primeras especifican su valor y la cuarta la tolerancia. La siguiente imagen muestra su aspecto.

Además de resistencias de película de carbón, también las hay de película metálica, bobinadas, etc. Las más pequeñas de todas son las SMD (Surface Mounted Device: dispositivo de montaje superficial), que tienen forma rectangular, en cuyos extremos hay un área metalizada que se suelda directamente al circuito impreso.

Cada color representa un número según la tabla siguiente.

Las bandas se interpretan de izquierda a derecha. Para saber el orden en el que se deben leer, la última (aquella que representa la tolerancia) está algo más separada del resto. El color de las dos primeras bandas son los dos primeros dígitos con los que se compone el valor de la resistencia. El de la tercera es el número de ceros que se tendrá que añadir a continuación. La siguiente imagen muestra un par de ejemplos.

Las dos primeras bandas de la resistencia de la izquierda son de color rojo (código 2), por lo que su valor empieza por 22. Como la siguiente franja es de color marrón (código 1) se añade un cero a continuación. Por lo tanto, el valor de la resistencia es de 220 Ω. En el caso de la resistencia de la derecha, la primera banda es de color marrón (código 1) y la segunda negra (código 0), por lo que el valor de la resistencia empieza por 10. La tercera franja es de color rojo (código 2), de ahí que se añaden dos ceros al número de dos dígitos anterior, quedando finalmente un valor de 1000 Ω, es decir, 1 KΩ. En ambos casos, como la última franja es de color oro, su tolerancia es del 5%.

Si la resistencia tuviera pintadas cinco bandas de color, en vez de cuatro, el código de colores sería el mismo, solo que ahora, las tres primeras bandas corresponderían a los tres primeros dígitos del valor de la resistencia y la cuarta sería el multiplicador (número de ceros que se añaden a continuación). Naturalmente, la última franja seguiría siendo la tolerancia.

El segundo dato que caracteriza a una resistencia es la tolerancia. Esta determina el margen de valores entre los que se puede encontrar una resistencia respecto del teórico para el que fue construida. Su necesidad deriva de que, dependiendo del proceso de fabricación, dicho valor será más o menos preciso (y su precio más o menos caro). La tolerancia se mide como un porcentaje del valor marcado en la resistencia. El valor real estará comprendido en un intervalo por encima y por debajo de dicho porcentaje. Por ejemplo, si en el ejemplo anterior la resistencia de 1 KΩ tenía una tolerancia del 5%, su valor estará comprendido entre 950 Ω y 1050 Ω, tal como se calcula a continuación:

Los valores de tolerancia que se encontrará más frecuentemente son el 5% y el 10%.

Como seguramente habrá supuesto, en el mercado no se venden resistencias de cualquier valor sino las pertenecientes a una serie de valores prestablecido. El número de valores de cada serie viene determinado por la tolerancia. Cuanto menor sea esta, como el margen de error es más pequeño, mayor será este número de valores permitidos (se pueden producir con mayor precisión). Por eso, existen las siguientes series:

• E6. Tolerancia del 20%

• E12. Tolerancia del 10%

• E24. Tolerancia del 5%

• E48. Tolerancia del 2%

• E96. Tolerancia del 1%

• E192. Tolerancia del 0.5%

Así, por ejemplo, en la serie E6 los valores posibles de las resistencias son:

1.0 1.5 2.2 3.3 4.7 6.8

En cambio, los valores de la serie E24 (la más común) son:

1.0 1.1 1.2 1.3 1.5 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.7 3.0

3.3 3.6 3.9 4.3 4.7 5.1 5.6 6.2 6.8 7.5 8.2 9.1

En todos los casos, dichos valores pueden ser Ω, KΩ o MΩ. Es decir, el primer valor de la serie indica que se pueden adquirir resistencias de 1 Ω, 1 KΩ o 1 MΩ.

Si quiere conocer todos los valores disponibles en cada una de las series, visite https://en.wikipedia.org/wiki/E_series_of_preferred_numbers

La última de las características de una resistencia es la potencia disipada. Debido al efecto Joule, parte de la energía de la corriente eléctrica que fluye por una resistencia se transforma en calor según la conocida fórmula:

Dicho calor pasa al aire que la rodea a través de toda su superficie de forma que, si el que se genera es menor o igual al disipado, la resistencia trabajará en unas condiciones adecuadas. En caso contrario, se calentará cada vez más, disminuyendo su tiempo de vida y/o dañándola. Por ese motivo, cuanto mayor sea la intensidad de la corriente que la recorra, mayor tendrá que ser su tamaño con el fin de ofrecer mayor superficie por la que se expulse al exterior. En conclusión, el tamaño de la resistencia está estrechamente ligado al de la potencia disipada.

En la siguiente imagen puede apreciar claramente dicha afirmación en dos resistencias de diferentes potencias.

Aunque, generalmente, el calor generado por una resistencia es un efecto indeseado que provoca un consumo de energía inútil, otras veces es el objetivo que se busca, como sucede, por ejemplo, en las resistencias de planchas o radiadores eléctricos.

Los valores de potencia más comunes son los de 1/8 W, ¼ W, ½ W, 1 W y 2 W.

Antes de finalizar este apartado conviene saber que, además de las resistencias que acaba de ver, existen otras cuyo valor se puede modificar a voluntad. A tal efecto, disponen de un eje o, en el caso de los más pequeños, de una ranura por la que se tiene que introducir la punta de un pequeño destornillador para hacerlos girar. Sus formas, por lo tanto, son muy diversas. En la siguiente imagen puede ver dos de ellas.

Los potenciómetros se utilizan para controlar el comportamiento de un circuito, desde el volumen de un equipo de música, pasando por el nivel de luz de una lámpara hasta los mandos de juegos electrónicos, por poner un ejemplo.

Para representarlos se utilizan diversos símbolos, como los que puede ver más adelante.

Internamente, se construyen pegando una película de carbón sobre un soporte por el que se mueve un contacto móvil. La resistencia entre dicho contacto móvil y cualquiera de los otros dos fijos vendrá dado por la distancia que los separe, tal como se aprecia en la siguiente imagen.

Así, en la imagen anterior se observa que el valor de R1, presente entre los contactos 1 y 2, será menor que el de R2, entre los contactos 2 y 3. En cualquier caso, siempre se tiene que cumplir la condición:

Por lo tanto, si girara el potenciómetro completamente hacia la izquierda el valor de R1 sería 0 y el de R2 correspondería al nominal. En el punto medio R1 y R2 serían iguales a la mitad de dicho valor. En el extremo derecho, R2 sería 0 y R1 tomaría el valor nominal.

Como curiosidad, comentar que los joysticks de juegos están formados por dos potenciómetros, uno para cada eje del movimiento.

Existen otro tipo de resistencias, cuyo valor depende de la temperatura ambiente (NTC: Negative Temperature Coefficient o PTC: Positive Temperature Coefficient), de la luz que incida sobre ellas (LDR: Light Dependent Resistor) o de la tensión que se aplique a sus extremos (VDR: Voltage Dependent Resistor). Las dos primeras se emplearán en sendos circuitos prácticos que se describirán en el capítulo final, en concreto, una alarma de incendios y un sistema de encendido automático de luces. Allí se darán más explicaciones sobre su comportamiento.

4.1.1 Asociación de resistencias

En ocasiones, el diseño de un circuito requiere de una resistencia cuyo valor no se fabrica. En esos casos, podrá asociarlas en serie o en paralelo para obtener el que desee. La combinación de resistencias en cualquiera de estas disposiciones se comportará de forma similar a como lo haría una única resistencia cuyo valor sea el equivalente. A continuación, se explica cómo calcular dicho valor.

Empecemos por la asociación de resistencias en serie, en el que estas se conectan como los eslabones de una cadena, por los que la corriente va pasando de una a otra. La siguiente imagen muestra dos resistencias conectadas en serie.

Estas dos resistencias podrían sustituirse por otra equivalente cuyo valor fuera:

Por ejemplo, si el valor de cada una de las resistencias de la imagen anterior fuera de 1 KΩ, ambas podrían sustituirse por otra de 2 KΩ.

Generalizando, cuando se conecta en serie un número n de resistencias, el conjunto se comporta como una única resistencia equivalente de valor:

La otra forma de conectar resistencias es en paralelo, tal como puede ver a continuación.

En este caso, los extremos de las resistencias se conectan entre sí, de forma que el flujo de corriente entra por un extremo, se divide entre ambas y se vuelve a juntar en el otro extremo. En esta nueva disposición, la resistencia equivalente del circuito anterior se calcula según la fórmula:

Al ser solo dos resistencias, dicha fórmula se puede simplificar así:

Por ejemplo, si el valor de cada una de las resistencias de la imagen anterior fuera de 2 KΩ, estas podrían sustituirse por otra de 1 KΩ (la mitad):

Cuando se conectan resistencias en paralelo, el valor de la resistencia equivalente será siempre inferior al de la más pequeña de todas ellas.

Generalizando, cuando se conecta en paralelo un número n de resistencias, el conjunto se comporta como una única resistencia equivalente de valor:

4.2 CONDENSADORES

Un condensador es un componente capaz de almacenar energía. Conceptualmente, está formado de dos láminas conductoras separadas por un material aislante llamado dieléctrico. El símbolo que lo representa es el siguiente.

Su principio de funcionamiento es muy simple. Cuando se le aplica el voltaje de una batería a sus extremos, se establece una corriente que hace que se acumulen electrones en la placa conectada al polo negativo. Estos crean un campo eléctrico que repele los electrones de la otra placa, la cual se carga positivamente. El proceso finaliza cuando el condensador está completamente cargado (no admite la llegada de más electrones), momento en el que cesa la corriente.

La siguiente imagen muestra este proceso gráficamente.

Las corrientes son flujos de electrones en movimiento. Los átomos que los pierden o los ganan se cargan positiva o negativamente, convirtiéndose en lo que se conoce como iones. En ningún caso se desplazan por el conductor como los electrones.

El tiempo que dura este proceso depende de la intensidad de la corriente y de la capacidad del condensador. Recuerde que la intensidad se mide como el número de electrones que atraviesan un conductor por unidad de tiempo. Por lo tanto, cuanto mayor sea esta, antes finalizará el proceso de carga. Por el mismo motivo, cuanta mayor sea la capacidad de un condensador, más tiempo tardará en completar su carga, ya que puede almacenar un mayor número de electrones.

Posteriormente, dicha carga podría devolverse de nuevo al circuito en un proceso inverso de descarga, por el que volvería a perderla. Eso se puede conseguir cambiando la polaridad de la batería conectada al condensador o, simplemente, uniendo sus extremos para que se equilibren las cargas de ambas placas (se anulan entre ellas), tal como se aprecia a continuación.

Más adelante, cuando desarrolle sus primeros circuitos con LTspice, creará uno muy sencillo en el que podrá experimentar con los tiempos de carga y descarga de un condensador conectado a una batería mediante una resistencia. Modificando su valor, podrá controlar la intensidad de la corriente, aumentando o disminuyendo los tiempos de carga y descarga. Eso mismo también podrá hacerlo cambiando el valor de la capacidad del condensador. En la siguiente imagen se puede ver la forma de la curva de carga y descarga.

Como puede observar, la carga se hace rápidamente al principio y luego se ralentiza progresivamente. En el caso de la descarga, esta también se realiza bruscamente al principio, para terminar haciéndolo suavemente.

Aunque un condensador almacene energía eléctrica, no se puede comparar con una batería, ya que esta última es capaz de generarla. Además, la descarga de una batería se lleva a cabo en un tiempo relativamente largo, manteniendo constante su voltaje, mientras que, como acaba de ver, en un condensador se hace bruscamente.

En resumen, los tiempos de carga y descarga dependen de la intensidad de la corriente y la capacidad del condensador. Ya sabe que la corriente se mide en amperios, pero ¿cómo se mide la capacidad de un condensador? De todo lo explicado anteriormente seguramente haya deducido que por el número de electrones que sea capaz de contener o, de una forma más práctica, su carga medida en columbios (recuerde que un culombio representa la carga eléctrica de 6×1018 electrones).

La unidad de capacidad es el faradio (representado por la letra F), que es la correspondiente a un condensador entre cuyas placas hay una diferencia de potencial de 1 voltio cuando su carga es de 1 culombio. Matemáticamente, esto se puede expresar como:

Es muy difícil encontrar condensadores que tengan tanta capacidad, por lo que normalmente utilizará valores mucho más pequeños, como los microfaradios (µF) los nanofaradios (nF) o los picofaradios (pF).

Esta unidad debe su nombre al físico británico Michael Faraday, considerado descubridor de la inducción electromagnética (la estudiará en el siguiente apartado).

De manera general, la cantidad de carga que puede llegar a almacenar un condensador depende de la superficie de las placas y la distancia entre ellas. Cuanto más grande sea su superficie o menor el espesor del dieléctrico, mayor será su capacidad. A título informativo, la capacidad de un condensador se calcula con la siguiente fórmula:

Siendo ϵ una constante que depende del material utilizado como dieléctrico (plástico, mica, papel, etc.).

Tal como ha visto, cuando hay un condensador en un circuito, solo circula corriente a través de él durante el proceso de carga o descarga. Por ese motivo, se puede afirmar que un condensador bloquea la corriente continua. Pero ¿qué pasaría si en vez de a una batería, el condensador se conectara a una corriente alterna? Puesto que esta cambia de signo periódicamente, se produciría un fenómeno de carga y descarga continuo. Si la frecuencia de la corriente alterna fuera lo suficientemente elevado y, por lo tanto, su periodo (T) lo bastante pequeño para que no pudiera completarse la carga y descarga del condensador, este se comportaría como un conductor, ya que la corriente estaría circulando por él en todo momento. La siguiente imagen muestra gráficamente el flujo ininterrumpido de dicha corriente, derivado del hecho de que el condensador no llega a cargarse y descargarse por completo cuando la corriente cambia de sentido. No olvide que cuando un condensador está completamente cargado o descargado cesa el flujo de corriente.

Como se acaba de comentar, a frecuencias elevadas un condensador se comportaría como un conductor. Según esta fuera bajando, disminuiría el flujo de corriente, ya que aumentaría el tiempo en el que el condensador estaría completamente cargado o descargado (durante ese tiempo no hay corriente). Por el mismo motivo, cuanto más pequeña sea la capacidad de un condensador, este se cargará y descargará en menos tiempo, provocando el mismo efecto.

Como, precisamente, lo que hace una resistencia es limitar la intensidad de la corriente en un circuito, se puede concluir que, para corrientes alternas, un condensador se comporta igual que una resistencia, dejando pasar más o menos intensidad, en función de su capacidad y la frecuencia de la corriente. A dicha resistencia se la conoce con el nombre de reactancia y se representa con el símbolo Xc. Su valor se calcula como:

En dicha fórmula puede observar claramente cómo disminuye la reactancia del condensador cuando aumenta la frecuencia o su capacidad, ya que permite un flujo de corriente mayor.

Aunque los condensadores se representen como dos placas separadas por un dieléctrico, los procesos de fabricación de estos son muy diversos, dando lugar a diferentes tipos dependiendo de los materiales utilizados en su construcción. Así, por ejemplo, están los cerámicos, de pequeño tamaño y forma de lenteja (son los que aparecen en la imagen inferior); los de papel, de forma cilíndrica, dentro del que se enrollan dos delgadas láminas de aluminio (serían las placas) separadas por dicho material; los de mica, que intercalan placas de aluminio o cobre con finas láminas de mica; o los de plástico, que utilizan poliéster como dieléctrico.

Un tipo de condensador especial es el electrolítico, formado por dos láminas de aluminio, entre las cuales se coloca una de papel empapado en una sustancia gelatinosa (electrolito). Al hacer circular una corriente a través de él, se produce un fenómeno electroquímico que hace que se cree una capa de óxido sobre la lámina conectada al polo positivo, que actúa como dieléctrico. Dicha lámina sería una de las placas de condensador. La conectada al polo negativo actúa únicamente de terminal de conexión del electrolito, que realmente sería la otra placa del condensador. Debido al diminuto espesor del dieléctrico (inferior a diez micras), se consiguen capacidades muy superiores al de otros tipos de condensadores. Por ese motivo, son los utilizados mayoritariamente a partir de 0.5 µF.

Existen diferentes símbolos para representar un condensador electrolítico, en los que se diferencia claramente cuál es el polo positivo. Eso es debido a que los condensadores electrolíticos, a diferencia del resto, tienen una polaridad que hay que respetar. De lo contrario, podrían dañarse al perforar la capa de óxido aislante que hace de dieléctrico.

Los condensadores fabricados con tántalo (tienen forma de lágrima) consiguen reducir aún más el tamaño de este tipo de condensadores.

Cuando estudió las resistencias, sus principales características eran su valor (en ohmios), la tolerancia y la potencia disipada. Los condensadores comparten las dos primeras, no así la potencia disipada.

En cambio, es muy importante conocer su tensión de trabajo o nominal. Esta se define como aquella a la que puede funcionar de forma continua sin sufrir daños. No debe superarse, ya que tarde o temprano terminaría dañándose. Dicho valor, junto con el de la capacidad, son las dos características que determinan el tamaño del condensador. Cuanto mayores sean, más grande tendrá que ser el condensador para acumular mayor carga o trabajar en voltajes superiores.

La tensión pico o de perforación del dieléctrico es aquella a la que el condensador quedaría destruido de forma inmediata.

Además del valor del condensador (en faradios), su tolerancia y la tensión nominal, también resulta interesante conocer el margen de temperaturas al que pueden trabajar y la resistencia serie equivalente. Esta última representa la resistencia interna del propio condensador al paso de la corriente alterna, que, al limitarla, determinará los tiempos de carga y descarga del condensador. Así, por ejemplo, los condensadores electrolíticos tienen una resistencia mayor que el resto, lo que hace que cueste más tiempo cargarlos o descargarlos, provocando además el calentamiento del mismo (por el efecto Joule).

La resistencia interna equivalente se identifica por el acrónimo ESR (Equivalent Series Resistant: resistencia serie equivalente). Su valor suele darse medido a 100 Hz y se representa como una resistencia en serie con el propio condensador. Cuánto más alto sea el valor de esta resistencia, menor será la eficiencia del condensador.

A diferencia de las resistencias, existen diversas formas de especificar el valor de la capacidad, la tolerancia y el voltaje nominal de un condensador. La más sencilla de todas es la empleada en los condensadores electrolíticos, ya estos datos vienen impresos directamente sobre su superficie. Así, por ejemplo, el de la siguiente imagen tiene una capacidad de 1000 µF y una tensión de trabajo de 35 V. Además, si se fija, la banda gris de la izquierda tiene serigrafiado un signo menos que indica el terminal que corresponde al polo negativo (el más corto).

Los condensadores cerámicos se mueven en un rango de capacidades inferior al de los electrolíticos (entre 10 pF y 100 nF, aproximadamente). Su valor suele especificarse con dos o tres dígitos. Si solo tuviera dos, indicaría directamente el número de pF. Si fueran tres, el último precisaría el número de ceros que habría que añadir a los dos primeros dígitos para obtener su capacidad, de nuevo, en pF.

A modo de ejemplo, en la imagen de la izquierda se puede apreciar un condensador en el que aparece serigrafiado el valor 100. Esto indica que su capacidad es de 10 pF (el tercer dígito indica que no se añade ningún cero después de los dos primeros). El número que aparece en el condensador de la derecha es 104, lo que significa que su capacidad tiene el valor 10 seguido de 4 ceros, es decir, 100 000 pF (100 nF).

También puede ver condensadores marcados con cuatro bandas, cuyos colores se interpretan de la misma forma que las resistencias. De este modo, las dos primeras corresponden a los dos primeros dígitos del valor del condensador, mientras que la tercera indica el número de ceros que hay que añadir a la derecha para obtener su valor en pF. La cuarta es la tolerancia. Incluso, podría existir una quinta banda que especificara la tensión de trabajo del condensador.

Al igual que había resistencias variables, también existen condensadores variables. Se utilizan generalmente para ajustar la frecuencia de circuitos resonantes. Por ejemplo, cuando se sintoniza una emisora de radio, lo que está haciendo es modificar la capacidad de un condensador variable.

De forma análoga a las resistencias variables, algunos disponen de un eje al que se puede acoplar un mando con el que pueda manejarlo un usuario. Los que se utilizan de forma esporádica para el ajuste de circuitos suelen ser de menor tamaño, y se giran utilizando un pequeño destornillador. Se les conoce con el nombre de trimmers o padders. La siguiente imagen muestra el símbolo con el que se representan.

Para finalizar, la siguiente imagen muestra de forma esquemática el principio de funcionamiento de un condensador variable. Este dispone de una placa fija y otra móvil unida a un eje con el que se gira. En función del ángulo en el que se encuentre, el tamaño de la superficie que enfrenta ambas placas será mayor o menor, aumentando o disminuyendo su capacidad. Por ese motivo, el condensador de la izquierda tendría más capacidad que el de la derecha, ya que el área de solapamiento de ambas placas es mayor.

4.2.1 Asociación de condensadores

Al igual que las resistencias, los condensadores también se pueden conectar en serie o en paralelo. Veamos el primer caso, en el que hay n condensadores conectados en serie, tal como se muestra en la siguiente imagen.

Dicho circuito podría sustituirse por un único condensador cuya capacidad equivalente fuera:

Observe que esta fórmula es la misma que se utiliza para la asociación de resistencias en paralelo.

De este modo, aplicando la fórmula simplificada para dos condensadores de 10 µF, el valor del condensador equivalente sería de 5 µF (la mitad).

En esta otra imagen, los condensadores se han conectado en paralelo.

Dicho circuito podría sustituirse por otro en el que hubiera un único condensador cuya capacidad fuera:

Esta fórmula corresponde a la utilizada en la asociación de resistencias en serie. Por lo tanto, se invierten los escenarios.

Así, por ejemplo, dos condensadores de 10 µF conectados en paralelo equivaldrían a otro de 20 µF.

4.3 BOBINAS

Las bobinas inductoras, al igual que los condensadores, son componentes capaces de almacenar energía, aunque, como verá a continuación, su comportamiento eléctrico es completamente opuesto, ya que este tipo de componentes se opone al paso de la corriente alterna. El símbolo con el que se representan es el siguiente:

Para entender cómo funcionan, antes es necesario tener unos conocimientos básicos de electromagnetismo (área de la física que estudia las relaciones entre magnetismo y electricidad) y, en concreto:

• La inducción magnética

• La inducción electromagnética

• La inducción mutua

• La autoinducción

Lo primero que tiene que saber para entender el funcionamiento de una bobina, es que una corriente eléctrica puede convertirse en un campo magnético. Este fenómeno, conocido como inducción magnética, fue descubierto por el físico danés Oersted de forma fortuita al observar cómo se desviaba la aguja de una brújula situada cerca de un conductor por el que circulaba una corriente. Este mismo efecto también se puede observar atravesando con un conductor una cartulina sobre la que se han extendido limaduras de hierro. Al conectar una batería a sus extremos, comprobará que las limaduras se disponen formando círculos concéntricos a su alrededor.

Para hacer más patentes los efectos de la inducción magnética, tome un conductor más largo y enróllelo en espiral alrededor de un armazón cilíndrico hueco (cuantas más espiras tenga, mejor). Habrá construido un solenoide que, al ser recorrido por una corriente eléctrica, se comportará como un imán, con un polo norte en un extremo y un polo sur en el otro.

El cable utilizado para crear las espiras deberá estar esmaltado. De lo contrario, estas quedarían cortocircuitadas.

Si dicho armazón no fuera hueco, sino sólido, y estuviera hecho de un material como el hierro, este adquiriría las propiedades magnéticas del solenoide. Como la permeabilidad magnética de este material es mayor que la del aire, este concentra las líneas de fuerza del campo magnético, haciendo aún más patentes sus efectos. Habría transformado el solenoide en un electroimán.

Si la corriente eléctrica puede generar un campo magnético, también se da el fenómeno inverso, es decir, un campo magnético puede producir una corriente eléctrica. Es lo que se conoce como inducción electromagnética. Este fenómeno, descubierto por Faraday, se puede observar moviendo un conductor dentro de un campo magnético, en el que se genera una diferencia de potencia entre sus extremos. Si en vez de un conductor, lo que se moviera fuera una bobina, se conseguiría aumentar considerablemente la fuerza electromotriz generada en sus extremos. Este principio es en el que se basan los generadores que producen la corriente eléctrica consumida en nuestras casas, los cuales utilizan energía hidráulica, eólica, térmica, nuclear, etc., para hacer girar unas turbinas conectadas a dichos generadores (compuestos por grandes bobinas que giran dentro de unos campos magnéticos) cuyo movimiento se convierte en electricidad.

Ahora imagine que la bobina no se mueve y que el campo magnético tampoco lo produce un imán permanente sino otra bobina cercana por la que se hace pasar una corriente alterna. En esa situación, el campo magnético generado por esta segunda bobina estaría cambiando constantemente, provocando el mismo efecto que un imán en movimiento. Este fenómeno, conocido como inducción mutua, es la base del funcionamiento de los transformadores, en los que se hace pasar una corriente alterna por una bobina (primario) para generar una fuerza electromotriz en una segunda bobina (secundario).

El último concepto que queda por explicar es la autoinducción, que es precisamente al que se quería llegar, ya que es el causante de que una bobina, al contrario de lo que hace un condensador, deje circular la corriente continua, pero se oponga al paso de la corriente alterna. Para entender este fenómeno, recuerde que, cuando una bobina es atravesada por una corriente eléctrica, genera un campo magnético. Dicho campo induce, a su vez, una corriente en la misma bobina, pero de sentido contrario. Este fenómeno se produce con más intensidad cuanto más numerosas y más juntas estén las espiras de la bobina. Pero también cuanto mayor sea la rapidez (frecuencia) con la que varía el campo magnético inducido. Por eso, si lo que se aplica a la bobina no es una corriente continua, sino alterna, esta dejará de comportarse como un conductor para empezar a ofrecer resistencia, ya que la corriente inducida contrarresta la aplicada a sus extremos. Si la frecuencia fuera suficientemente alta, ambas corrientes se anularían y la bobina se comportaría como un aislante.

Para medir los efectos de la autoinducción de una bobina, es decir, su capacidad para oponerse al paso de una corriente alterna, se utiliza el concepto de inductancia (se representa por la letra L), que se mide en henrios (su símbolo es H). Formalmente, un henrio se define como la inductancia eléctrica de un circuito cerrado en el que se produce una fuerza electromotriz de 1 voltio, cuando la corriente eléctrica que lo recorre varía uniformemente a razón de 1 amperio por segundo.

El nombre de la unidad con el que se mide la inductancia fue puesto en honor al físico estadounidense Joseph Henry por sus trabajos en electromagnetismo. Como curiosidad, indicar que creyó haber descubierto la inducción electromagnética, aunque luego averiguó que Faraday se le había adelantado.

Al igual que sucedía con los faradios, los henrios representan en la práctica un valor muy grande, por lo que generalmente se utilizan divisores como los milihenrios (mH) y los microhenrios (µH).

Por lo tanto, una bobina se comporta como una resistencia cuando es atravesada por una corriente alterna. A dicha resistencia, al igual que sucedía en los condensadores, se la conoce con el nombre de reactancia, aunque en este caso su símbolo es XL y se calcula como:

Como habrá observado, la fórmula de la reactancia de una bobina es justo la inversa de un condensador, ya que cuanto mayor sea la inductancia y la frecuencia de la bobina, más resistencia opondrá al paso de la corriente.

Aunque los condensadores y las bobinas se comportan de forma opuesta cuando se conectan a una corriente alterna, ambos tienen en común su capacidad de almacenar energía. Si en el caso de los condensadores era mediante la carga eléctrica contenida en sus placas, en las bobinas es por el campo magnético generado. Una vez que se deja de suministrar energía a la bobina, esta la devuelve de nuevo al circuito, provocando descargas que incluso podrían dañarlo. Por ese motivo, cuando se diseñan circuitos en los que haya bobinas, como, por ejemplo, aquellos en los que se trabaja con motores o con relés, se tienen que adoptar las medidas de protección adecuadas.

Las bobinas se construyen de diferentes formas y tamaños. En la siguiente imagen puede ver algunas de ellas.

Aunque su aspecto puede ser diferente, todas se construyen enrollando un cable en un soporte. Dicho cable tendrá una resistencia, que será mayor cuanto más fino y más largo sea (más espiras tenga la bobina). Por lo tanto, en la práctica no existen bobinas ideales, sino la combinación de una bobina en serie con una resistencia. Aunque esta sea pequeña, deberá tenerse en cuenta en el diseño de determinados circuitos, ya que es un factor que limita la intensidad de la corriente que puede llegar a atravesarla.

Además de una resistencia en serie, la construcción de bobinas también provoca la indeseada presencia de un condensador parásito en paralelo por el que podrían pasar frecuencias suficientemente altas, cuando lo que se esperaba es que las bloqueara. Dicha capacidad se forma entre las espiras de la bobina, cuyo dieléctrico sería el esmalte que las recubre. Por lo tanto, en circuitos de alta frecuencia será un aspecto a tener en cuenta para un funcionamiento estable del circuito.

4.3.1 Asociación de bobinas

Las bobinas, al igual que las resistencias y los condensadores, también se pueden conectar en serie o en paralelo. La siguiente imagen corresponde al primer tipo de asociación, en la que se muestran n bobinas inductoras conectadas en serie.

Cuando las bobinas se conectan de esta forma, es como si se sumaran las espiras de cada una de ellas, por lo que la inductancia equivalente sería la suma de todas ellas:

Dicha ecuación es válida siempre que las bobinas no estén acopladas magnéticamente (los campos magnéticos que generan no interfieren entre sí). De no ser así, la fórmula tendría como factor adicional el valor de la inductancia mutua entre ellas.

Por ejemplo, si se tuviera dos inductancias de 50 mH conectadas en serie, ambas equivaldrían a otra de 100 mH.

La siguiente imagen muestra estas mismas bobinas conectadas en paralelo.

Si las bobinas inductoras están conectadas en paralelo, la inductancia equivalente se calcula igual que el caso de las resistencias:

De nuevo, esta fórmula solo es válida cuando no hay inductancia mutua entre bobinas, es decir, no existe interacción entre sus campos magnéticos.