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TransistoresPor qué aparecieron los

Transistores

Asociación deResistencias

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Asociación deResistencias

CAPACITORESCAPACITORES

EnciclopediaEnciclopediaVVisualisualde lade laElectrónicaElectrónica

INDICE DEL

CAPITULO 4ASOCIACION DE RESISTORES, ASOCIACIONDE PILAS, POTENCIA ELECTRICAAsociación de resistores...............................51Asociación de pilas ......................................52Potencia eléctrica ........................................52Cálculo de potencia....................................54Aplicación de la ley de Joule .....................54Potencia y resistencia...................................54

CAPACITORESLa capacidad ...............................................55Capacitores planos ......................................56La energía almacenada en un capacitor .........57Los capacitores en la práctica...................57Asociación de capacitores .........................57Capacitores de papel y aceite..................58El problema de la aislación .........................58Capacitores de poliéster y policarbonato...........58Capacitores de poliestireno ........................59Capacitores cerámicos ...............................59

Capacitores electrolíticos ............................59Capacitores variables y ajustables.............60Dónde usar los trimmers ...............................60Tensión de trabajo ........................................60Capacitores variables ..................................61Banda de valores..........................................61

POR QUE APARECIERON LOS TRANSISTORESComienza la revolución digital ...................61En el principio fue la válvula de vacío.......61Surge el transistor ..........................................62¿Qué es en realidad un semiconductor? ..........62Principio de operación de un transistor .....62Transistores contenidos en obleas de silicio63Surgen los microprocesadores ....................63Familias MOS y MOSFET ................................64Transistores de altas potencias....................64Futuro del transistor .......................................64

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ASOCIACIÓN DE RESISTORES

A los fines de simplificar cir-cuitos electrónicos es necesarioconocer las características delas diferentes combinaciones deresistores para establecer com-ponentes equivalentes. Se diceque dos o más resistores estánen serie cuando por ellos circulala misma corriente, de maneraque no debe haber ninguna de-rivación en el camino que origi-ne un cambio en la intensidadde la corriente que circula porellos. En la figura 1, los resistoresR1, R2 y R3 están en serie.

Resistencia equivalente: esuna resistencia que puedereemplazar a las del circuito, sinque se modifiquen los paráme-tros del mismo. Para calcular laresistencia equivalente de dos omás resistores en serie, simple-mente se suman sus valores. Enel caso anterior, la resistenciaequivalente es:

Re = 100Ω + 120Ω + 100Ω = 320Ω.

En general, para resistores enserie, la resistencia equivalente es:

Req = R1 + R2 + R3 + ...

Se dice que dos o más resis-tores están conectados en para-lelo cuando soportan la mismatensión eléctrica, y eso implicaque los resistores estén conecta-dos a puntos comunes. Porejemplo, en la figura 2, R1, R2 yR3 están en paralelo porque lostres soportan la misma tensión(3V). Para calcular la resistenciaequivalente, usamos la siguientefórmula:

R1 . R2Req = _____________

R1 + R2que sirve para dos resistores; lue-go, se vuelve a aplicar al tercerresistor con la resistencia equiva-lente de los dos resistores ante-

riores y, así, sucesivamente, has-ta terminar con el último resistor.

Para el caso de la figura re-sulta, tomando a R1 y R2, lo si-guiente:

6Ω . 6Ω 36ΩReq1-2 = ___________ = ______ =

6Ω + 6Ω 12Ω

Req1-2 = 3Ω

Req1-2 . R3Req = _________________ =

Req1-2 + R3

3Ω . 3Ω 9Req = __________ = ______ =

3Ω + 3Ω 6

Req = 1,5Ω

Veamos algunos casos deaplicación; para ello sea el cir-cuito de la figura 3, y se deseacalcular su resistencia equiva-lente. Evidentemente, R1 no estáen serie con R2 ni con R3 debidoa la derivación en A, pero R2 yR3 están en paralelo pues estánsoldados en A y en B; por lo tan-to, hallamos la Req de R2 y R3con la fórmula dada anterior-mente:

120Ω x 40ΩReq 2-3 = _________ =

120Ω + 40Ω

4800Req 2-3 = ______ = 30Ω

160

Luego, el circuito queda co-mo lo muestra la figura 4. Se veclaramente que ambos resisto-res están en serie, por lo cual:

Req= 10Ω + 30Ω = 40Ω

En la figura 5 se tiene otro cir-cuito eléctrico del cual se deseacalcular la resistencia equivalen-

Capítulo 4

51

Capítulo 4

Asociación de Resistencias - Capacitores

Fig. 1

Fig. 2

Fig. 3

Fig. 4

Fig. 5

Fig. 6

te. Observando la figura, con-cluimos que R1 y R2 están en pa-ralelo, así como R4 y R5; sus res-pectivas resistencias equivalen-tes son:

60Ω . 60ΩR1 - 2 = __________ = 30Ω

60Ω + 60Ω

20Ω . 40Ω 800ΩR4-5 = _________ = ______ = 13,3Ω

20Ω + 40Ω 60Ω

Luego, el circuito se reduceal de la figura 6.

Es fácil notar que los 3 resisto-res están en serie (figura 7), y, enconsecuencia, su resistenciaequivalente será:

Req = 30 + 20 + 13,3 = 63,3Ω

Debemos, ahora, calcular laresistencia equivalente del cir-cuito de la figura 7. Hallar la Reqde la combinación de resistoresencerrada por la línea puntea-da. Observando el circuito ve-mos que R3 y R4 están en serie,ya que por ellos circula la mismacorriente y entre ellos no hay nin-guna derivación. R1 no está en

serie con R2 ni con R3 o R4 debi-do a que existe una derivación.Por el momento, calculamos laReq de R3 y R4:

R3-4 = 60 + 30 = 90Ω

ASOCIACI N DE PILAS

En muchas oportunidades ne-cesitamos asociar pilas para co-nectarlas a un aparato electróni-co; así, no es lo mismo conectarpolos negativos entre sí que polosde distinto signo. Por ejemplo, enel caso de una radio que llevacuatro pilas, cuando éstas debenser reemplazadas para poder ob-tener una tensión correcta, lascuatro pilas de 1,5V tienen queestar en serie, con el polo positivohaciendo contacto con el polonegativo de la otra. Así, los dosterminales que quedan libres seconectan al circuito y la tensiónequivalente de las fuentes en se-rie es mayor que la de una sola deellas, tal como muestra la figura 8.

Las pilas pueden estar en serie,pero algunas de ellas pueden co-nectarse al revés; entonces, la ten-sión es la diferencia entre las tensio-nes de las pilas conectadas en for-ma directa y las de las pilas conec-tadas en forma inversa, como ve-mos en la figura 9.

También pueden conectarse enforma paralela a una resistencia decarga y, en tal caso, la corriente to-tal que pasa por ella es la sumatoriade las corrientes que da cada pilaen forma separada. Cuando se co-nectan en forma paralela se tendráespecial cuidado en que la tensiónde las dos sean iguales, de lo con-trario la pila de tensión más alta tra-tará de "empujar" una corriente pormedio de la tensión más baja, y se-rá una corriente que pierde ener-gía, lo que como consecuenciatraerá el deterioro de las pilas, co-mo se ve en la figura número 10.

Una fuente solamente puedeentregar una corriente máxima de-terminada; es por eso que se usandos o más fuentes en paralelo, demanera que si se necesita una co-rriente mayor, se deberá conectardos o más fuentes de tensión en pa-ralelo. El agotamiento de las bate-

rías es más lento, entonces la dura-ción es mayor; vale decir que las"corrientes" de las pilas se suman, se-gún lo mostrado en la figura 11.

Las tensiones de las pilas en opo-sición se restan, tal como observa-mos en la figura 12. La conexión enparalelo solamente es posible si lastensiones de las pilas son iguales, su-madas las corrientes que ellas sumi-nistran (figura 13).

POTENCIA EL CTRICA

Se dice que energía es todoaquello que se mueve, capaz derealizar un trabajo, sin importar cuálfuere. Por lo tanto, todo es energía,es decir, la materia lleva implícita al-guna forma de energía por el solohecho de estar formada por áto-mos en constante movimiento.

En física, el trabajo está relacio-

Asociación de Resistencias - Capacitores

52

Fig. 7

Fig. 8

Fig. 9

Fig. 10

Fig. 11

Fig. 12

Fig. 13

nado con la distancia que recorreuna fuerza para mover un cuerpo.Como ejemplo podemos citar eltrabajo que realiza una fuerza F pa-ra mover un cuerpo M desde unpunto a hasta otro punto b, reco-rriendo una distancia d, de acuerdoa lo mostrado en la figura 14.

El trabajo realizado se calculacómo:

T = F . d

También realiza un trabajo uncuerpo que cae desde una altura hdebido al propio peso P del cuerpoque actúa como fuerza, según semuestra en la figura 15.

El cuerpo, al caer, es aceleradopor la gravedad terrestre y alcanzasu máxima velocidad inmediata-mente antes de chocar contra elsuelo. Además, su velocidad antesde comenzar su caída era nula, loque significa que el cuerpo fue ad-quiriendo una energía como pro-ducto del trabajo realizado por lafuerza (cuerpo) al caer. A esta ener-gía se la denomina Energía Cinética(energía de movimiento) y es laenergía que ha adquirido el cuerpoal realizar un trabajo, o sea:

Trabajo = Energ a Cin tica

matemáticamente:

T = Ec

Como se sabe, la electricidad secompone de electrones en movi-miento, por lo que podemos aplicarun razonamiento análogo al reciénefectuado. Los cuerpos en movi-miento serán, en este caso, electro-nes que poseen una carga eléctri-ca impulsados por una fuerza (fuer-za electromotriz o tensión) que es la

diferencia depotencial apli-cada en losextremos delconductor.

De estamanera, serealizará unTrabajo Eléctri-co debido a laenergía queadquieren loselectrones im-pulsados por

una diferencia de potencial. A laenergía así desarrollada se la deno-mina: Energía Eléctrica, la cual de-pende de la tensión aplicada alconductor y de la cantidad de car-ga transportada, es decir, de lacantidad de electrones en movi-miento. Matemáticamente:

Energ a El ctrica = Tensi n . Carga El ctrica

También:

E = V . Q

Como hemos estudiado en lec-ciones anteriores, la tensión se mideen volt y la carga eléctrica en cou-lomb. De estas dos unidades surgela unidad de la Energía Eléctrica,que se denomina joule y se abreviacon la letra J.

Podemos decir entonces quecuando se aplica a un circuito eléc-trico una tensión de 1V transportán-dose una carga eléctrica de 1C, sepone de manifiesto una energíaeléctrica de 1J.

1J = 1V . 1C

No es lo mismo que esta energíaeléctrica se desarrolle en un tiempode 1s (1 segundo), que en 10s.

Cuanto menor sea eltiempo en que se ha de-sarrollado la misma can-tidad de energía, mayorserá la potencia puestaen juego. Por lo dicho, sedefine Potencia Eléctricacomo la cantidad deenergía eléctrica desa-rrollada dividida por eltiempo en que ha sidodesarrollada dicha ener-gía; matemáticamente:

Trabajo EléctricoPotencia Eléctrica = ________________

tiempo

También:

T V . Q QP = ______ = ______ = V . ( ___ )

t t t

En la fórmula anterior, lo que fi-gura entre paréntesis (Q/t), es el co-ciente entre la carga eléctrica quecircula y el tiempo durante el cual loestá haciendo, lo que simboliza a lacorriente eléctrica I.

Si reemplazamos este conceptoen la fórmula anterior nos queda:

P = V . I (1)

O sea que la potencia eléctricaes el producto de la tensión aplica-da a un circuito multiplicada por lacorriente que por él circula. En otraspalabras, podemos decir que Po-tencia Eléctrica es la cantidad detrabajo que realiza una carga porunidad de tiempo o el trabajo quedesarrolla una carga para venceruna diferencia de potencial.

La unidad de potencia eléctricaes el watt y se la designa con la le-tra W. Podemos decir que en unacarga se desarrolla una potenciade 1W cuando se le aplica una ten-sión de 1V y que por ella circula unacorriente de 1A, tal como muestrala figura 16.

En electrónica de potencia sue-le utilizarse un múltiplo del watt lla-mado kilowatt (kW), que representa1.000W.

En cambio, para la mayoría delos circuitos electrónicos de peque-ña señal, el watt resulta una unidadmuy grande, razón por la cual seemplean submúltiplos como el mili-watt (mW), que corresponde a la

Capítulo 4

53

Fig. 14

Fig. 15

milésima parte del watt, o el micro-watt (µW), que representa a la millo-nésima parte del watt.

1kW = 1.000W1mW = 0,001W1µW = 0, 000001W

Suelen confundirse los concep-tos de potencia y energía eléctrica,especialmente cuando se trata demensurar el consumo eléctrico.

Por ejemplo, una carga de 100Wconsume una energía eléctrica de100J por cada segundo de funcio-namiento. De esta manera, luegode una hora (60s) habrá consumidouna energía igual a:

E = P . t = 100W . 60s = 6.000J

Las compañías de electricidadfacturan a los usuarios la energíaconsumida en un período, es decir,lo hacen en kilowatt-hora (kW-h) yno en joule. De todos modos, el kW-h es una unidad de energía y no depotencia, ya que la energía consu-

mida es el producto dela potencia puesta enjuego durante un tiempodeterminado.

C LCULO DE LA POTEN-CIA

Para calcular la po-tencia eléctrica en cualquier circui-to basta con multiplicar la tensiónaplicada por la corriente que circu-la.

El mismo concepto es aplicablepara cualquier parte constituyentede un circuito siempre que se co-nozcan las tensiones y corrientes co-rrespondientes.

De la fórmula (1) puede obte-nerse el valor de la tensión presen-te en un circuito, o parte de él, si se

conocen la potencia y lacorriente que circula. Des-pejando:

PV = ______

I

Puede calcularse la co-rriente en cualquier partedel circuito, cuando se co-nocen la potencia y la ten-sión aplicada. De la fórmula

(1) se tiene:

PI = _______

V

En la figura 17 se ve el gráfico re-presentativo de la Ley de Joule,que, al igual que lo que ocurre conla Ley de Ohm, permite calcular unparámetro cuando se conocen losotros dos.

APLICACI N DE LA LEY DE JOULE

Se desea calcular la potenciaque consume el resistor de la figura18, sabiendo que la tensión aplica-da es de 12V y la resistencia tieneun valor de 24Ω.

Para resolver el problema prime-ro calculamos la corriente que fluyepor el circuito. Aplicando la ley deOhm tenemos:

V 12VI = _______ = _______ =

R 24Ω

I = 0,5A

luego:P = V . I = 12V . 0,5A = 6W

Si con una tensión de 12V apli-cada a una carga, se desea obte-ner una potencia de 300mW,

¿Cuál debe ser la corriente quedebe circular?.

Del diagrama de la figura 17,como queremos calcular I, la tapa-mos y nos queda:

PI = _______

V

Reemplazando valores, tenien-do en cuenta que 300mW corres-ponden a 0,3W:

0,3WI = _______ = 0,025A

12V

Luego, por el circuito deberá cir-cular una corriente de 25mA ( 25mA= 0,025A ). Si, para el mismo circuito,deseamos conocer ahora cuál es latensión que se debe aplicar paraobtener una potencia de 300mWcuando circula una corriente de100mA, aplicando el diagrama dela figura 17 y reemplazando valores,podemos conocer el valor de dichatensión:

P 300mWV = ______ = _______ =

I 100mA

0,3WV = ______ = 3V

0,1A

POTENCIA Y RESISTENCIA

Analizando el ejemplo que he-mos dado anteriormente, podemoscomprender que muchas veces nosvamos a encontrar con circuitos enlos cuales se conoce la tensión apli-cada y el valor de la resistencia. Deesta manera, en primer lugar debe-mos encontrar el valor de la corrien-te que circula por dicho resistor pa-ra poder efectuar el cálculo de lapotencia. Podemos evitar este pasosabiendo que en un resistor la co-rriente viene dada por:

VI = ______

R

Asociación de Resistencias - Capacitores

54

Fig. 16

Fig. 17

Fig. 18

Luego, reemplazando el valorde la corriente en la fórmula de po-tencia, tenemos:

EP = E . ______

R

De lo cual surge que:

E2P = ______

R

Según lo visto, la potencia quedisipa la carga del circuito de la fi-gura 18 puede calcularse directa-mente, o sea:

E2 12V2 144VP = ______ = ______ = ______ = 6W

R 24Ω 24Ω

Como podemos observar, se ob-tiene el mismo resultado si se aplicaun cálculo directo.

Queremos conocer ahora cuáles la potencia que suministra la ba-tería del circuito de la figura 19; pa-ra ello calculamos primero la resis-tencia total. Teniendo en cuentaque las resistencias están en serie:

R = R1 + R2 = 70Ω + 20Ω = 90Ω

Luego, aplicando la fórmula depotencia para las tensiones, se ob-tiene:

E2 32P = _____ = _________

R 90Ω

9VP = _____ = 0,1W = 100mW

90Ω

Puede ocurrir que en un circuito,o parte de él, se conozca la corrien-te y el valor de la resistencia que po-see la carga; luego, si se desea co-nocer la potencia que maneja di-cha carga y sabiendo que V = I . R,se tiene:

P = V . I = (I . R) . I = I . I . R

P = I2 . R

Se obtiene así una forma más di-recta para calcular la potencia deuna carga cuando se conoce suvalor de resistencia y la corrienteque la atraviesa.

Capítulo 4

55

Fig. 19

CapacitoresINTRODUCCCI N

La tentativa de almacenar elec-tricidad en algún tipo de dispositivoes muy antigua. Se tiene constanciade que en 1745, simultáneamente, enla Catedral de Camin (Alemania) yen la Universidad de Leyden (Holan-da), dos investigadores desarrollarondispositivos cuya finalidad era alma-cenar electricidad o, como se decíaentonces, "condensar" electricidad.La botella de Leyden, como se ve enla figura 1, fue el primer "condensa-dor" y dio origen, por su principio defuncionamiento, a los modernos ca-pacitores (o "condensadores" comotodavía los denominan algunos) utili-zados en aparatos electrónicos. Laestructura de los componentes mo-dernos es muy diferente de la que te-nían los primeros, de 250 años atrás,pero el principio de funcionamientoes el mismo.

LA CAPACIDAD

Para entender cómo un conduc-tor eléctrico puede almacenar elec-tricidad, imaginemos la situación si-guiente que puede ser el tema deuna experiencia práctica:

Al cargar de electricidad un con-ductor esférico, verificamos que lascargas pueden comprimirse más omenos según el diámetro del con-ductor y también según la cantidadque pretendemos colocar en eseconductor.

Eso significa que esa compresiónde las cargas almacenadas se mani-fiesta como potencial V. La carga Qen un conductor de radio R manifies-ta un potencial V.

Si intentamos colocar más cargasen el cuerpo, éstas aumentan el gra-do de compresión y, por consiguien-te, el potencial también debe au-mentar. Se verifica que, independien-temente del radio del conductor, enlas condiciones indicadas existe unaproporcionalidad directa entre lascargas que podemos almacenar y latensión que se manifestará (figura 2).

Si el cuerpo tuviera un radio R y secarga con 0,01 coulomb (unidad decarga), manifestará 100 volt y el mis-mo cuerpo manifestará 200 volt si secarga con 0,02 coulomb. Podemosentonces definir una magnitud llama-da "capacidad" como la relación en-tre la carga almacenada (Q) y la ten-sión a que se encuentra (V). Escribi-mos entonces:

C = Q/V (1)

En estas condiciones, el conduc-tor esférico funciona como "capaci-tor esférico".

La capacidad de almacena-miento de carga depende del radiodel conductor, y este tipo de disposi-tivo no es de los más apropiados pa-ra los usos electrónicos, pero veremosmás adelante cómo hacer algunos

Fig. 1

Fig. 2

cálculos interesantes que lo tienen encuenta. Nos interesa ahora la cons-tancia de la relación Q/V que definela capacidad cuya unidad es el Farad(F). Un capacitor (no necesariamenteesférico) tendrá una capacidad de 1Farad si almacena la carga de 1 Cou-lomb y tiene 1 volt de tensión.

(Usamos la palabra tensión y nopotencial pero el lector sabe que eneste caso la diferencia no importaporque la unidad es la misma - Figura3). En la práctica, una esfera con lacapacidad de 1 Farad debiera serenorme, de manera que los capaci-tores que usamos en los aparatos tie-nen capacidades que son submúlti-plos del Farad.

Tres son los submúltiplos del Faradque más se usan:

- Microfarad (µF) que es la millonési-ma parte de 1 Farad o 0,000001 Faradque representado en forma exponen-cial es 10-6 Farad.

- Nanofarad (nF) que es la billonési-ma parte del 1 Farad o 0,000000001 Fa-rad y 10-9 Farad en forma exponencial.

- El picofarad (pF) que es la trilloné-sima parte de 1 Farad o 0,000000000001 Farad o 10-12 Farad.

Vea que de la relaciones indica-das se tiene que:

- 1 nanofarad equivale a 1.000 pi-cofarad (1nf = 1.000pF)

1 microfarad equivale a 1.000 nano-farad (1µF = 1.000nF)

- 1 microfarad equivale a 1.000.000picofarad (1µF = 1.000.000pF)

Acostúmbrese a convertir estasunidades, porque aparecen con mu-cha frecuencia en los trabajos deelectrónica.

CAPACITORES PLANOS

Puede obtenerse una capacidadmucho mayor con una disposiciónadecuada de los elementos conduc-tores. Con eso, una cantidad muchomayor de cargas puede almacenarseen un volumen menor, dando así uncomponente de uso más práctico. Un

capacitor básico de placas paralelasse ve en la figura 4.

Consiste de dos placas de mate-rial conductor separadas por materialaislante denominado dieléctrico. Elsímbolo usado para representar estetipo de capacitor recuerda mucho sudisposición real y se muestra en la mis-ma figura. Hay capacitores con dispo-siciones diferentes, pero como la es-tructura básica se mantiene (un ais-lante entre dos conductores) el sím-bolo se mantiene por lo general conpocas modificaciones.

Cuando conectamosla estructura indicada aun generador, como se veen la figura 5, las cargasfluyen hacia las placas demanera que una se vuel-va positiva y la otra nega-tiva.

Se dice que el capacitor tiene unaplaca (armadura) positiva y otra negati-va.

Aun después de desconectar labatería, como se mantienen las car-gas, por efecto de la atracción mu-tua, en las armaduras el capacitor, sedice que éste está "cargado".

Como la carga en Coulombs de-pende no sólo de la capacidad sinotambién de la tensión del generador,para calcularla es necesaria la rela-ción:

C = Q/V

Es así que si un capacitor de 100µF(100 x 10-6) se conecta a un generadorde 100 volts, la carga será:

Q = CV (2)Q = 100 x 100 x 10-6

Q = 10.000 x 10-6

Q = 104 x 10-6

Q = 10-2 = 0,01 Coulomb

Para descargar un capacitor bas-ta interconectar las armaduras me-diante un alambre. Las cargas negati-vas (electrones) de la armadura ne-gativa pueden fluir a la positiva neu-tralizando así sus cargas.

Vea qe no importa cuál esel capacitor pues la cantidadde cargas de una armadura esigual a la cantidad de cargasde la otra; sólo es diferente lapolaridad.

En la descarga, la neutrali-zación es total (Figura 6).

Para un capacitor plano como elindicado, la capacidad puede calcu-larse en función de las característicasfísicas, a saber: superficie de las pla-cas, distancia entre ellas y naturalezadel aislante.

Podemos aplicar la fórmula si-guiente:

C = ε A/d (3)

donde:C es la capacidad en Farad (F)d es la distancia entre placas en

metrosA es la superficie de las placas en

metros cuadradosε es una constante que depende

de la naturaleza del dieléctrico.El valor depende del material con-

siderado.Ese valor puede calcularse me-

diante la fórmula:

ε = ε o . K (4)

donde:ε o es la pérmisividad del vació y

vale 8,85 x 10-12 F/m K es la constante dieléctrica y de-

pende del material usado.

Asociación de Resistencias - Capacitores

56

Fig. 3 Fig. 18

Fig. 5

Fig. 6

LA ENERGŒA ALMACENADA

EN UN CAPACITOR

Para obligar a una cierta cantidadde cargas a permanecer en un capa-citor debemos gastar una cierta can-tidad de energía. En realidad esaenergía que se gasta para colocar lascargas en el capacitor queda dispo-nible para usarla en el futuro, quedaalmacenada en el capacitor. Cuan-do descargamos un capacitor me-diante un conductor que presentacierta resistencia, como muestra la Fi-gura 7, la energía que estaba conte-nida en el capacitor se disipa en for-ma de calor.

Puede imaginarse la carga del ca-pacitor con el gráfico de la figura 8.Vea que a medida que va aumentan-do la cantidad de carga, debemosforzarlas cada vez más y eso implicauna elevación de tensión.

El área de la figura hasta el puntoen que dejamos de cargar el capaci-tor, representada por W en la figuracorresponde a la energía almacena-da en el capacitor. Podemos calcularla energía a partir de dos fórmulas:

W = 0,5 x Q x V (5)oW = 0,5 x C x V2 (6)

Donde:W es la energía de Joule (J)Q es la carga en Coulomb (C)C es la capacidad en Farad (F)V es la tensión en Volt (V)

Podemos comparar un capacitorcargado a un resorte comprimido.Gastamos energía (potencial) paracomprimir el resorte, éste "guarda" esaenergía que luego puede usarse paraponer en movimiento un mecanismo.Es claro que, según veremos, la canti-dad de energía que puede almacenarun capacitor no es grande y entoncessu utilidad como fuente de energía esmuy restringida, pero este componen-te tiene otras propiedades que son degran utilidad en electrónica.

LOS CAPACITORES EN LA PR CTICA

A diferencia de la botella de Ley-den que nada tenía de práctica porsus dimensiones y propiedades, los ca-pacitores modernos son compactos yeficientes, con volúmenes centenasde veces menores que la antigua bo-

tella de Leyden y ca-pacidades miles deveces mayores.

Estos son los ca-pacitores que encon-tramos en los apara-tos eléctrónicos y quepueden variar muchí-simo en forma y valor.

Estudiaremos en es-ta lección lo que suce-de cuando conecta-mos varios capacitoresentre sí y los distintos ti-pos de capacitoresque encontramos en lapráctica.

ASOCIACI N DE

CAPACITORES

Podemos obtener un efecto ma-yor o menor de almacenamiento decargas, según se asocien distintos ca-pacitores, del mismo modo que obte-nemos efectos diferentes de resisten-cias al asociar resistores.

Los capacitores pueden conec-tarse en serie o en paralelo.

a) Asociaci n de capacitores en paraleloDecimos que dos o más capacito-

res están asociados en paralelo cuan-do sus armaduras están conectadasde la manera siguiente: las armaduraspositivas están conectadas entre sípara formar la armadura positivaequivalente al capacitor; las armadu-ras negativas están conectadas entresí y forman la armadura negativaequivalente al capacitor, según mues-tra la figura 9. Vea el lector que enesas condiciones los capacitores que-dan sometidos todos a la misma ten-sión (V) cuando se cargan. Las cargasdependen de las capacidades.

La capacidad equivalente en es-ta asociación está dada por la sumade las capacidades asociadas.

C = C1 + C2 + C3 + ... + Cn (7)

Se pueden deducir las siguientespropiedades de la asociación de ca-pacitores en paralelo:

- Todos los capacitoresquedan sometidos a la mismatensión.

- El mayor capacitor (el demayor capacidad) es el quemás se carga.

La capacidad equivalente es ma-yor que la capacidad del mayor ca-pacitor asociado.

b) Asociaci n de capacitores en serieEn la asociación en serie de capa-

citores, éstos se conectan como semuestra en la figura 10.

La armadura positiva del primeropasa a ser la armadura positiva delequivalente; la negativa del primerose une a la positiva del segundo; lanegativa del segundo da la positivadel tercero y así sucesivamente hastaque la negativa del último queda co-mo la armadura negativa del capaci-tor equivalente.

Vea que si conectamos de estamanera un conjunto cualquiera decapacitores (aun de valores total-mente diferentes) ocurre un procesode inducción de cargas, de modoque todas las armaduras queden conlas mismas cantidades (figura 11). Se-gún el valor del capacitor (capaci-dad) la tensión hallada tendrá valoresdiferentes.

Puede darse la fórmula:

C1 = Q/V1; C2 = Q/V2; C3 = Q/V3...

Cn = Q/Vn

Como la suma de las tensiones deestos capacitores asociados debe ser

Capítulo 4

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Fig. 7

Fig. 8

Fig. 9

la tensión en las armaduras del capa-citor equivalente; podemos escribir:

V = V1 + V2 + V3 + ... + Vn

Reemplazando el valor de V encada una de las expresiones de ca-pacidad:

V = Q/C1 + Q/C2 + Q/C3 + ... + Q/Cn

Sacando Q como factor común:

V = Q (1/C1 + 1/C2 + ... + 1/Cn)

Dividiendo por Q ambos miembrosde la igualdad, tenemos:

V/Q = 1/C1 + 1/C2 = + 1/C3V/Q = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3 + ... + 1/Cn

Pero:

V/Q es 1/C

Luego:

1/C = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3 + ... + 1/Cn (8)

De esta fórmula podemos deducirlas siguientes propiedades de la aso-ciación en serie de capacitores:

-Todos los capacitores quedan conla misma carga.

- El menor capacitor queda someti-do a la mayor tensión.

- La capacidad equivalente es me-nor que la capacidad del menor capa-citor asociado.

- Todos los capacitores se cargan ydescargan al mismo tiempo.

Conclusi n Dos casos particulares son intere-

santes en las asociaciones en serie yen paralelo de capacitores.

Cuando los capacitores son igua-les, la asociación puede tener la ca-pacidad equivalente calculada conmás facilidad por las fórmulas siguien-tes:

a) Serie: C = C1/ndonde C es la capacidad equivalente.

C1 es el valor de cada uno delos capacitores asociados.

n es el número de capacitores.

b) Paralelo: C = n x C1donde C, C1 y n son los del caso ante-

rior.

CAPACITORES DE PAPEL Y ACEITE

En muchos aparatos antiguos,principalmente en radios y televisoresde válvulas, pueden encontrarse conel aspecto que se ve en la figura 12.Son capacitores tubulares de papel oaceite (el tipo viene marcado normal-mente en el componente). Para fabri-car estos capacitores se enrollan al-ternadamente dos hojas de aluminioque forman el dieléctrico y se colocaentre ellas un aislante que puede seruna tira de papel seco (en el tipo depapel) o de papel embebido en acei-te (en el caso de los capacitores deaceite). Esos capacitores, así comolos otros, presentan dos especificacio-nes:

a) La capacidad que se expresaen microfarads (µF), nanofarads (nF) ypicofarad (pF) y que puede variar en-tre 100pF (o,1nf) hasta 1µF.

b) La tensión de trabajo que es latensión máxima que puede aplicarseentre armaduras sin peligro de que serompa el dieléctrico. Esta tensión va-ría, en los tipos comunes, entre 200 y1.000 volt.

Los capacitores de papel y aceitepueden tener hasta una tolerancia de10% a 20% y presentan las siguientescaracterísticas principales:

- Son relativamente chicos en rela-ción a su capacidad.

- Tienen buena aislación a tensionesaltas.

- Pueden obtenerse en una bandabuena de altas tensiones.

- Su gama de valores es apropiadapara la mayoría de las aplicacioneselectrónicas.

Vea que la aislaciónes un problema que me-rece estudiarse en deta-lle:

El problema de la ais-laci n

Ningún dieléctrico esperfecto. No existe unaislante perfecto, lo quesignifica que ningún ca-

pacitor puede mantener indefinida-mente la carga de sus armaduras.Una resistencia, por grande que sea,deja pasar una cierta corriente y unacorriente es un flujo de cargas queacaba por descargar el capacitor. Uncapacitor que tenga una resistenciapor debajo de los límites tolerados enlas aplicaciones prácticas se dice quetiene una "fuga".

Volviendo a los capacitores depapel y aceite, éstos se usan en los cir-cuitos de bajas frecuencias y corrien-tes continuas.

CAPACITORES DE POLI STER Y

POLICARBONATO

El poliéster y el policarbonato sontermoplásticos que presentan exce-lentes propiedades aislantes y buenaconstante dieléctrica, por lo que sir-ven para la fabricación de capacito-res. En la figura 13 tenemos algunos ti-pos de capacitores hechos con esosmateriales y que pueden ser planos otubulares.

En el tipo plano, las armaduras sedepositan en las caras de una pelícu-la de dieléctrico, entonces se obtieneuna estructura que recuerda la aso-ciación de muchas capas de capaci-tores planos. En la disposición tubular,un filme de poliéster o de policarbo-nato tiene en sus caras depositadauna fina capa de conductor (alumi-nio) que hace las veces de dieléctri-co. Las especificaciones fundamenta-les de estos capacitores son:

a) Gama de capacidades com-prendida entre 1nF y 2,2µF o más.

b) Banda de tensiones de trabajoentre 100 y 600 volt.

c) Tolerancia de 5%, 10% y 20%.Otras características de interés

son:- Buena gama de valores en di-

mensiones reducidas del elemento enrelación a la capacidad.

- Gama de tensiones elevadas.- aislación muy buena, común-

Asociación de Resistencias - Capacitores

58

Fig. 10

Fig. 11

Fig. 12

mente por arriba de 20.000MΩ.- Banda de tolerancias según las

aplicaciones prácticas en electróni-ca.

Los capacitores de poliéster y poli-carbonato pueden usarse en circuitosde bajas frecuencias, corrientes conti-nuas y aplicaciones generales.

CAPACITORES DE POLIESTIRENO

El poliestireno también es un ter-moplástico que tiene excelentes pro-piedades aislantes, que puede apare-cer con nombres diversos según el fa-bricante, como: STYRON, LUSTREX, RE-XOLITE, POLYPENCO.

En la figura 14 vemos el aspectode estos capacitores.

Estos capacitores pueden tenerestructura plana o tubular. Las especi-ficaciones básicas son:

a) Capacidad entre 10pF y 10nF.b) Tensiones entre 30 y 500 volt.c) Tolerancias entre 2,5% y 10%.Otras características importantes de

estos capacitores son:- Tamaño reducido en relación a la

capacidad.- Buena estabilidad térmica.- Tensiones de trabajo altas.- Tolerancia baja (2,5%).- Aislación muy alta: normalmente

por arriba de 100.000 MΩ.- Adecuados para operar en circuitos

de altas frecuencias.Estos capacitores son especial-

mente indicados para los circuitos deRF (radiofrecuencia) y aplicacionesque exijan alta estabilidad.

CAPACITORES CER MICOS

La cerámica presenta excelentespropiedades dieléctricas, pero no

puede enrollarse ni do-blarse como los aislan-tes plásticos. Pero aunasí tenemos una buenavariedad de capacito-res cerámicos, como seve en la figura 15.

Las especificacio-nes de estos capacito-res son las siguientes:

a) capacidades enla gama de 0,5pF hasta470nF,

b) banda de tensio-nes de operación des-

de 3V hasta 3.000V o más,c) tolerancias entre 1% y 5,0%.Otras características de importan-

cia son:- Relativamente chicos en relación

a la capacidad.- Banda relativamente amplia de-

tenciones de trabajo.- Son adecuados para operar en

circuitos de altas frecuencias.- Banda de tolerancia buena para

aplicaciones que exigen precisión.Estos capacitores son de los más

utilizados en las aplicaciones prácti-cas de electrónica y se los encuentraen los circuitos de altasfrecuencias, audio ytambién de corrientecontinua.

CAPACITORES

ELECTROLŒTICOS

Los capacitores elec-trolíticos o electrolíticosde aluminio son, de to-dos, los que tienen unatécnica de construcciónmuy diferente y es poreso que se los encuentraen una gama de valoresmuy determinada. En lafigura 16 tenemos laconstrucción interna típi-ca de un electrolítico dealuminio con fines didác-ticos.

En contacto con unasustancia electrolítica, elaluminio es atacado y seforma en su superficie unapelícula aislante. Este ma-terial presenta una cons-tante dieléctrica muy alta,pero su espesor es de sólomilésimos de milímetro, lo

que garantiza la obtención de capa-cidades muy elevadas.

Los electrolíticos tienen una carac-terística más en relación a los otroscapacitores: la armadura positiva de-be cargarse siempre con cargas deese signo. Si hubiera inversión de lasarmaduras, podría destruirse la pelícu-la dieléctrica y quedar inutilizado elcapacitor.

Las principales características son:a) Capacidades en la gama de 1µF

a 220.000µF.b) Tensiones de trabajo entre 12 y

1.000V.c) Tolerancia entre -20% y +50% co-

múnmente.En la figura 17 vemos algunos tipos

comunes de capacitores electrolíti-cos, obsérvese su polaridad. Otras ca-racterísticas importantes de estos ca-pacitores son:

- Tamaño pequeño en relación a lacapacidad alta.

- Banda de capacidades que llegaa valores muy altos.

- La corriente de fuga es relativa-mente alta o sea que la aislación no esexcelente.

- Son polarizados (debe respetarse

Capítulo 4

59

Fig. 13

Fig. 15

Fig. 14

Fig. 16

la polaridad de la placa o armadura).- La capacidad aumenta a medi-

da que el capacitor envejece.- Tiene una duración limitada.- La capacidad varía ligeramente

con la tensión.Los capacitores electrolíticos no se

usan en circuitos de altas frecuencias;se usan en circuitos de frecuenciasbajas, uso general y corriente conti-nua.

CAPACITORES VARIABLES Y AJUSTABLES

En determinadas aplicaciones,necesitamos disponer de capacitorescuya capacidad pueda ser alteradaen una cierta franja de valores, pormotivos diversos. Podemos dar elejemplo de un proyecto en el que elfuncionamiento, por ser crítico, no nospermite establecer con exactitudcuál es la capacidad que necesita-mos para llevar el circuito al compor-tamiento deseado. Podemos calcularcon cierta aproximación el valor deesta capacidad y después ajustar suvalor para tener el comportamientodeseado. En este caso precisamos uncapacitor ajustable o regulable. Otraaplicación es el caso en que duranteel funcionamiento del aparato debe-mos cambiar la capacidad de un ca-pacitor para que cambie el compor-tamiento según nuestras necesida-des. Es el caso en el que debemosusar un capacitor variable, como enla sintonía de un aparato de radio pa-ra cambiar de estación en el momen-to querido. Separamos entonces loscapacitores que pueden cambiar devalor según nuestra voluntad en 2 gru-pos.

a) Los capacitores regulables, en losque prácticamente sólo alteramos la

capacidad una vez, para llegar alpunto deseado de funcionamiento ydejarlo después de esta manera, inde-finidamente.

b) Los capacitores variables en losque alteramos continuamente la ca-pacidad, siempre que deseamos alte-rar el funcionamiento del circuito.

Capacitores regulablesTal como estudiamos, la capaci-

dad presentada por un capacitordepende de algunos factores.

a) Tamaño de las placas (área).b) Separación entre las placas.c) Existencia o no de un material

entre las placas (dieléctrico). Vea la fi-gura 18.

Podemos variar la capacidad deun capacitor si alteramos cualquierade esos factores, pero por cierto exis-ten algunos en los que esa tarea resul-ta más fácil. En el caso de los capaci-tores ajustables o regulables, pode-mos variar la capacidad para modifi-car dos de esos factores, según el tipode componente. El tipo más comúnde capacitor ajustable es el "trimmer"de base de porcelana, que tiene laconstrucción que se muestra en la fi-gura 19. En este "trimmer" tenemosuna base de porcelana en la que es-tán montadas dos placas (armadu-ras), una de las cuales es fija y la otramóvil. El dieléctrico es una fina hojade plástico o mica, colocada entrelas armaduras.

Un tornillo permite el movimientode la armadura móvil, para que seaproxime o aleje de la armadura fija.

Con la aproximación (menor dis-tancia) tenemos una capacidad ma-yor y con el alejamiento (distanciamayor) tenemos una capacidad me-nor, estos capacitores permiten varia-ciones de capacidad en una propor-ción de 10:1. Es común tener un capa-citor de este tipo en que la capaci-dad mínima obtenida es de 2pF y lamáxima de 20pF, al pasar de la posi-ción del tornillo totalmente flojo (de-satornillado - aleja-miento máximo) a lade fuertemente apre-tado (alejamiento mí-nimo). Los trimmers re-sultan especificadospor la banda de capa-cidades en que se en-cuentran. Un trimmer 2-20pF es un trimmer enel que podemos variarla capacidad entre

esos dos valores. Un problema quehay que analizar en este tipo de ca-pacitor es que el ajuste excesivo deltornillo o también problemas mecáni-cos, no permiten una precisión deajuste muy grande, lo que lleva a quese usen en casos menos críticos. Paralos casos más críticos existen trimmersde precisión.

D nde usar los trimmersExisten casos en los que necesita-

mos regular el punto de funciona-miento de un circuito después de ha-berlo montado, sin que sea posible es-tablecer la capacidad exacta quedebemos usar, con antelación, comopara poder usar un capacitor fijo. Nor-malmente los trimmers aparecen enlos circuitos que operan en frecuen-cias elevadas, como receptores ytransmisores, en los que es preciso ha-cer un ajuste del punto de funciona-miento de circuitos que determinan lafrecuencia de operación. Encontra-mos los trimmers en los siguientes tiposde aparato:

Radio, Transceptores, Transmisores,Generadores de señales, Oscila-

dores de alta frecuencia

Tensi n de trabajoDel mismo modo que los capaci-

tores fijos, los trimmers también tienenlimitaciones en relación a la tensiónmáxima que puede existir entre sus ar-maduras. Tensiones mayores que lasespecificadas por los fabricantes pue-

Asociación de Resistencias - Capacitores

60

Fig. 17

Fig. 19

Fig. 18

Capítulo 4

61

den causar la ruptura del materialusado como dieléctrico y así inutilizarel componente.

Capacitores variablesEl principio de funcionamiento de

los capacitores variables es el mismoque el de los trimmers. La diferenciaestá en el hecho de tener un accesomás fácil al conjunto de placas móvi-les de modo que alteramos la capa-cidad en cualquier momento. En la fi-gura 20 tenemos un capacitor varia-

ble común, del tipo deno-minado "con dieléctricode aire", pues ningún ais-lante especial existe entrelas placas del conjuntomóvil y fijo.

El conjunto de placasmóviles se acciona media-ne un eje, para penetraren el conjunto de placasfijas en forma recta.

A medida que el con-junto de placas penetraen la parte fija, aumenta

la superficie efectiva y con eso la ca-pacidad presentada por el compo-nente. Con el capacitor abierto, esdecir, las placas móviles fuera de lasplacas fijas, el capacitor tiene unacapacidad mínima. Con el capacitorcerrado, tenemos la capacidad má-xima.

Las dimensiones de las placas fijasy móviles, además de su cantidad yseparación, determinan la variaciónde capacidad que se puede obte-ner: teóricamente, la variación de-

biera estar entre 0 y un cierto valormáximo dado por la cantidad deplacas y otros factores. Y con las pla-cas todas abiertas (armadura móvil)todavía con un efecto residual semanifiesta una cierta capacidad.

Esta capacidad se denomina resi-dual y está especificada en los ma-nuales de los fabricantes.

Banda de valoresBásicamente, los capacitores va-

riables se encuentran en dos franjasde valores determinadas por las apli-caciones más comunes. Tenemos lasvariables de mayor capacidad quepueden tener valores máximos entre150pF y 410pF y que se usan en radiosde ondas medias y cortas, o transmi-sores para la misma banda. En ellos,tenemos conjuntos de 10 a 20 placasque forman las armaduras. Para labanda de FM los variables son de ca-pacidad mucho menor, normalmen-te con máximos inferiores a 50pF, és-tos están formados por un númeromucho menor de placas.

Fig. 20

Por qué aparecieron los TTransistorransistoreses

El transistor es el elemento más im-portante de los dispositivos semi-conductores, pues es el “ladrillo”

con el que se construye el edificio dela tecnología electrónica moderna.

COMIENZA LA REVOLUCI N DIGITAL

Intel es la empresa que fabricó porprimera vez un microprocesador, unapastilla de circuito integrado quecontiene todos los elementos nece-sarios para realizar los complejos cál-culos numéricos y lógicos que se eje-cutan en una computadora. Nos re-ferimos al ya legendario 4004, un mi-croprocesador con apenas 2.300transistores, pero con la misma capa-cidad de cómputo que la ENIAC, laprimera computadora (1947), la cualcontenía unas 18 mil válvulas, ocu-paba una habitación entera para al-bergar sus gigantescas proporcionesy pesaba 30 toneladas. Pero los mi-croprocesadores no son sino un ecoo resultado de otro invento sobre elque en última instancia se funda-

menta la revolución digital: el transis-tor.

Hace más de 50 años, el 23 de di-ciembre de 1947, científicos de losLaboratorios Bell demostraron que undispositivo construido con base enmateriales sólidos, podía comportar-se de forma prácticamente idénticaa las válvulas de vacío, pero sin susinconvenientes.

Por su descubrimiento, WilliamShockley, John Bardeen y WalterBrattain fueron acreedores al PremioNobel de Física en 1956.

EN EL PRINCIPIO FUE LA V LVULA DE VACŒO

El transistor desplazó a otro grandispositivo, en el que descansó pordécadas la incipiente tecnologíaelectrónica: la válvula triodo, inven-tada en 1906 por Lee De Forest,quien a su vez se apoyó en la válvu-la diodo, inventada en 1905 por JohnA. Fleming, que se basó en un fenó-meno (el efecto Edison) descubiertopor Tomas A. Edison durante las in-

vestigaciones que lo llevaron a in-ventar la bombilla incandescente.

Lee de Forest encontró que una re-jilla de alambre electrificada origina-ba un flujo de electrones cuando sela colocaba dentro de un tubo o vál-vula de vacío.

Dicho flujo podía ser controladode distintas maneras: se le podía in-terrumpir, reducir o incluso detenerpor completo; así por ejemplo, unamuy baja corriente de electrones enla entrada del tubo llegaba a seramplificada por éste, a fin de produ-cir una intensa corriente en la salida,por lo que este dispositivo fue utiliza-do en televisores, radios y en cual-quier otro equipo electrónico en elque se requiriera aumentar el nivelde una señal de entrada.

Con todo este potencial en el con-trol de la electricidad, el hombre pu-do manejar señales electrónicas yasí surgieron y se desarrollaron nue-vas formas de comunicación comola radio y la televisión, y nuevosavances tecnológicos, como el ra-dar y las primeras computadoras.

SURGE EL TRANSIS-TOR

El primer transistorfue construido enuna base plásticaen forma de C, en lacual se montarondos piezas de unelemento por en-tonces no muy conocido, el germa-nio, sostenidas por un resorte elabora-do a último momento con un clip deoficina. De los terminales de esta es-tructura salían delgados hilos de oro,que hacían las veces de conectorespara la entrada y salida de señales.Con este dispositivo los investigadorespudieron amplificar señales de igualforma como lo hubieran hecho conuna válvula triodo; y no había necesi-dad de una envoltura de cristal al va-cío, de filamentos incandescentes ode elevadas tensiones de operación.

En efecto, el transistor (llamado asídebido a que transfiere la señal eléc-trica a través de un resistor) pudo rea-lizar las mismas funciones del tubo alvacío, pero con notorias ventajas: nosólo sustituyó el complejo y delicadotubo por un sencillo montaje queconsiste básicamente en un conjuntode finos alambres bigotes de gato ,acoplado en un pequeño cristal se-miconductor, sino que hizo innecesa-ria la condición de vacío. Además,no requería de previo calentamientopara empezar a funcionar, ni de ungran volumen para su encapsulado;su estructura fija hacía de él un dispo-sitivo más confiable y duradero; y suconsumo de energía era insignifican-te.

La conducción de electricidad enun sólido depende del grado de liber-tad de sus electrones.

Los conductores son materiales queposeen uno o dos electrones en lacapa externa de los átomos que loforman.

Los llamados “aislantes” son ele-mentos que, como en el caso delazufre, por tener sus electrones con-tenidos en estrechos enlaces con losnúcleos y con otros átomos, no con-ducen electricidad.

Pero existe un tercer tipo de mate-riales que no se comporta ni comoconductores ni como aislantes puros:los semiconductores; esporádica-mente, éstos proporcionan un elec-trón libre o un espacio hueco parapermitir la conducción de la corrien-

te. Entre los semiconductores más co-munes pueden mencionarse el silicioy el germanio, que tienen aproxima-damente un electrón libre por cadamil átomos; esto contrasta con el co-bre, que suministra un electrón porcada átomo.

Una investigación específica sobrelas propiedades eléctricas de los se-miconductores, fue lo que condujo aldesarrollo del transistor. Con el propó-sito de apreciar el comportamientoeléctrico de una de estas sustancias,veamos la figura 1A.

Podemos observar un cristal de ger-manio (o silicio) que tiene en su capaexterna cuatro electrones, llamados“electrones de valencia”, que enconjunto enlazan a los átomos. Preci-samente, como todos los electronesse encuentran ocupados en unir a losátomos, no están disponibles paragenerar electricidad.

Supongamos que alguna impurezacon cinco electrones en la órbita devalencia entra al cristal (fósforo). Estoprovoca que cuatro de los electronesformen enlaces con los átomos degermanio, pero el quinto queda librepara conducir la corriente (figura 1B).Otro caso similar muy interesante, esel del átomo de boro introducido enel cristal de germanio (figura 1C). Elátomo de boro es una impureza contres electrones de valencia.

Aquí, uno de los puntos necesariospara la unión con los átomos de ger-manio está ausente; se crea enton-ces un estado de desequilibrio, don-de alguno de los átomos de la estruc-tura tan sólo cuenta con siete elec-trones, lo que deja un espacio libreque puede ser llenado con un elec-trón viajero. Por consecuencia, la fal-ta de un electrón (a la que se consi-dera una entidad física y se le deno-mina “hueco”) posee todas las pro-piedades de esta partícula; es decir,tiene masa y carga; aunque, comoestá ausente, su carga es positiva envez de negativa.

De acuerdo con este comporta-miento, se pudo establecer que un

cristal semiconductor es capaz deconducir electricidad cuando se dala presencia de impurezas. Con baseen ello, fue diseñado un método decontrol de electrones o huecos en uncristal, que los científicos de los labo-ratorios Bell consideraron en el inven-to del transistor. Dependiendo del ti-po de impurezas introducidas en elcristal, existen dos tipos de material: elmaterial tipo N o negativo y el mate-rial tipo P o positivo. Estos materialesse combinan entre sí para construir di-versos tipos de dispositivos, el más co-mún de todos ellos es el transistor bi-polar, cuya operación explicaremosa continuación.

PRINCIPIO DE OPERACI N DE UN TRANSIS-TOR

A los transistores con las caracterís-ticas citadas se les denomina “bipola-res” y su estructura interna es como semuestra en la figura 2A. Note que seforma con tres capas alternadas dematerial semiconductor: una N, otra Py finalmente otra N (es por ello que seles llama NPN). Observe también queal terminal conectado en la parte su-perior del dispositivo se le denomina“colector”, a la capa intermedia “ba-se” y a la inferior “emisor”. Veamoscómo funciona el conjunto.

En primer lugar, para que un transis-tor funcione tiene que estar polariza-do en cierta forma; en el caso quenos ocupa (transistor NPN), esta pola-rización implica un voltaje positivoaplicado entre colector y emisor yuna alimentación positiva de peque-ña magnitud entre base y emisor (fi-gura 2B). Cuando esto sucede y lapolarización de base es inferior a latensión de ruptura del diodo formadoentre base y emisor, la tensión entrecolector y emisor forma un campoeléctrico considerable en el interiordel dispositivo; pero como se enfrentaa una estructura semejante a un dio-do invertido, no puede haber un flujode corriente entre el colector y el

Asociación de Resistencias - Capacitores

62

Fig. 1A B C

emisor. Sin embargo, se tiene unacondición tal de excitación de loselectrones y huecos en el dispositivo,que bastaría con cualquier impulsoexterno para que el conjunto entraraen conducción.

Este impulso proviene justamentede la corriente aplicada en la base,misma que se dispara al momento enque la tensión aplicada en la base su-pera el punto de ruptura antes men-cionado; entonces, la corriente quecircula entre base y emisor provocauna avalancha de electrones entrecolector y emisor. Pero esta avalan-cha no es desordenada, sino que de-pende muy estrechamente de lacantidad de electrones que circulena través de la base (figura 2C); de he-cho, una de las características princi-pales de un transistor es un factor deganancia de corriente , el cual indicacuántas veces será amplificada lacorriente de la base en el colector. Alos fines prácticos, esto significa queel transistor amplifica por un factorHfe la corriente de su entrada.

La estructura NPN no es la únicaque se ha desarrollado, sino que tam-bién existen transistores con una l g i-ca negativa ; esto es, formados porcapas alternas de material P, N y P. El

comportamiento detales dispositivos resul-ta prácticamenteidéntico al anterior, só-lo varía el sentido delas tensiones de polari-zación aplicadas enlos terminales. Vea enla figura 4D la simbolo-gía con que se identi-fica a los transistoresbipolares tipo NPN yPNP.

TRANSISTORES CONTENI-DOS

EN OBLEAS DE SILICIO

Ya desde fines delos 50 se advertía quela miniaturización delos transistores podíaalcanzar niveles ex-traordinarios. Precisa-mente, en 1958 en loslaboratorios Fairchildpor primera vez se lo-gró algo que parecíaimposible: en la super-

ficie de un bloque de silicio se graba-ron varios dispositivos a la vez, conec-tados entre sí para realizar un trabajoen conjunto, y se introdujo este cristalsemiconductor en un encapsuladoúnico, de tal manera que se podíamanejar como un bloque funcional.Fue así como nacieron los circuitos in-tegrados, siguiente paso en la evolu-ción de la tecnología electrónica.

Más adelante, las técnicas de fabri-cación de cristales de silicio mejora-ron, la producción de máscaras degrabado se depuró y se desarrollaronnuevos e ingeniosos métodos para eldopado de los materiales semicon-ductores.

Fue posible, entonces, fabricar cir-cuitos integrados mediante un proce-so de fotograbado, en el que se tieneuna delgada oblea de silicio sobre lacual se proyectan las sombras deunas máscaras donde vienen graba-das las delgadas pistas que posterior-mente se convertirán en las termina-les de los transistores.

Utilizando métodos fotoquímicos seaprovechan las sombras para sem-brar impurezas en el sustrato semi-conductor, y al ir apilando capas al-ternativas de cristales tipo N y tipo P,finalmente se obtiene una amplia va-

riedad de dispositivos, que pueden irdesde diodos hasta transistores deefecto de campo. Gracias a ello, eltransistor pudo ser reducido hasta al-canzar la dimensión de unas cuantasmicras, es decir, una milésima de milí-metro.

Cabe hacer la aclaración de que,para que estos circuitos sean capa-ces de realizar cálculos matemáticoscomplejos en fracciones de segundo,se aprovecha una característica muyespecial de los transistores: su capaci-dad de funcionar como llaves o inte-rruptores de corriente o tensión; estoes, un transistor puede presentar dosestados básicos: uno de conduccióny otro de no conducción. A esta apli-cación de los transistores se le deno-mina electr nica digital .

SURGEN LOS MICROPROCESADORES

Intel es la empresa pionera en la fa-bricación de microprocesadores. Fuefundada en 1968 por Gordon E. Moo-re, Andrew Grove y Ted Hoff, quienespreviamente habían trabajado paraIBM y/o Fairchild y, por lo tanto, teníanexperiencia en la fabricación en seriede circuitos integrados, lo que les per-mitió manufacturar los primeros chipsde memoria RAM. En 1970, una firmajaponesa fabricante de calculadoraselectrónicas (Busicom) los contactópara que desarrollaran trece nuevoscircuitos integrados que serían el co-razón de su nueva línea de modelos.

Enfrentados a este compromiso, losingenieros de Intel advirtieron que notendrían el tiempo suficiente para de-sarrollar los trece circuitos individua-les; pero a dos de sus fundadores e in-vestigadores más brillantes (Ted Hoff yGordon E. Moore), se les ocurrió laidea de crear un núcleo común quesirviera a los trece modelos por igual;y los pequeños cambios que atendie-ran a las particularidades de cadamodelo se grabarían en una memo-ria ROM independiente, en forma deun programa de instrucciones.

Este circuito de propósito generalfue el primer microprocesador de lahistoria; mas los derechos de comer-cialización no pertenecían a Intel,pues todo el diseño se había hechopor encargo de Busicom. Sin embar-go, la fortuna le fue favorable a Intel,ya que en poco tiempo Busicom sevio en serias dificultades financieras y

Capítulo 4

63

Fig. 2

le vendió los derechos de explota-ción comercial del circuito que habíasalido de sus laboratorios. Surge así,en 1971, el primer microprocesadorde venta al público: el Intel 4004, undispositivo que podía manejar pala-bras de 4 bits de longitud y que esta-ba construido a partir de un circuitointegrado de 2.300 transistores.

Agrupar millones de transistores bi-polares en un pequeño bloque de si-licio que apenas rebasa el área deuna uña, requirió de profundas inves-tigaciones en el ámbito de los semi-conductores.

FAMILIAS MOS Y MOSFET

Los transistores que se utilizan en laconstrucción de circuitos integradosextremadamente complejos, comomicroprocesadores o bloques de me-moria, son del tipo semiconductormetal óxido o MOS (figura 3). Estostransistores tienen dos regiones princi-pales: la fuente (source) y el drenado(drain); como en este último hayelectrones en abundancia, se diceque los transistores son también del ti-po N. Entre la fuente y el drenado seencuentra una región del tipo P en laque faltan muchos electrones; comoya se dijo, a estas regiones se les lla-ma “huecos”.

En su parte superior, el sustrato de si-licio tiene una capa de dióxido de si-licio aislante; a su vez, la parte supe-rior es un metal que corresponde a lacompuerta (gate). Precisamente, dela anterior combinación de un metalcon un óxido se deriva el nombre desemiconductor metal xido . Cuan-

do un voltaje positivo es aplicado enla compuerta de metal, se produceun campo eléctrico que penetra através del aislante hasta el sustrato.Este campo atrae electrones hacia lasuperficie del sustrato, justo debajodel aislante, que permite que la co-rriente fluya entre la fuente y el drena-do. Dependiendo de la magnitud dela tensión aplicada en la compuerta,

menor o mayor será el “canal”conductor que se abra entredrenaje y fuente, de modo quetendremos un comportamientoidéntico al de un transistor tradi-cional, pero con la diferenciade que ahora la corriente de sa-lida es controlada por voltaje,no por corriente.

La estructura tan sencilla deeste tipo de transistores permitiófabricar, mediante avanzadastécnicas fotoquímicas y el uso de dis-positivos ópticos muy sofisticados,transistores de dimensiones franca-mente inconcebibles. En el mundo delos microprocesadores circula casicomo un acto de fe, un principio quehasta la fecha se ha cumplido casipuntualmente: la ley de Moore, se-gún la cual cada aproximadamente18 meses los circuitos integrados du-plican la cantidad de transistores queutilizan, al tiempo que también multi-plican por 2 su potencia de cómputo.

TRANSISTORES DE ALTAS POTENCIAS

Otra vertiente en el desarrollo delos transistores, paralela a la miniaturi-zación, ha sido el manejo y control degrandes magnitudes de energía. Pa-ra ello, se diseñaron transistores y, engeneral, semiconductores de swit-cheo que son capaces de manejarelevadas potencias.

Los transistores de este nuevo tipo,llamados transistores bipolares decompuerta aislada” (IGBT), son deltamaño de una estampilla postal ypueden agruparse para manejar in-cluso 1.000 ampere de corriente enrangos de hasta varios miles de volts.Lo más importante, sin embargo, esque los dispositivos IGBT s puedenconmutar esas corrientes con unagran velocidad.

FUTURO DEL TRANSISTOR

Los transistores se han producido en

tales cantidades hasta la fecha, queresultan muy pequeños y baratos; apesar de ello, son varias las limitacio-nes físicas que han tenido que supe-rarse para que el tamaño de estosdispositivos continúe reduciéndose.

Asimismo, puesto que la tarea deinterconectar elementos cada vezmás diminutos puede volverse prácti-camente imposible, los investigadoresdeben considerar también el tamañodel circuito. Si los transistores se some-ten a fuertes campos eléctricos, éstospueden afectar en varias formas elmovimiento de los electrones y pro-ducir lo que se conoce como efectoscuánticos.

En el futuro, el tamaño de los tran-sistores puede ser de tan sólo algunoscientos de angstrom (1 angstrom =una diezmilésima de micra); por estomismo, la presencia o ausencia de al-gunos átomos, así como su compor-tamiento, será de mayor importan-cia.

Al disminuirse el tamaño, se incre-menta la densidad de transistores enun chip; entonces éste aumenta lacantidad de calor residual despedi-do. Además, tomando en cuentaque por su reducido tamaño los ele-mentos del circuito pueden quedarpor debajo del rango en que se de-senvuelve la longitud de onda de lasformas de radiación más comunes,existen métodos de manufactura enriesgo de alcanzar sus máximos lími-tes. Finalmente, podemos señalarque la revolución continúa y que, talcomo ha sucedido en los últimos 50años, seguiremos viendo progresos

Asociación de Resistencias - CapacitoresFig. 3