Algo de Electrónica...

¿Que es?

Es la rama de la física y especialización de la ingeniería, que estudia y emplea sistemas cuyo funcionamiento se basa en la conducción y el control del flujo de los electrones u otras partículas cargadas eléctrica mente.

Historia...

Lee De Forest es considerado el Padre de la electrónica, ya que antes del Triodo, solo nos limitábamos a convertir la corriente alterna en corriente directa o continua, o sea, solo se construían las fuentes de Alimentación, pero con la creación del Triodo de Vacío, vino la Amplificación de todo tipo de señales, sobre todo la de Audio, la Radio, la TV y todo lo demás, esto hizo que la industria de estos equipos tuvieran un repunte tan grande que ya para las décadas superiores al 1930 se acuñara la palabra por primera vez de "Electrónica" para referirse a la tecnología de estos equipos emergentes.

¿Que es un circuito?

Un circuito es una red eléctrica (interconexión de dos o más componentes, tales como resistencia,inductores, condensadores,fuentes, interruptores y semiconductores) que contiene al menos una trayectoria cerrada. Los circuitos que contienen solo fuentes, componentes lineales (resistores, condensadores, inductores) y elementos de distribución lineales (líneas de transmisión o cables) pueden analizarse por métodos algebraicos para determinar su comportamiento en corriente directa o en corriente alterna. Un circuito que tiene componentes electrónicos es denominado un circuito electrónico. Estas redes son generalmente no lineales y requieren diseños y herramientas de análisis mucho más complejos.

Electronica Basica

Fuentes de Tensión 

Los circuitos electrónicos deben poseer para su funcionamiento adecuado de al menos una fuente de energía eléctrica, que  debe ser una fuente de tensión o de corriente.

Fuente de tensión ideal

Es una fuente de tensión que produce una tensión de salida constante, es una Fuente de Tensión con Resistencia interna cero. Toda la tensión va a la carga R_L.

Fuente de tensión:

Algunos ejemplos de fuentes de tensión reales son:

Son las fuentes de tensión que tenemos en la realidad, como ya hemos dicho no existe una fuente ideal de tensión, ninguna fuente real de tensión puede producir una corriente infinita, ya que en toda fuente real  tiene cierta resistencia interna.

Veamos que ocurre en 2 casos, cuando R_L vale 10 W y cuando vale 5 W.

Ahora la tensión en la carga no es horizontal, esto es, no es ideal como en el caso anterior.

Fuente de tensión (aproximadamente) constante

Para que una fuente de tensión sea considerada como una "Fuente de tensión constante", se tiene que cumplir que la resistencia interna de la fuente (R_int) no este, esto es que sea despreciable. Para que despreciemos la R_int se tiene que cumplir:

Solo se pierde el 1 % en el peor caso, por lo tanto se está aproximando a la fuente de tensión ideal.

Veamos que ocurre en 2 valores diferentes de R_L.

Resumen

• Fuente de tensión ideal es la que tiene una R_int. = 0 y produce en la salida una V_L = cte.
• Fuente de tensión real es la que tiene una determinada R_int. En esta R_int. hay una pérdida de tensión. El resto de tensión va a la carga que es la que se aprovecha.
• Fuente de tensión constante es la que tiene una R_int. <= R_L/100. La caída en la R_int. es como mucho el 1 %, aproximadamente a la ideal, que es el 0 %.

Si tenemos que comparar dos fuentes de tensión, la mejor será la que tenga una R_int. más pequeña (o sea la que más parecida a la ideal, que tiene una R_int. = 0 W). 

Conductores:

Un conductor es un material que, en mayor o menor medida, conduce el calor y la electricidad. Son buenos conductores los metales y malos, el vidrio, la madera, la lana y el aire.
NOTA: Definimos la unidad de carga +1 como +1,6·10^-19 culombios. Así un electrón tiene una carga -1 equivalente a -1,6·10^-19culombios.
El conductor más utilizado y el que ahora analizaremos es el Cobre (valencia 1), que es un buen conductor. Su estructura atómica la vemos en la siguiente figura.

Su número atómico es 29. Esto significa que en el núcleo hay 29 protones (cargas positivas) y girando alrededor de él hay 29 electrones girando en diferentes órbitas.
En cada órbita caben 2n² siendo n un número entero n = 1, 2, 3, ... Así en la primera órbita (n = 1) caben 212 = 2 electrones. En la segunda órbita 2·2² = 8 electrones. En la tercera órbita 2·3² = 18 electrones. Y la cuarta órbita solo tiene 1 electrón aunque en ella caben 2·4² = 32 electrones.
Lo que  interesa en electrónica es la órbita exterior, que es la que determina las propiedades del átomo. Como hay + 29 y - 28, queda con + 1.
Por ello vamos a agrupar el núcleo y las órbitas internas, y le llamaremos parte interna. En el átomo de cobre la parte interna es el núcleo (+ 29) y las tres primeras órbitas (- 28), con lo que nos queda la parte interna con una carga neta de +1.

Como el electrón de valencia es atraído muy débilmente por la parte interna, una fuerza externa puede liberarlo fácilmente, por eso es un buen Conductor. Nos referiremos a ese electrón de valencia, como electrón libre.
Lo que define a un buen conductor es el hecho de tener un solo electrón en la órbita de valencia (valencia 1).
Así, tenemos que:

• A 0 ºK (-273 ºC) un metal no conduce.
• A Temperatura ambiente 300 ºK ya hay electrones libres debidos a la energía térmica.

- Si tenemos un campo eléctrico aplicado los electrones libres se mueven en todas direcciones. Como el movimiento es al azar, es posible que muchos electrones pasen por unidad de área en una determinada dirección y a la vez en la dirección opuesta. Por lo tanto la corriente media es cero.

- Veamos ahora como cambia la situación, si se aplica al metal un campo eléctrico.

Los electrones libres se mueven ahora en una dirección concreta. Y por lo tanto ya hay carga (en culombios) que cruza la sección del metal en un segundo, o sea ya existe una corriente.
Como ya conocemos, el electrón tiene una carga negativa (-1,619-19 culombios) y por tanto el convenio tomado para definir la corriente (contrario al movimiento de las cargas negativas) nos indica que la corriente toma el sentido indicado en la figura.
El electrón se mueve dentro de la red cristalina del metal con una velocidad media.

La resistencia que opone la barra de metal al paso de la corriente la podemos calcular de la siguiente forma:

Electrónica avanzada

El diodo Zener

La aplicación de estos diodos se ve en los Reguladores de Tensión y actúa como dispositivo de tensión constante (como una pila).

Símbolo:

Característica

Su gráfica es de la siguiente forma:

Un diodo normal también tiene una zona de ruptura, pero no puede funcionar en él, con el Zener si se puede trabajar en esa zona.

La potencia máxima que resiste en la "Zona de Ruptura" ("Zona Zener"):

En la zona de ruptura se produce el "Efecto Avalancha" ó "Efecto Zener", esto es, la corriente aumenta bruscamente.

Para fabricar diodos con un valor determinado de tensión de ruptura (V_Z) hay que ver la impurificación porque V_Z es función de la impurificación (N_A ó N_D), depende de las impurezas.

La zona de ruptura no es una vertical, realmente tiene una inclinación debida a R_Z:

En un "Diodo Zener Real" todos son curvas, pero para facilitar los cálculos se aproxima siempre.

Las aproximaciones para el zener son estas:

Modelo ideal (1ª aproximación)

Si buscamos su equivalente veremos que es una pila con la tensión V_Z.

Esto solo es válido entre I_Zmín y I_Zmáx.

2ª aproximación

Como en el caso anterior lo sustituimos por un modelo equivalente:

Simulación

El circuito es un limitador con diodos zener. En este circuito, cuando un diodo esta polarizado en directa, el otro diodo lo estará en inversa.

Se utiliza la segunda aproximación de los diodos.

Podemos variar la escala de la gráfica modificando la escala del eje y.

Cada vez que se introduzcan nuevos datos, pulsar el botón "Calcular".

Para realización de esta simulación se han tomado estas equivalencias:

R_L = Rload    V_L = Vloa

El transistor sin polarizar

El transistor esta compuesto por tres zonas de dopado, como se ve en la figura:

La zona superior es el "Colector", la zona central es la "Base" y la zona inferior es el "Emisor". El Emisor está muy impurificado, la Base tiene una impurificación muy baja, mientras que el Colector posee una impurificación intermedia.
 En este ejemplo concreto el transistor es un dispositivo npn, aunque también podría ser un pnp.

En principio es similar a dos diodos

Un transistor es similar a dos diodos, el transistor tiene dos uniones: una entre el emisor y la base y la otra entre la base y el colector. El emisor y la base forman uno de los diodos, mientras que el colector y la base forman el otro. Estos diodos son denominados: "Diodo de emisor" (el de la izquierda en este caso) y "Diodo de colector" (el de la derecha en este caso).

Antes y después de la difusión

Vamos a hacer un estudio del transistor npn, primeramente cuando está sin polarizar (sin pilas y en circuito abierto) se produce una "Difusión" (como un gas en una botella), donde los electrones cruzan de la zona n a la zona p, se difunden, encuentran un hueco y se recombinan. Esto hace que en las uniones entre las zonas n y p se creen iones positivos y negativos.

Esta difusión y recombinación se da hasta llegar al equilibrio, hasta conseguir una barrera de potencial de 0,7 V (para el Si). Se crean 2 z.c.e., una en la unión E-B (W_E) y otra en la unión C-B.