Componentes
Entre los principales componentes que debemos tener cuenta en el estudio de la radioafición están las resistencias, los condensadores, las bobinas, los transformadores, los diodos y los transistores entre otros. En inglés se conocen como resistor, inductor (reactor, coil, choke), transformer, diode y transistor respectivamente. Los primeros son componentes pasivos mientras que diodos y los transistores son activos.
1. Resistencias
Las resistencias se oponen al paso de la corriente eléctrica. Toda resistencia se puede medir en ohmnios (Ω). La ley de Ohm nos dice que V=I·R, por tanto, cuando mayor es la resistencia, menos corriente hay para un mismo voltaje (tensión). Las resistencias se pueden clasificar de varios modos. Pueden clasificarse de acuerdo con su estructura física o bien al comportamiento que muestran con la electricidad.
- Resistencia fijas
– De carbón. Económicas, pero de muy baja precisión. Tolerancias de 5-20%.
– De película de carbón. Mejor estabilidad que la anterior. Tolerancia de 1-5%.
– De película metálica. Tienen mayor precisión y estabilidad térmica. Tolerancia 0,1-1%.
– Bobinadas. Se usan en potencias elevadas. Están hechas con hilo resistivo enrollado.
- Resistencias variables
– Potenciómetro. Tiene 3 terminales. Permiten ajustar la resistencia manualmente.
– Reóstato. Parecida al potenciómetro pero con 2 terminales.
- Especiales
– Coeficiente Negativo de Temperatura (NTC). Cuando la T aumenta, su resistencia disminuye y dejan pasar mejor la corriente. Se usan en sensores de T o en componentes que protegen contra picos de corriente.
– Coeficiente Positivo de Temperatura (PTC). Cuando la T aumenta, su resistencia aumenta. Se usan como protectores térmicos.
Códigos de colores. Las resistencias suelen tener 4 bandas de colores. La dirección se puede distinguir fácilmente porque en muchas de ellas las tres primeras están más juntas y la cuarta está algo más separada del resto. Cada banda tiene un color y cada uno de estos colores están asociados a un valor. Las dos primeras bandas expresan el primer y el segundo dígito. El tercer valor es el multiplicador y el cuarto, la tolerancia. En esta resistencia (abajo-derecha), podemos ver una resistencia de 4 bandas (Amarillo-Violeta-Rojo-Oro). Eso expresa 47·100=4.700Ω con una tolerancia del 5% por encima y por debajo.
Disipación de potencia. La resistencia actúa transformando la energía eléctrica en calor. Esa energía se mide en vatios (W).
Potencia nominal máxima. Las resistencias tienen de fábrica distintas potencias máximas.. Por ejemplo 1/8W, 1/4W, 1/2W, 1W, 2W… Si la resistencia supera esa potencia, ésta se calienta en exceso y se puede quemar.
2. Condensadores
Condensador (capacitores). El condensador almacena energía en un campo eléctrico entre dos placas conductoras separadas por un material aislante llamado dieléctrico. La capacidad de un condensador es la cantidad de carga que puede almacenar cada voltio aplicado y se mide en faradios (F). En la medición real, se usan submúltiplos (μF, nF, pF…).
Hay factores que afectan a la capacidad. En la siguiente fórmula podemos comprobar que cuando mayor es el área de las placas (superficie) o cuando mayor es la permitividad del dieléctrico, mayor es la capacidad. En cambio, la distancia entre las placas tiene una relación inversa, cuando mayor es esa distancia entre las placas, menor será la capacidad del condensador.
Reactancia capacitiva. Cuando se conecta un condensador a una CA se opone al paso de corriente. Esa resistencia es variable y se denomina reactancia. Como vemos, se mantiene una relación inversa entre la capacidad del condensador y la frecuencia. Cuanto mayor es la capacidad del condensador y cuando más alta es la frecuencia, menor es la reactancia entendida como oposición o resistencia al paso de corriente.
Relación de fase. En un condensador, en corriente alterna, la corriente se adelanta a la tensión, es decir, va por delante. Eso implica que el condensador se carga antes de que el voltaje alcance su valor máximo de tensión.
- Tipos de condensadores
Cerámicos. Son pequeños, baratos y relativamente estables. Tienen poca capacidad y baja corriente de fuga.
De película plástica. Buena estabilidad térmica y capacidad mediana. Usados en filtros y fuentes.
De mica. Alta precisión y estabilidad. Se usan en radiofrecuencia.
Electrolíticos. Altas capacidades. Se usan en fuentes de alimentación. Tienen alta corriente de fuga.
Variables. Por ejemplo, los de aire. Tienen baja capacidad, pero no tienen pérdidas.
Coeficiente de temperatura. Los condensadores pueden variar su capacidad con la T. Pueden tener un coeficiente positivo (la capacidad sube junto con T); negativo (baja con la T) o cero, que es el ideal, es decir, que no se producen cambios con respecto a la temperatura.
Corriente de fuga. Es una pequeña corriente que circula a través del dieléctrico. En los condensadores electrolíticos, la fuga puede ser cuantiosa, especialmente cuando el aparato es viejo o está sometido a altas temperaturas.
3. Bobinas
Bobinas (inductores). Son componentes pasivos que almacenan energía (cuando hay corriente) en forma de campo magnético. Se usan en muchos aparatos, incluyendo filtros, sintonizadores y transformadores.
Autoinducción. Es la propiedad de una bobina de oponerse a los cambios de corriente generando una tensión contraria, la llamada fuerza electromotriz inducida. Esta fuerza aparece cuando la corriente varía y se explica gracias a la ley de Faraday.
La autoinducción se mide en henrios (H), aunque se suelen usar submúltiplos (mH, μH). Una bobina tiene una inductancia de 1H si produce una tensión de 1V cuando al corriente cambia a razón de 1A por segundo. Hay muchos factores que afectan a la inductancia, es decir, que este valor no es una constante en todas la bobinas.
En la fórmula anterior podemos ver que hay tres factores que influyen significativamente en la inductancia. Estos son el número de espiras, la permeabilidad magnética del núcleo (depende del material) y el área de la sección transversal (el diámetro). En cambio, la relación es inversa a la longitud. Cuando mayor es la longitud del bobinado, menor será la inductancia.
Reactancia inductiva (X1). Una bobina ofrece oposición a la corriente alterna (CA) mediante la reactancia inductiva. Su fórmula es fácil de intender puesto que se mantiene una relación directa con la frecuencia y la inductancia. En corriente continua (CC), hay que decir que la reactancia es nula y por tanto, dicho una bobina se comporta como un simple cable.
Relación de fase. En una bobina, la tensión se adelanta a la corriente (lo contrario que sucede con el condensador).
Factor Q. El factor Q es el factor de calidad. Mide la eficiencia de una bobina en aplicaciones como la radiofrecuencia. Un factor Q elevado significa que hay pérdidas. En la fórmula vemos, como es lógico, que el factor Q depende mucho de la resistencia ya que es ésta la que frena la corriente.
Efecto pelicular (Skin Effect). Es un fenómeno que sucede a altas frecuencias. Cuando esto ocurre, la corriente tiende a circular sólo por la superficie del conductor debido a un efecto pelicular. Esto aumenta la resistencia efectiva del conductor y disminuye consecuentemente el factor de calidad. Para evitar o minimizar este efecto se suelen emplear conductores huecos o los llamados hilos de Litz (hilos muy finos aislados entre sí).
Hay que tener en cuenta que también hay otros factores que pueden afectar a la calidad. El hilo puede ofrecer mayor resistencia con la T o cuando tiene mayor longitud. También pueden aparecer pérdidas en el núcleo. Si éste es magnético aparece la llamada histéresis o corrientes parásitas. Tampoco hay que desestimar las conexiones sueltas o los malos contactos entre los diferentes componentes del circuito.
4. Transformadores
Transformadores. Componente que transfiere energía entre dos bobinas acopladas magnéticamente. Pueden transferir energía de un circuito a otro mediante un campo magnético, sin una conexión directa entre ambos. Permite cambiar niveles de tensión, adaptar impedancias o incluso aislar eléctricamente dos circuitos.
Un transformador está formado por dos bobinas. La bobina primaria es aquella que está conectada a la fuente de energía y la secundaria es la que recibe la energía transformada. Las bobinas tienen espiras, que son simplemente las vueltas que da el hilo conductor.
Transformador ideal [Pprim=Psec]. Un transformador ideal es aquel en el que la potencia primaria es igual a la secundaria. Eso significa que no se producen pérdidas. La potencia es igual al voltaje (tensión) por la corriente (intensidad). Eso significa que el producto del voltaje y la corriente primaria es igual al producto del voltaje y la corriente secundaria. Por tanto, si aumentamos la tensión, disminuye la corriente y viceversa.
Relación entre tensiones y corrientes
Aquí tenemos tres fórmulas necesarias para entender cómo se comporta el transformador. La primera hace relación a la relación entre tensiones. Lo que nos indica la fórmula es que ésta depende del número de espiras de las bobinas. Si la bobina primaria tiene más espiras que la secundaria (n>1, el transformador es reductor y lo que hace es bajar la tensión). Si la bobina secundaria tiene más espiras que la primaria (n<1), el transformador es elevador y lo que hace es subir la tensión. La segunda fórmula nos indica la relación entre corrientes. Está relación es inversa al número de espiras (recordemos las fórmulas ya vistas). Si la tensión sube, la corriente baja y si la tensión baja, la corriente sube.
Relación de impedancias. Los transformadores también sirven para adaptar impedancias. La relación entre las impedancias se puede expresar con la siguiente fórmula. Esto viene a decir que una impedancia se transforma con el cuadrado de la relación de espiras. Es decir, si en la siguiente fórmula aislamos n (N1/N2), nos queda que Z1/Z2 es igual a N al cuadrado.Si la relación del transformador es 4:1 en espiras, la relación de la impedancia será de 16:1. Esta aplicación es útil en fuentes de alimentación (para reducir la tensión de la red), para equipos de audio (adaptar impedancias), en radiofrecuencia (en los llamados transformadores de balun y en el acoplamiento de antenas), en seguridad y en medición.
5. Diodos
Diodos. Son componentes semiconductores que permiten en paso de corriente en una sola dirección (del ánodo al cátodo). Su papel por tanto está relacionado con la estabilización, protección y rectificación del paso de corriente dentro de un circuito.
- Tipos
Rectificador. Sirven para converir CA en CC. Los hay de media onda (un único diodo deja pasar la mitad del ciclo) o de onda completa (con 2 diodos y un transformador con toma central; puente de Graetz con 4 diodos). Se usan en fuentes de alimentación.
Protector. Protegen contra la inversión de polaridad.
Zener. Están diseñados para trabajar en polarización inversa. Estabilizan las tensiones, manteniendo una tensión constante cuando se alcanza el voltaje de ruptura.
LED. Son indicadores luminosos. Usados como indicadores o simplemente como iluminación.
Varicap (varactor). Están diseñados para funcionar como condensadores variables. Su capacidad depende de la tensión inversa aplicada. Se usan en sintonizadores de radio y TV, en osciladores y multiplicadores de frecuencia.
Schottky. Se usan cuando es necesaria una conmutación rápida con baja pérdida de energía. Se usan en mezcladores de radiofrecuencia y como detectores.
PIN. Se usan par atrabajar con señales de altra frecuencia y controlar corrientes o señales.
Tensión inversa máxima (PIV). Es la máxima tensión en polarización inversa que soporta un diodo sin romperse.
Coriente de fuga. Los diodos no son inmunes a las corrientes de fuga que circulan en polarización inversa. Éstas aumentan con la T.
6. Transistores
Transistores. Son componentes electrónicos activos que permiten amplicar señales o actuar como interruptores. Hay dos grandes tipos principales: Los transistores bipolares y los transistores de efecto campo.
Transistores bipolares de unión (BJT). Son dispositivos de tres terminales E-B-C (Emisor-Base-Colector). Hay de dos tipos. Los NPN (el más común) y los PNP. Funcionan gracias al flujo de portadores de carga a través de las uniones P-N (negativo-positivo). Son dispositivos controlados por corriente.
Factor de amplificación. En estos transistores, el factor de amplificación se llama hFE o simplemente β. Nos indica cuánto amplifica el transistor. Como vemos, una pequeña corriente de base puede controlar una gran corriente en el colector. Si tenemos la corriente de base y ese factor de amplificación, podemos saber cuanta corriente habrá en el colector. El factor β puede variar entre 20-800, aunque lo más común es que el valor esté entre 50 y 300.
Transistores de efecto campo (FET). Tienen tres terminales S-D-G (Fuente-Drenador-Puerta). Controlan la corriente mediante un campo eléctrico. Son dispositivos controlados por voltaje. También tienen varios tipos como los JFET (transistor de unión) y los MOSFET (tranistor de óxido metálico). La ventaja frente a los anteriores es que tienen alta impedancia de entrada y muy bajo consumo, ya que apenas entra corriente por este tipo de transistores.
Configuraciones. Sirve tanto para BJT como FET. Se pueden montar en tres configuraciones básicas según cuál sea el terminal común, es decir, aquel terminal que se usa como referencia común entre la entrada y la salida.
– Emisor/Fuente → Alta ganancia de V e I. Inversión de fase. Impedancia entrada (media) y salida (media-alta). Uso general, aunque común en amplificadores.
– Base/Puerta → Impedancia entrada (muy baja) y salida (alta). Sin inversión de fase. Usada en radioafición.
– Colector/Drenador → Ganancia ≈1. No invierte la señal. Impedancia entrada (alta) y salida (baja). Se usa como adaptador de impedancias.
Polarización. Además de la configuración, hay que prestar atención a la polarización. Un transistor debe estar polarizado adecuadamente para su buen funcionamiento. La polarización establece el punto de trabajo Q del transistor. Hay métodos de polarización que permiten un mejor funcionamiento del transistor. En los BJT se suele usar el divisor de tensión en la base. En los FET, una fuente con resistencia en el drenador y una puerta fija. También hay métodos de auto-polarización que permiten ajustar el punto de reposo con resistencias.
7. Otros componentes
Hay otros componentes importantes en electrónica y radioafición. Tenemos las válvulas termoiónicas, los circuitos integrados y los circuitos digitales.
Válvulas termoniónicas. Fueron los precursores de los actuales transistores, aunque todavía se pueden ver (equipos de radioaficionado, amplificadores Hi-Fi y equipos de alta potencia) debido a que soportan altas tensiones y corrientes. Funcionan mediante el movimiento de electrones en el vacío dentro de un tubo de vidrio o metal. Están compuestos por un cátodo, el ánodo y las rejillas. El cátodo se calienta para emitir electrones, el ánodo es una placa que recoge los electrones y las rejillas controlan el flujo de éstos entre ambas partes.
Hay diferentes tipos de válvulas. Los diodos (ánodo-cátodo) que funcionan como rectificadores, los tríodos (ánodo-rejilla-cátodo) que permiten la amplificación y los tetródos/pentódos que añaden múltiples rejillas para mejorar el rendimiento.
Circuitos integrados (CI). Son pequeños chips que contienen diferentes componentes electrónicos (transistores, diodos, resistencias…) en una sola pastilla de silicio. Los hay analógicos, digitales y mixtos. Entre los analógicos tenemos amplificadores operacionales, regulares y mezcladores (usados como conversores). Los digitales trabajan con niveles discretos (ceros y unos). Se usan en puertas lógicas, en contadores y microprocesadores. Dos ejemplos de circuitos digitales son los TTL y los CMOS. Entre las puertas básicas tenemos:
AND → Salida 1 si todas las entradas son 1
OR → Salida 1 si al menos una entrada es 1
NOT → Invierte el valor de cada entrada
NAND → Negación de AND. Da salida 1 excepto cuando todas las entradas son 1
NOR → Invierte OR. Da salida 1 sólo cuando ningún valor de entrada es 1
XOR → Da 1 si las entradas son diferentes (adversativa excluyente)