9.1 - Los Varistores
Los varistores de óxido de zinc, o todavía MOVs, SIOVs, son componentes bipolares pasivos (tienen dos terminales y no generan ni amplifican señales) destinados a la protección de circuitos contra sobretensiones o transitorios.
Los varistores de óxido de zinc tienen un principio de funcionamiento que se puede explicar fácilmente desde su estructura interna, que se muestra en la figura 1.
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Este componente está formado por contactos metálicos que tocan una masa de óxido de zinc sintetizado (u otro material de propiedades similares).
El componente está protegido por un encapsulado epóxido que presenta el aspecto final que el lector verá en la figura 2, donde también tenemos su símbolo.
La resistencia eléctrica que se presenta entre los bornes y, por tanto, entre los contactos metálicos dependen fundamentalmente de la tensión aplicada. Si la tensión es baja, no hay impulsión actual, y el componente se compone
casi como un circuito abierto. Esto se debe a que los granos de óxido de zinc no se tocan prácticamente y por lo tanto no permiten la circulación de la corriente.
Sin embargo, cuando la tensión aplicada excede un cierto valor, la corriente puede superar el aislamiento micro entre los granos que entonces vienen tocar.
La figura 3 presenta la curva característica de este componente, observando que tiene un comportamiento muy agudo en el punto en el que comienza la conducción.
La tensión en la que se produce la conducción, así como otras propiedades eléctricas del componente, depende de los siguientes factores:
– Del espesor del material conductivo que determina la tensión en la que comienza la conducción. Podemos decir que este tensión es equivalente a la conexión serial de los micro diodos Zener. Cuanta más gruesa sea la capa, mayor será la tensión de ruptura.
– De la superficie de contacto entre los electrodos con el elemento activo. Cuantas más vías existan para la corriente, mayor será la intensidad máxima posible.
– Del volumen final del componente, que determina la energía que puede absorber cuando impulsa la corriente.
En la figura 4 tenemos una aplicación típica en la que el varistor se conecta en paralelo con un conjunto de tomas utilizadas en la potencia de las computadoras y otros equipos sensibles.
Si por un instante hay un pico de tensión que sobrepasa el valor de conducción del varistor, que podría causar daño al equipo accionado, el varistor entra en la conducción inmediatamente y por un momento conduce la corriente mientras que la tensión sobrepasa el "valor peligroso”.
El varistor prácticamente queda en corto en estas condiciones, evitando que la alta tensión transitoria llegue al aparato. Es evidente que durante esta conducción se debe disipar la energía, lo que significa que el varistor sólo protege el aparato si estos pulsos son de corta duración.
La "Suciedad" De La Red Eléctrica
Si usted piensa que la energía eléctrica que viene a su casa, que viene a través de los cables de la compañía de abastecimiento, está limpio, "usted está equivocado. De la misma manera que el agua que viene a su casa puede contener algunas impurezas, la energía eléctrica también puede tener su "suciedad".
Por supuesto, la empresa proveedora hace todo lo posible para "filtrar" cualquier tipo de suciedad que pueda llegar a su casa, y de alguna manera afectar a los aparatos alimentados. Computadoras, VCR, relojes de radio, contestadores automáticos, estéreos son algunos de los equipos más sensibles a estas "suciedades" que pueden alcanzar junto con la electricidad suministrada, causando serios daños e incluso un funcionamiento anormal.
Lo que pasa es que la energía de la red se proporciona en forma de corriente alterna. Esto, como ya hemos visto, significa que la tensión entre los pinos de la toma de corriente deben variar suavemente entre un valor positivo y un valor negativo.
Esta suave variación de la tensión provoca un movimiento de los electrones para ir y venir a través de los aparatos alimentados, permitiéndoles transferir la energía que necesitan para funcionar.
En el caso de la red de energía, él va y viene del electrón ocurre en una frecuencia de 50 hertz (60 Hz en algunos países), es decir, en cada segundo los electrones van 50 veces y vuelven 50 veces, de una manera suave.
La representación de esto va y viene que identifica una corriente alterna, se hace realmente por un gráfico suave que se asemeja a una onda del mar: el sinusoidal.
Todo estaría bien con los electrodomésticos, si las variaciones de tensión en una toma de corriente siguieran ese ritmo de un liso, ningún problema.
Sin embargo, al igual que en el caso de una ola de mar, puede haber sobrepuestas "e incluso" ráfagas de agua que se solapan con la onda original, como se muestra en la figura 5.
Cuando se abre o se cierra un interruptor en la vecindad de su hogar, alimentando algún aparato, causa una pequeña variación en el consumo de energía que se siente, aunque, de una manera casi inadvertida, por todos los aparatos accionados por el mismo red eléctrica. Una pequeña "ondulación" puede solaparse con la energía que viene a su casa, con tal vez una ligera caída en la tensión.
Si el dispositivo conectado en ese momento por el interruptor activado tiene un alto consumo, usted puede incluso comprobar la caída de tensión causada por un multímetro, o por el parpadeo repentino de las lámparas, como se muestra en la figura 6.
Incluso dentro de su casa, cuando el refrigerador se enciende, o se dispara un dispositivo de mayor consumo, percibimos este tipo de variación, pero en particular nos interesan aquí las variaciones o "suciedad" que viene de afuera.
Esta variación no causa muchos problemas, incluso deformando nuestro senóide un poco, porque es muy pequeña. La mayoría de los dispositivos electrónicos no son sensibles a esta variación, excepto cuando causa una caída de tensión muy grande.
El problema mayor se produce cuando los dispositivos que se conectan o desactivan mediante una tecla o un conmutador, o incluso automáticamente en la misma línea de alimentación tienen características especiales.
Se llaman electrodomésticos "inductivos", es decir, aquellos con bobinas y posiblemente con cepillos de conmutación, tales como motores, solenoides, relés, timbres, máquinas de soldadura eléctrica, etc. Un aparato inductivo, como el nombre dice, tiene una característica de la inductancia.
Una inductancia, como se muestra en la figura 7, tiende a presentar una fuerte oposición a cualquier variación de corriente que tiende a ocurrir en su circuito.
Cuando conectamos un dispositivo que tiene una bobina, como un transformador, la corriente pronto se asienta, invirtiendo y desinvertiendo su sentido de circulación, no sin encontrar una cierta oposición, incluso entonces, entregando la energía que tiene que funcionar.
Las variaciones de la corriente harán que un campo magnético aparezca y desaparecerá al mismo ritmo que la corriente, revirtiendo la dirección de sus líneas de energía.
Hasta ahora todo bien, pero supongamos que en cualquier momento dado la operación de tal dispositivo se apaga. Si la corriente se interrumpe precisamente en un instante cuando el campo magnético está en un valor alto (sin importar la dirección), el dispositivo sufre una alteración muy grande de la condición a la que tiende a oponerse. El resultado es que las líneas del campo magnético que estaban presentes en ese instante están a una velocidad mucho mayor que la de la variación suave de la corriente que lo produce.
Esta velocidad puede ser tan grande, que, en la contracción, las líneas de fuerza del campo, cortando las espirales del dispositivo, generan un pulso de alta tensión. Este alto tensión puede ser a menudo, hasta docenas de veces, mayor que la tensión de la red eléctrica que alimenta el dispositivo.
La chispa que aparece en los cables o interruptores cuando apagamos este tipo de dispositivo nos revela que es la chispa puede "saltar" los contactos y luego pasar a la red eléctrica.
Estas chispas de corta duración, que pueden llegar a miles de volts, se llaman transitorias y se propagan a través de la red de energía, pasando de una casa a otra.
Si un vecino suyo dispara una bomba de agua de un pozo, o enciende un refrigerador, el transitorio generado puede alcanzar su salida, en forma de un pulso corto (algunos microsegundos), como se muestra en la figura 8.
Otra fuente de "suciedad" en la red energética es la propia naturaleza. Las descargas estáticas, o incluso los rayos que caen en la línea de distribución, pueden propagarse a través de la red eléctrica que llega a su casa. En este caso, dependiendo de la distancia a la que se produzca, los picos de tensión pueden variar de intensidad y duración.
Cómo la suciedad afecta al equipo electrónico
Pequeñas variaciones de tensión, o variaciones muy rápidas de la tensión de la red eléctrica, no son sentidas por muchos aparatos que, además de robustos, tienen una inercia lo suficientemente grande como para no reaccionar. Es el caso de una lámpara común que toma un cierto tiempo para tener su filamento calentado por una corriente.
Cuando ocurre una variación muy rápida de la tensión, la lámpara no tiene tiempo para reaccionar, y no pasa nada. La variación debe durar al menos una fracción de segundo para que algo suceda y en la mayoría de los casos esto no ocurre.
Un motor tampoco reacciona rápidamente a una variación muy abrupta de la tensión e incluso grande, absorbiendo la energía que esta variación representa y nada sucede.
En resumen, la mayoría de los electrodomésticos tienen una construcción suficientemente robusta, y una inercia suficientemente grande para no sufrir o reaccionar con la "suciedad" de la red de energía que está representada por transitorios y surtos.
Sin embargo, no es lo que sucede con muchos dispositivos electrónicos, que son generalmente más sensibles, con una inercia mucho menor, reaccionando fácilmente incluso a las variaciones de menor duración.
Las fuentes de alimentación de aparatos electrónicos tienen componentes que deben filtrar todos los ruidos, o "suciedad", que puede alcanzar junto con la tensión de alimentación, pero esto no es lo que sucede en la práctica.
Las fuentes filtran la mayor parte de la energía que se entregará a los dispositivos electrónicos a través de los capacitores electrolíticos.
Funcionan como "amortiguadores" que ablandan la fuente de alimentación, evitando "protuberancias" debido a los agujeros.
Los orificios son transitorios que pueden afectar al circuito, aplicando más tensiones de las que normalmente soportan, pero hay un problema: los "amortiguadores", o más bien los capacitor de los filtros tienen cierta inercia. Ellos, por su construcción física, son levemente inductivos, es decir, no responden a las variaciones muy rápidas de la tensión y por lo tanto puede pasar los transitorios.
El resultado puede ser fatal para los componentes delicados de los circuitos electrónicos.
Si un transitorio o un surto logra pasar a través del circuito, y alcanza este componente, su alta tensión "perfora" la cubierta del óxido del semiconductor, "quemando" irreversible el componente e inutilizando el aparato.
En muchos casos, el circuito integrado es el "corazón" del dispositivo, obteniendo más caro su sustitución (¡cuando es posible encontrar un similar, porque en el equipo importado normalmente esto es una tremenda dificultad!) que adquirir uno nuevo.
Hay casos en los que el transitorio, en lugar de entrar en la red eléctrica, puede entrar de otras maneras, como en el caso de teléfonos inalámbricos y máquinas contestadoras, cuando se llega a través de la línea telefónica.
¿Cuántos dispositivos de este tipo tienen "fallas" coincidentemente después de una tormenta con muchos rayos cayendo en las cercanías?
Incluso los aparatos menos delicados pueden sufrir seriamente con estos transitorios si son muy fuertes. Alguien que está demasiado cerca de una industria, o alguna tienda de máquinas de soldadura, puede sufrir mucho de la "suciedad" que viene a sus enchufes.
Las protecciones que ya existen
La presencia de transformadores, en el curso de la energía que viene a su casa, es interesante porque estos componentes pueden bloquear una buena parte de las oleadas de alta tensión y transitorios que pueden afectar sus aparatos.
Los cables largos ellos mismos, y la presencia de ciertos dispositivos que tienen características "capacitivas", atenúan algo de la "suciedad" que viene con la energía que aún se desviará.
Los fusibles que existen en la entrada de su instalación lamentablemente no son lo suficientemente rápidos para proteger sus instalaciones contra estos picos de tensión que pueden entrar, ya que tienen una duración muy corta. Incluso los interruptores no pueden hacer eso.
Esto significa que incluso si existe una cierta protección natural de la red de energía, los transitorios no pueden ser completamente eliminados, y el problema empeora en las regiones densamente pobladas donde muchos generadores de "suciedad" pueden ser conectados a una misma red eléctrica.
Por supuesto, tales enchufes protegidos se pueden también utilizar con otros dispositivos sensibles tales como VCR, fax, televisiones, etc. En la figura 9, mostramos uno de estos enchufes.
Otra manera de evitar problemas con los transitorios y los surtos es a través de una buena puesta a tierra si los aparatos ya tienen protección interna.
Las computadoras típicamente tienen varistores en sus circuitos de entrada, pero estos varistores están conectados de tal manera que necesitan un hilo de tierra para que el surto o el transitorio sean absorbidos. Esto se debe a que en realidad las corrientes causadas por ellos en la conducción del dispositivo de protección necesitan filtrarse a la tierra, como se muestra en la figura 10.
Esto significa que, sin la presencia del cable de tierra, los varistores pierden su capacidad de proteger, porque no hay ningún lugar para drenar la energía absorbida de la "suciedad" de la red.
Es por esta razón que los cables de entrada de las computadoras, y de todos los equipos sensibles modernos, tienen tres hilos: dos para la alimentación, y un tercero para la conexión a tierra.
Esta conexión se realiza por medio de un conductor grueso a una barra metálica enterrada en el suelo.
9.2 – Transductores de efecto Hall
Ciertos materiales semiconductores tales como silicio, germanio, algunas aleaciones de antimonio, óxidos de cobre y titanio presentan propiedades eléctricas que dependen de la presencia de campos magnéticos.
De hecho, si tenemos un trozo de material que muestra estas propiedades, y hacemos un flujo de corriente a través de él, veremos que los portadores de carga pueden ser fuertemente influenciados en su trayectoria por la presencia de un campo magnético externo, como el lector puede ver en la figura 11.
El resultado de esto es que observamos que la resistencia eléctrica presentada por el material depende de la presencia del campo magnético aplicado. Este efecto sobre la dirección de los portadores de carga se llama "Efecto Hall " y permite la elaboración de interesantes dispositivos electrónicos llamados "sensores de efecto Hall", que se encuentran en algunas aplicaciones importantes.
Estos pequeños componentes se pueden utilizar para accionar un cierto dispositivo dependiendo de la presencia de campos magnéticos, por ejemplo, un circuito de la reversión del movimiento cuando pieza mecánica.
Otra aplicación es como un sensor de corriente, colocada junto a un cable de conductor que alimenta una carga, por ejemplo. Cuando la corriente en la carga aumenta (un motor que bloquea, por ejemplo), el campo alrededor del alambre aumenta y el sensor detecta este aumento, apagando el circuito. En la figura 12 tenemos uno de estos dispositivos.
La variación presentada en la conductividad o resistencia del componente depende de la polaridad del campo magnético aplicado.
Otra aplicación para estos sensores que podemos citar es el encendido electrónico de los automóviles. En lugar de usar el platino tradicional que son controlados por un eje excéntrico accionado por el motor simplemente tenemos un pequeño imán que gira según el motor, y pasa antes de un efecto de sensor Hall.
Con cada paso del imán, el sensor tiene su resistencia alterada, produciendo así el pulso de conmutación que acciona el encendido electrónico, según la figura 13.
En una aplicación industrial, podemos dar como ejemplo el control de las máquinas detectando el movimiento de las ruedas dentadas, como se muestra en la figura 14.
Con cada paso de un diente antes del sensor se genera un pulso que se utiliza para monitorizar la rotación del engranaje.
9.3 - VÁLVULA GEIGER - MÜLLER
Aquí hay un dispositivo muy interesante que se utiliza en los detectores de radiación nuclear. Cuando una partícula ionizante de la radiación nuclear, por ejemplo: una partícula alfa (núcleo del helio, formada por dos protones y dos neutrones y por lo tanto cargado positivamente), o aún las partículas beta (electrones), pasan a través de un gas grande Velocidad, provocan su ionización al hacerlos momentáneamente conductores de corrientes eléctricas, como el lector puede ver en la figura 15.
Sobre la base de este principio funciona la válvula Geiger - Mülle, que tiene la estructura que el lector puede ver en la figura 16.
La radiación debe penetrar a través de una ventana de la mica, porque la mica es casi transparente a la radiación alfa y beta, que no ocurre con otros materiales tales como vidrio, plástico, etc. Dentro del tubo hay gas de baja presión y dos electrodos que se someten a muy alto tensión, típicamente entre 300 V y 600 V.
Con esta tensión el gas está cerca de su punto de ionización, pero todavía no se comporta como un conductor, sino más bien un aislante que no tiene entre los electrodos ninguna corriente perceptible.
Cuando una partícula ionizante (radiación) penetra el gas a través de la ventana de mica, en su trayectoria ocurre la ionización y con ella, por un instante, el gas se convierte en conductor. Una corriente puede entonces fluir entre los dos electrodos. Se genera un pulso de corriente y puede servir para activar algunos circuitos externos.
En la figura 17 el lector puede ver un ejemplo práctico de un circuito detector de radiación o de un detector Geiger.
El inversor permite generar a partir de baterías ordinarias la alta tensión para los electrodos del tubo. Los diodos rectifican la corriente y el capacitor hace la filtración, puesto que la operación se debe hacer con la tensión continua.
Como carga, el circuito tiene una resistor donde aparecen impulsos de tensión cada vez que una partícula ionizante penetra el gas causando su ionización. Los pulsos son llevados a un pequeño amplificador de audio, luego aparecen en un altavoz, o en un auricular, en forma de chasquidos audibles.
Cuanto mayor sea la intensidad de la radiación, más frecuente será la penetración de partículas en el sensor y aumentará así la frecuencia de producción de los “clics” en el auricular o altavoz, como se muestra en la figura 18.
Si en lugar de un amplificador, usamos un integrador, es posible "añadir" los pulsos y tener una indicación numérica en un instrumento. Algunos tipos de artefactos operan con este tipo de indicador como se muestra en la figura 19.
Vea que la sensibilidad dependerá precisamente del tamaño de la ventana y, por supuesto, de su transparencia. Hay otros dispositivos modernos que se pueden utilizar para detectar la radiación nuclear. Uno de ellos es el propio diodo que, sin embargo, debe adaptarse para tal fin.
Hay entonces los diodos de grandes superficies que, cuando están expuestos a la radiación y polarizados en revés, producen pulsos a cada partícula de ionización que penetre en su junción. Esta radiación libera a los portadores de carga y luego produce pulsos que también pueden ser amplificados. En la figura 20 tenemos un ejemplo de este tipo de diodo.
9.4 - Las baterías solares
Las fotocélulas, las células solares o incluso las baterías solares son los nombres usados para designar el mismo tipo de dispositivo, capaz de convertir la energía de la luz en electricidad. Estos dispositivos encuentran una amplia gama de aplicaciones en la electrónica, tales como: satélites, iluminación nocturna en lugares sin energía (la célula se utiliza para cargar una batería durante el día), carga de la batería en barcos y aviones, estaciones repetidoras, carga de Celular, etc.
El principio de funcionamiento de una célula solar o fotocélula es el siguiente:
Si la luz se centra en la juntura PN entre dos materiales semiconductores, los portadores de carga se liberan apareciendo entre los extremos del material una tensión eléctrica, como podemos ver en la figura 21.
Independientemente de la intensidad de la luz, la tensión que aparece en el material es siempre la misma, dependiendo sólo de la naturaleza de este material., sin embargo, con mayor intensidad de luz tenemos más portadores de carga liberados y, con esto, la capacidad actual será más.
Un transistor de silicio simple, que tiene una cápsula removida, y se expone a una de sus junturas, se convierte en una pequeña célula solar, capaz de generar una tensión del orden de 0,6 V bajo la corriente de unos pocos miles de amperios.
Sin embargo, la superficie expuesta a la luz de una juntura es que determina la cantidad de energía que podemos convertir en electricidad.
En la iluminación solar máxima, que se produce alrededor del mediodía en los países tropicales, obtenemos más de 1 KW de energía por metro cuadrado. Sin embargo, la eficiencia de una célula solar es muy pequeña, un poco por ciento, por lo que conseguimos sólo unos pocos vatios de energía eléctrica, incluso con una célula que tiene grandes junturas expuestas.
Así, para obtener una buena cantidad de energía, las células se conectan juntas, paralelas y series, para formar paneles, como se muestra en la figura 22.
Para tener mayor rendimiento, varios son los recursos utilizados en la producción de la fotocélula.
El tipo más común se hace con silicio monocristalino, a partir de una palanquilla de silicio puro, según la figura 23.
Esta palanquilla se corta en rodajas (Wafers) que luego son llevados a un proceso de difusión en un horno, formando una delgada capa de semiconductores de polaridades opuestas en las caras. De esta manera, toda la superficie del wafer se convierte en una juntura que puede ser expuesta a la luz. Hilos conductores finos entonces se arreglan en la forma de una red en este material para "cosechar" la energía eléctrica generada.
Un disco, tal como lo puede ver en la figura 24, puede proporcionar cerca de tensión de 2 V bajo corrientes de hasta 200 mA bajo iluminación directa del sol.
A continuación, se pueden montar paneles de gran potencia con el uso de decenas de estos discos que se conectan en serie y en combinaciones paralelas, de acuerdo con las tensiones y corrientes necesarias para las diversas aplicaciones prácticas.
Desafortunadamente, uno de los inconvenientes de este tipo de dispositivo es el costo. El rendimiento de las células sigue siendo bajo en comparación con su costo, por lo que su uso todavía compensa sólo en condiciones en las que no podemos utilizar cualquier otro tipo de fuente de energía.
En los satélites, por ejemplo, donde tenemos como la única fuente externa de energía en la luz del sol, este tipo de generador debe ser utilizado. Otra aplicación se encuentra en lugares donde no podemos llegar con cables de una red eléctrica, en la cima de una montaña, por ejemplo, donde se instala una estación repetidora tenemos otra posibilidad. Para uso doméstico, sin embargo, el uso de células solares todavía está un poco lejos de ser una realidad (Hoy las células tienden a tornarse más baratas y presentaren mayor rendimiento).
En la práctica, sin embargo, las pequeñas células solares pueden proporcionar energía para los dispositivos de bajo consumo tales como calculadoras, relojes, juguetes, etc. Hoy en día podemos ver en el mercado varios de estos aparatos que operan sólo con la luz ambiental, como puede ver el lector en la figura 25.
9.5 - MOSTRADORES DE CRISTAL LÍQUIDO
Las letras, números y otros símbolos pueden "aparecer" en pantallas pequeñas hechas del material especial que estudiaremos en este artículo.
Hay sustancias cuyas moléculas presentan una cierta polarización. A diferencia de la mayoría de las moléculas donde las cargas eléctricas se distribuyen de una manera más o menos uniforme, por lo que no tenemos un predominio de una carga positiva o negativa en una dirección dada, estas moléculas tienen un lado que es "más Positivo "que otro como se muestra en la figura 26.
Estamos interesados en sustancias de este tipo que existen en la naturaleza bajo condiciones normales de temperatura y presión (condiciones ambientales) en el estado líquido.
Así que, si tenemos un contenedor con una cierta cantidad de este líquido, sus moléculas se orientan de una manera más o menos desordenada. Cuando la luz penetra en este material, con las moléculas dispuestas desordenadamente, sufre una rotación en su plan de polarización, como puede ver el lector en la figura 27.
Recordamos que la luz consiste en ondas electromagnéticas, y como tal, tiene un componente eléctrico y un imán con cierta orientación. Hay materiales llamados "polarizadores" que permiten que la luz polarizada pase sólo en cierto sentido.
Estos materiales pueden ser utilizados en filtros fotográficos para eliminar reflexiones, ya que el lector puede entender observando la figura 28, o en la fabricación de gafas de sol, para el mismo propósito.
Los rayos reflejados tienen un sesgo en una dirección y los filtros se arreglan precisamente en el sentido de "negar" la luz con esta polarización.
Si delante del material con la sustancia que tomamos como ejemplo, colocamos un polarizador de tal manera que la luz que sufre una rotación en el material Pass, observándola en este lado, parecerá transparente, como el lector puede ver en la figura 29.
Sin embargo, si ahora aplicamos un campo eléctrico en este contenedor, para que pueda actuar sobre las moléculas que componen pequeños dipolos, lo que pasa es que estas moléculas rotarán y orientarán todas, en el sentido de ser paralelas al campo eléctrico aplicado.
El resultado de esto es que tendremos una especie de "obturador" que cierra y ya no actúa sobre la polarización de la luz que entra en el contenedor. El resultado es que, no sufriendo la necesaria rotación de polarización, la luz ya no pasa a través del polarizador y quien está "en el otro lado" va a ver el material opaco u oscuro.
Hay tres formas en las que podemos "diseñar" imágenes utilizando este material y que se muestran en la figura 30.
En uno de ellos usamos una fuente de luz "detrás" para controlar su paso con relación al observador. Es el proceso de transmisión que se muestra en la figura y que se utiliza en las pantallas de ordenadores portátiles y laptop.
En el otro, llamado tipo reflexivo, que encontramos en la mayoría de las calculadoras y relojes, aprovechamos la luz ambiental. Es el proceso reflexivo. Finalmente tenemos el proceso donde ambos usamos una fuente de luz detrás como la luz ambiental misma.
Vea entonces que, si "hacemos zonas" que forman los segmentos de un número, y conectamos estas zonas a cables donde podemos aplicar tensiones que crean campos eléctricos exactamente sobre ellos, tenemos un dispositivo electrónico de gran importancia.
Los electrodos que están en los segmentos son transparentes y en el número 7. Combinando la aplicación de tensión en los 7 segmentos, podemos hacer que sólo algunos de ellos "aparezcan" girando el plan de polarización de la sustancia líquida que está debajo y que se puede ver en la figura 31.
El resultado es que, fácilmente, podemos desde circuitos electrónicos hacer que los dígitos aparezcan de 0 a 9. Según este principio, se muestran los relojes y las calculadoras, con algunos elementos adicionales como símbolos gráficos y palabras (mensajes).
Si usamos tensiones continuas puras, tenemos un proceso de electrólisis que en poco tiempo estropea los electrodos y hace que la sustancia interna pierda sus propiedades.
La constante inversión de la polaridad de tensión aplicada mueve las moléculas y evita este proceso. Sin embargo, para excitar dichos diales necesitamos dispositivos especiales, es decir, circuitos integrados especialmente diseñados para este propósito. La principal ventaja de este tipo de visualización con relación a otros tipos es su bajo consumo.
Para mover moléculas no necesitamos "empujar", lo que significa que podemos hacer que muchos personajes aparezcan en un dial con un pequeño gasto de energía. Esto hace que este tipo de pantalla sea ideal para trabajar con aparatos alimentados con baterías.
9.6 - Otros dispositivos
Hay muchos otros componentes de gran importancia para las aplicaciones electrónicas más diversas.
Un hecho que dificulta nuestro enfoque más profundo de estos componentes es que emplean en aplicaciones muy restringidas, de modo que una teoría, que explica su funcionamiento de una manera completa, sería extremadamente larga y no cabría en el espacio que tenemos disponible, Además de escapar de nuestros propósitos. El primer componente "extra" que presentamos es el cristal de cuarzo.
Cristales
Los cristales de radiofrecuencia, los cristales de cuarzo, que también son abreviados por XTAL, son dispositivos que mantienen la frecuencia de oscilación de un circuito dentro de valores muy estrechos, con gran precisión. En la figura 32 tenemos el símbolo y los aspectos de este componente.
El cuarzo es un material piezoeléctrico que genera una tensión eléctrica cuando se somete a tensiones mecánicas, sufriendo deformaciones mecánicas cuando se somete a tensiones eléctricas.
Si ponemos un cristal en un circuito de retroalimentación de un oscilador, veremos que tiende a vibrar a una frecuencia única que depende de su forma, y sus dimensiones. De esta manera, podemos cortar un cristal de tal manera que vibre a una frecuencia única.
A continuación, usamos los cristales de los osciladores para fijar y mantener su frecuencia. Los transmisores, que deben tener frecuencias de funcionamiento exactas, utilizan para este propósito cristales en sus osciladores. En la figura 33 tenemos un oscilador de cristal con FET.
Para que el lector tenga una idea de hasta dónde va la precisión de un cristal, baste decir que los cambios en función de la temperatura, y otros factores que pueden influir en el funcionamiento del cristal, se miden en términos de ppm (partes por millón)!
Lámparas de xenón
Aquí hay otro dispositivo electrónico que merece ser analizado en nuestro curso. La lámpara de xenón tiene una estructura que se puede ver en la figura 34.
Esta lámpara está formada por un tubo de vidrio, recto o curvo, que contiene, en su interior, el gas inerte Xenón. También tenemos dos electrodos que están en los extremos del tubo internamente, y un tercer electrodo del disparador que se encarcela externamente.
Los electrodos internos se someten a una tensión muy alta, usualmente de la carga de un capacitor, del orden de 300 V a 600 V. Incluso con esta tensión, el gas sigue siendo aislante y no pasa nada.
Cuando un pulso obtenido de un transformador, con una tensión más alta todavía, de 1 000 V a 2 000 V, se aplica al electrodo del disparo, el gas dentro de la lámpara ioniza, conduciendo fuertemente a la corriente.
El resultado es la descarga total del capacitor, con la producción de un fuerte Flash" De luz que dura una fracción de segundo. En la figura 35 tenemos el circuito de disparo de la lámpara de xenón.
Para producir nuevos "Flashes", debemos volver a cargar el capacitor y, como con cada pulso de conducción la corriente es extremadamente intensa, la lámpara no puede funcionar continuamente. Por esta razón, las lámparas de xenón se utilizan sólo en aplicaciones donde necesitamos impulsos de luz de corta duración, como en la señalización (policía, aviones, alto de torres), en flashes de cámaras y luces estroboscópicas utilizadas en fiestas y bailes.
Las lámparas de xenón se especifican por la intensidad en Joules (J) del pulso de luz que puede producir. Esta intensidad se da por la energía almacenada en el capacitor. Cuanto mayor sea el capacitor, y cuanto mayor sea la tensión, mayor será la intensidad del pulso producido.
ACOPLADORES ÓPTICOS
¿Quieres aislar mejor entre dos circuitos que el vacío del aire existente entre ellos? Sobre la base de este principio operan los denominados acopladores ópticos que tienen el símbolo y el aspecto que se muestra en la figura 36.
Estos pequeños dispositivos consisten en un emisor de luz, que puede ser un LED rojo común o incluso un LED infrarrojo, y una foto sensor, que puede ser un fotodiodo, un fototransistor o cualquier otro dispositivo sensible a la luz. El conjunto está encerrado en un pequeño recinto a prueba de luz.
Los acopladores con foto-diacs, foto-SCRS, foto-triacs también son comunes, pero deben ser abordados más profundamente en nuestro volumen que se ocupa de la electrónica de potencia, el control y la automatización.
Es fácil ver que sólo tendremos salida de señal en el fotodiodo o el fototransistor cuando el LED se dispara. En otras palabras, la señal aplicada al LED "pasa" al otro lado, las fotos del sensor, en forma de luz, apareciendo en su salida.
El aislamiento entre la entrada y la salida es total, porque entre el foto - emisor y las fotos del sensor no hay conexión eléctrica.
La alta velocidad de funcionamiento del LED y del sensor permite la transferencia de señales, de un lado a otro del dispositivo, con gran velocidad, como se muestra en la figura 37.
Los fotoacopladores u optoacopladores se puede utilizar en un gran número de usos importantes.
Entre las aplicaciones se cita la transmisión de datos a microcontroladores y ordenadores a través de circuitos aislados propios, el control de dispositivos de potencia a partir de señales provenientes de circuitos de baja potencia que necesitan ser aislados.
Un uso importante del opto por los acopladores se puede encontrar en los circuitos de las fuentes de alimentación llaveadas, encontradas en equipos digitales y muchos otros equipos de consumo e incluso profesionales.
Un acoplador opto tiene el emisor (LED) conectado a la salida de la fuente de modo que la cantidad de luz dependa la tensión. El sensor opto - acoplamiento está conectado al circuito de control de la fuente. Cuando la tensión en la salida tiende a variar, la luz del LED varía y el sensor transmite esta información al circuito de control. El circuito de control reacciona para restablecer el valor deseado de la tensión de salida.
La gran ventaja de este circuito es que su salida de baja tensión, que alimenta los circuitos, está aislada del circuito de entrada, el cual está conectado a la red eléctrica. Este aislamiento, más el aislamiento del transformador, entonces asegura la seguridad de los circuitos del equipo. Al tocar cualquier circuito del equipo suministrado, después de la fuente, no hay peligro de choques, incluso si están conectados.
Llaves ópticas
Similares a los acopladores ópticos son las teclas ópticas, que también están formadas por un emisor de luz (LED) y un receptor, que puede ser tanto un fototransistor como un fotodiodo.
La diferencia es que entre ellos hay una apertura donde se puede pasar un objeto que interrumpe el paso de la luz, ya que el lector puede comprobar haciendo clic en la figura 38.
De esta manera, manteniendo el LED encendido, la presencia de señal en la salida del sensor dependerá del paso de un objeto por la abertura existente en la llave.
Una aplicación importante de este dispositivo está en el control de máquinas o incluso la activación de instrumentos, de las ruedas perforadas, de los discos dentados, o incluso de los objetos que pueden pasar rápidamente a través de la abertura del dispositivo. Su velocidad de acción permite detectar el paso de miles, o incluso cientos de miles de dientes u objetos, por la apertura en cada segundo.
Tubo de rayos catódicos
Un componente que era de enorme importancia en la electrónica, y que es la base de los monitores de televisión y vídeo de las computadoras más antiguas, es el tubo de rayos catódicos o TRC abreviado.
Aunque este componente tiende a desaparecer, sustituido por pantallas de tecnologías más modernas, como cristal líquido (LCD) y LEDs, es importante conocer su principio de funcionamiento, tanto por valor histórico como por el hecho de que todavía hay Equipo operativo que los utiliza.
Este tubo tiene la estructura indicada en la figura 39, desde donde explicamos su principio de funcionamiento.
En el "cuello" del tubo hay un cañón de electrones, o rayos catódicos, que en la parte interna lleva un filamento de tungsteno que se calienta por una baja tensión (como una válvula).
Este filamento calienta un cátodo que está hecho de material tal que, sometido a una tensión negativa, puede liberar fácilmente una gran cantidad de electrones.
Como el extremo opuesto del tubo (pantalla) es sometido a una fuerte tensión positiva, los electrones que son liberados por el cátodo son atraídos con gran fuerza. El resultado es un efecto similar al disparo de un "cañón", en el que los electrones se disparan hacia la pantalla.
Estos electrones disparados se concentran en forma de un delgado rayo a través de una especie de lente, que no es más que un electrodo interno cargado con cierta tensión, o bien a través de las bobinas colocadas en el "cuello" del tubo.
Vea que, una vez que se dispara, los electrones pueden tener su trayectoria cambiada, tanto por la acción de los campos eléctricos, sólo para poner placas o electrodos cargados en su camino, como por la acción de los carretes, como el lector puede ver en la figura 40.
En el caso de un campo eléctrico, los electrones se desvían hacia las placas positivas, porque tienen carga negativa y diferentes polos atraen.
En el caso de campos magnéticos la modificación de la trayectoria se realiza mediante la combinación vectorial de la dirección de desplazamiento, con la dirección del campo magnético, como se muestra en la misma figura 338.
El hecho es que podemos entonces "enfocar" el haz de electrones en un punto determinado de la pantalla, usando tales elementos.
La pantalla está cubierta de una delgada capa de fósforo que, al recibir el "impacto" de los electrones, se vuelve luminosa. Así, en el pequeño lugar donde se concentra el haz de electrones, aparece un punto o punto claro, dependiendo del enfoque más grande o más pequeño, como se muestra en la figura 41.
Pero todavía tenemos electrodos adicionales que se colocan en la trayectoria de los electrones. También tenemos dos juegos de placas que están dispuestos horizontal y verticalmente y que, mediante la aplicación de tensiones eléctricas, puede cambiar a la izquierda y la derecha del haz de electrones, o incluso hacia arriba y hacia abajo, como el lector puede ver en la figura 42.
De esta manera, con el uso de las tensiones apropiadas en los dos sistemas de placas horizontales y verticales de la desviación, podemos hacer que el haz de electrones se centra en cualquier punto en la pantalla.
Finalmente, tenemos una rejilla de control que puede determinar la cantidad de electrones que "pasan" a través del sitio, influyendo así en la intensidad del punto luminoso.
Estas posibilidades de controlar un punto luminoso en una pantalla, exclusivamente por medios eléctricos, nos llevan a dos aplicaciones prácticas importantes para los tubos de rayos catódicos: los monitores de vídeo/televisión y el osciloscopio.
En el caso del osciloscopio, las placas horizontales están conectadas a una base de tiempo consistente en un oscilador que genera una señal de diente de sierra, como puede ver el lector en la figura 43.
Así que el punto, se mueve de izquierda a derecha con una velocidad constante en la pantalla y, a continuación, cuando llega al final de la trayectoria, cuando la tensión cae, se vuelve tan rápidamente a la derecha que no lo vemos (algunos circuitos "borran" el punto en esta trayectoria de atrás), de modo que en el siguiente ciclo repite la misma ruta de izquierda a derecha.
El resultado práctico de esto es la aparición de una línea recta en la pantalla, porque el partido utilizado tiene cierta persistencia, no borrando inmediatamente.
Cuando luego aplicamos sobre las placas verticales una señal cualquiera, por ejemplo senoidal, al mismo tiempo que el punto describe la trayectoria de izquierda a derecha, también hace una trayectoria en la dirección vertical que corresponde a la señal, es decir, un seno. El resultado es la aparición en la pantalla del dispositivo sinusoidal, como podemos observar si hacemos clic en la figura 44.
Verificamos que sea cual sea la forma de onda de la señal aplicada a las placas verticales, se proyectará en la pantalla por el movimiento del punto luminoso.
A continuación, podemos visualizar en el osciloscopio las formas de onda eléctrica de las señales, lo que hace que este aparato sea extremadamente útil en el taller.
Los cinescopios en color tienen en realidad tres cañones, ya que necesitan generar haces que corresponden a los tres colores que, combinados, resultan en todos las demás. Vea que los electrones no tienen colores: los colores se obtienen de los fósforos que emiten la luz de diversos colores cuando reciben el impacto de los electrones.
Las tensiones necesarias para el funcionamiento de estos cinescopios (tubos de rayos catódicos) son muy altas, desde el orden de decenas de miles de volts. Es por lo tanto un componente que debe ser manejado con extremo cuidado por los técnicos de reparación. (Hoy no son más usados).
Como la velocidad de movimiento en la dirección horizontal es mucho más alta que en la vertical, el resultado es que la pantalla se llena de líneas paralelas. Los circuitos que hacen esto en el televisor se llaman “de escaneo” o “barredura”.
Modulando al haz para obtener instantes de luz y oscuridad según la información transmitida por la estación, podemos reproducir imágenes, que se muestran en la figura 45.
Los ciclos de escaneo se repiten tan rápidamente que no vemos su cambio, y esto nos da una sensación de continuidad o movimiento de la imagen.
En televisión en color, como en monitores de ordenador, hay tres cañones que disparan haces de electrones que se centran en diferentes puntos de la pantalla que están cubiertos de fósforo de diferentes colores (rojo, verde y azul). La combinación de los 3 colores genera imágenes con todas las demás, como podemos entender observando la figura 46.
Diodos Láser
Un componente que merece prominencia es el diodo láser que se encuentra en los reproductores de CD, DVDs y muchas otras aplicaciones.
A medida que estudiamos, los LEDs son diferentes diodos que se caracterizan por emitir luz visible o infrarroja, cuando son atravesados por una corriente en la dirección directa. Diseñando absolutamente críticamente el formato del diodo, agregando impurezas apropiadas a ellos y todavía adoptando un sistema reflexivo que forme una cavidad resonante, el LED común puede convertirse en un diodo láser. En la figura 47 tenemos la estructura de un diodo láser.
En la figura 48 tenemos algunos tipos comunes de láser de diodo, como los que se encuentran en los punteros láser.
LÁSER significa Amplificación de Luz por Emisión de Radiación Estimulada.
Explicando más lejos, el diodo láser logra producir haces muy estrechos de luz o radiación infrarroja de una sola longitud de onda con propiedades excepcionales.
En el caso de CD de música, DVDs o CD - ROM, la lectura de la información es hecha por un sistema que incluye dos componentes muy importantes que merecen ser resaltados.
Uno es el diodo láser que emite hacia el disco un haz estrecho de radiación infrarroja. La información en el CD o DVD se registra en forma de elevaciones microscópicas y sumideros que pueden alterar la forma en que se refleja la luz láser.
En el Bluray el LED es azul, con una longitud de onda más pequeña, puede leer la información grabada más densamente.
Un fotodiodo o un fototransistor conectado a un sistema óptico muy preciso logra enfocar las elevaciones y hundimientos llamados "pits", convirtiéndolos en impulsos eléctricos que son interpretados por los circuitos como bits grabados.
De esta manera el drive puede leer la información grabada en el disco por medio de un láser, de ahí su denominación de CD - láser que también se utiliza.
Los LEDs y los fotosensores (diodos o relés) también se utilizan para detectar si el orificio de protección de grabación de un disquete está abierto o cerrado, si un mecanismo de una impresora o escáner está en una determinada posición y en muchas otras aplicaciones.
En algunos mousers, la posición de su desplazamiento se obtiene moviendo un disco perforado antes de un LED, y un sensor de fotos para producir impulsos que indican cómo se mueve.
Motores de paso
Muchos equipos industriales, electrónicos que tienen piezas móviles, Unidades de disquete Impresoras, escáneres y algunos otros dispositivos automotrices hacen uso de un tipo especial de motor llamado "motor de paso".
Diferentemente de los motores comunes, que giran sin parar cuando aplicamos la alimentación, el motor de paso es un motor que gira controlado por impulsos, y puede parar en una cierta posición que dependa de los impulsos aplicados.
Esto significa que el motor de paso puede ser llevado a cualquier posición de su eslabón giratorio, controlado por las señales que vienen directamente de un circuito digital.
Esta importante propiedad de los motores los hace ideales para aplicaciones en las que se requiere precisión al posicionar una pieza.
Este es el caso de algunos dispositivos utilizados en el equipo, como las unidades de disco que debe girar a una velocidad precisa, un mecanismo de una impresora que debe ser colocado en una posición exacta o incluso un brazo de robot en un automatismo controlado por el ordenador.
En la figura 49 se muestra un típico motor de paso de corte tipo polo que tiene dos carretes con derivados.
La forma en que se excitan estos carretes determina la forma en que gira o se posiciona. Los tipos más comunes son los 12 V que están excitados por corrientes de hasta 500 mA.
Los motores de paso no están diseñados para mover dispositivos pesados o de alta velocidad, sino más bien dispositivos ligeros y de alta precisión.
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Lección 9 <--