Enciclopedia de Electronic A Basica Tomo 2
Enciclopedia de Electronic A Basica Tomo 2
Enciclopedia de Electronic A Basica Tomo 2
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Precio en: Argentina: $8,90 Mxico $20 M.N. Venezuela: $10,000.00 Colombia: $14,000.00 Otros Pases: U$S6
ISBN: 987-1116-10-1
ELECTRONICA
PRESENTA
SABER
EDICION ARGENTINA
TOMO 2
Coordinado por: Ing. Horacio D. Vallejo
Editado por:
www.webelectronica.com.ar
(Los compradores de esta edicin tienen acceso a informacin adicional con el password: enci2)
La editorial no se responsabiliza por el contenido del material firmado. Todos los productos o marcas que se mencionan son a los efectos de prestar un servicio al lector, y no entraan responsabilidad de nuestra parte. Est prohibida la reproduccin total o parcial del material contenido en esta publicacin, as como la industrializacin y/o comercializacin de los circuitos o ideas que aparecen en los mencionados textos, bajo pena de sanciones legales, salvo mediante autorizacin por escrito de la editorial.
Indice y Prlogo
Prlogo
La Enciclopedia de Electrnica Bsica, es una obra de 6 tomos acompaada de CDs MULTIMEDIA y bibliografa adicional que se puede bajar gratuitamente desde Internet con las claves dadas en diferentes prrafos de cada tomo y de los CDs.
INDICE
LOS CIRCUITOS IMPRESOS ..........................3 Introduccin .......................................................3 Placa de Circuito Impreso .................................3 Los Elementos Necesarios ...............................4 Construccin de las Placas de Circuitos Impresos .......................................................... 4 Proyecto de la Placa ....................................... 6 Diseo Asistido, Recursos Especiales ............ 8 Dimensionamiento de la Placa .........................9 Diseo para los Resistores .............................10 Diseo para los Capacitores Electrolticos .....11 Un Mtodo Prctico........................................ 12 POTENCIA ELECTRICA ................................14 Introduccin .....................................................14 Clculo de la Potencia .................................. 16 Aplicacin de la Ley de Joule ........................ 17 Potencia y Resistencia................................... 17 CAPACITORES...............................................18 Introduccin .....................................................18 La Capacidad ..................................................19 Capacitores Planos ........................................ 20 La Energa Almacenada en un Capacitor .....21 Asociacin de Capacitores ............................ 21 CONTENIDO DEL CD N 2 ............................23 Programas ACROBAT READER y WINDOWS MEDIA PLAYER ...........................23 Video Presentacin .........................................23 Enciclopedia Visual Parte 2.............................24 Curso de Electrnica con Prcticas ................24 150 Montajes...................................................24 Video Manejo del Osciloscopio .......................24 Programas .......................................................24 Utilitarios..........................................................24 Libros...............................................................24
La Enciclopedia tiene como objeto mostrar las bases, leyes y postulados de la electricidad y la electrnica adems de introducir al lector en esta disciplina que abarca varias ramas ya sea en la electrnica analgica como en la digital.
Esta enciclop[edia posee temas que se desarrollan tambin en el CD Enciclopedia Visual de la Electrnica y en Teora Servicio y Montajes. Esto es as porque los postulados de la electrnica son siempre los mismos y empleamos igual bibliografa para cada caso. Sin embargo, en la medida que avanza la obra, notar que la que est leyendo en estos momentos est dirigida a que Ud. aprenda electrnica mientras que Teora, Servicio y Montajes est orientada a los tcnicos reparadores. Por otra parte, en los CDs de esta Enciclopedia encontrar abundante material prctico que no posee la Enciclopedia Visual. Por lo dicho, aclaramos que son tres productos creados con diferentes objetivos aunque algunos de los temas tratados sean los mismos.
Esta seccin de la enciclopedia est destinada a los aficionados y estudiantes que an no han perfeccionado su tcnica para la fabricacin de sus propios circuitos o directamente desconocen la forma para llevar este procedimiento a cabo. Sin embargo, el tcnico experimentado o el profesional que puede encontrarse con esta tarea, tambin descubrir conocimientos valiosos, dado que se dan incluso, las medidas de componentes electrnicos para encarar proyectos con precisin.
Figura 1
Figura 2
Figura 3
Una placa de circuito impreso no es ms que un soporte de fibra o pertinax en la que se pueden grabar pistas de cobre que, siendo conductoras, proporcionan las interconexiones entre los componentes.
Si bien existen mtodos sencillos que hacen uso de placas de circuito impreso pre sensibilizadas, es necesario que el estudiante realice experiencias con el mtodo tradicional que se est explicando en estas pginas.
Figura 4
Figura 5
Proyecto de la Placa
Explicaremos en forma sencilla y paso a paso cmo realizar todo el proceso de convertir un diagrama de circuito en una buena placa. A partir de un diseo ya hecho, en el que se muestran tanto el lado cobreado como el lado de los componentes sobre la placa, es bastante fcil, segn lo descripto hasta aqu, llegar a la placa lista para un montaje. Cmo hacer en el caso de haber conseguido slo el diagrama del aparato? cmo transferir al cobre las conexiones que llevan a un amplificador, un oscilador o un transmisor? El problema no es tan complicado como parece. Vamos a suponer un amplificador como el mostrado en la figura 6. Se trata de un amplificador de tres transistores, que puede usarse como etapa de salida de radios, sirenas o como amplificador de prueba. El material usado es el siguiente:
ATENCION: NUNCA ECHE EL AGUA SOBRE EL PERCLORURO PUES LA REACCION PUEDE HACER QUE LA SUSTANCIA EXPLOTE, MANCHE Y QUEME LO Vea que todos los resistores son de pequea potencia, por las propias caracteQUE TOQUE, Y SI LE DA EN LOS OJOS rsticas del circuito, que es tambin de baja potencia. HASTA PUEDE CEGARLO! C1 = 100nF C2 = 10nF
R1 = 100 x 1/8W R2 = 120k x 1/8W R3 = 560 x 1/8W C3 = 220F C4 = 100nF Los capacitores C1, C2 y C4 pueden ser cermicos, y C3 debe tener una tensin de trabajo mayor que la alimentacin. D1, D2 = 1N4148 o cualquier diodo de uso general Q1, Q2 = BC548 o cualquier transistor NPN de uso general Q3 = BC558 o cualquier PNP de uso general P1 = potencimetro de 25k PTE = parlante de 8 y 3 S1 = interruptor simple B1 = Fuente de alimentacin o conjunto de pilas de 6V Debemos saber, en primer lugar, lo que vamos a montar en la placa de circuito impreso. En este caso, est claro que las pilas (o la fuente), el parlante, S1, y el potenci-
Figura 6
Figura 8
Figura 9
Figura 10
Cmo hacer la disposicin en la placa? Una sugerencia para que comience a hacer sus diseos es usar una hoja de papel comn y lapiceras de dos colores, una oscura para disear los componentes y otra ms clara para dibujar las pistas de cobre (una negra y una roja, por ejemplo). El trabajo del proyecto, por lo menos en esta etapa incial, consiste simplemente en cambiar los smbolos de los componentes por su aspecto real y las lneas que los interconectan por pistas de cobre. Tomando como ejemplo nuestro amplificador, podemos comenzar de la siguiente forma: observando las apariencias de los transistores de salida Q2 y Q3, dibujamos stos en una posicin correspondiente al esquema, como muestra la figura 9. Observe que, como en el diagrama, los emisores quedan en la misma direccin. Podemos entonces comenzar dibujando una pista de cobre que una los dos emisores, marcada con (1 en el dibujo de la placa de la figura 10). Ahora, como segunda etapa, podemos observar que el colector del transistor Q2 debe recibir alimentacin positiva (pasando por S1) y el de Q3, negativa. Para esto, las pistas terminan en puntos de conexin fuera de la placa pues el interruptor y la batera quedan fuera de la misma. Las dos pistas son marcadas ahora con (2) y (3) en la placa. A continuacin debemos pensar en las conexiones de las bases de los transistores. Mirando el diagrama, vemos que entre las bases estn los dos diodos, D1 y D2. Vemos tambin que en la salida precisamos encontrar un lugar para C3 y tambin para R3 (Para ser montados en posicin horizontal, se necesita doblar los terminales de los componentes. En la prctica, no se debe doblar el terminal exactamente junto a su cuerpo, pues puede haber roturas o desprendimiento. Por lo tanto, su tamao real ser el que tenga con los terminales doblados). Los diodos D1 y D2 pueden ser colocados en una posicin que recuerda el propio diagrama, como muestra la figura 11. La conexin de los diodos a las bases es mostrada por (4) y (5), se nota que se debe seCurso de Electrnica Bsica de Saber Electrnica
Figura 11
Figura 12 Figura 13
Figura 14
Figura 16
Figura 17
Dimensionamiento de la Placa
Uno de los principales problemas que encuentra el proyectista de placas de circuito es el dimensionamiento de las pistas y la separacin que deben tener los agujeros para los terminales de conexin de los componentes. Los mismos varan de tamao segn la marca, disipacin, tensin de trabajo y muchas otras caractersticas, por lo que suele ocurrir fcilmente que se deba hacer modificaciones de ltima hora, difciles de realizar. Por ejemplo, no le ocurri alguna vez que proyect una placa de circuito impreso para conectar un capacitor de 10F x 16V y a la hora de hacer el montaje se encontr con que slo consegua capacitores de 10F x 50? No le result muy molesto y difcil hacer la sustitucin por un componente fsicamente mayor, y no tuvo incluso que forzarlo un poco para que "entrara" en el lugar previsto? Uno de los grandes problemas para los que proyectan placas de circuito impreso es la previsin de la separacin de los agujeros para los terminales de los componentes, principalmente aqullos, sujetos a variaciones en funcin de su valor, tensin de trabajo, disipacin o marca. Este es el caso principalmente de los resistores y los capacitores. Existen diversos consejos para un proyecto perfecto como: * Disponer antes del montaje definitivo de la placa, o sea, de la realizacin del proyecto de placa, de los componentes que sern usados.
De la calidad del circuito impreso depender el funcionamiento del proyecto, especialmente cuando se trabaja con seales de alta frecuencia.
Figura 18
Una vez que la solucin est lista, podr usarla docenas de veces en la corrosin de placas, antes de que est tan contaminada que tenga que tirarla.
Figura 19
Tabla 1
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Figura 20
Figura 21 Figura 22
Figura 23
Lo primero que el lector precisa saber, para el diseo de una placa de circuito impreso, es la correspondencia entre los smbolos de los componentes y su aspecto real.
Conclusin El lector puede percibir cmo son importantes los datos proporcionados por los fabricantes para los proyectos que incluyan tales componentes. Debe saber que en la actualidad existen programas que obtienen el circuito impreso de un equipo a partir de su esquemtico elctrico pero stos, muchas veces, carecen de informacin sobre el dimensionamiento de los componentes. Por otra parte, ya son muy utilizados los circuitos de pertinax cobreado (o fibra) con pintura presensibilizada para que se facilite la tarea del tcnico a la hora de
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Tabla 2 tener que pasar el diseo a la placa. Sin embargo, esta tcnica requiere conocimientos particulares que muchas veces pueden ser mejor aplicados si se efecta esta tarea a la antigua, tal como lo hemos explicado al comienzo de este tema.
Un Mtodo Prctico
Puede ocurrir que no contemos con percloruro frrico para poder realizar un circuito impreso y nos veamos obligados a improvisar con sustancias eficaces pero peligrosas. En este artculo describimos un procedimiento que requiere de mucho cuidado y no debe ser experimentado si no se toman todos los recaudos que le recomiendo. PRECAUCIONES: Si bien el procedimiento es muy fcil, se trabaja con dos sustancias peligrosas por lo que no deber intentarse el siguiente procedimiento si no se est dis-
Tabla 3
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Figura 25
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Figura 27
POTENCIA ELECTRICA
Introduccin
Se dice que energa es todo aquello que se mueve, capaz de realizar un trabajo, sin importar cul fuere. Por lo tanto, todo es energa, es decir, la materia lleva implcita alguna forma de energa por el solo hecho de estar formada por tomos en constante movimiento. En fsica, el trabajo est relacionado con la distancia que recorre una fuerza para mover un cuerpo. Como ejemplo podemos citar el trabajo que realiza una fuerza F para mover un cuerpo M desde un punto a hasta otro punto b, recorriendo una distancia d, de acuerdo a lo mostrado en la figura 1. El trabajo realizado se calcula cmo: T=F.d Tambin realiza un trabajo un cuerpo que cae desde una altura h debido al propio peso P del cuerpo que acta como fuerza, segn se muestra en la figura 2. El cuerpo, al caer, es acelerado por la gravedad terrestre y alcanza su mxima velocidad inmediatamente antes de chocar contra el suelo. Adems, su velocidad antes de comenzar su cada era nula, lo que significa que el cuerpo fue adquiriendo una energa como producto del trabajo realizado por la fuerza (cuerpo) al caer. A esta energa se la denomina Energa Cintica (ener-
Es preciso conocer el tamao de los componentes para poder realizar una buena distribucin sobre la placa.
Figura 1
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Potencia Elctrica
Figura 2
ga de movimiento) y es la energa que ha adquirido el cuerpo al realizar un trabajo, o sea: Trabajo = Energa Cintica matemticamente: T = Ec Como se sabe, la electricidad se compone de electrones en movimiento, por lo que podemos aplicar un razonamiento anlogo al recin efectuado. Los cuerpos en movimiento sern, en este caso, electrones que poseen una carga elctrica impulsados por una fuerza (fuerza electromotriz o tensin) que es la diferencia de potencial aplicada en los extremos del conductor. De esta manera, se realizar un Trabajo Elctrico debido a la energa que adquieren los electrones impulsados por una diferencia de potencial. A la energa as desarrollada se la denomina: Energa Elctrica, la cual depende de la tensin aplicada al conductor y de la cantidad de carga transportada, es decir, de la cantidad de electrones en movimiento. Matemticamente:
Cuando no puedo hacer una pista porque debo cruzar por otra, la solucin puede estar en una especie de "puente". Un trozo de cable, pa- Energa Elctrica = Tensin . Carga Elctrica sado por encima de la placa, o sea, del lado de los componentes, inter- Tambin: conecta los dos lados de la pista E=V.Q que "molesta"
Las grandes superficies de cobre pueden conducir corrientes mayores y presentan menores resistencias o incluso sirven de blindaje. Tambin reducen la superficie a ser corroda por el percloruro en la ejecucin de la placa, con economa de este material.
Como hemos estudiado en temas anteriores, la tensin se mide en volt y la carga elctrica en coulomb. De estas dos unidades surge la unidad de la Energa Elctrica, que se denomina joule y se abrevia con la letra J. Podemos decir entonces que cuando se aplica a un circuito elctrico una tensin de 1V transportndose una carga elctrica de 1C, se pone de manifiesto una energa elctrica de 1J. 1J = 1V . 1C No es lo mismo que esta energa elctrica se desarrolle en un tiempo de 1s (1 segundo), que en 10s. Cuanto menor sea el tiempo en que se ha desarrollado la misma cantidad de energa, mayor ser la potencia puesta en juego. Por lo dicho, se define Potencia Elctrica como la cantidad de energa elctrica desarrollada dividida por el tiempo en que ha sido desarrollada dicha energa; matemticamente: Trabajo Elctrico Potencia Elctrica = ________________ tiempo Tambin: T V.Q Q P = = = V . ( ) t t t En la frmula anterior, lo que figura entre parntesis (Q/t), es el cociente entre la carga elctrica que circula y el tiempo durante el cual lo est haciendo, lo que simboliza a la corriente elctrica I. Si reemplazamos este concepto en la frmula anterior nos queda: P=V.I (1)
En la actualidad existen programas que le permiten obtener el impreso a partir de un circuito elctrico. Puede bajar un programa gratuito de nuestra web: www.webelectronica.com.ar Haga click en el cono Password e ingrese la clave: kban
O sea que la potencia elctrica es el producto de la tensin aplicada a un circuito multiplicada por la corriente que por l circula. En otras palabras, podeCurso de Electrnica Bsica de Saber Electrnica
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Potencia Elctrica
mos decir que Potencia Elctrica es la cantidad de trabajo que realiza una carga por unidad de tiempo o el trabajo que desarrolla una carga para vencer una diferencia de potencial. La unidad de potencia elctrica es el watt y se la designa con la letra W. Podemos decir que en una carga se desarrolla una potencia de 1W cuando se le aplica una tensin de 1V y que por ella circula una corriente de 1A, tal como muestra la figura 3. En electrnica de potencia suele utilizarse un mltiplo del watt llamado kilowatt (kW), que representa 1.000W. En cambio, para la mayora de los circuitos electrnicos de pequea seal, el watt resulta una unidad muy grande, razn por la cual se emplean submltiplos como el miliwatt (mW), que corresponde a la milsima parte del watt, o el microwatt (W), que representa a la millonsima parte del watt. 1kW = 1.000W 1mW = 0,001W 1W = 0, 000001W Suelen confundirse los conceptos de potencia y energa elctrica, especialmente cuando se trata de mensurar el consumo elctrico. Por ejemplo, una carga de 100W consume una energa elctrica de 100J por cada segundo de funcionamiento. De esta manera, luego de una hora (60s) habr consumido una energa igual a: E = P . t = 100W . 60s = 6.000J Las compaas de electricidad facturan a los usuarios la energa consumida en un perodo, es decir, lo hacen en kilowatt-hora (kW-h) y no en joule. De todos modos, el kW-h es una unidad de energa y no de potencia, ya que la energa consumida es el producto de la potencia puesta en juego durante un tiempo determinado.
Figura 3
Figura 4
Clculo de la Potencia
Para calcular la potencia elctrica en cualquier circuito basta con multiplicar la tensin aplicada por la corriente que circula. El mismo concepto es aplicable para cualquier parte constituyente de un circuito siempre que se conozcan las tensiones y corrientes correspondientes. De la frmula (1) puede obtenerse el valor de la tensin presente en un circuito, o parte de l, si se conocen la potencia y la corriente que circula. Despejando:
Cuando no tiene cloruro frrico, con agua oxigenada y cido clorhdrico puede realizar sus impresos.
Luego de colocar la placa , la solucin toma un color azulado tpico P de las sales de cobre, una vez terV = minado el circuito impreso, esta I solucin debe guardarse en una Puede calcularse la corriente en cualquier parte del circuito, cuando se cono- botella sin tapar, ya que sigue descen la potencia y la tensin aplicada. De la frmula (1) se tiene: pidiendo oxgeno en forma lenta P durante un tiempo.
I = V
En la figura 4 se ve el grfico representativo de la Ley de Joule, que, al igual que lo que ocurre con la Ley de Ohm, permite calcular un parmetro cuando se conocen los otros dos.
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Potencia Elctrica
Figura 5
Energa es todo aquello que se mueve, capaz de realizar un trabajo, sin importar cul fuere.
Si con una tensin de 12V aplicada a una carga, se desea obtener una potencia de 300mW. Cul debe ser la corriente que debe circular? Del diagrama de la figura 4, como queremos calcular I, la tapamos y nos queda: P I = V
Como se sabe, la electricidad se compone de electrones en movimiento, por lo que podemos aplicar un razonamiento anlogo al del trabajo fsico (todo cuerpo en movimiento realiza un trabajo, de la misma manera, toda carga en movimiento realiza un trabajo).
Reemplazando valores, teniendo en cuenta que 300mW corresponden a 0,3W: 0,3W I = = 0,025A 12V Luego, por el circuito deber circular una corriente de 25mA (25mA = 0,025A ). Si, para el mismo circuito, deseamos conocer ahora cul es la tensin que se debe aplicar para obtener una potencia de 300mW cuando circula una corriente de 100mA, aplicando el diagrama de la figura 4 y reemplazando valores, podemos conocer el valor de dicha tensin: P 300mW 0,3W V = = = = 3V I 100mA 0,1W
En un circuito se realizar un Trabajo Elctrico debido a la energa que adquieren los electrones impulsados por una diferencia de potencial.
Potencia y Resistencia
Analizando el ejemplo que hemos dado anteriormente, podemos comprender que muchas veces nos vamos a encontrar con circuitos en los cuales se conoce la tensin aplicada y el valor de la resistencia. De esta manera, en primer lugar debemos encontrar el valor de la corriente que circula por dicho resistor para poder efectuar el clculo de la potencia. Podemos evitar este paso sabiendo que en un resistor la corriente viene dada por: V I = R Luego, reemplazando el valor de la corriente en la frmula de potencia, tenemos: Curso de Electrnica Bsica de Saber Electrnica
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Potencia Elctrica
E P = E . R De lo cual surge que: E2 P = R Segn lo visto, la potencia que disipa la carga del circuito de la figura 5 puede calcularse directamente, o sea: 12V2 144V2 E2 P = = = = 6W R 24 24
Figura 6
La unidad de la Energa Elctrica, Como podemos observar, se obtiene el mismo resultado si se aplica un clcu- se denomina joule y se abrevia con lo directo. la letra J.
Queremos conocer ahora cul es la potencia que suministra la batera del circuito de la figura 6; para ello calculamos primero la resistencia total. Teniendo en cuenta que las resistencias estn en serie: R = R1 + R2 = 70 + 20 = 90 Luego, aplicando la frmula de potencia para las tensiones, se obtiene: 32 E2 P = = R 90 9V P = = 0,1W = 100mW 90
Volviendo al problema de los materiales conductores, vemos que la facilidad de movimiento, tanto de los electrones como de las lagunas, es total.
Cuanto menor es el tiempo en que Puede ocurrir que en un circuito, o parte de l, se conozca la corriente y el va- se desarrolla una cantidad de lor de la resistencia que posee la carga; luego, si se desea conocer la potencia energa, mayor ser la potencia que maneja dicha carga y sabiendo que V = I . R, se tiene: puesta en juego.
P = V . I = (I . R) . I = I . I . R P = I2 . R Se obtiene as una forma ms directa para calcular la potencia de una carga cuando se conoce su valor de resistencia y la corriente que la atraviesa.
La Potencia Elctrica es la cantidad de energa elctrica desarrollada dividida por el tiempo en que ha sido desarrollada dicha energa.
CAPACITORES
Introduccin
La tentativa de almacenar electricidad en algn tipo de dispositivo es muy antigua. Se tiene constancia de que en 1745, simultneamente, en la Catedral de Camin (Alemania) y en la Universidad de Leyden (Holanda), dos investigadores desarrollaron dispositivos cuya finalidad era almacenar electricidad o, como se deca entonces, "condensar" electricidad. La botella de Leyden, como se ve en la figura 1, fue el primer "condensador" y dio origen, por su principio de funcionamiento, a los modernos capacitores (o "condensadores" como todava los de-
Figura 1
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Capacitores
nominan algunos) utilizados en aparatos electrnicos. La estructura de los componentes modernos es muy diferente de la que tenan los primeros, de 250 aos atrs, pero el principio de funcionamiento es el mismo.
La Capacidad
Para entender cmo un conductor elctrico puede almacenar electricidad, imaginemos la situacin siguiente que puede ser el tema de una experiencia prctica: Al cargar de electricidad un conductor esfrico, verificamos que las cargas pueden comprimirse ms o menos segn el dimetro del conductor y tambin segn la cantidad que pretendemos colocar en ese conductor. Eso significa que esa compresin de las cargas almacenadas se manifiesta como potencial V. La carga Q en un conductor de radio R manifiesta un potencial V. Si intentamos colocar ms cargas en el cuerpo, stas aumentan el grado de compresin y, por consiguiente, el potencial tambin debe aumentar. Se verifica que, independientemente del radio del conductor, en las condiciones indicadas existe una proporcionalidad directa entre las cargas que podemos almacenar y la tensin que se manifestar (figura 2). Si el cuerpo tuviera un radio R y se carga con 0,01 coulomb (unidad de carga), manifestar 100 volt y el mismo cuerpo manifestar 200 volt si se carga con 0,02 coulomb. Podemos entonces definir una magnitud llamada "capacidad" como la relacin entre la carga almacenada (Q) y la tensin a que se encuentra (V). Escribimos entonces: C = Q/V (1)
Figura 2
La potencia elctrica es el producto de la tensin aplicada a un circuito multiplicada por la corriente que por l circula.
Figura 3
Potencia Elctrica es la cantidad de trabajo que realiza una carga por unidad de tiempo o el trabajo que desarrolla una carga para vencer una diferencia de potencial. La unidad de potencia elctrica es el watt y se la designa con la letra W.
En estas condiciones, el conductor esfrico funciona como "capacitor esfrico". La capacidad de almacenamiento de carga depende del radio del conductor, y este tipo de dispositivo no es de los ms apropiados para los usos electrnicos, pero veremos ms adelante cmo hacer algunos clculos interesantes que lo tienen en cuenta. Nos interesa ahora la constancia de la relacin Q/V que define la capacidad cuya unidad es el Farad (F). Un capacitor (no necesariamente esfrico) tendr una capacidad de 1 Farad si almacena la carga de 1 Coulomb y tiene 1 volt de tensin. (Usamos la palabra tensin y no potencial pero el lector sabe que en este caso la diferencia no importa porque la unidad es la misma , figura 3). En la prctica, una esfera con la capacidad de 1 Farad debiera ser enorme, de manera que los capacitores que usamos en los aparatos tienen capacidades que son submltiplos del Farad. Tres son los submltiplos del Farad que ms se usan: - Microfarad (F) que es la millonsima parte de 1 Farad o 0,000001 Farad que representado en forma exponencial es 10-6 Farad. - Nanofarad (nF) que es la billonsima parte de 1 Farad o 0,000000001 Farad y 10-9 Farad en forma exponencial. - El picofarad (pF) que es la trillonsima parte de 1 Farad o 0, 000000000001 Farad o 10-12 Farad. Vea que de la relaciones indicadas se tiene que: - 1 nanofarad equivale a 1.000 picofarad (1nf = 1.000pF) - 1 microfarad equivale a 1.000 nanofarad (1F = 1.000nF) - 1 microfarad equivale a 1.000.000 picofarad (1F = 1.000.000pF)
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Capacitores
Acostmbrese a convertir estas unidades, porque aparecen con mucha frecuencia en los trabajos de electrnica.
Capacitores Planos
Puede obtenerse una capacidad mucho mayor con una disposicin adecuada de los elementos conductores. Con eso, una cantidad mucho mayor de cargas puede almacenarse en un volumen menor, dando as un componente de uso ms prctico. Un capacitor bsico de placas paralelas se ve en la figura 4. Consiste de dos placas de material conductor separadas por material aislante denominado dielctrico. El smbolo usado para representar este tipo de capacitor recuerda mucho su disposicin real y se muestra en la misma figura. Hay capacitores con disposiciones diferentes, pero como la estructura bsica se mantiene (un aislante entre dos conductores) el smbolo se mantiene por lo general con pocas modificaciones. Cuando conectamos la estructura indicada a un generador, como se ve en la figura 5, las cargas fluyen hacia las placas de manera que una se vuelva positiva y la otra negativa. Se dice que el capacitor tiene una placa (armadura) positiva y otra negativa. Aun despus de desconectar la batera, como se mantienen las cargas, por efecto de la atraccin mutua, en las armaduras el capacitor, se dice que ste est "cargado". Como la carga en Coulombs depende no slo de la capacidad sino tambin de la tensin del generador, para calcularla es necesaria la relacin: C = Q/V Es as que si un capacitor de 100F (100 x 10-6) se conecta a un generador de 100 volts, la carga ser: Q = CV Q = 100 x 100 x 10-6 Q = 10.000 x 10-6 Q = 104 x 10-6 Q = 10-2 = 0,01 Coulomb (2)
Una carga de 100W consume una energa elctrica de 100J por cada segundo de funcionamiento.
Figura 4
Figura 5
Para calcular la potencia elctrica en cualquier circuito basta con multiplicar la tensin aplicada por la corriente que circula.
Para descargar un capacitor basta interconectar las armaduras mediante un alambre. Las cargas negativas (electrones) de la armadura negativa pueden fluir a la positiva neutralizando as sus cargas. Vea que no importa cul es el capacitor pues la cantidad de cargas de una armadura es igual a la cantidad de cargas de la otra; slo es diferente la polaridad. En la descarga, la neutralizacin es total (Figura 6). Para un capacitor plano como el indicado, la capacidad puede calcularse en funcin de las caractersticas fsicas, a saber: superficie de las placas, distancia entre ellas y naturaleza del aislante. Podemos aplicar la frmula siguiente: C = e A/d (3) donde: C es la capacidad en Farad (F) d es la distancia entre placas en metros A es la superficie de las placas en metros cuadrados
Figura 6
Un capacitor puede almacenar cargas elctricas y para ello precisa que se aplique entre sus placas una diferencia de potencial.
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Capacitores
e es una constante que depende de la naturaleza del dielctrico. El valor depende del material considerado. Ese valor puede calcularse mediante la frmula: e =eo.K (4)
Un capacitor tendr una capacidad de 1 Farad si almacena la carga de 1 Coulomb y tiene 1 volt de tensin. En la prctica, una esfera con la capacidad de 1 Farad debiera ser enorme, de manera que los capacitores que usamos en los aparatos tienen capacidades que son submltiplos del Farad.
donde: e o es la prmisividad del vaco y vale 8,85 x 10-12 F/m K es la constante dielctrica y depende del material usado.
Para obligar a una cierta cantidad de cargas a permanecer en un capacitor debemos gastar una cierta cantidad de energa. En realidad esa energa que se gasta para colocar las cargas en el capacitor queda disponible para usarla en el futuro, queda almacenada en el capacitor. Cuando descargamos un capacitor mediante un conductor que presenta cierta resistencia, coFigura 7 mo muestra la Figura 7, la energa que estaba contenida en el capacitor se disipa en forma de calor. Puede imaginarse la carga del capacitor con el grfico de la figura 8. Vea que a medida que va aumentando la cantidad de carga, debemos forzarlas cada vez ms y eso implica una elevacin de tensin. El rea de la figura hasta el punto en que dejamos de cargar el capacitor, representada por W en la figura corresponde a la energa almaFigura 8 cenada en el capacitor. Podemos calcular la energa a partir de dos frmulas: W = 0,5 x Q x V o W = 0,5 x C x V2 (6) (5)
La unidad de Capacidad es el Farad (comnmente llamada faradio), pero como es muy grande se emplean submltiplos. Los submltiplos del Farad (F) son: Microfarad (F) Nanofarad (nF) Picofarad )pF) Todo capacitor impide el paso de una corriente constante.
Donde: W es la energa de Joule (J) Q es la carga en Coulomb (C) C es la capacidad en Farad (F) V es la tensin en Volt (V) Podemos comparar un capacitor cargado a un resorte comprimido. Gastamos energa (potencial) para comprimir el resorte, ste "guarda" esa energa que luego puede usarse para poner en movimiento un mecanismo. Es claro que, segn veremos, la cantidad de energa que puede almacenar un capacitor no es grande y entonces su utilidad como fuente de energa es muy restringida, pero este componente tiene otras propiedades que son de gran utilidad en electrnica.
Asociacin de Capacitores
Podemos obtener un efecto mayor o menor de almacenamiento de cargas, segn se asocien distintos capacitores, del mismo modo que obtenemos efectos diferentes de resistencias al asociar resistores. Los capacitores pueden conectarse en serie o en paralelo. a) Asociacin de capacitores en paralelo Decimos que dos o ms capacitores estn asociados en paralelo cuando sus armaduras estn conectadas de la manera siguiente: las armaduras positivas Curso de Electrnica Bsica de Saber Electrnica
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Capacitores
estn conectadas entre s para formar la armadura positiva equivalente al capacitor; las armaduras negativas estn conectadas entre s y forman la armadura negativa equivalente al capacitor, segn muestra la figura 9. Vea el lector que en esas condiciones los capacitores quedan sometidos todos a la misma tensin (V) cuando se cargan. Las cargas dependen de las capacidades. La capacidad equivalente en esta asociacin est dada por la suma de las capacidades asociadas. C = C1 + C2 + C3 + ... + Cn (7)
Figura 9
Se pueden deducir las siguientes propiedades de la asociacin de capacitores en paralelo: - Todos los capacitores quedan sometidos a la misma tensin. - El mayor capacitor (el de mayor capacidad) es el que ms se carga. La capacidad equivalente es mayor que la capacidad del mayor capacitor asociado. b) Asociacin de capacitores en serie En la asociacin en serie de capacitores, stos se conectan como se muestra en la figura 10. La armadura positiva del primero pasa a ser la armadura positiva del equivalente; la negativa del primero se une a la positiva del segundo; la negativa del segundo da la positiva del tercero y as sucesivamente hasta que la negativa del ltimo queda como la armadura negativa del capacitor equivalente. Vea que si conectamos de esta manera un conjunto cualquiera de capacitores (aun de valores totalmente diferentes) ocurre un proceso de induccin de cargas, de modo que todas las armaduras queden con las mismas cantidades (figura 11). Segn el valor del capacitor (capacidad) la tensin hallada tendr valores diferentes. Puede darse la frmula: C1 = Q/V1; C2 = Q/V2; C3 = Q/V3... Cn = Q/Vn Como la suma de las tensiones de estos capacitores asociados debe ser la tensin en las armaduras del capacitor equivalente; podemos escribir: V = V1 + V2 + V3 + ... + Vn Reemplazando el valor de V en cada una de las expresiones de capacidad: V = Q/C1 + Q/C2 + Q/C3 + ... + Q/Cn Sacando Q como factor comn: V = Q (1/C1 + 1/C2 + ... + 1/Cn) Dividiendo por Q ambos miembros de la igualdad, tenemos: V/Q = 1/C1 + 1/C2 = + 1/C3 V/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)
Un capacitor plano puede almacenar ms cargas que una esfera. Consiste de dos placas de material conductor separadas por material aislante denominado dielctrico.
Figura 10
Figura 11
Se dice que el capacitor tiene una placa (armadura) positiva y otra negativa.
Para descargar un capacitor basta interconectar las armaduras mediante un cable. Las cargas negativas (electrones) de la armadura negativa pueden fluir a la positiva neutralizando as sus efectos.
De esta frmula podemos deducir las siguientes propiedades de la asociacin en serie de capacitores:
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Capacitores
-Todos los capacitores quedan con la misma carga. - El menor capacitor queda sometido a la mayor tensin. - La capacidad equivalente es menor que la capacidad del menor capacitor asociado. - Todos los capacitores se cargan y descargan al mismo tiempo.
Cuando descargamos un capacitor mediante un conductor que presenta cierta resistencia, la energa que estaba contenida en el capacitor se disipa en forma de calor.
Conclusin Dos casos particulares son interesantes en las asociaciones en serie y en paralelo de capacitores. Cuando los capacitores son iguales, la asociacin puede tener la capacidad equivalente calculada con ms facilidad por las frmulas siguientes: a) Serie: C = C1/n donde C es la capacidad equivalente. C1 es el valor de cada uno de los capacitores asociados. n es el nmero de capacitores.
Podemos comparar un capacitor cargado a un resorte comprimido. Gastamos energa (potencial) para comprimir el resorte, ste "guarda" esa energa que luego puede usarse para poner en movimiento un mecanismo.
CONTENIDO DEL CD N 2
Dos capacitores conectados en serie tienen una capacidad menor que la del componente ms pequeo.
La obra est dirigida a todo el pblico en general interesado en aprender electrnica bsica y saber cmo se manejan los instrumentos (multmetro, osciloscopio, generador de funciones, inyector de seales, analizador dinmico, fuente de alimentacin, etc.) pero sobre todo est orientado a estudiantes, aficionados y docentes, dado que cada tema se explica desde el comienzo, presumiendo que el lector no posee conocimientos previos de la especialidad. La Enciclopedia se complementa con CDs (ste es uno de ellos) y bibliografa adicional a la que puede acceder por Internet dirigindose a: www.webelectronica.com.ar Debe hacer click en el cono PASSWORD y luego ingresar las claves que se dan en los CDs. El contenido del CD que acompaa a este tomo es el siguiente: a) Un Archivo LEAME: Indispensable leer de comienzo a fin de explorar el CD con xito b) Programas ACROBAT READER y WINDOWS MEDIA PLAYER c) Video Presentacin d) Enciclopedia Visual Parte 2 e) Curso de Electrnica con Prcticas Parte 2 f) 150 Montajes g) Video Manejo del Osciloscopio h) Programas de Electrnica i) CDs, Libros y Videos. Muchos archivos estn comprimidos, siendo necesario el WINZIP. Si no lo posee puede ejecutarlo desde la opcin PROGRAMAS del men de este CD. Programas ACROBAT READER y WINDOWS MEDIA PLAYER Estos programas son indispensables para explorar el CD, ver los archivos de texto que contiene y visualizar los videos. Si no estn instalados en su PC hgalo cuando el CD se lo pregunte. Video Presentacin En este video el Ing. Horacio Vallejo, realizador de la obra, lo gua paso a paso para que pue-
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Contenido del CD N 2
da explorar el CD de la forma ms rpida y efectiva. Le sugerimos ver este video para obtener el mayor provecho posible. Enciclopedia Visual Parte 2 Se dan los fascculos 5 a 8 de la ENCICLOPEDIA VISUAL DE LA ELECTRONICA, obra complementaria que ensea con mayor profundidad los conceptos vertidos en cada tomo escrito de la obra. Curso de Electrnica con Prcticas Este Curso de Electrnica es el primer sistema de enseanza a distancia con seguimiento personal a travs de Internet. El curso se compone de 14 lecciones, 5 series de prcticas y 6 evaluaciones. Los exmenes son la parte del curso (quiz la ms tediosa para muchos) en la que el alumno deber responder y si lo desea, enviar a las direcciones que se mencionan en el CD para su correccin. Sin embargo, Ud. posee la respuesta a cada examen en Internet. En cualquier momento puede realizar consultas por medio de los formularios que hemos habilitado en Internet para tal fin. Cabe aclarar que en este CD se encuentran las lecciones 5 y 6, la Prctica nmero 2 y el examen 3. En lo sucesivo se continuar con este curso. 150 Montajes En este archivo Ud. cuenta con 150 circuitos electrnicos para armar y disfrutar construyendo mientras aprende electrnica. Entre los proyectos que contiene esta seccin podemos mencionar los siguientes: Amplificadores, Osciladores, Mezcladores, Preamplificadores, Generadores, Interruptores, Adaptadores, Instrumentos, Protecciones, Fuentes, Conversores, Controles de Velocidad, etc. Video Manejo del Osciloscopio Este es un video de unos 15 minutos de duracin que muestra qu es un osciloscopio y cmo se manejan sus controles. Con l aprender a realizar mediciones bsicas. Programas Esta es una de las secciones ms importantes de nuestro CD dado que contiene muchos utilitarios para realizar diferentes tareas. Al acceder a este MENU, se encuentran los programas que hemos seleccionado que son: 1) Manual Interactivo de Componentes y Reemplazos: En el CD N 1 de esta obra se di un manual que posee caractersticas de ms de 96.000 componentes que se ejecuta desde DOS. En esta oportunidad se brinda un manual que permite buscar mucha ms informacin a travs de Internet. Al hacer click sobre esta opcin aparece la carpeta que contiene un archivo comprimido. Copie esta carpeta en el disco rgido de su PC y lea el archivo lame, posteriormente descomprima el programa y ejecute su instalacin. Siga las instrucciones que aparecen en pantalla. 2) Programa de Bsqueda de Fallas y Soluciones de TV: Este programa, denominado ICTV es una verdadera biblioteca de ayuda interactiva que le permite buscar circuitos, componentes, reemplazos, etc. Adems puede localizar fallas y colocar comentarios. Puede ingresar al men por medio del modelo del aparato o a travs de algn circuito integrado. Posee varias opciones de bsqueda. Ud puede ampliar la base de datos agregando sus experiencias y observaciones. Para acceder a l, debe hacer click en esta opcin y copiar la carpeta en el disco rgido de su computadora, luego haga click en el archivo men.exe y siga las instrucciones de pantalla. 3) MPLAB: Este es un programa editor, simulador y emulador para utilizar con microcontroladores de la familia MICROCHIP. Con este programa se pueden construir proyectos que le permitirn realizar programas de microcontroladores y cargarlos en el circuito integrado. Para usarlos copie la carpeta dentro del disco rgido de su PC, ejecute los archivos. Mayores instrucciones de uso e instalacin puede obtenerlos de la direccin: www.microchip.com. 4) Winzip: Es el clsico utilitario necesario para comprimir y descomprimir archivos. 5) A-FILTER.ZIP: Diseo de filtros con amplificadores operacionales. Calcula el valor de resistores y capacitores para diferentes opciones. 6) AUTOSKEM.ZIP: Permite REALIZAR, importar y exportar esquemas para hacer circuitos. 7) SEMIFILE.ZIP: Programa que establece referencias para circuitos integrados. Debe ingresar datashets (se incluyen direcciones). Utilitarios Gran cantidad de utilitarios para probar y optimizar computadoras. Lea el archivo apropiado para saber cmo emplearlos. Libros Service de Equipos Electrnicos: Texto escrito por el Ing. Vallejo que le ensea a utilizar los instrumentos para realizar mediciones, buscar fallas y hacer reparaciones.
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