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Sistemas eléctricos y electrónicos · Electrónica analógica

Componentes electrónicos analógicos

Tu celular, el cargador y el ventilador de tu casa tienen dentro piezas diminutas que dejan pasar la corriente en un solo sentido, la guardan por un instante o usan una corriente pequeña para gobernar una grande. En esta página conocerás esas piezas y verás cómo, con la ley de Ohm, se calcula un circuito sencillo. Al final volverás a la pregunta: ¿por qué un LED conectado directo a una batería se quema?

Semiconductores, diodo y LED

Los materiales se clasifican según dejen pasar o no la corriente: los conductores (cobre) la dejan pasar con facilidad y los aislantes (plástico) casi no. Los semiconductores, como el silicio, están en medio: su comportamiento se puede controlar al mezclarlos con pequeñas cantidades de otros elementos. Con ellos se fabrican los diodos y los transistores.

A esa mezcla se le llama dopaje. Si se agregan impurezas que aportan electrones libres, se obtiene silicio de tipo N; si se agregan impurezas que dejan huecos (espacios donde falta un electrón), se obtiene silicio de tipo P. Un diodo es la unión de un trozo P (ánodo) con uno N (cátodo). En la unión se forma una zona estrecha casi sin cargas móviles que actúa como barrera. En directa, el voltaje externo reduce esa barrera cuando supera el umbral y la corriente pasa; en inversa, la barrera crece y casi no pasa corriente.

Símbolo eléctrico del diodo con ánodo a la izquierda y cátodo a la derecha; en polarización directa la corriente circula del ánodo al cátodo. conduce + − ánodo cátodo directa: ánodo al +, umbral ≈ 0.7 V (diodo) o ≈ 2 V (LED)

La curva característica voltaje-corriente de un diodo de silicio tiene tres zonas. En inversa la corriente es casi nula (la curva es casi plana). En directa, mientras el voltaje no llegue a unos $0.7\ \text{V}$, la corriente también es muy pequeña. Al pasar el umbral la corriente sube con fuerza. Si en inversa se supera el voltaje de ruptura, el diodo se daña y deja pasar una corriente enorme.

Una aplicación muy común es el rectificador: con diodos se convierte la corriente alterna de la red (120 V, 60 Hz) en corriente continua, como hace el cargador de tu celular. Para verificar un diodo con el multímetro (en la posición de prueba de diodos), debe marcar un valor en un sentido y nada en el otro.

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Explica qué es un diodo y qué significa que conduce «en un solo sentido». Describe qué ocurre cuando se polariza en directa (el ánodo al positivo) y cuando se polariza…

Explica qué es un diodo y qué significa que conduce «en un solo sentido». Describe qué ocurre cuando se polariza en directa (el ánodo al positivo) y cuando se polariza en inversa, usando el símil de una válvula de retención (o válvula check) de agua.

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Un LED tiene polaridad: el ánodo (patilla larga) debe ir hacia el positivo. Explica qué significan las siglas LED, qué ocurre si se conecta al revés y por qué un LED no…

Un LED tiene polaridad: el ánodo (patilla larga) debe ir hacia el positivo. Explica qué significan las siglas LED, qué ocurre si se conecta al revés y por qué un LED no se ilumina aunque la pila tenga tensión suficiente si está mal orientado.

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Un diodo de silicio empieza a conducir apreciablemente cuando el voltaje en directa supera unos $0.7\ \text{V}$, su «voltaje umbral». Explica qué significa ese umbral y…

Un diodo de silicio empieza a conducir apreciablemente cuando el voltaje en directa supera unos $0.7\ \text{V}$, su «voltaje umbral». Explica qué significa ese umbral y razona por qué un diodo conectado a una batería de $1.5\ \text{V}$ con una resistencia sí puede conducir, pero no con una batería de $0.5\ \text{V}$.

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La figura muestra la curva característica tensión-corriente de un diodo de silicio, con la tensión umbral marcada con una interrogación, como se muestra en la figura.…

La figura muestra la curva característica tensión-corriente de un diodo de silicio, con la tensión umbral marcada con una interrogación, como se muestra en la figura.

V I 0 ? zona inversa: no conduce zona directa: conduce mucha I −V +V

(a) Explica qué representa cada zona de la curva: la casi plana de la izquierda y la que sube con fuerza a la derecha. (b) Indica qué valor aproximado tiene la tensión marcada con la interrogación en un diodo de silicio y qué significa. (c) Razona por qué en inversa la corriente es prácticamente nula y qué ocurre si se supera la tensión de ruptura.

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Resistencia limitadora de un LED

Un LED y su resistencia van en serie, así que por los dos pasa la misma corriente. El voltaje de la fuente se reparte: una parte la usa el LED (su voltaje de trabajo) y el resto lo debe absorber la resistencia. Esto es la ley de Ohm aplicada a la resistencia.

Vuelve al principio: un LED sin resistencia se quema porque, al superar su umbral, nada limita la corriente.

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Se quiere alimentar un LED rojo (tensión de trabajo $2\ \text{V}$, corriente $20\ \text{mA}$) desde una pila de $9\ \text{V}$ con una resistencia en serie. (a) Calcula…

Se quiere alimentar un LED rojo (tensión de trabajo $2\ \text{V}$, corriente $20\ \text{mA}$) desde una pila de $9\ \text{V}$ con una resistencia en serie. (a) Calcula qué tensión debe caer en la resistencia. (b) Calcula el valor de la resistencia aplicando la ley de Ohm, $R = \frac{V}{I}$, con las unidades correctas. (c) Explica qué ocurriría si la resistencia fuera mucho menor de la calculada.

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Capacitor y transistor

Curva de carga exponencial de un capacitor: sube rápido al principio y cada vez más despacio hacia el voltaje final; en tau alcanza el 63 por ciento. tiempo V τ = R·C 63 %
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Explica qué es un condensador y qué significa que «almacena carga». Indica en qué unidad se mide su capacidad (el faradio) y describe dos aplicaciones: filtrar una…

Explica qué es un condensador y qué significa que «almacena carga». Indica en qué unidad se mide su capacidad (el faradio) y describe dos aplicaciones: filtrar una tensión que riza y temporizar (crear retardos).

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El transistor tiene tres patillas: colector, base y emisor. Explica con el símil de una llave de chorro (grifo) gobernada por una manija pequeña cómo una corriente…

El transistor tiene tres patillas: colector, base y emisor. Explica con el símil de una llave de chorro (grifo) gobernada por una manija pequeña cómo una corriente pequeña por la base controla una corriente grande entre colector y emisor.

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Resumen de componentes

Cada componente tiene un papel distinto. Los sensores LDR y NTC son resistencias que cambian con el ambiente.

Componente Papel en el circuito
Diodo Deja pasar la corriente en un solo sentido
LED Indica con luz que algo está activo
Capacitor Almacena carga temporalmente
Transistor Interruptor o amplificador gobernado eléctricamente
LDR Detecta el nivel de luz (su resistencia baja con luz)
NTC Mide la temperatura (su resistencia baja al calentarse)
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Relaciona cada componente con su papel en un circuito: (1) diodo, (2) LED, (3) condensador, (4) transistor, (5) LDR y (6) NTC, con: (a) dejar pasar la corriente en un…

Relaciona cada componente con su papel en un circuito: (1) diodo, (2) LED, (3) condensador, (4) transistor, (5) LDR y (6) NTC, con: (a) dejar pasar la corriente en un solo sentido; (b) indicar con luz que algo está activo; (c) almacenar carga temporalmente; (d) actuar como interruptor gobernado eléctricamente; (e) detectar el nivel de luz; (f) medir la temperatura.

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Resumen

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