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Electrónica – 5 EM – ITS Lorenzo Massa
Unidad 1 - Ing. Juan Jesús Luna
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Introducción:
Qué es la electrónica: La electrónica es el campo de la física que se refiere al diseño y
aplicación de dispositivos, por lo general circuitos electrónicos, cuyo funcionamiento
depende del flujo de electrones para la generación, transmisión, recepción o
almacenamiento de información.
Esta información puede consistir en voz o música como en un receptor de radio, en
una imagen en una pantalla de televisión, o en datos como una computadora.
La electrónica como tal tiene una gran variedad de aplicaciones para la vida del hombre,
como por ejemplo: las telecomunicaciones, la computación, la medicina, la mecánica
entre otras.
Breve Reseña Histórica: La introducción de los tubos de vacío a comienzos del siglo
XX propició el rápido crecimiento de la electrónica moderna. Con estos dispositivos se
hizo posible la manipulación de señales, algo que no podía realizarse en los antiguos
circuitos telegráficos y telefónicos, ni con los primeros transmisores que utilizaban
chispas de alta tensión para generar ondas de radio. Por ejemplo, con los tubos de vacío
pudieron amplificarse las señales débiles de sonido y radiofrecuencia, y además se pudo
lograr superponerse señales de sonido a las ondas de radiofrecuencia. El desarrollo de
una amplia variedad de tubos, diseñados para funciones especializadas, posibilitó el
rápido avance de la tecnología de comunicación radial antes de la II Guerra Mundial, y
el desarrollo de las primeras computadoras, durante la guerra y poco después de ella.
Principio básico de funcionamiento de las Válvulas de Vacío: La válvula electrónica,
también llamada válvula termoiónica, válvula de vacío, tubo de vacío o bulbo, es
un componente electrónico utilizado para amplificar, conmutar, o modificar una señal
eléctrica mediante el control del movimiento de los electrones en un espacio "vacío" a
muy baja presión, o en presencia de gases especialmente seleccionados. A lo largo de su
historia, fueron introducidos muchísimos tipos de válvulas, pero los principios de
funcionamiento básicos son:
Efecto Edison: La gran mayoría de las válvulas electrónicas están basadas en la
propiedad que tienen los metales en caliente de liberar electrones desde su superficie.
El ocaso de esta tecnología comenzó con la invención del transistor y el posterior
desarrollo de componentes de estado sólido que eran mucho más pequeños, baratos y
fiables que la válvula. Sin embargo hoy en día aún sobrevive en ciertas aplicaciones
específicas, donde por razones técnicas resultan más convenientes. Por ejemplo en
transmisores de radiofrecuencia de alta potencia y sistemas de radar se utilizan
magnetrones, válvulas de onda progresiva TWT, thyratrones, etc. En televisión y
sistemas de imagen medicinal aún se utilizan tubos de rayos catódicos o tubos de
captura de imagen, y en el hogar es la base de funcionamiento del horno microondas.
También siguen siendo ampliamente utilizadas en preamplificadores de micrófonos,
guitarras y bajos, así como en equipos de sonido de alta fidelidad.
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Válvula termoiónica
Aunque el efecto de emisión termoiónica fue originalmente informado por Frederick
Guthrie en 1873, es la investigación de Thomas Alva Edison el trabajo más a menudo
mencionado. Edison, al ver que con el uso, el cristal de las lámparas incandescentes se
iba oscureciendo, buscó la forma de aminorar dicho efecto, realizando para ello diversos
experimentos. Uno de ellos fue la introducción en la ampolla de la lámpara de
un electrodo en forma de placa, que se polarizaba eléctricamente con el fin de atraer las
partículas que, al parecer, se desprendían del filamento. A pesar de que Edison no
comprendía a nivel físico el funcionamiento, y desconocía el potencial de
su "descubrimiento", en 1884 Edison lo patentó bajo el nombre de "Efecto Edison".
John Ambrose Fleming(1904): Al agregar un electrodo plano (placa), cuando el
filamento se calienta se produce una agitación de los átomos del material que lo recubre,
y los electrones son acelerados, alcanzando velocidades de escape, con lo que se forma
una nube de electrones por encima del mismo. La nube termoiónica, fuertemente atraída
por la placa, debido al potencial positivo aplicado en la misma, da lugar a la circulación
de una corriente electrónica a través de la válvula entre el filamento y el ánodo. A este
fenómeno se le denomina Efecto Edison-Richardson o termoiónico.
Llegados a este punto, tenemos que la válvula termoiónica más simple está constituida
por una ampolla de vidrio, similar a la de las lámparas de incandescencia, a la que se le
ha practicado el vacío y en la que se hallan encerrados dos electrodos,
denominados cátodo y ánodo.
Físicamente, el cátodo, consiste en un filamento de wolframio, recubierto por una
sustancia rica en electrones libres, que se calienta mediante el paso de una corriente. El
ánodo está formado por una placa metálica que rodea al filamento a una cierta distancia
y a la que se aplica un potencial positivo. Por constar de dos electrodos a la válvula
antes descrita se le denomina diodo. Debido al hecho de que la corriente por el interior
de la válvula solo puede circular en un sentido, una de las aplicaciones de las válvulas
termoiónicas es su utilización como rectificador.
Símbolo del diodo de vacío
Si se agregan otros electrodos entre ánodo y cátodo (llamados rejillas) se puede
controlar o modular el flujo de electrones que llegan al ánodo, de ahí la denominación
de válvula. Asimismo, y dado que con pequeñas diferencias de potencial aplicadas entre
rejilla y cátodo se pueden producir variaciones considerables de la corriente circulante
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entre cátodo y ánodo, otra aplicación, posiblemente la más importante, es
como amplificador.
Funcionamiento de un triodo: El filamento se calienta y causa que el cátodo libere
electrones que inmediatamente tratan de llegar al ánodo que tiene voltaje positivo. Este
continuo flujo de electrones se convierte en una corriente electrónica. (Los electrones
tienen carga negativa y son atraídos por las cargas positivas del ánodo). Si en el
camino de este flujo de electrones se pone un dispositivo adicional llamado grilla con
voltaje negativo, éste repelerá algunos de los electrones que pasan del cátodo al ánodo y
como resultado habrá una menor corriente.
Si ahora se modifica el voltaje que se aplica a la rejilla del triodo, se modifica también
la corriente entre cátodo y ánodo (se modula la corriente).
De esta manera, si un voltaje aplicado a la rejilla se modifica, también se modificará la
corriente que pasa de cátodo a ánodo.
Símbolo del triodo
Aunque existe una gran diversidad de tipos de válvulas termoiónicas, tanto en su
aplicación como en sus principios de funcionamiento (control de la cantidad de
electrones, en triodos, tetrodos, pentodos; modulación de su velocidad en klistrones;
acoplo entre el flujo de electrones y una onda electromagnética en tubos de onda
progresiva; etc.), la mayoría comparten una serie de características comunes que se han
ido potenciando al ir avanzando su desarrollo tecnológico.
Filamentos: El filamento es el órgano calefactor que proporciona la energía suficiente
para que el cátodo emita una cantidad de electrones adecuada.
En las primeras válvulas, el filamento también actuaba como cátodo (cátodo de caldeo
directo). Posteriormente se separaron las funciones, quedando el filamento sólo como
calefactor y el cátodo como electrodo separado (cátodo de caldeo indirecto). Ambas
formas convivieron ya que el caldeo directo mejora la transferencia térmica entre el
cátodo y el filamento, mientras que el caldeo indirecto simplifica grandemente el diseño
de los circuitos y permite optimizar cada uno de los electrodos.
El filamento, al estar caliente, va reduciendo su sección en ciertos puntos que ahora se
calientan más que el resto, hasta que el filamento se rompe. Este efecto disminuye
enormemente si se trabaja a temperaturas bajas con materiales de alto punto de fusión
(Wolframio). Por ello la temperatura de los filamentos ha ido descendiendo.
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Cátodos: El cátodo es el responsable de la emisión de electrones, que debe ser constante
a lo largo de la vida de la válvula. Desgraciadamente, esto no es así, y los cátodos se
van agotando según envejecen.
Para prolongar la vida de los filamentos, la temperatura de funcionamiento de los
cátodos ha ido haciéndose cada vez menor, gracias al empleo de materiales con un
potencial de extracción de electrones más bajo (aleaciones de torio, óxidos de
lantánidos).
Ánodos: El ánodo recibe el flujo de electrones que, en la mayoría de las válvulas, han
sido acelerados hasta adquirir gran energía que transfieren al ánodo cuando chocan
contra él. Por ello, los ánodos de las válvulas de potencia son grandes y forman parte
del propio cuerpo de la válvula, pudiendo refrigerarse directamente desde el exterior,
por contacto con una superficie fría, aire a presión, vapor de agua, etc. Anteriormente, la
refrigeración de ánodo se realizaba fundamentalmente por radiación, por lo que las
ampollas de vidrio eran grandes y separadas del ánodo, para que éste pudiese adquirir
gran temperatura.
La emisión secundaria es un efecto, normalmente indeseable, que se produce en el
ánodo, cuando los electrones incidentes, de gran energía, arrancan electrones del metal.
Aunque en algunas válvulas este efecto se aprovecha para obtener ganancia, en la
mayoría de ellas degrada la señal y debe evitarse.
Vacío: Un menor grado de vacío implica la presencia de un mayor número de moléculas
de gas en la válvula, aumentando el número de colisiones con los electrones y
disminuyendo el rendimiento del tubo. Pero un menor vacío implica un mayor desgaste
de los filamentos, por lo que históricamente se ha ido avanzando hacia las válvulas de
alto vacío mediante un avance conjunto en todos los demás componentes. Sin embargo,
algunas válvulas como los tiratrones basan su funcionamiento en la presencia de ciertos
gases llenando el tubo.
Cerámicas: El material más utilizado en construcción del "recipiente" de la válvula es el
vidrio, ya heredado de la fabricación de bombillas. Pero el vidrio tiene bajo punto de
fusión, es un buen aislante térmico y es frágil, de modo que para válvulas de alta
potencia y radiofrecuencia se prefiere utilizar cerámicas, que son menos frágiles, tienen
buena conductividad térmica y alto punto de fusión. Su talón de Aquiles ha sido el
establecimiento de uniones estancas y duraderas entre la cerámica y el metal
(conexiones de los electrodos, ánodo, disipadores). Una vez resuelto el problema, la
cerámica ha desplazado al vidrio en válvulas de potencia y de microondas.
Zonas de Trabajo: Corte, Zona Activa o de Amplificación y Saturación: Como se dijo
anteriormente, con la tensión aplicada en la Rejilla se controla la corriente que circula
entre el Cátodo y el Ánodo; de esta manera se pueden distinguir tres Zonas de Trabajo:
1 – Corte o Bloqueo: La tensión aplicada a la Rejilla es tal que no deja pasar nada (o
muy poca) corriente entre Cátodo y Ánodo.
2 – Activa o Lineal: La corriente que circula entre Cátodo y Ánodo es proporcional a la
tensión aplicada a la Rejilla. Es la zona donde se produce amplificación.
3 – Saturación: La tensión en la Rejilla es tal que deja pasar toda la corriente posible
entre Cátodo y Ánodo (Esto depende del circuito externo de la válvula).
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Analogía Válvula – Transistor: El Transistor es un elemento electrónico que trabaja de
una forma similar a una válvula; dispone de tres terminales:
1 – Emisor: Emite electrones, de forma similar al Cátodo de la válvula.
2 – Colector: Colecta o recolecta los electrones emitidos por el emisor, de forma similar
al Ánodo de la válvula.
3 – Base: Es un terminal de control, de forma similar a la rejilla de la válvula.
En la válvula, una tensión (Tensión de Rejilla, Reja, Grilla o Pantalla; que normalmente
es chica) controla una corriente (Corriente entre Cátodo y Ánodo, que normalmente es
grande); en un Transistor, una corriente (Corriente de Base, que normalmente es chica)
controla una corriente (Corriente entre Emisor y Colector, que normalmente es grande).
Evolución Tecnológica y Estado Actual:
Hoy en día el transistor, inventado en 1948, ha reemplazado casi completamente al tubo
de vacío en la mayoría de sus aplicaciones. Al incorporar un conjunto de materiales
semiconductores y contactos eléctricos, el transistor permite las mismas funciones que
el tubo de vacío, pero con un costo, peso y consumo de potencia más bajos, y una
mayor fiabilidad. Los progresos subsiguientes en la tecnología de semiconductores,
atribuible en parte a la intensidad de las investigaciones asociadas con la iniciativa de
exploración del espacio, llevó al desarrollo, en la década de 1970, del circuito integrado.
Estos dispositivos pueden contener centenares de miles de transistores en un pequeño
trozo de material, permitiendo la construcción de circuitos electrónicos complejos,
como los de los microordenadores o microcomputadoras, equipos de sonido y vídeo, y
satélites de comunicaciones.
Es siguiente esquema resume la evolución tecnológica en electrónica:
Año
Suceso
1879
Edison inventa la lámpara incandescente
1904
Se inventa la Válvula Diodo
1906
Se inventa la Válvula Triodo
1949
Se inventa el Transistor Bipolar de Unión o TBJ
1970
Se inventa el Microprocesador
1980
Se inventa el Microcontrolador
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El año 1949 marca una clara separación en la electrónica: Antes del Transistor y
después del Transistor:
Antes del Transistor
Viejo
Electrónica Caliente (Necesita elemento
calefactor)
Electrónica Gaseosa (Presencia de gases
en el interior del elemento)
Caro (Vidrio, Vacío, mucho metal)
Mucho consumo
Genera mucho calor
Muy voluminoso
Después del Transistor
Moderno
Electrónica Fría (No necesita elemento
calefactor)
Electrónica de Estado Sólido (No tiene
gases en el interior del elemento)
Barato (el Silicio es muy barato)
Poco consumo
No genera tanto calor
Permite la miniaturización
Ventajas de la Electrónica Digital frente a la Electrónica Analógica:
La electrónica digital usa los componentes activos en corte y en saturación. Si se
analizan estos 2 puntos de trabajo en el TBJ, se observara que en ninguno de ellos se
produce consumo de potencia por parte del elemento activo ya que en corte la corriente
vale 0 A (es un circuito abierto), por lo tanto la potencia que disipa es 0 W. En
saturación se comporta como un cortocircuito, es decir la tensión entre colector y emisor
es 0 V, por lo tanto la potencia que disipa es 0 W. El consumo de potencia se da en el
pasaje por la Zona Activa, lo que se produce cuando pasa de Corte a Saturación y de
Saturación a Corte; obviamente si ese pasaje se produce muchas veces por unidad de
tiempo (mayor frecuencia) aumentara el consumo.
En el siguiente cuadro se visualizan las ventajas y desventajas de cada uno:
Electrónica Digital
Electrónica Analógica
Mas Barato
Mas Caro
Consume Menos por lo tanto permite la
Miniaturización y la Portabilidad
Consume Mas
Mayor Inmunidad al Ruido Eléctrico por
lo tanto permite Mayor Alcance
Menor Inmunidad al Ruido Eléctrico
El mundo real no es digital
El mundo real es analógico