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MICROPROCESADORESMICROPROCESADORES

Por qu aparec ieron los

Transistores

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Asociacin deRes is tenc ias



CAPACITORESCAPACITORES

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EnciclopediaEnciclopedia

VVisualisualde lade la

ElectrnicaElectrnicaINDICE DEL

CAPITULO 4

ASOCIACION DE RESISTORES, ASOCIACIONDE PILAS, POTENCIA ELECTRICAAsociacin de resistores...............................51Asociacin de pilas ......................................52Potencia elctrica ........................................52Clculo de potencia....................................54Aplicacin de la ley de Joule .....................54

Potencia y resistencia...................................54

CAPACITORESLa capacidad ...............................................55Capacitores planos ......................................56La energa almacenada en un capacitor .........57Los capacitores en la prctica...................57Asociacin de capacitores.........................57Capacitores de papel y aceite..................58

El problema de la aislacin.........................58Capacitores de polister y policarbonato...........58Capacitores de poliestireno........................59Capacitores cermicos ...............................59

Capacitores electrolticos............................59Capacitores variables y ajustables.............60Dnde usar los trimmers ...............................60

Tensin de trabajo ........................................60Capacitores variables ..................................61Banda de valores..........................................61

POR QUE APARECIERON LOS TRANSISTORESComienza la revolucin digital ...................61En el principio fue la vlvula de vaco.......61Surge el transistor ..........................................62Qu es en realidad un semiconductor? ..........62

Principio de operacin de un transistor.....62Transistores contenidos en obleas de silicio63Surgen los microprocesadores....................63Familias MOS y MOSFET ................................64Transistores de altas potencias....................64Futuro del transistor.......................................64

Cupn N 4Guarde este cupn: al juntar 3 de

stos, podr adquirir uno de los videosde la coleccin por slo $5

Nombre: ________________________para hacer el canje, fotocopie este cupn y

entrguelo con otros dos.

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ASOCIACIN DE RESISTORES

A los fines de simplificar cir-cuitos electrnicos es necesarioconocer las caractersticas delas diferentes combinaciones deresistores para establecer com-ponentes equivalentes. Se diceque dos o ms resistores estnen serie cuando por e llos circulala misma corriente, de maneraque no debe haber ninguna de-rivacin en el camino que origi-ne un cambio en la intensidadde la corriente que circula porellos. En la figura 1, los resistoresR1, R2 y R3 estn en serie.

Resistencia equivalente: esuna resistencia que puedereemplazar a las del circuito, sinque se modifiquen los parme-tros del mismo. Para calcular laresistencia equivalente de dos oms resistores en serie, simple-

mente se suman sus valores. Enel caso anterior, la resistenciaequivalente es:

Re = 100 + 120 + 100 = 320.

En general, para resistores enserie, la resistencia equivalente es:

Req = R1 + R2 + R3 + ...

Se dice que dos o ms resis-

tores estn conectados en para-lelo cuando soportan la mismatensin elctrica, y eso implicaque los resistores estn conecta-dos a puntos comunes. Porejemplo, en la figura 2, R1, R2 yR3 estn en paralelo porque lostres soportan la misma tensin(3V). Para calcular la resistenciaequivalente, usamos la siguientefrmula:

R1 . R2Req = _____________

R1 + R2que sirve para dos resistores; lue-go, se vuelve a aplicar al tercerresistor con la resistencia equiva-lente de los dos resistores ante-

riores y, as, sucesivamente, has-

ta terminar con el ltimo resistor.Para el caso de la figura re-

sulta, tomando a R1 y R2, lo si-guiente:

6 . 6 36Req1-2 = ___________ = ______ =

6 + 6 12

Req1-2 = 3

Req1-2 . R3Req = _________________ =

Req1-2 + R3

3 . 3 9Req = __________ = ______ =

3 + 3 6

Req = 1,5

Veamos algunos casos deaplicacin; para ello sea el cir-cuito de la figura 3, y se deseacalcular su resistencia equiva-lente. Evidentemente, R1 no est

en serie con R2 ni con R3 debidoa la derivacin en A, pero R2 yR3 estn en paralelo pues estnsoldados en A y en B; por lo tan-to, hallamos la Req de R2 y R3con la frmula dada anterior-mente:

120 x 40Req 2-3 = _________ =

120 + 40

4800Req 2-3 = ______ = 30

160

Luego, el circuito queda co-mo lo muestra la figura 4. Se veclaramente que ambos resisto-res estn en serie, por lo cual:

Req= 10 + 30 = 40

En la figura 5 se tiene otro cir-

cuito elctrico del cual se deseacalcular la resistencia equivalen-

Captulo 4

5

Captulo 4

Asociacin de Resistencias - Capacitores

Fig. 1

Fig. 2

Fig. 3

Fig. 4

Fig. 5

Fig. 6

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te. Observando la figura, con-cluimos que R1 y R2 estn en pa-ralelo, as como R4 y R5; sus res-pectivas resistencias equivalen-

tes son:

60 . 60R1 - 2 = __________ = 30

60 + 60

20 . 40 800R4-5 = _________ = ______ = 13,3

20 + 40 60

Luego, el circuito se reduceal de la figura 6.

Es fcil notar que los 3 resisto-res estn en serie (figura 7), y, enconsecuencia, su resistenciaequivalente ser:

Req = 30 + 20 + 13,3 = 63,3

Debemos, ahora, calcular laresistencia equivalente del cir-cuito de la figura 7. Hallar la Reqde la combinacin de resistores

encerrada por la lnea puntea-da. Observando el circuito ve-mos que R3 y R4 estn en serie,ya que por ellos circula la mismacorriente y entre ellos no hay nin-guna derivacin. R1 no est en

serie con R2 ni con R3 o R4 debi-do a que existe una derivacin.Por el momento, calculamos laReq de R3 y R4:

R3-4 = 60 + 30 = 90

ASOCIACI N DE PILAS

En muchas oportunidades ne-cesitamos asociar pilas para co-nectarlas a un aparato electrni-co; as, no es lo mismo conectarpolos negativos entre s que polosde distinto signo. Por ejemplo, enel caso de una radio que llevacuatro pilas, cuando stas debenser reemplazadas para poder ob-tener una tensin correcta, las

cuatro pilas de 1,5V tienen queestar en serie, con el polo positivohaciendo contacto con el polonegativo de la otra. As, los dosterminales que quedan libres seconectan al circuito y la tensinequivalente de las fuentes en se-rie es mayor que la de una sola deellas, tal como muestra la figura 8.

Las pilas pueden estar en serie,pero algunas de ellas pueden co-nectarse al revs; entonces, la ten-

sin es la diferencia entre las tensio-nes de las pilas conectadas en for-ma directa y las de las pilas conec-tadas en forma inversa, como ve-mos en la figura 9.

Tambin pueden conectarse enforma paralela a una resistencia decarga y, en tal caso, la corriente to-tal que pasa por ella es la sumatoriade las corrientes que da cada pilaen forma separada. Cuando se co-nectan en forma paralela se tendrespecial cuidado en que la tensinde las dos sean iguales, de lo con-trario la pila de tensin ms a lta tra-tar de "empujar" una corriente pormedio de la tensin ms baja, y se-r una corriente que pierde ener-ga, lo que como consecuenciatraer el deterioro de las pilas, co-mo se ve en la figura nmero 10.

Una fuente solamente puedeentregar una corriente mxima de-

terminada; es por eso que se usandos o ms fuentes en paralelo, demanera que si se necesita una co-rriente mayor, se deber conectardos o ms fuentes de tensin en pa-ralelo. El agotamiento de las bate-

ras es ms lento, entonces la dura-cin es mayor; vale decir que las"corrientes" de las pilas se suman, se-gn lo mostrado en la figura 11.

Las tensiones de las pilas en opo-sicin se restan, tal como observa-mos en la figura 12. La conexin enparalelo solamente es posible si lastensiones de las pilas son iguales, su-madas las corrientes que ellas sumi-nistran (figura 13).

POTENCIA EL CTRICA

Se dice que energa es todoaquello que se mueve, capaz derealizar un trabajo, sin importar cul

fuere. Por lo tanto, todo es energa,es decir, la materia lleva implcita al-guna forma de energa por el solohecho de estar formada por to-mos en constante movimiento.

En fsica, el trabajo est relacio-


52

Fig. 7

Fig. 8

Fig. 9

Fig. 10

Fig. 11

Fig. 12

Fig. 13

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nado con la distancia que recorreuna fuerza para mover un cuerpo.Como ejemplo podemos citar eltrabajo que realiza una fuerza F pa-ra mover un cuerpo M desde unpunto a hasta otro punto b, reco-

rriendo una distancia d, de acuerdoa lo mostrado en la figura 14.

El trabajo realizado se calculacmo:

T = F . d

Tambin realiza un trabajo uncuerpo que cae desde una altura hdebido al propio peso P del cuerpoque acta como fuerza, segn semuestra en la figura 15.

El cuerpo, al caer, es aceleradopor la gravedad terrestre y alcanzasu mxima velocidad inmediata-mente antes de chocar contra elsuelo. Adems, su velocidad antesde comenzar su cada era nula, loque significa que el cuerpo fue ad-quiriendo una energa como pro-ducto del trabajo realizado por lafuerza (cuerpo) al caer. A esta ener-ga se la denomina Energa Cintica(energa de movimiento) y es laenerga que ha adquirido el cuerpoal realizar un trabajo, o sea:

Trabajo = Energ a Cin tica

matemticamente:

T = Ec

Como se sabe, la electricidad secompone de electrones en movi-miento, por lo que podemos aplicarun razonamiento anlogo al recinefectuado. Los cuerpos en movi-miento sern, en este caso, electro-nes que poseen una carga elctri-ca impulsados por una fuerza (fuer-za electromotriz o tensin) que es la

diferencia depotencial apli-cada en losextremos delconductor.

De estamanera, serealizar un

Trabajo Elctri-co debido a laenerga queadquieren loselectrones im-pulsados por

una diferencia de potencial. A laenerga as desarrollada se la deno-mina: Energa Elctrica, la cual de-pende de la tensin aplicada alconductor y de la cantidad de car-ga transportada, es decir, de la

cantidad de electrones en movi-miento. Matemticamente:

Energ a El ctrica = Tensi n . Carga El ctrica

Tambin:

E = V . Q

Como hemos estudiado en lec-ciones anteriores, la tensin se mideen volt y la carga elctrica en cou-

lomb. De estas dos unidades surgela unidad de la Energa Elctrica,que se denomina joule y se abreviacon la letra J.

Podemos decir entonces quecuando se aplica a un circuito elc-trico una tensin de 1V transportn-dose una carga elctrica de 1C, sepone de manifiesto una energaelctrica de 1J.

1J = 1V . 1C

No es lo mismo que esta energaelctrica se desarrolle en un tiempode 1s (1 segundo), que en 10s.

Cuanto menor sea eltiempo en que se ha de-sarrollado la misma can-tidad de energa, mayorser la potencia puestaen juego. Por lo dicho, sedefine Potencia Elctrica

como la cantidad deenerga elctrica desa-rrollada dividida por eltiempo en que ha sidodesarrollada dicha ener-ga; matemticamente:

Trabajo ElctricoPotencia Elctrica = ________________

tiempo

Tambin:

T V . Q QP = ______ = ______ = V . ( ___ )

t t t

En la frmula anterior, lo que fi-gura entre parntesis (Q/t), es el co-ciente entre la carga elctrica quecircula y el tiempo durante el cual loest haciendo, lo que simboliza a lacorriente elctrica I.

Si reemplazamos este conceptoen la frmula anterior nos queda:

P = V . I (1)

O sea que la potencia elctricaes el producto de la tensin aplica-da a un circuito multiplicada por lacorriente que por l circula. En otraspalabras, podemos decir que Po-tencia Elctrica es la cantidad detrabajo que realiza una carga porunidad de tiempo o el trabajo quedesarrolla una carga para venceruna diferencia de potencial.

La unidad de potencia elctricaes el watt y se la designa con la le-

tra W. Podemos decir que en unacarga se desarrolla una potenciade 1W cuando se le aplica una ten-sin de 1V y que por ella circula unacorriente de 1A, tal como muestrala figura 16.

En electrnica de potencia sue-le utilizarse un mltiplo del watt lla-mado kilowatt (kW), que representa1.000W.

En cambio, para la mayora delos circuitos electrnicos de peque-a seal, el watt resulta una unidadmuy grande, razn por la cual seemplean submltiplos como el mili-watt (mW), que corresponde a la

Captulo 4

53

Fig. 14

Fig. 15

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milsima parte del watt, o el micro-watt (W), que representa a la millo-nsima parte del watt.

1kW = 1.000W1mW = 0,001W1W = 0, 000001W

Suelen confundirse los concep-tos de potencia y energa elctrica,especialmente cuando se trata de

mensurar el consumo e lctrico.Por ejemplo, una carga de 100W

consume una energa elctrica de100J por cada segundo de funcio-namiento. De esta manera, luegode una hora (60s) habr consumidouna energa igual a:

E = P . t = 100W . 60s = 6.000J

Las compaas de electricidadfacturan a los usuarios la energaconsumida en un perodo, es decir,lo hacen en kilowatt-hora (kW-h) yno en joule. De todos modos, el kW-h es una unidad de energa y no depotencia, ya que la energa consu-

mida es el producto dela potencia puesta enjuego durante un tiempodeterminado.

CLCULO DE LA POTEN-

CIA

Para calcular la po-tencia elctrica en cualquier c ircui-to basta con multiplicar la tensinaplicada por la corriente que circu-la.

El mismo concepto es aplicablepara cualquier parte constituyentede un circuito siempre que se co-nozcan las tensiones y corrientes co-rrespondientes.

De la frmula (1) puede obte-

nerse el valor de la tensin presen-te en un circuito, o parte de l, si se

conocen la potencia y lacorriente que circula. Des-pejando:

PV = ______

I

Puede calcularse la co-rriente en cualquier partedel circuito, cuando se co-

nocen la potencia y la ten-sin aplicada. De la frmula

(1) se tiene:

PI = _______

V

En la figura 17 se ve el grfico re-presentativo de la Ley de Joule,que, al igual que lo que ocurre conla Ley de Ohm, permite calcular unparmetro cuando se conocen los

otros dos.

APLICACI N DE LA LEY DEJOULE

Se desea calcular la potenciaque consume el resistor de la figura18, sabiendo que la tensin aplica-da es de 12V y la resistencia tieneun valor de 24.

Para resolver el problema prime-ro calculamos la corriente que fluye

por el circuito. Aplicando la ley deOhm tenemos:

V 12VI = _______ = _______ =

R 24

I = 0,5A

luego:P = V . I = 12V . 0,5A = 6W

Si con una tensin de 12V apli-cada a una carga, se desea obte-ner una potencia de 300mW,

Cu l deb e ser la c orriente quedebe circular?.

Del diagrama de la figura 17,como queremos calcular I, la tapa-mos y nos queda:

PI = _______

V

Reemplazando valores, tenien-do en cuenta que 300mW corres-ponden a 0,3W:

0,3WI = _______ = 0,025A

12V

Luego, por el circuito deber cir-cular una corriente de 25mA ( 25mA= 0,025A ). Si, para el m ismo circuito,deseamos conocer ahora cul es latensin que se debe aplicar paraobtener una potencia de 300mWcuando circula una corriente de100mA, aplicando el diagrama dela figura 17 y reemplazando valores,podemos conocer el valor de dicha

tensin:

P 300mWV = ______ = _______ =

I 100mA

0,3WV = ______ = 3V

0,1A

POTENCIA YRESISTENCIA

Analizando el ejemplo que he-mos dado anteriormente, podemoscomprender que muchas veces nosvamos a encontrar con circuitos enlos cuales se conoce la tensin apli-cada y el valor de la resistencia. Deesta manera, en primer lugar debe-mos encontrar el valor de la corrien-te que circula por dicho resistor pa-ra poder efectuar el clculo de lapotencia. Podemos evitar este paso

sabiendo que en un resistor la co-rriente viene dada por:

VI = ______

R


54

Fig. 16

Fig. 17

Fig. 18

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Luego, reemplazando el valorde la corriente en la frmula de po-tencia, tenemos:

EP = E . ______

R

De lo cual surge que:

E2P = ______

R

Segn lo visto, la potencia quedisipa la carga del circuito de la fi-gura 18 puede calcularse directa-mente, o sea:

E2 12V2 144VP = ______ = ______ = ______ = 6W

R 24 24

Como podemos observar, se ob-tiene el mismo resultado si se aplicaun clculo directo.

Queremos conocer ahora cules la potencia que suministra la ba-tera del circuito de la figura 19; pa-ra ello calculamos primero la resis-tencia total. Teniendo en cuentaque las resistencias estn en serie:

R = R1 + R2 = 70 + 20 = 90

Luego, aplicando la frmula depotencia para las tensiones, se ob-tiene:

E2 32P = _____ = _________

R 90

9VP = _____ = 0,1W = 100mW

90

Puede ocurrir que en un circuito,

o parte de l, se conozca la corrien-te y el valor de la resistencia que po-see la carga; luego, si se desea co-nocer la potencia que maneja di-cha carga y sabiendo que V = I . R,se tiene:

P = V . I = (I . R) . I = I . I . R

P = I2 . R

Se obtiene as una forma ms di-recta para calcular la potencia de

una carga cuando se conoce suvalor de resistencia y la corrienteque la atraviesa.

Captulo 4

55

Fig. 19

CapacitoresINTRODUCCCI N

La tentativa de almacenar elec-tricidad en algn tipo de dispositivoes muy antigua. Se tiene constanciade que en 1745, simultneamente, enla Catedral de Camin (Alemania) yen la Universidad de Leyden (Holan-da), dos investigadores desarrollarondispositivos cuya finalidad era alma-cenar electricidad o, como se decaentonces, "condensar" electricidad.La botella de Leyden, como se ve en

la figura 1, fue el primer "condensa-dor" y dio origen, por su principio defuncionamiento, a los modernos ca-pacitores (o "condensadores" comotodava los denominan algunos) utili-zados en aparatos electrnicos. Laestructura de los componentes mo-dernos es muy diferente de la que te-nan los primeros, de 250 aos atrs,pero el principio de funcionamientoes el mismo.

LA CAPACIDAD

Para entender cmo un conduc-tor elctrico puede almacenar elec-tricidad, imaginemos la situacin si-guiente que puede ser el tema deuna experiencia prctica:

Al cargar de electricidad un con-

ductor esfrico, verificamos que lascargas pueden comprimirse ms omenos segn el dimetro del con-ductor y tambin segn la cantidadque pretendemos colocar en eseconductor.

Eso significa que esa compresinde las cargas almacenadas se mani-fiesta como potencial V. La carga Qen un conductor de radio R manifies-ta un potencial V.

Si intentamos colocar ms cargasen el cuerpo, stas aumentan el gra-do de compresin y, por consiguien-te, el potencial tambin debe au-mentar. Se verifica que, independien-temente del radio del conductor, enlas condiciones indicadas existe unaproporcionalidad directa entre lascargas que podemos almacenar y latensin que se manifestar (figura 2).

Si el cuerpo tuviera un radio R y secarga con 0,01 coulomb (unidad decarga), manifestar 100 volt y el mis-mo cuerpo manifestar 200 volt si secarga con 0,02 coulomb. Podemosentonces definir una magnitud llama-da "capacidad" como la relacin en-tre la carga almacenada (Q) y la ten-sin a que se encuentra (V). Escribi-mos entonces:

C = Q/V (1)

En estas condiciones, el conduc-tor esfrico funciona como "capaci-tor esfrico".

La capacidad de almacena-miento de carga depende del radiodel conductor, y este tipo de disposi-tivo no es de los ms apropiados pa-ra los usos electrnicos, pero veremosms adelante cmo hacer algunos

Fig. 1

Fig. 2

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clculos interesantes que lo tienen encuenta. Nos interesa ahora la cons-tancia de la relacin Q/V que definela capacidad cuya unidad es el Farad(F). Un capacitor (no necesariamenteesfrico) tendr una capacidad de 1Farad si almacena la carga de 1 Cou-lomb y tiene 1 volt de tensin.

(Usamos la palabra tensin y nopotencial pero el lector sabe que eneste caso la diferencia no importaporque la unidad es la misma - Figura3). En la prctica, una esfera con lacapacidad de 1 Farad debiera serenorme, de manera que los capaci-tores que usamos en los aparatos tie-nen capacidades que son submlti-plos del Farad.

Tres son los submltiplos del Faradque ms se usan:

- Microfarad (F) que es la millonsi-

ma pa rte de 1 Farad o 0,000001 Farad

que representad o en forma exponen-

cial es 10-6 Farad.

- Nanofarad (nF) que es la b illonsi-

ma parte del 1 Farad o 0,000000001 Fa-

rad y 10-9 Farad en forma exponencial.

- El pico farad (pF) que es la trillon-

sima parte de 1 Farad o 0,

000000000001 Farad o 10-12 Farad.

Vea que de la relaciones indica-das se tiene que:

- 1 nanofarad equivale a 1.000 pi-

cofa rad (1nf = 1.000pF)

1 microfarad equivale a 1.000 nano-

farad (1F = 1.000nF)

- 1 microfarad equivale a 1.000.000

pico farad (1F = 1.000.000pF)

Acostmbrese a convertir estasunidades, porque aparecen con mu-cha frecuencia en los trabajos deelectrnica.

CAPACITORES PLANOS

Puede obtenerse una capacidadmucho mayor con una disposicinadecuada de los elementos conduc-tores. Con eso, una cantidad muchomayor de cargas puede almacenarseen un volumen menor, dando as uncomponente de uso ms prctico. Un

capacitor bsico de placas paralelasse ve en la figura 4.

Consiste de dos placas de mate-rial conductor separadas por materialaislante denominado dielctrico. Elsmbolo usado para representar estetipo de capacitor recuerda mucho sudisposicin real y se muestra en la mis-

ma figura. Hay capacitores con dispo-siciones diferentes, pero como la es-tructura bsica se mantiene (un ais-lante entre dos conductores) el sm-bolo se mantiene por lo general conpocas modificaciones.

Cuando conectamosla estructura indicada aun generador, como se veen la figura 5, las cargasfluyen hacia las placas demanera que una se vuel-

va positiva y la otra nega-tiva.Se dice que el capacitor tiene una

placa (armadura) positiva y otra negati-

va.

Aun despus de desconectar labatera, como se mantienen las car-gas, por efecto de la atraccin mu-tua, en las armaduras el capacitor, sedice que ste est "cargado".

Como la carga en Coulombs de-pende no slo de la capacidad sinotambin de la tensin del generador,para calcularla es necesaria la rela-cin:

C = Q/V

Es as que si un capacitor de 100F(100 x 10-6) se conecta a un generadorde 100 volts, la carga ser:

Q = CV (2)Q = 100 x 100 x 10 -6

Q = 10.000 x 10

-6

Q = 104 x 10 -6

Q = 10-2 = 0,01 Coulomb

Para descargar un capacitor bas-ta interconectar las armaduras me-diante un alambre. Las cargas negati-vas (electrones) de la armadura ne-gativa pueden fluir a la positiva neu-tralizando as sus cargas.

Vea qe no importa cul esel capacitor pues la cantidad

de cargas de una armadura esigual a la cantidad de cargasde la otra; slo es diferente lapolaridad.

En la descarga, la neutrali-zacin es total (Figura 6).

Para un capacitor plano como elindicado, la capacidad puede calcu-larse en funcin de las caractersticasfsicas, a saber: superficie de las pla-cas, distancia entre ellas y naturalezadel aislante.

Podemos aplicar la frmula si-guiente:

C = A/d (3)

donde:C es la capacidad en Farad (F)d es la distancia entre placas en

metrosA es la superficie de las placas en

metros cuadrados es una constante que depende

de la naturaleza del dielctrico.El valor depende del material con-

siderado.Ese valor puede calcularse me-

diante la frmula:

= o . K (4)

donde: o es la prmisividad del vaci y

vale 8,85 x 10 -12 F/mK es la constante dielctrica y de-

pende del material usado.


56

Fig. 3 Fig. 18

Fig. 5

Fig. 6

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LA ENERGA ALMACENADA

EN UN CAPACITOR

Para obligar a una cierta cantidadde cargas a permanecer en un capa-citor debemos gastar una cierta can-tidad de energa. En realidad esaenerga que se gasta para colocar las

cargas en el capacitor queda dispo-nible para usarla en el futuro, quedaalmacenada en el capacitor. Cuan-do descargamos un capacitor me-diante un conductor que presentacierta resistencia, como muestra la Fi-gura 7, la energa que estaba conte-nida en el capacitor se disipa en for-ma de calor.

Puede imaginarse la carga del ca-pacitor con el grfico de la figura 8.Vea que a medida que va aumentan-

do la cantidad de carga, debemosforzarlas cada vez ms y eso implicauna elevacin de tensin.

El rea de la figura hasta el puntoen que dejamos de cargar el capaci-tor, representada por W en la figuracorresponde a la energa almacena-da en el capacitor. Podemos calcularla energa a partir de dos frmulas:

W = 0,5 x Q x V (5)

o

W = 0,5 x C x V2 (6)

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 capacitorcargado a un resorte comprimido.Gastamos energa (potencial) paracomprimir el resorte, ste "guarda" esaenerga que luego puede usarse paraponer en movimiento un mecanismo.Es claro que, segn veremos, la canti-dad de energa que puede almacenarun capacitor no es grande y entoncessu utilidad como fuente de energa esmuy restringida, pero este componen-te tiene otras propiedades que son degran utilidad en electrnica.

LOS CAPACITORES EN LA PR CTICA

A diferencia de la botella de Ley-den que nada tena de prctica porsus dimensiones y propiedades, los ca-pacitores modernos son compactos yeficientes, con volmenes centenasde veces menores que la antigua bo-

tella de Leyden y ca-pacidades miles deveces mayores.

Estos son los ca-pacitores que encon-tramos en los apara-tos elctrnicos y quepueden variar much-

simo en forma y valor.Estudiaremos en es-

ta leccin lo que suce-de cuando conecta-mos varios capacitoresentre s y los distintos ti-pos de capacitoresque encontramos en laprctica.

ASOCIACI N DE

CAPACITORES

Podemos obtener un efecto ma-yor o menor de almacenamiento decargas, segn se asocien distintos ca-pacitores, del mismo modo que obte-nemos efectos diferentes de resisten-cias al asociar resistores.

Los capacitores pueden conec-tarse en serie o en paralelo.

a) Asociaci n de

capacitores en paralelo

Decimos que dos o ms capacito-res estn asociados en paralelo cuan-do sus armaduras estn conectadasde la manera siguiente: las armaduraspositivas estn conectadas entre spara formar la armadura positivaequivalente al capacitor; las armadu-ras negativas estn conectadas entres y forman la armadura negativaequivalente al capacitor, segn mues-tra la figura 9. Vea el lector que enesas condiciones los capacitores que-

dan sometidos todos a la misma ten-sin (V) cuando se cargan. Las cargasdependen de las capacidades.

La capacidad equivalente en es-ta asociacin est dada por la sumade las capacidades asociadas.

C = C1 + C2 + C3 + ... + Cn (7)

Se pueden deducir las siguientespropiedades de la asociacin de ca-pacitores en paralelo:

- Todos los capa c itoresquedan sometidos a la misma

tensin.

- El mayor ca pa citor (el de

mayor capa cidad ) es el que

ms se carga.

La capacidad equivalente es ma-yor que la capacidad del mayor ca-pacitor asociado.

b) Asociaci n de

capacitores en serie

En la asociacin en serie de capa-citores, stos se conectan como semuestra en la figura 10.

La armadura positiva del primeropasa a ser la armadura positiva delequivalente; la negativa del primero

se une a la positiva del segundo; lanegativa del segundo da la positivadel tercero y as sucesivamente hastaque la negativa del ltimo queda co-mo la armadura negativa del capaci-tor equivalente.

Vea que si conectamos de estamanera un conjunto cualquiera decapacitores (aun de valores total-mente diferentes) ocurre un procesode induccin de cargas, de modoque todas las armaduras queden con

las mismas cantidades (figura 11). Se-gn el valor del capacitor (capaci-dad) la tensin hallada tendr valoresdiferentes.

Puede darse la frmula:

C1 = Q/V1; C2 = Q/V2; C3 = Q/V3...

Cn = Q/Vn

Como la suma de las tensiones deestos capacitores asociados debe ser

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Fig. 7

Fig. 8

Fig. 9

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la tensin en las armaduras del capa-citor equivalente; podemos escribir:

V = V1 + V2 + V3 + ... + Vn

Reemplazando el valor de V encada una de las expresiones de ca-pacidad:

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 miembrosde la igualdad, tenemos:

V/Q = 1/C1 + 1/C2 = + 1/C3V/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)

De esta frmula podemos deducirlas siguientes propiedades de la aso-ciacin en serie de capacitores:

-Todos los cap ac itores queda n con

la misma c arga.

- El menor cap ac itor queda someti-

do a la mayor tensin.

- La capacidad equivalente es me-

nor que la capa cidad d el menor ca pa-citor asociado.

- Todos los cap ac itores se c arga n y

desca rga n al mismo t iempo.

Conclusi n

Dos casos particulares son intere-santes en las asociaciones en serie yen paralelo de capacitores.

Cuando los capacitores son igua-les, la asociacin puede tener la ca-

pacidad equivalente calculada conms facilidad por las frmulas siguien-tes:

a) Serie: C = C1/ndondeC es la capacidad equivalente.

C1 es el valor de cada uno delos capacitores asociados.

n es el nmero de capacitores.

b) Paralelo: C = n x C1dondeC, C1 y n son los del caso ante-

rior.

CAPACITORES DE PAPEL Y ACEITE

En muchos aparatos antiguos,principalmente en radios y televisoresde vlvulas, pueden encontrarse conel aspecto que se ve en la figura 12.Son capacitores tubulares de papel oaceite (el tipo viene marcado normal-mente en el componente). Para fabri-car estos capacitores se enrollan al-

ternadamente dos hojas de aluminioque forman el dielctrico y se colocaentre ellas un aislante que puede seruna tira de papel seco (en el tipo depapel) o de papel embebido en acei-te (en el caso de los capacitores deaceite). Esos capacitores, as comolos otros, presentan dos especificacio-nes:

a) La capacidad que se expresa

en m icrofa rads (F), nano farad s (nF) y

pico farad (p F) y que pued e variar en-

tre 100pF (o,1nf) hasta 1F.

b) La tensin de trabajo que es la

tensin mxima que puede aplicarse

entre a rma duras sin peligro de que se

rompa el dielctrico. Esta tensin va-

ra, en los tipos comunes, entre 200 y

1.000 volt.

Los capacitores de papel y aceitepueden tener hasta una tolerancia de10% a 20% y presentan las siguientescaractersticas principales:

- Son relativam ente chicos en rela-

cin a su cap ac idad.

- Tienen buena aislac in a tensiones

altas.

- Pueden obtenerse en una ba nda

buena de altas tensiones.

- Su gama de valores es apropiada

pa ra la ma yora d e las ap licac iones

electrnicas.

Vea que la aislacines un problema que me-rece estudiarse en deta-lle:

El problema de la ais-laci n

Ningn dielctrico esperfecto. No existe unaislante perfecto, lo quesignifica que ningn ca-

pacitor puede mantener indefinida-mente la carga de sus armaduras.Una resistencia, por grande que sea,deja pasar una cierta corriente y unacorriente es un flujo de cargas queacaba por descargar el capacitor. Uncapacitor que tenga una resistenciapor debajo de los lmites tolerados en

las aplicaciones prcticas se dice quetiene una "fuga".Volviendo a los capacitores de

papel y aceite, stos se usan en los cir-cuitos de bajas frecuencias y corrien-tes continuas.

CAPACITORES DE POLI STER Y

POLICARBONATO

El polister y el policarbonato sontermoplsticos que presentan exce-lentes propiedades aislantes y buenaconstante dielctrica, por lo que sir-ven para la fabricacin de capacito-res. En la figura 13 tenemos algunos ti-pos de capacitores hechos con esosmateriales y que pueden ser planos otubulares.

En el tipo plano, las armaduras sedepositan en las caras de una pelcu-la de dielctrico, entonces se obtieneuna estructura que recuerda la aso-ciacin de muchas capas de capaci-tores planos. En la disposicin tubular,un filme de polister o de policarbo-nato tiene en sus caras depositadauna fina capa de conductor (alumi-nio) que hace las veces de dielctri-co. Las especificaciones fundamenta-les de estos capacitores son:

a) Gama de capacidades com-

prendida entre 1nF y 2,2F o ms.

b) Banda de tensiones de traba jo

entre 100 y 600 volt.

c ) Tole ranc ia de 5%, 10% y 20%.

Otras caractersticas de inters

son:

- Buena gama de valores en di-

mensiones reduc idas del elemento en

relac in a la c apa cidad.

- Gam a de tensiones elevad as.

- aislacin muy buena, comn-


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Fig. 10

Fig. 11

Fig. 12

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mente por arriba de 20.000M.

- Banda de tolerancias segn las

aplicaciones prcticas en electrni-

ca.

Los capacitores de polister y poli-

carbonato pueden usarse en circuitosde bajas frecuencias, corrientes conti-nuas y aplicaciones generales.

CAPACITORES DE POLIESTIRENO

El poliestireno tambin es un ter-moplstico que tiene excelentes pro-piedades aislantes, que puede apare-cer con nombres diversos segn el fa-bricante, como: STYRON, LUSTREX, RE-

XOLITE, POLYPENCO.En la figura 14 vemos el aspectode estos capacitores.

Estos capacitores pueden tenerestructura plana o tubular. Las especi-ficaciones bsicas son:

a) Ca pa cid ad entre 10pF y 10nF.b ) Ten sione s en tre 30 y 500 volt.c ) Tole ranc ias ent re 2,5% y 10%.Otras caractersticas importantes de

estos capacitores son:- Tam ao reduc ido en relacin a la

capac idad.- Buena estab ilida d trmica .- Tensiones de tra ba jo a ltas.- Tolera nc ia b a ja (2,5%).- Aislac in muy alta : normalme nte

por arriba de 100.000 M.- Adec uad os pa ra op erar en c ircuitos

de altas frecuencias.

Estos capacitores son especial-mente indicados para los circuitos deRF (radiofrecuencia) y aplicacionesque exijan alta estabilidad.

CAPACITORES CER MICOS

La cermica presenta excelentespropiedades dielctricas, pero no

puede enrollarse ni do-blarse como los aislan-tes plsticos. Pero aunas tenemos una buenavariedad de capacito-res cermicos, como seve en la figura 15.

Las especificacio-

nes de estos capacito-res son las siguientes:

a) capacidades en

la gama de 0,5pF hasta

470nF,

b) ba nda de tensio-

nes de operacin des-

de 3V hasta 3.000V o ms,

c) tolerancias entre 1% y 5,0%.

Otras carac tersticas de importan-

cia son:

- Relativamente chicos en relac in

a la ca pacidad.- Banda relativamente amplia de-

tenciones de trabajo.

- Son ad ec uad os pa ra ope rar en

circuitos de altas frecuencias.

- Banda de toleranc ia buena pa ra

ap licac iones que exige n p recisin.

Estos capacitores son de los msutilizados en las aplicaciones prcti-cas de electrnica y se los encuentraen los circuitos de altasfrecuencias, audio y

tambin de corrientecontinua.

CAPACITORES

ELECTROLTICOS

Los capacitores elec-trolticos o electrolticosde aluminio son, de to-dos, los que tienen unatcnica de construccin

muy diferente y es poreso que se los encuentraen una gama de valoresmuy determinada. En lafigura 16 tenemos laconstruccin interna tpi-ca de un electroltico dealuminio con fines didc-ticos.

En contacto con unasustancia electroltica, elaluminio es atacado y se

forma en su superficie unapelcula aislante. Este ma-terial presenta una cons-tante dielctrica muy alta,pero su espesor es de slomilsimos de milmetro, lo

que garantiza la obtencin de capa-cidades muy elevadas.

Los electrolticos tienen una carac-terstica ms en relacin a los otroscapacitores: la armadura positiva de-be cargarse siempre con cargas deese signo. Si hubiera inversin de lasarmaduras, podra destruirse la pelcu-

la dielctrica y quedar inutilizado elcapacitor.

Las principales caractersticas son:a) Cap ac idad es en la ga ma d e 1F

a 220.000F.

b) Tensiones de traba jo ent re 12 y

1.000V.

c) Toleranc ia entre -20% y +50% co-

mnmente.

En la figura 17 vemos algunos tiposcomunes de capacitores electrolti-cos, obsrvese su polaridad. Otras ca-

ractersticas importantes de estos ca-pacitores son:- Tama o pe queo en relac in a la

capacidad alta.

- Banda de ca pac idades que llega

a valores muy altos.

- La corriente de fuga es relativa-

mente a lta o sea q ue la aislacin no es

excelente.

- Son polarizados (debe respetarse

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Fig. 13

Fig. 15

Fig. 14

Fig. 16

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la p olarida d d e la placa o armad ura).- La c apa cidad a umenta a medi-

da q ue el ca pa citor envejece .

- Tiene una durac in limitad a.

- La capacidad vara ligeramente

con la tensin.

Los capacitores electrolticos no seusan en circuitos de altas frecuencias;se usan en circuitos de frecuenciasbajas, uso general y corriente conti-nua.

CAPACITORES VARIABLES Y AJUSTABLES

En determinadas aplicaciones,necesitamos disponer de capacitores

cuya capacidad pueda ser alteradaen una cierta franja de valores, pormotivos diversos. Podemos dar elejemplo de un proyecto en el que elfuncionamiento, por ser crtico, no nospermite establecer con exactitudcul es la capacidad que necesita-mos para llevar el circuito al compor-tamiento deseado. Podemos calcularcon cierta aproximacin el valor deesta capacidad y despus ajustar suvalor para tener el comportamiento

deseado. En este caso precisamos uncapacitor ajustable o regulable. Otraaplicacin es el caso en que duranteel funcionamiento del aparato debe-mos cambiar la capacidad de un ca-pacitor para que cambie el compor-tamiento segn nuestras necesida-des. Es el caso en el que debemosusar un capacitor variable, como enla sintona de un aparato de radio pa-ra cambiar de estacin en el momen-to querido. Separamos entonces los

capacitores que pueden cambiar devalor segn nuestra voluntad en 2 gru-pos.

a) Los cap ac itores regulab les, en los

que prc ticamente slo alteramos la

ca pac idad una vez, para llegar al

punto deseado de funcionamiento y

dejarlo despus de esta manera, inde-

finidamente.

b) Los cap ac itores variables en los

que alteramos continuamente la ca-

pa cida d, siempre que deseamos alte-

rar el funcionamiento del c ircuito.

Capacitores regulables

Tal como estudiamos, la capaci-dad presentada por un capacitordepende de algunos factores.

a) Tam ao de las plac as (rea).

b) Sep arac in entre las plac as.

c) Existenc ia o no d e un m ate rial

entre las placas (dielc trico). Vea la fi-

gura 18.

Podemos variar la capacidad deun capacitor si alteramos cualquiera

de esos factores, pero por cierto exis-ten algunos en los que esa tarea resul-ta ms fcil. En el caso de los capaci-tores ajustables o regulables, pode-mos variar la capacidad para modifi-car dos de esos factores, segn el tipode componente. El tipo ms comnde capacitor ajustable es el "trimmer"de base de porcelana, que tiene laconstruccin que se muestra en la fi-gura 19. En este "trimmer" tenemosuna base de porcelana en la que es-tn montadas dos placas (armadu-ras), una de las cuales es fija y la otramvil. El dielctrico es una fina hojade plstico o mica, colocada entrelas armaduras.

Un tornillo permite el movimientode la armadura mvil, para que seaproxime o aleje de la armadura fija.

Con la aproximacin (menor dis-tancia) tenemos una capacidad ma-yor y con el alejamiento (distanciamayor) tenemos una capacidad me-nor, estos capacitores permiten varia-ciones de capacidad en una propor-cin de 10:1. Es comn tener un capa-citor de este tipo en que la capaci-dad mnima obtenida es de 2pF y lamxima de 20pF, al pasar de la posi-cin del tornillo totalmente flojo (de-satornillado - aleja-miento mximo) a lade fuertemente apre-tado (alejamiento m-nimo). Los trimmers re-sultan especificadospor la banda de capa-cidades en que se en-cuentran. Un trimmer 2-20pF es un trimmer enel que podemos variarla capacidad entre

esos dos valores. Un problema quehay que analizar en este tipo de ca-pacitor es que el ajuste excesivo deltornillo o tambin problemas mecni-cos, no permiten una precisin deajuste muy grande, lo que lleva a quese usen en casos menos crticos. Paralos casos ms crticos existen trimmers

de precisin.

D nde usar los trimmers

Existen casos en los que necesita-mos regular el punto de funciona-miento de un circuito despus de ha-berlo montado, sin que sea posible es-tablecer la capacidad exacta quedebemos usar, con antelacin, comopara poder usar un capacitor fijo. Nor-malmente los trimmers aparecen enlos circuitos que operan en frecuen-

cias elevadas, como receptores ytransmisores, en los que es preciso ha-cer un ajuste del punto de funciona-miento de circuitos que determinan lafrecuencia de operacin. Encontra-mos los trimmers en los siguientes tiposde aparato:

Radio, Transcep to res, Transmisores,

Generadores de seales, Oscila-

do res de a lta frec uenc ia

Tensi n de trabajo

Del mismo modo que los capaci-tores fijos, los trimmers tambin tienenlimitaciones en relacin a la tensinmxima que puede existir entre sus ar-maduras. Tensiones mayores que lasespecificadas por los fabricantes pue-


6

Fig. 17

Fig. 19

Fig. 18

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den causar la ruptura del materialusado como dielctrico y as inutilizarel componente.

Capacitores variables

El principio de funcionamiento de

los capacitores variables es el mismoque el de los trimmers. La diferenciaest en el hecho de tener un accesoms fcil al conjunto de placas mvi-les de modo que alteramos la capa-cidad en cualquier momento. En la fi-gura 20 tenemos un capacitor varia-

ble comn, del tipo deno-minado "con dielctricode aire", pues ningn ais-lante especial existe entrelas placas del conjuntomvil y fijo.

El conjunto de placasmviles se acciona media-

ne un eje, para penetraren el conjunto de placasfijas en forma recta.

A medida que el con-junto de placas penetraen la parte fija, aumenta

la superficie efectiva y con eso la ca-pacidad presentada por el compo-nente. Con el capacitor abierto, esdecir, las placas mviles fuera de lasplacas fijas, el capacitor tiene unacapacidad mnima. Con el capacitor

cerrado, tenemos la capacidad m-xima.Las dimensiones de las placas fijas

y mviles, adems de su cantidad yseparacin, determinan la variacinde capacidad que se puede obte-ner: tericamente, la variacin de-

biera estar entre 0 y un cierto valormximo dado por la cantidad deplacas y otros factores. Y con las pla-cas todas abiertas (armadura mvil)todava con un efecto residual semanifiesta una cierta capacidad.

Esta capacidad se denomina resi-dual y est especificada en los ma-

nuales de los fabricantes.

Banda de valores

Bsicamente, los capacitores va-riables se encuentran en dos franjasde valores determinadas por las apli-caciones ms comunes. Tenemos lasvariables de mayor capacidad quepueden tener valores mximos entre150pF y 410pF y que se usan en radiosde ondas medias y cortas, o transmi-sores para la misma banda. En ellos,

tenemos conjuntos de 10 a 20 placasque forman las armaduras. Para labanda de FM los variables son de ca-pacidad mucho menor, normalmen-te con mximos inferiores a 50pF, s-tos estn formados por un nmeromucho menor de placas.

Fig. 20

Por qu aparecieron los TTransistor ransistor e se s

E l transistor es el elemento ms im-portante de los dispositivos semi-conductores, pues es el ladrillocon el que se construye el edificio dela tecnologa electrnica moderna.

COMIENZA LA REVOLUCI N DIGITAL

Intel es la empresa que fabric porprimera vez un microprocesador, unapastilla de circuito integrado quecontiene todos los elementos nece-sarios para realizar los complejos cl-culos numricos y lgicos que se eje-cutan en una computadora. Nos re-ferimos al ya legendario 4004, un mi-croprocesador con apenas 2.300transistores, pero con la misma capa-cidad de cmputo que la ENIAC, laprimera computadora (1947), la cualcontena unas 18 mil vlvulas, ocu-paba una habitacin entera para al-bergar sus gigantescas proporcionesy pesaba 30 toneladas. Pero los mi-croprocesadores no son sino un ecoo resultado de otro invento sobre elque en ltima instancia se funda-

menta la revolucin digital: el transis-tor.

Hace ms de 50 aos, el 23 de di-ciembre de 1947, cientficos de losLaboratorios Bell demostraron que undispositivo construido con base enmateriales slidos, poda comportar-se de forma prcticamente idnticaa las vlvulas de vaco, pero sin susinconvenientes.

Por su descubrimiento, WilliamShockley, John Bardeen y Walter

Brattain fueron acreedores al PremioNobel de Fsica en 1956.

EN EL PRINCIPIO FUE LA V LVULA DE VACO

El transistor desplaz a otro grandispositivo, en el que descans pordcadas la incipiente tecnologaelectrnica: la vlvula triodo, inven-tada en 1906 por Lee De Forest,quien a su vez se apoy en la vlvu-la diodo, inventada en 1905 por JohnA. Fleming, que se bas en un fen-meno (el efecto Edison) descubiertopor Tomas A. Edison durante las in-

vestigaciones que lo llevaron a in-ventar la bombilla incandescente.

Lee de Forest encontr que una re-jilla de alambre electri ficada origina-ba un flujo de electrones cuando sela colocaba dentro de un tubo o vl-vula de vaco.

Dicho flujo poda ser controladode distintas maneras: se le poda in-terrumpir, reducir o incluso detenerpor completo; as por ejemplo, unamuy baja corriente de electrones enla entrada del tubo llegaba a seramplificada por ste, a fin de produ-cir una intensa corriente en la salida,por lo que este dispositivo fue utiliza-do en televisores, radios y en cual-quier otro equipo electrnico en elque se requiriera aumentar el nivelde una seal de entrada.

Con todo este potencial en el con-trol de la electricidad, el hombre pu-do manejar seales electrnicas yas surgieron y se desarrollaron nue-vas formas de comunicacin comola radio y la televisin, y nuevosavances tecnolgicos, como el ra-dar y las primeras computadoras.

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SURGE EL TRANSIS -

TOR

El primer transistorfue construido enuna base plsticaen forma de C, en lacual se montaron

dos piezas de unelemento por en-tonces no muy conocido, el germa-nio, sostenidas por un resorte elabora-do a ltimo momento con un clip deoficina. De los terminales de esta es-tructura salan delgados hilos de oro,que hacan las veces de conectorespara la entrada y salida de seales.Con este dispositivo los investigadorespudieron amplificar seales de igualforma como lo hubieran hecho con

una vlvula triodo; y no haba necesi-dad de una envoltura de cristal al va-co, de filamentos incandescentes ode elevadas tensiones de operacin.

En efecto, el transistor (llamado asdebido a que transfiere la seal elc-trica a travs de un resistor) pudo rea-lizar las mismas funciones del tubo alvaco, pero con notorias ventajas: noslo sustituy el complejo y delicadotubo por un sencillo montaje queconsiste bsicamente en un conjuntode finos alambres bigotes de gato ,acoplado en un pequeo cristal se-miconductor, sino que hizo innecesa-ria la condicin de vaco. Adems,no requera de previo calentamientopara empezar a funcionar, ni de ungran volumen para su encapsulado;su estructura fija haca de l un dispo-sitivo ms confiable y duradero; y suconsumo de energa era insignifican-te.

La conduccin de electricidad en

un slido dep ende del grado de liber-

tad de sus electrones.

Los conductores son materiales queposeen uno o dos electrones en lacapa externa de los tomos que loforman.

Los llamados aislantes son ele-mentos que, como en el caso delazufre, por tener sus electrones con-tenidos en estrechos enlaces con losncleos y con otros tomos, no con-ducen electricidad.

Pero existe un tercer tipo de mate-riales que no se comporta ni comoconductores ni como aislantes puros:los semiconductores; espordica-mente, stos proporcionan un elec-trn libre o un espacio hueco parapermitir la conduccin de la corrien-

te. Entre los semiconductores ms co-munes pueden mencionarse el silicioy el germanio, que tienen aproxima-damente un electrn libre por cadamil tomos; esto contrasta con el co-bre, que suministra un electrn porcada tomo.

Una investigacin especfica sobrelas propiedades elctricas de los se-miconductores, fue lo que condujo aldesarrollo del transistor. Con el prop-sito de apreciar el comportamientoelctrico de una de estas sustancias,veamos la figura 1A.

Podemos observar un cristal de ger-manio (o silicio) que tiene en su capaexterna cuatro electrones, llamadoselectrones de valencia, que enconjunto enlazan a los tomos. Preci-samente, como todos los electronesse encuentran ocupados en unir a lostomos, no estn disponibles paragenerar electricidad.

Supongamos que alguna impurezacon cinco electrones en la rbita devalencia entra al cristal (fsforo). Estoprovoca que cuatro de los electronesformen enlaces con los tomos degermanio, pero el quinto queda librepara conducir la corriente (figura 1B).Otro caso similar muy interesante, esel del tomo de boro introducido enel cristal de germanio (figura 1C). Eltomo de boro es una impureza contres electrones de valencia.

Aqu, uno de los puntos necesariospara la unin con los tomos de ger-manio est ausente; se crea enton-ces un estado de desequilibrio, don-de alguno de los tomos de la estruc-tura tan slo cuenta con siete elec-trones, lo que deja un espacio libreque puede ser llenado con un elec-trn viajero. Por consecuencia, la fal-ta de un electrn (a la que se consi-dera una entidad fsica y se le deno-mina hueco) posee todas las pro-piedades de esta partcula; es decir,tiene masa y carga; aunque, comoest ausente, su carga es positiva envez de negativa.

De acuerdo con este comporta-miento, se pudo establecer que un

cristal semiconductor es capaz deconducir electricidad cuando se dala presencia de impurezas. Con baseen ello, fue diseado un mtodo decontrol de electrones o huecos en uncristal, que los cientficos de los labo-ratorios Bell consideraron en el inven-to del transistor. Dependiendo del ti-po de impurezas introducidas en elcristal, existen dos tipos de material: elmaterial tipo No negativo y el mate-rial tipo Po positivo. Estos materialesse combinan entre s para construir di-versos tipos de dispositivos, el ms co-mn de todos ellos es el transistor bi-polar, cuya operacin explicaremosa continuacin.

PRINCIPIO DE OPERACI N DE UN TRANSIS-

TOR

A los transistores con las caracters-ticas citadas se les denomina bipola-res y su estructura interna es como semuestra en la figura 2A. Note que seforma con tres capas alternadas dematerial semiconductor: una N, otra Py finalmente otra N (es por ello que seles llama NPN). Observe tambin queal terminal conectado en la parte su-perior del dispositivo se le denominacolector, a la capa intermedia ba-se y a la inferior emisor. Veamoscmo funciona el conjunto.

En primer lugar, para que un transis-tor funcione tiene que estar polariza-do en cierta forma; en el caso quenos ocupa (transistor NPN), esta pola-rizacin implica un voltaje positivoaplicado entre colector y emisor yuna alimentacin positiva de peque-a magnitud entre base y emisor (fi-gura 2B). Cuando esto sucede y lapolarizacin de base es inferior a latensin de ruptura del diodo formadoentre base y emisor, la tensin entrecolector y emisor forma un campoelctrico considerable en el interiordel dispositivo; pero como se enfrentaa una estructura semejante a un dio-do invertido, no puede haber un flujode corriente entre el colector y el


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Fig. 1A B C

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emisor. Sin embargo, se tiene unacondicin tal de excitacin de loselectrones y huecos en el dispositivo,que bastara con cualquier impulsoexterno para que el conjunto entraraen conduccin.

Este impulso proviene justamentede la corriente aplicada en la base,misma que se dispara al momento enque la tensin aplicada en la base su-pera el punto de ruptura antes men-cionado; entonces, la corriente quecircula entre base y emisor provocauna avalancha de electrones entrecolector y emisor. Pero esta avalan-cha no es desordenada, sino que de-pende muy estrechamente de lacantidad de electrones que circulena travs de la base (figura 2C); de he-cho, una de las caractersticas princi-pales de un transistor es un factor deganancia de corriente , el cual indicacuntas veces ser amplificada lacorriente de la base en el colector. Alos fines prcticos, esto significa queel transistor amplifica por un factorHfe la corriente de su entrada.

La estructura NPN no es la nicaque se ha desarrollado, sino que tam-bin existen transistores con una l g i- ca negativa ; esto es, formados porcapas alternas de material P, N y P. El

comportamiento detales dispositivos resul-ta prcticamenteidntico al anterior, s-lo vara el sentido delas tensiones de polari-zacin aplicadas enlos terminales. Vea en

la figura 4D la simbolo-ga con que se identi-fica a los transistoresbipolares tipo NPN yPNP.

TRANSISTORES CONTENI-

DOS

EN OBLEAS DE SILICIO

Ya desde fines de

los 50 se adverta quela miniaturizacin delos transistores podaalcanzar niveles ex-traordinarios. Precisa-mente, en 1958 en loslaboratorios Fairchildpor primera vez se lo-gr algo que parecaimposible: en la super-

ficie de un bloque de silicio se graba-ron varios dispositivos a la vez, conec-tados entre s para realizar un trabajoen conjunto, y se introdujo este cristalsemiconductor en un encapsuladonico, de tal manera que se podamanejar como un bloque funcional.Fue as como nacieron los circuitos in-tegrados, siguiente paso en la evolu-cin de la tecnologa electrnica.

Ms adelante, las tcnicas de fabri-cacin de cristales de silicio mejora-ron, la produccin de mscaras degrabado se depur y se desarrollaronnuevos e ingeniosos mtodos para eldopado de los materiales semicon-ductores.

Fue posible, entonces, fabricar cir-cuitos integrados mediante un proce-so de fotograbado, en el que se tieneuna delgada oblea de silicio sobre lacual se proyectan las sombras deunas mscaras donde vienen graba-das las delgadas pistas que posterior-mente se convertirn en las termina-les de los transistores.

Utilizando mtodos fotoqumicos seaprovechan las sombras para sem-brar impurezas en el sustrato semi-conductor, y al ir apilando capas al-ternativas de cristales tipo N y tipo P,finalmente se obtiene una amplia va-

riedad de dispositivos, que pueden irdesde diodos hasta transistores deefecto de campo. Gracias a ello, eltransistor pudo ser reducido hasta al-canzar la dimensin de unas cuantasmicras, es decir, una milsima de mil-metro.

Cabe hacer la aclaracin de que,

para que estos circuitos sean capa-ces de realizar clculos matemticoscomplejos en fracciones de segundo,se aprovecha una caracterstica muyespecial de los transistores: su capaci-dad de funcionar como llaves o inte-rruptores de corriente o tensin; estoes, un transistor puede presentar dosestados bsicos: uno de conducciny otro de no conduccin. A esta apli-cacin de los transistores se le deno-mina electr nica digital.

SURGEN LOS MICROPROCESADORES

Intel es la empresa pionera en la fa-bricacin de microprocesadores. Fuefundada en 1968 por Gordon E. Moo-re, Andrew Grove y Ted Hoff, quienespreviamente haban trabajado paraIBM y/o Fairchild y, por lo tanto, tenanexperiencia en la fabricacin en seriede circuitos integrados, lo que les per-miti manufacturar los primeros chipsde memoria RAM. En 1970, una firma

japonesa fabricante de calculadoraselectrnicas (Busicom) los contactpara que desarrollaran trece nuevoscircuitos integrados que seran el co-razn de su nueva lnea de modelos.

Enfrentados a este compromiso, losingenieros de Intel advirtieron que notendran el tiempo suficiente para de-sarrollar los trece circuitos individua-les; pero a dos de sus fundadores e in-vestigadores ms brillantes (Ted Hoff yGordon E. Moore), se les ocurri laidea de crear un ncleo comn quesirviera a los trece modelos por igual;y los pequeos cambios que atendie-ran a las particularidades de cadamodelo se grabaran en una memo-ria ROM independiente, en forma deun programa de instrucciones.

Este circuito de propsito generalfue el primer microprocesador de lahistoria; mas los derechos de comer-cializacin no pertenecan a Intel,pues todo el diseo se haba hechopor encargo de Busicom. Sin embar-go, la fortuna le fue favorable a Intel,ya que en poco tiempo Busicom sevio en serias dificultades financieras y

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Fig. 2

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le vendi los derechos de explota-cin comercial del circuito que habasalido de sus laboratorios. Surge as,en 1971, el primer microprocesadorde venta al pblico: el Intel 4004, undispositivo que poda manejar pala-bras de 4 bits de longitud y que esta-ba construido a partir de un circuito

integrado de 2.300 transistores.Agrupar millones de transistores bi-polares en un pequeo bloque de si-licio que apenas rebasa el rea deuna ua, requiri de profundas inves-tigaciones en el mbito de los semi-conductores.

FAMILIASMOS YMOSFET

Los transistores que se utilizan en la

construccin de circuitos integradosextremadamente complejos, comomicroprocesadores o bloques de me-moria, son del tipo semiconductormetal xido o MOS (figura 3). Estostransistores tienen dos regiones princi-pales: la fuente (source) y el drenado(drain); como en este ltimo hayelectrones en abundancia, se diceque los transistores son tambin del ti-po N. Entre la fuente y el drenado seencuentra una regin del tipo P en laque faltan muchos electrones; comoya se dijo, a estas regiones se les lla-ma huecos.

En su parte superior, el sustrato de si-licio tiene una capa de dixido de si-licio aislante; a su vez, la parte supe-rior es un metal que corresponde a lacompuerta (gate). Precisamente, dela anterior combinacin de un metalcon un xido se deriva el nombre desemiconductor metal xido . Cuan-

do un voltaje positivo es aplicado enla compuerta de metal, se produceun campo elctrico que penetra atravs del aislante hasta el sustrato.Este campo atrae electrones hacia lasuperficie del sustrato, justo debajodel aislante, que permite que la co-rriente fluya entre la fuente y el drena-do. Dependiendo de la magnitud dela tensin aplicada en la compuerta,

menor o mayor ser el canalconductor que se abra entredrenaje y fuente, de modo quetendremos un comportamientoidntico al de un transistor tradi-cional, pero con la diferenciade que ahora la corriente de sa-lida es controlada por voltaje,

no por corriente.La estructura tan sencilla deeste tipo de transistores permitifabricar, mediante avanzadastcnicas fotoqumicas y el uso de dis-positivos pticos muy sofisticados,transistores de dimensiones franca-mente inconcebibles. En el mundo delos microprocesadores circula casicomo un acto de fe, un principio quehasta la fecha se ha cumplido casipuntualmente: la ley de Moore, se-

gn la cual cada aproximadamente18 meses los circuitos integrados du-plican la cantidad de transistores queutilizan, al tiempo que tambin multi-plican por 2 su potencia de cmputo.

TRANSISTORES DE ALTAS POTENCIAS

Otra vertiente en el desarrollo delos transistores, paralela a la miniaturi-zacin, ha sido el manejo y control degrandes magnitudes de energa. Pa-ra ello, se disearon transistores y, engeneral, semiconductores de swit-cheo que son capaces de manejarelevadas potencias.

Los transistores de este nuevo tipo,llamados transistores bipolares decompuerta aislada (IGBT), son deltamao de una estampilla postal ypueden agruparse para manejar in-cluso 1.000 ampere de corriente enrangos de hasta varios miles de volts.Lo ms importante, sin embargo, esque los dispositivos IGBT s puedenconmutar esas corrientes con unagran velocidad.

FUTURO DEL TRANSISTOR

Los transistores se han producido en

tales cantidades hasta la fecha, queresultan muy pequeos y baratos; apesar de ello, son varias las limitacio-nes fsicas que han tenido que supe-rarse para que el tamao de estosdispositivos contine reducindose.

Asimismo, puesto que la tarea deinterconectar elementos cada vezms diminutos puede volverse prcti-camente imposible, los investigadoresdeben considerar tambin el tamaodel circuito. Si los transistores se some-ten a fuertes campos elctricos, stospueden afectar en varias formas elmovimiento de los electrones y pro-ducir lo que se conoce como efectoscunticos.

En el futuro, el tamao de los tran-sistores puede ser de tan slo algunoscientos de angstrom (1 angstrom =una diezmilsima de micra); por estomismo, la presencia o ausencia de al-gunos tomos, as como su compor-tamiento, ser de mayor importan-cia.

Al disminuirse el tamao, se incre-menta la densidad de transistores enun chip; entonces ste aumenta lacantidad de calor residual despedi-do. Adems, tomando en cuentaque por su reducido tamao los ele-mentos del circuito pueden quedarpor debajo del rango en que se de-senvuelve la longitud de onda de lasformas de radiacin ms comunes,existen mtodos de manufactura enriesgo de alcanzar sus mximos lmi-tes. Finalmente, podemos sealarque la revolucin contina y que, talcomo ha sucedido en los ltimos 50aos, seguiremos viendo progresos


Fig. 3

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