Fundamentos Esenciales de Componentes Electrónicos: Resistencias, Diodos y Transistores

Resistencias: Control y Variación en Circuitos

Resistencias Fijas

Las resistencias fijas controlan la intensidad de corriente en un circuito según la Ley de Ohm y se utilizan comúnmente como divisores de tensión. Están compuestas por una mezcla de grafito y resina aglomerados. Según la proporción de estos materiales, se obtiene un valor óhmico específico, identificado mediante un código de colores estándar.

Resistencias Variables

Las resistencias variables permiten ajustar su valor óhmico, lo que las hace fundamentales en diversas aplicaciones:

• Reóstatos: Son resistencias variables (manuales o mecánicas) diseñadas para ajustar la intensidad de alimentación de un circuito. Por ejemplo, en un motor, si este gira más rápido, la resistencia disminuye y la intensidad aumenta.
• Potenciómetros: Son reóstatos de menor potencia, diseñados para manejar pequeñas intensidades. Disponen de una pista resistiva sobre la que se desplaza un cursor. Entre el terminal de masa y el de señal, se genera una tensión variable según la posición del cursor, la cual se mide con un voltímetro. Se utilizan comúnmente como sensores de posición.

Resistencias Dependientes

El valor óhmico de estas resistencias depende de alguna variable externa, como la luz, la temperatura o la presión:

• Termistores: Varían su resistencia con la temperatura. Están compuestos de óxidos metálicos y se clasifican en:
  • NTC (Negative Temperature Coefficient): Disminuyen su resistencia al subir la temperatura.
  • PTC (Positive Temperature Coefficient): Aumentan su resistencia al aumentar la temperatura.
• LDR (Light Dependent Resistor): Varían su resistencia con la intensidad de la luz. Utilizan sulfuro de cadmio. A mayor luz, menor resistencia, lo que los hace útiles como sensores de luz.

Semiconductores y Diodos: Fundamentos y Aplicaciones

La Unión PN

El átomo de silicio (Si) posee 4 electrones en su capa de valencia y se une a otros cuatro átomos mediante enlaces covalentes. Al impurificar el silicio con un elemento pentavalente, como el arsénico (As), que dispone de 5 electrones en su capa de valencia, se introduce un electrón libre por cada átomo de arsénico, obteniendo un material tipo N (negativo) con electrones disponibles para la conducción.

Por otro lado, al impurificar con un elemento trivalente, como el boro (B), que posee 3 electrones de valencia, se genera un "hueco" por cada átomo de boro, formando un material tipo P (positivo) que acepta electrones.

El Diodo Rectificador

Un diodo es la unión de un material tipo P y un material tipo N. En esta unión, electrones y huecos se combinan, formando una región de agotamiento o barrera de potencial que, inicialmente, es no conductora.

• Polarización Directa: Cuando se aplica una tensión externa que supera la barrera de potencial (aproximadamente 0.7 V para silicio), la barrera desaparece y el diodo conduce corriente.
• Polarización Inversa: Si se aplica una tensión en sentido contrario, la barrera de potencial aumenta, impidiendo el flujo de corriente (idealmente, corriente cero).

Tipos Especiales de Diodos y Dispositivos Semiconductores

• LED (Light Emitting Diode): Es un diodo emisor de luz. Requiere una tensión de polarización directa específica (típicamente entre 1.5 V y 3.5 V, dependiendo del color) y una corriente de operación (usualmente alrededor de 10-20 mA). Para conectarlo a una fuente de 12 V, es indispensable una resistencia en serie para limitar la corriente y proteger el LED.
• Fotodiodo: Se conecta con polarización inversa. Al incidir luz sobre su unión PN, genera una corriente proporcional a la intensidad luminosa, comportándose como un conductor.
• Diodo Zener: Está diseñado para operar en polarización inversa. No conduce significativamente hasta que la tensión inversa alcanza su tensión Zener característica, momento en el que entra en una región de ruptura controlada, manteniendo una tensión casi constante. Esto lo hace ideal para aplicaciones de regulación de tensión. En polarización directa, se comporta como un diodo rectificador convencional.
• Tiristor: Es un dispositivo semiconductor de cuatro capas PN (p-n-p-n) con tres terminales: ánodo, cátodo y una puerta (Gate, G). Se conecta con polarización directa, pero no conduce hasta que se aplica un pulso de tensión en la puerta G. Una vez activado, el tiristor permanece en estado de conducción incluso si se retira la señal de la puerta, hasta que la corriente principal se interrumpe o disminuye por debajo de un valor mínimo (corriente de mantenimiento).

Transistores Bipolares (BJT): Conmutación y Amplificación

Funcionamiento y Tipos

Los transistores bipolares de unión (BJT) son dispositivos semiconductores con tres regiones dopadas (NPN o PNP) y dos uniones PN. Poseen tres terminales: emisor, base y colector. La corriente que fluye entre colector y emisor es controlada por una pequeña corriente aplicada a la base. Se utilizan ampliamente como interruptores electrónicos y como amplificadores de señal.

• Transistor NPN: Si se aplica una tensión positiva entre la base y el emisor (Vbe > 0.7 V para silicio), se establece una pequeña corriente de base (Ib). Esta corriente "desbloquea" el transistor, permitiendo el flujo de una corriente de colector (Ic) mucho mayor.
• Transistor PNP: En un transistor PNP, la tensión de polarización se aplica entre la base y el emisor de forma inversa a un NPN (Vbe negativa). La ganancia de corriente (hFE o β) es un parámetro fundamental que indica cuántas veces la corriente de colector (Ic) es mayor que la corriente de base (Ib) (hFE = Ic / Ib).
• Configuración Darlington: Consiste en dos transistores bipolares conectados en cascada para lograr una ganancia de corriente muy elevada (hFE >> 1), lo que permite controlar grandes intensidades con una corriente de base muy pequeña.

Circuitos Integrados (CI): Miniaturización y Funcionalidad

Concepto y Ejemplos Comunes

Los circuitos integrados (CI) son agrupaciones de numerosos componentes electrónicos (transistores, resistencias, diodos, etc.) fabricados sobre un único sustrato semiconductor, formando una unidad funcional. Constituyen un "chip" o "pastilla" de dimensiones muy reducidas que se monta sobre circuitos impresos (PCB).

• Amplificador Operacional 741: Es un circuito integrado muy conocido que amplifica la diferencia de tensión entre sus dos entradas (V1 y V2), produciendo una tensión de salida (Vout) proporcional a esta diferencia.
• Temporizador 555: Es un circuito integrado versátil, ampliamente utilizado para generar pulsos, oscilaciones y retardos de tiempo en diversas aplicaciones electrónicas.