Electrónica Analógica

3.2 Electrónica Analógica

En este apartado se explican de forma básica los conceptos fundamentales en los que se basa la electrónica analógica, repasando los componentes y las especialidades más importantes.

3.2.1 Fundamentos

3.2.1.1 Voltaje (v) y Corriente (i)

Los ingenieros electrónicos diseñan circuitos para resolver problemas y/o necesidades. Este trabajo se realiza abstrayéndose completamente de los electrones. En su lugar se trabaja con dos manifestaciones que se producen por el flujo de dichas cargas: tensión o voltaje (v), y corriente (i).

Un voltaje de v voltios (V) es una magnitud que representa la diferencia de potencial entre dos puntos. Estrictamente, indica el trabajo necesario por unidad de carga para mover una partícula cargada entre ambos puntos. Una corriente de i amperios (A) implica un flujo de cargas, como electrones, circulando por un elemento conductor.

Estos conceptos parecen complicados y de hecho lo son. Para explicarlos bien habría que profundizar en el campo del electromagnetismo [1] [2]. Sin embargo, esto no es necesario para entender la electrónica de forma básica. Simplificando: para un circuito genérico cualquiera, existen uno o varios voltajes y corrientes de entrada, ya sean de alimentación de la red, de una batería o pila, de una señal procedente de otro circuito, generados por un sensor… y el diseñador electrónico se encarga de idear un circuito que transforme esos voltajes-corrientes de entrada en otros voltajes-corrientes de salida que permitan cumplir con la función deseada del circuito. Esta tarea, típicamente compleja, requiere un dominio de los componentes y teorías que se comentan más abajo.

3.2.1.2 Significado de “Analógica”

La palabra “analógica”, aplicada al campo de la electrónica, quiere decir que los voltajes/corrientes que se producen en un nodo cualquiera de un circuito tienen un rango continuo, y por tanto infinito, de valores. Esto no quiere decir que los valores máximos y mínimos de un voltaje/corriente dados no estén delimitados.

Resumen electrónica analógica: componentes frecuenciales de una tensión
Figura 1: Voltaje analógico (izquierda) y sus componentes (derecha).

Este concepto queda más claro con un caso práctico. En la Figura 1, en la izquierda, se observa un voltaje medido en un elemento de un circuito a lo largo del tiempo v(t). El rango de valores está limitado entre -0.5 y 3 voltios aproximadamente. Sin embargo, la señal puede adquirir cualquier valor dentro de ese rango. Por ejemplo: 1 V, 1.1 V, 1.01 V, 1.001 V, etc. En la práctica, los valores de voltaje leídos estarán limitados por la resolución del instrumento de medida. Pero la clave es que en una señal analógica no existe ningún grado de discretización o limitación en los voltajes y corrientes. Potencialmente, pueden tener cualquier valor.

Ejemplos de señales analógicas serían el voltaje de salida de un sensor de temperatura, o las señales de radio y televisión analógicas. En realidad, cualquier señal medida en un circuito real es siempre analógica. Más abajo se profundizará en esta afirmación.

3.2.1.3 Frecuencia y Fase

Cualquier señal (voltaje o corriente) en un circuito está compuesta por una parte continua y/o por una parte alterna. Típicamente se utilizan las siglas DC (direct current en inglés) para la parte continua, y AC (alternating current en inglés) para la parte alterna. Por ejemplo, volviendo a la Figura 1, la señal v(t) esta compuesta por la suma de la señales v1(t)+v2(t)+v3(t). La primera componente tiene un valor continuo y constituye la DC de la señal, mientras que la segunda y tercera componentes tienen un valor alterno y constituyen la AC.

De este modo se puede generalizar que cualquier señal está compuesta por diferentes componentes frecuenciales o, directamente, frecuencias. Continuando con la Figura 1, la señal v1(t) es la DC o frecuencia cero. El resto de componentes, de AC, presentan unas frecuencias determinadas. La frecuencia indica el número de veces que un tono periódico se repite en un segundo (s) y se mide en Herzios (Hz). Por tanto v2(t) y v3(t) presentan unas frecuencias de 1 Hz y 2 Hz respectivamente. Asimismo, cada componente frecuencial presenta una fase. La fase indica la desviación del pico del tono con respecto al origen de tiempos (t=0 típicamente), y se expresa en medidas angulares. Es evidente que en nuestro ejemplo v2(t) y v3(t) tienen fases diferentes. Como conclusión final se puede afirmar que las señales están definidas por las amplitudes y las fases de las frecuencias que las componen.

3.2.2 Teoría de Circuitos

La Teoría de Circuitos [3] es necesaria para calcular el voltaje y las corrientes entrantes/salientes en un nodo cualquiera de un circuito eléctrico. La Teoría de Circuitos se fundamenta en dos ejes. En primer lugar, leyes fundamentales que se deben cumplir en cualquier circuito. Las más básicas son la Ley de Ohm [4] y las Leyes de Kirchhoff [5], cuya explicación está fuera del objetivo de este texto. En segundo lugar, las “leyes” o ecuaciones que definen el comportamiento de cada componente electrónico que forma parte del circuito. Los componentes más empleados, que se explican brevemente debajo, son: resistencias, condensadores, bobinas, diodos y transistores.

3.2.2.1 Componentes Pasivos

Los componentes pasivos responden al flujo de corriente disipando o almacenando energía. A diferencia de los activos, no pueden controlar el paso de la corriente o amplificar la potencia de una señal. Los componentes pasivos más básicos, de dos terminales, más ampliamente utilizados son:

  • Resistencias: dificultan el paso de corriente disipando energía. Responden igual a todas las frecuencias. El valor de resistencia se mide en ohmios (Ω).
  • Condensadores: almacenan energía acumulando carga y generando un campo eléctrico entre sus terminales. Esta carga se puede entregar al resto del circuito si las condiciones lo requieren. Para bajas frecuencias tienden a comportarse como un circuito abierto (desconexión entre sus terminales) y para altas frecuencias como un corto-circuito (conexión directa entre sus terminales). Idealmente no disipan/pierden energía. Su valor de capacidad se mide en Faradios (F).
  • Bobinas/inductores: son complementarios al condensador. Almacenan energía en un campo magnético entre sus terminales. Para altas frecuencias tienden a comportarse como un circuito abierto (desconexión entre sus terminales) y para bajas frecuencias como un corto-circuito (conexión directa entre sus terminales). Idealmente no disipan/pierden energía. Su valor de inductancia se mide en Henrios (H).

En práctica no existen resistencias, condensadores o bobinas puras. De forma inherente todos los componentes presentas efectos parásitos que limitan su calidad. De este modo cualquier componente pasivo real es una combinación de los tres. Estos efectos parásitos deben ser tenidos en cuenta, porque pueden significar limitaciones y/o cuellos de botella en los diseños electrónicos.

En la Tabla 2 se ilustran los símbolos típicos de estos componentes en los esquemas de circuitos electrónicos. Para cada componente se muestran también imágenes de unidades discretas reales, tanto con pines para montaje manual como SMD (en inglés “Surface Mounted Device”) para montaje superficial automático.

 

Resistencias

Condensadores

Bobinas

Esquema eléctrico

Ejemplos

Tabla 2: Símbolos y Ejemplos de los componentes pasivos.

Finalmente, en la Figura 2 se muestra un ejemplo de un esquema eléctrico con componentes pasivos. Usando los valores de cada componente y la teoría de circuitos se podría calcular voltajes/corrientes en cada nodo/rama para cualquier excitación de entrada vi(t). En este caso el circuito tiende a comportarse como un “filtro” paso bajo, puesto que en la salida vo(t) se reduce la amplitud de las componentes de alta frecuencia que puedan estar presentes en vi(t).

Resumen electrónica analógica: ejemplo de circuito pasivo.
Figura 2: Ejemplo esquema circuito pasivo.
3.2.2.2 Componentes Activos

A diferencia de los pasivos, los componentes activos presentan uniones semiconductoras que les otorgan importantes propiedades. La más importante es que pueden ejercer un control sobre el paso de la corriente. En la práctica esto se traduce en que pueden actuar como interruptores de estado sólido (semiconductor, sin partes electromecánicas) y como amplificadores de potencia. Los componentes activos más comúnmente empleados son diodos y transistores. Los diodos tienen dos terminales mientras que los transistores tienen tres.

En la Tabla 3 se ilustran los símbolos eléctricos típicos de diodos y de transistores. Éstos últimos pueden ser muy diferentes porque que existen muchas tecnologías de fabricación, por lo que se ilustran sólo varias opciones. También se muestran fotos de ejemplo de componentes reales, tanto de montaje manual como SMD.

 

Diodos

Transistores

Esquema Eléctrico

Ejemplos

Tabla 3: Símbolos y Ejemplos de componentes activos.

Finalmente, para representar la relevancia de los transistores, en la Figura 3 se observan dos aplicaciones que serían imposibles de realizar empleando únicamente componentes pasivos: un amplificador de potencia y un negador/interruptor. No se muestran los circuitos en detalle porque están fuera del alcance de este texto. En la izquierda se representa una señal con una potencia instantánea de entrada pi(t) que es amplificada obteniendo una potencia superior a la salida del circuito po(t). En la derecha, se observa el negador, puesto que un voltaje de entrada alto se traduce en un voltaje bajo en la salida y viceversa. Este comportamiento se puede conseguir consumiendo energía únicamente en la transición entre ambos estados, lo que enfatiza la idoneidad del transistor para implementar circuitos digitales (se profundiza en esta cuestión más adelante).

Resumen de la electrónica: relevancia del transistor en amplificadores y puertas lógicas.
Figura 3: Entrada (azul) y salida (rojo) en un amplificador (a) y un negador (b).

3.2.3 Otras Especialidades

Un elemento fundamental y necesario para el correcto funcionamiento de cualquier circuito electrónico es la alimentación. Por ejemplo, cualquier dispositivo conectado a la red eléctrica (señal AC de 50 Hz en Europa y 60 Hz en Estados Unidos) suele requerir una conversión de este voltaje AC en DC para alimentar los circuitos internos. La especialidad que estudia la utilización de dispositivos de estado sólido (semiconductores) para el control y la conversión de potencia eléctrica se denomina Electrónica de Potencia [6].

Otra especialidad muy importante es la Electrónica de Radiofrecuencia (RF) o Ingeniería de Microondas [7] [8]. Cualquier tono de AC que se propaga en un medio tiene asociada una longitud de onda λ. Cuanto mayor es la frecuencia f, más pequeño es el valor asociado de λ. Esto se ilustra en la Figura 4 donde se observa una pista de longitud l que separa dos componentes cualesquiera. Si λ es lo suficientemente larga (frecuencia baja) en comparación con l, la transmisión de la señal (v(t) o i(t)) se considera instantánea y se puede emplear Teoría de Circuitos convencional para estudiar el circuito. En otras palabras, el esquema eléctrico determina de forma unívoca el funcionamiento del circuito. En cambio, si λ es corta (frecuencia alta) en comparación con l, la Teoría de Circuitos básica no es aplicable porque es necesario tener en cuenta la transmisión o propagación de la señal entre ambos puntos. En estos casos es necesario emplear electrónica de RF y Microondas. Es la disposición física de los componentes y las líneas de transmisión que los unen quiénes determinan el funcionamiento del circuito. En otras palabras, las cosas se hacen mucho más complicadas porque la diferencia entre un diseño que funciona y uno que no, puede ser 1 milímetro.

Por qué a altas frecuencias no vale el análisis de teoría de circuitos básicos
Figura 4: Efectos de transmisión de altas frecuencias.

Remarcar que el concepto “microondas” se ha hecho muy popular por acuñar el nombre del electrodoméstico que se usa para calentar la comida. En efecto, dicho dispositivo emplea frecuencias de microondas para excitar y calentar las moléculas que componen los alimentos. Sin embargo, los profesionales que se dedican a la Ingeniería de Microondas se dedican en su inmensa mayoría al diseño de equipos, dispositivos y componentes de comunicaciones de alta frecuencia o similares.

Bibliografía

[1]: Cheng, David, Field and Wave Electromagnetics, 2020.

[2]: Fleisch, Daniel, A Student’s Guide to Maxwell’s Equations, 2008.

[3]: Nilsson, James, Circuitos Electricos, 2005.

[4]: Wikipedia, Ley de Ohm.

[5]: Wikipedia, Leyes de Kirchhoff.

[6]: Rashid, Muhamad , Electrónica De Potencia, 2015.

[7]: Bowick, Cristopher, RF Circuit Design, 2007.

[8]: Pozar, David M., Microwave Engineering, 2011.


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