Electrónica análoga. Alfredo José Constaín Aragón
acuerdo con el estudio de las leyes de calor, en ciertas circunstancias muy usuales, toda transformación o paso de calor de un sistema a otro implica un aumento de temperatura, por lo tanto, en componentes eléctricos en los cuales haya el paso de una corriente gastando un voltaje, se produce un aumento de la temperatura. Este aumento de la temperatura es uno de los inconvenientes más serios en el diseño y la operación de circuitos electrónicos, al punto que el ingeniero de electrónica debe saber perfectamente el cálculo de las temperaturas finales de operación de los dispositivos y cómo asegurarse de que éstas no se superen en determinadas circunstancias. Estas técnicas se denominan chequeo térmico, y en este texto se detallarán sus fundamentos (ver Anexo con un estudio del tema).
1.1.14 Diseño, montaje y prueba de los circuitos
Un diseño es el cálculo a priori de las características operativas de un circuito, a partir de las características individuales de sus componentes. El montaje de un circuito es la interconexión de esos componentes de acuerdo con lo planeado (calculado) utilizando primero una proto board y segundo un circuito impreso (baquelita con pistas de cobre especialmente diseñadas){22}. Las pruebas del circuito se hacen comparando los valores de voltaje y corriente en los componentes con aquellos valores teóricos calculados en la etapa de diseño.
Las pruebas de polaridad se hacen primero (solamente con el multímetro) y luego las pruebas de señal (solamente con el osciloscopio). Las primeras deben ser satisfactorias de acuerdo con el diseño, si esto es así, se pasa a las segundas.
1.2. Accesorios
1. 2.1 Accesorios de montaje
Para un montaje adecuado se requiere una proto board, puentes de unión y caimanes de interconexión (Figura 1.38).
Los buses se deben utilizar para poner fuentes (voltajes activos de polarización) y tierra (punto extendido de referencia). Un montaje físico de electrónica debe ser lo más parecido en su configuración al dibujo esquemático, con el fin de hacer los seguimientos de señal de manera cómoda. Los circuitos integrados (pastillas) se colocan atravesando un canal central que hay en la proto board28.
Para realizar el montaje de un circuito previamente diseñado se requiere, además, de una fuente de señal o generador. Y de un osciloscopio para hacer el seguimiento de dichas señales. Para garantizar el uso óptimo de estos dos instrumentos es necesario revisar cuidadosamente los manuales de usuario, de tal forma que se esté absolutamente seguro de que se usan de acuerdo con lo que se quiere. Normalmente, las sondas o puntas deben colocarse “x1” y revisar que la programación en el osciloscopio sea la misma. Para el generador la punta también debe estar en “x1” El rango de frecuencia y la medición de voltaje deben igualmente ajustarse29.
Antes de verificar el circuito propiamente dicho, se verifica la operación del osciloscopio mediante la función de calibración (onda cuadrada a 5 V pico a pico). Luego, con el osciloscopio ya calibrado, se verifica el generador de señal.
El circuito propiamente dicho se verifica, de acuerdo con el diseño previo, de la siguiente manera:
Polarización, usando exclusivamente el multímetro en la función voltaje. Las mediciones se hacen en los puntos clave de cada diseño.
La operación de señal, usando exclusivamente el osciloscopio, en los puntos clave de cada diseño.
1.2.2 Accesorios especiales
A. Disipadores térmicos de aluminio
Es necesario algunas veces tener en cuenta accesorios especiales a utilizarse con los circuitos electrónicos. Un accesorio especial, a veces de uso obligatorio es el Disipador térmico de aluminio. Éste tiene por función transportar el calor generado en el efecto Joule, evitando que el dispositivo pueda fallar por alcanzar la temperatura de falla de la unión semiconductora. Para dispositivos de Silicio, esta temperatura se sitúa alrededor de los 180° Centígrados. En el Anexo se adjunta una guía de cálculo de los disipadores para cada caso específico.
Por regla general, los transistores pequeños de plástico no utilizan disipador de aluminio, los transistores pequeños metálicos, o no utilizan disipador o utilizan una pequeña brida metálica. Los transistores medianos metálicos utilizan brida y los transistores metálicos grandes utilizan obligatoriamente disipador metálico, en algunos casos los disipadores pueden ser refrigerados por líquido o mediante la adición de cooler o ventiladores dispuestos entre sus rendijas. Para el uso de disipadores es recomendable el uso de cremas para transferencia de calor que permitan transferir rápidamente el calor generado en el núcleo del encapsulado al disipador dispuesto en el diseño.
B. Tarjetas de baquelita
En términos generales, el siguiente cuadro indica la fiabilidad de operación del circuito en diferentes alternativas de implementación.
1.2.3 El concepto de “tierra” en electrónica
En todo proceso de manejo se señales es usual adoptar una referencia con el fin de simplificar el análisis de dicho proceso. Sin embargo, hay algunas diferentes “tierras” que se definen de acuerdo al contexto que se maneja.
1.2.3.1 Tierra
Referencia de retorno de corriente para un bucle generado a partir de una fuente de voltaje.
1.2.3.2 Tierra de baja impedancia
En los circuitos electrónicos, una “carga” es una resistencia (o impedancia)31 que consume una determinada corriente cuando ella se pone en el circuito en cuestión. Es importante que el suministro del potencial de “tierra” (referencia) sea de “baja impedancia” o de baja resistencia interna, es decir, cuando se montan o verifican referencias de voltaje, estas deben ser suministradas desde fuentes de baja impedancia (o equivalentes Thevenin). Si eso no ocurre, en cuanto la “carga” solicite corriente, este flujo inducirá una caída de voltaje dentro de la fuente, falseando el propio valor del voltaje sobre la carga.
1.2.3.3 Tierra de señal de “Modo común”
En la vida moderna es necesario instalar grandes aparejos de conducción de las señales eléctricas de suministro domestico e industrial32. Esta es una red física que se encuentra por doquier, en casas, oficinas, fábricas, etc.
Por otra parte, dentro de los artefactos desarrollados por el hombre, los hay que generan altos niveles de interferencia debido a la naturaleza de su señal (abrupta)33 acoplándose capacitivamente a diferentes puntos que puedan hacer “bucle cercano” con su propia tierra. Su “propia tierra” es un punto eléctrico de retorno de los aparejos eléctricos en sí mismos, pero que también sirve de retorno a las señales interferentes referidas a ella. Una señal interferente (ruido) de Modo Común es una interferencia que esta referida a la tierra de las instalaciones eléctricas de 60 Hz34, aunque también son muy usuales en los circuitos de puente, como el de Wheatstone, en el que los valores de la señal interferente de Modo Común puede ser varios órdenes más grande que las señales diferenciales (de equilibrio de puente) que normalmente se tienen cuando se usa este artefacto en proyectos de instrumentación electrónica, por ejemplo, en termometría.
Como quiera que un capacitor maneja