Components electrònics emprats en rectificació i filtrat. Tipologia i característiques

Els components passius basen el seu funcionament en algun principi físic concret dels que governen l’electricitat i el magnetisme. Així, a grans trets es podria parlar del següent:

• Resistències: relacionades amb el pas del corrent elèctric pel circuit, serveixen per modificar la tensió i limitar el corrent.
• Condensadors: molt lligats al camp elèctric, absorbeixen les variacions ràpides de tensió elèctrica.
• Bobines: relacionades amb els efectes magnètics del corrent elèctric (electromagnetisme), absorbeixen les variacions ràpides de corrent elèctric.

Les principals aplicacions d’aquests components apareixen en la taula.

La resistència és la dificultat que ofereixen els cossos al pas del corrent elèctric. Aquesta propietat la tenen tots els materials en major o menor grau. En el cas dels conductors, el valor de la resistència elèctrica és determinat per tres factors:

• Tipus de material que defineix una constant ρ anomenada resistivitat. Com millor conductor és el material, més baix és aquest paràmetre.
• Secció (S)
• Longitud (L)

De manera que com més secció, menys resistència, i com més longitud més resistència. L’expressió per calcular la resistència d’un cos és:

La unitat de resistència és l’ohm (Ω).

Una de les funcions primordials de les resistències és adequar els valors de tensió i d’intensitat de corrent de l’alimentació a aquells valors que es necessiten en els diferents punts d’un circuit.

Per tal d’aconseguir reduir al mínim els circuits, i per tant els equips, els fabricants de components electrònics intenten fer els elements cada vegada més petits, és a dir, ampliar al màxim l’escala d’integració. En el cas concret de les resistències, es tracta d’aconseguir el valor de resistència emprant el mínim volum possible, sempre que el consum de potència posterior de la resistència ho permeti (una resistència només podrà ser molt petita si ha de dissipar poca energia).

Les resistències es poden dividir en tres grups: lineals, variables i no lineals.

1. Resistències lineals fixes: aquests components de dos terminals presenten un valor nominal de resistència constant (predeterminat pel fabricant) i un comportament lineal. Es representa per un dels símbols que es poden veure en la figura.

Les especificacions tècniques més importants que podem trobar en els fulls de característiques que ens subministra el fabricant són les següents:

• Valor nominal: és el valor òhmic que s’espera que tingui el component.
• Tolerància: és el marge de variació, respecte al valor indicat pel fabricant. Cada vegada la precisió és més gran, però és clar que per als fabricants és més fàcil, i sobretot menys costós, fer resistències d’un valor aproximat, que de valor exacte. S’expressa en tant per cent sobre el valor (± %).
• Potència nominal: és la potència (en watts) que la resistència pot dissipar sense deteriorar-se a la temperatura nominal de funcionament.
• Tensió màxima de funcionament (V_màx): és la màxima tensió contínua o alterna eficaç que el dispositiu no pot sobrepassar de manera continuada a la temperatura nominal de funcionament.
• Temperatura màxima de funcionament (T_màx): és la màxima temperatura ambient en què el dispositiu pot treballar sense deteriorar-se. Tingueu en compte que la dissipació de l’escalfor d’una resistència disminueix a mesura que augmenta la temperatura ambient en què està treballant.
• Coeficient de temperatura (C_t): és la variació del valor de la resistència amb la temperatura.
• Soroll elèctric: és el senyal no desitjat que la resistència afegeix al senyal principal i que provoca petites variacions de tensió.

2. Resistències variables: el seu valor de resistència pot variar entre un valor mínim, 0, i un valor màxim, R. Per exemple, si la resistència és de , podem fixar qualsevol valor entre 0 i 10.000 Ω.

Per tal d’aconseguir això, se’ls ha afegit un tercer terminal de connexió unit a un contacte mòbil anomenat cursor que es pot desplaçar a sobre de l’element resistiu proporcionant variacions en el valor de la resistència. Aquest tercer terminal pot tenir un desplaçament angular (giratori) o longitudinal (lliscant). Podem veure una representació esquemàtica de l’aspecte que té en la figura.

Segons la funció que tenen en el circuit, aquestes resistències es denominen:

• Potenciòmetres: s’apliquen en circuits en què l’usuari varia la resistència des de l’exterior (controls d’àudio, vídeo, etc.).
• Resistències ajustables: es diferencien de les anteriors en el fet que el seu ajust és definitiu en el circuit en què van aplicades. Només hi pot accedir personal tècnic (controls de guany, polarització, etc.) i són de poca potència.
• Reòstats: són resistències variables en què un dels terminals extrems està elèctricament anul·lat. Solen ser de gran potència, és a dir, que poden circular-hi grans corrents.

3. Resistències no lineals: es caracteritzen perquè el seu valor òhmic varia de manera no lineal, depenent de diferents magnituds físiques com ara la temperatura, la tensió, la llum, els camps magnètics, etc. Per aquest motiu, aquestes resistències també són considerades com a sensors. Entre les més comunes podem destacar les següents:

• Termistors: en aquestes resistències, el valor òhmic canvia quan varia la temperatura, i en podem destacar dos grans grups: resistències de coeficient de temperatura negatiu (NTC, la resistència baixa quan puja la temperatura) i resistències de coeficient de temperatura positiu (PTC, la resistència augmenta quan augmenta la temperatura).
• Varistors: aquests dispositius, també anomenats VDR, experimenten una disminució en el seu valor òhmic de resistència a mesura que augmenta la tensió aplicada en els seus extrems. Les aplicacions més importants d’aquest component es troben en protecció contra sobretensions, regulació de tensió i supressió de transitoris.
• Fotoresistències: aquestes resistències, també conegudes com a LDR, es caracteritzen pel fet que la resistència disminueix a mesura que augmenta la llum que hi incideix. Les principals aplicacions d’aquests components són en controls d’enllumenat, control de circuits amb relés, alarmes, etc.

S’acostuma a indicar el valor de les resistències mitjançant un codi de colors: normalment sobre un fons de color marró clar hi ha unes franges de color (figura), generalment n’hi ha quatre (cinc per a toleràncies del 2% o menys). Els colors, per si mateixos, tenen associat un valor, i la posició del color els dóna un significat determinat, com es descriu en la taula.

Per conèixer el valor de la resistència, començarem per determinar la línia de color de la tolerància: or, argent, vermell, marró o cap color. Si les línies són de color or o argent, és clar que són les corresponents a la tolerància i hem de començar la lectura per l’extrem contrari. Si són de color vermell o marró i estan separades de les altres tres o quatre línies, començarem la lectura per l’extrem oposat. D’aquesta manera la primera franja de color indicarà la primera xifra del valor, la segona franja indicarà la segona xifra del valor, la tercera franja indicarà el nombre de zeros (o factor multiplicador) i l’última franja de color, la tolerància. Es pot donar el cas que hi hagi cinc colors en comptes de quatre. En aquest cas, en lloc de dues xifres significatives de color, n’hi haurà tres (tres xifres més multiplicador més tolerància).

El condensador i la bobina són dos elements de circuit passius que són capaços d’emmagatzemar energia. En el cas dels condensadors, s’emmgagatzema energia elèctrica i en el cas de les bobines, energia magnètica.

Tant quan parlem de condensadors com de bobines, hi ha diferents tecnologies de fabricació, com en el cas de les resistències, que fan aparèixer tot tipus de peculiaritats en les seves característiques. A més, també hi ha condensadors i bobines fixos i variables.

El condensador emmagatzema energia en forma de camp elèctric. Aquesta propietat s’anomena capacitància o capacitat (C) i expressa la quantitat de càrregues elèctriques que és capaç d’acumular. Aquesta capacitat s’expressa en una unitat anomenada farad (F). Alguns símbols de condensadors apareixen en la figura.

La capacitància o capacitat depèn de les característiques físiques del condensador:

• Superfície de les plaques: com més grans siguin les plaques, més capacitat té el condensador.
• Distància entre les plaques: com més distància hi hagi entre les plaques, menys capacitat té el condensador.
• Material dielèctric: els diferents materials que s’utilitzen com a dielèctrics tenen diferents graus de permitivitat. Com més permitivitat, més gran és la capacitat del condensador.

El que fa interessant el condensador és el fet que s’oposa als canvis bruscos de tensió, cosa que el fa molt útil en filtres i en estabilitzadors.

En cas de connectar-lo a un circuit de corrent altern (variable en el temps), el condensador, anàlogament a la resistència, s’oposa al flux de corrent, però a diferència de la resistència, aquesta oposició no s’anomena resistència òhmica, sinó reactància capacitiva (X_C) i es pot calcular mitjançant:

En què f és la freqüència del corrent altern en Hz i C és la capacitat del condensador en F. Observeu que com més alta és la freqüència, menys impedància té el condensador. A freqüència zero (corrent continu) és com un circuit obert.

La bobina emmagatzema energia en forma de camp magnètic. Aquesta propietat s’anomena inductància (L). Aquesta inductància s’expressa en una unitat anomenada henry (H). El símbol de la bobina es pot veure en la figura.

Quan circula corrent per un conductor es crea un camp magnètic. Com que la bobina està feta amb espires de conductor, les línies del camp magnètic passen pel centre de la bobina i tanquen el seu camí per la banda exterior.

Una característica interessant de les bobines és que s’oposen als canvis bruscos del corrent que hi circula. Això significa que a l’hora de modificar el corrent que circula per les bobines, com per exemple, quan es connecta i desconnecta d’una font de corrent directe, aquesta tractarà de mantenir la seva condició anterior. Una inductància és un element que s’oposa a les variacions del corrent elèctric; per tant, és evident que reaccionarà només davant el corrent altern. Podem dir que la inductància tendeix a impedir que el corrent augmenti o disminueixi.

En cas de connectar-la a un circuit de corrent altern (variable en el temps), la bobina, anàlogament a la resistència, s’oposa al flux de corrent, però a diferència de la resistència, aquesta oposició no s’anomena resistència òhmica, sinó reactància inductiva (X_L) i es pot calcular mitjançant:

En què f és la freqüència del corrent altern i L el valor de la inductància. Com més alta és la freqüència, més gran és la impedància. A freqüència zero (corrent continu), es comporta com un curtcircuit.

A diferència de les resistències, no hi ha una única manera generalitzada d’expressar el valor d’un condensador. Entre d’altres, podem trobar les següents:

• Codi de colors: similar al de les resistències, és bastant obsolet.
• Codificació directa: es dóna directament el valor del condensador. Per exemple, 15p vol dir 15 pF (15 picofarads = 15 · 10⁻¹² F), o 6n8 vol dir 6,8 nF (6,8 nanofarads = 6,8 · 10⁻⁹).
• Mantissa i exponent: es dóna la mantissa i l’exponent del multiplicador. El resultat seran pF (picofarads). Per exemple, 334 vol dir 33 · 10⁴ pF = 330.000 pF = 330 nF, o 102 vol dir 10 · 10² pF = 10 · 100 pF = 1.000 pF = 1 nF.

Un díode és un dispositiu que permet el pas del corrent elèctric en una única direcció. De manera simplificada, la corba característica d’un díode (I-V) consta de dues regions: per sota de certa tensió es comporta com un circuit obert (no condueix), i per sobre de certa tensió es comporta com un circuit tancat amb una resistència elèctrica molt petita (pràcticament un curtcircuit). A causa d’aquest comportament, se’ls sol denominar rectificadors, ja que són dispositius capaços de convertir un corrent altern en un de continu.

El díode està constituït per una unió P-N i disposa de dos terminals: l’ànode (A) connectat a la zona P, i el càtode (K) connectat a la zona N. En la figura es pot veure un diagrama de la unió P-N i el símbol elèctric corresponent.

Quan es polaritza directament, l’ànode (A) es connecta al positiu de la pila i el càtode al negatiu. El díode condueix i es comporta com un curtcircuit o un interruptor tancat. La resistència que ofereix entre ànode i càtode en aquest cas és molt baixa, pràcticament nul·la.

En polarització inversa, connectem l’ànode al negatiu d’una pila i el càtode al positiu. El díode no condueix, i es comporta com un interruptor obert. La resistència entre ànode i càtode és molt elevada, pràcticament un circuit obert.

Podem observar en la figura la corba característica del díode.

Distingim la zona de conducció (polarització directa) de la zona de no-conducció (polarització inversa). La tensió de llindar (V_on) és de 0,7 V per al díode de silici, i de 0,3 V per al de germani. S’ha de superar aquesta tensió en la polarització directa per considerar que el díode condueix. En polarització inversa hi ha un tensió d’allau que no s’ha de superar (el díode es trenca).

Per rectificació s’ha d’entendre la conversió d’un corrent altern (per exemple, que canvia de signe) en un corrent continu (per exemple, que no canvia de signe, o sigui que pot variar en el temps, no necessàriament ha de ser constant).

Fet aquest aclariment, el principal element utilitzat en qualsevol procés de rectificació del senyal elèctric és el díode. En funció del tipus de rectificació que es vulgui, la configuració dels díodes rectificadors és variada. Bàsicament, hi ha dos tipus de rectificació:

1. Rectificació de mitja ona
2. Rectificació d’ona completa o doble ona

El rectificador de mitja ona és el rectificador més senzill: utilitza únicament un díode. Se’n mostren l’esquema i el senyal de sortida en la figura.

La rectificació de mitja ona consisteix a eliminar un semiperíode de la tensió aplicada a l’entrada. Quan la tensió a l’entrada del rectificador sigui positiva, la tensió de l’ànode serà més gran que la del càtode, i per tant el díode conduirà, i quan la tensió sigui negativa, la tensió a l’ànode serà més petita que la del càtode, i per tant el díode no conduirà.

La majoria de fonts d’alimentació utilitzen aquest tipus de rectificador, en el qual els dos semiperíodes del senyal aplicat a l’entrada passen a tenir la mateixa polaritat, com es mostra en la figura.

El circuit més utilitzat que fa aquesta operació és l’anomenat pont de Graetz o pont de díodes, que apareix en la figura.

En aquest circuit condueixen dos díodes dels quatre a la vegada, en cada un dels semiperíodes del senyal de sortida. Això fa que les pèrdues siguin aproximadament de 2 volts, ja que són dos díodes polaritzats directament.

Aquest tipus de rectificador és tan comú que es venen els quatre díodes ja empaquetats en un sol component (figura).

En fonts d’alimentació, l’objectiu del filtre és reduir la tensió d’arrissament per augmentar el valor mitjà de l’ona rectificada. S’intenta aconseguir la tensió de sortida més estable i constant possible (se’n pot veure la ubicació en la figura).

El filtre que s’utilitza més en les FA consisteix a col·locar un condensador en paral·lel amb la resistència de càrrega (figura).

En la figura es pot veure la tensió a la sortida del rectificador (negre) i la tensió a la sortida del filtre (blanc). D’aquesta manera se’n pot observar el funcionament.

El condensador es va carregant fins a arribar al valor màxim de l’ona de sortida del rectificador; quan la tensió cau, el condensador es va descarregant i forma la recta que s’observa, fins que l’ona rectificada torna a ser més gran que la tensió acumulada al condensador. Aquest es torna a carregar fins al valor màxim de l’ona rectificada i es repeteix el cicle.

El pendent d’aquesta recta de descàrrega del condensador serà més petit com més temps trigui a descarregar-se el condensador. Això s’aconsegueix amb una capacitat gran.

Per al filtre hi ha altres opcions més complexes, com ara filtres LC.

El díode Zener té els mateixos pius que el díode rectificador, i es representa amb els símbols de la figura.

En polarització directa es comporta com un díode normal, però en polarització inversa, quan arriba a la tensió d’allau, estabilitza la seva tensió entre el càtode i l’ànode al valor de tensió de Zener (V_z). La tensió de Zener pràcticament no canvia si hi ha variacions de corrent, és a dir, es manté la V_z i el díode no es destrueix.

En la figura es pot veure la corba característica tensió-corrent d’un díode Zener qualsevol. Es pot observar que a la part esquerra de la gràfica (tensions negatives, o sigui, en inversa), en lloc de tenir una tensió d’allau (ruptura del díode) tenim una tensió de Zener, que en realitat varia molt poc, a la qual es queda clavat el díode quan l’assoleix.

Els paràmetres més rellevants del díode Zener són la tensió de Zener (V_z) i la potència (P_z), que en dispositius de baixa potència és de 0,4 W o 1,3 W.

Per definició, els components actius són aquells que poden fer alguna de les tasques següents:

• Excitar circuits: proporcionar senyals d’alimentació o d’entrada al circuit.
• Donar guanys: amplificar senyals del circuit.
• Controlar: prendre decisions automàticament sobre el comportament del circuit.

A grans trets, es podria dir que els elements actius són aquells que necessiten alimentació extra per fer la seva tasca (per exemple, un resistència no necessita alimentació extra, sinó que treballa directament amb el senyal que li arriba, però un amplificador engreixa el senyal que li arriba gràcies a una aportació externa d’energia, que és l’alimentació de l’amplificador). Els components actius més habituals són:

• Díodes: basats en uns materials anomenats semiconductors, són capaços de conduir corrent elèctric en només un sentit i a més fer-ho de manera controlada, segons les seves característiques.
• Tiristors o SCR: són un tipus de díode controlable per tensió.
• DIAC i TRIAC: també anomenats díodes i tríodes d’alterna, són dispositius semiconductors que poden conduir corrent en tots dos sentits.
• Transistors: dispositius semiconductors capaços d’amplificar un corrent o d’obrir-li i barrar-li el pas.
• Amplificadors operacionals: conjunt de transistors integrats en un únic circuit que té dues entrades i una sortida, i que serveix per fer operacions matemàtiques entre les entrades. Segurament és el circuit més versàtil de l’electrònica analògica.
• Components digitals: circuits lògics i programables.

Les principals aplicacions d’aquests components apareixen en la taula.

El transistor és un dispositiu semiconductor d’estat sòlid que s’utilitza per a l’amplificació i la commutació, i té tres terminals: un petit corrent o voltatge aplicat a un dels terminals controla el corrent en els altres dos. El transistor és el component principal de tota l’electrònica moderna, i el més utilitzat des del seu descobriment.

Hi ha dos tipus bàsics de transistors, els bipolars (BJT) i els d’efecte camp (FET), i cadascun funciona de manera diferent. El transistor bipolar s’anomena així perquè el canal de conducció principal usa tant electrons com buits per transportar el corrent elèctric principal. Els d’efecte camp (també anomenats unipolars) solament usen un dels dos tipus de transportador (o buits, o electrons).

Un transistor bipolar (BJT) és un tipus de transistor, un dispositiu que pot funcionar com a amplificador o commutador fet amb semiconductors dopats. El BJT està compost per diverses capes de material dopat, sia NPN o PNP.

Els transistors bipolars són components semiconductors, formats per la unió de tres cristalls de silici contaminats amb algun tipus d’impuresa i que poden funcionar com a amplificadors. L’ordre de col·locació dels cristalls dóna lloc als dos tipus de transistors: els NPN i els PNP. Tots dos tipus de transistors tenen tres terminals (vegeu la figura), connectats internament a cada un dels cristalls, anomenats: base -b-, col·lector -c- i emissor -e-.

El transistor és un element amplificador que proporciona a la sortida un corrent proporcional a l’aplicat a l’entrada. El transistor té tres terminals, però abans hem vist que un amplificador té quatre terminals, dos d’entrada i dos de sortida. Per aquest motiu, s’utilitza una de les tres potetes del transistor com a terminal comú a l’entrada i a la sortida.

D’acord amb això, hi ha tres possibles configuracions, tal com es mostra en la figura: emissor comú (EC), base comuna (BC) i col·lector comú (CC).

El muntatge en EC és el més utilitzat per amplificar, ja que el guany de corrent és elevat. En el muntatge BC, el guany de corrent és pràcticament igual a 1, la resistència d’entrada és molt petita i la de sortida molt gran. Per acabar, en el CC el guany de corrent és elevat i presenta una resistència d’entrada petita i una de sortida elevada.

El transistor té tres zones de funcionament:

• Tall
• Saturació
• Activa

En circuits de commutació, es fa treballar el transistor en saturació i tall. Si voleu utilitzar el transistor per amplificar, ha de treballar en la zona activa.

Quan funciona en tall, el transistor es comporta com un interruptor obert entre el col·lector i l’emissor. Observeu la figura.

Si agafeu com a referència el circuit EC, els valors de tensió entre base i emissor són més baixos que 0,7 V (V_BE < 0,7 V), la tensió entre el col·lector i l’emissor (V_CE) és igual a la tensió al col·lector (V_C). En tots tres terminals les intensitats són nul·les, ja que estan en circuit obert.

En saturació, el transistor es comporta com un interruptor tancat entre el col·lector i l’emissor. Observeu la figura.

Tenint com a referència el circuit EC, la tensió V_CE és aproximadament 0,2 V, la tensió V_BE = 0,7 V i la intensitat que circula pel terminal col·lector és la mateixa que a l’emissor.

Per poder treballar en zona activa i fer circuits amplificadors, el transistor ha d’estar correctament polaritzat. Per poder-lo polaritzar s’utilitzen resistències.

La polarització d’un transistor NPN és diferent de la d’un PNP. En la figura podeu observar la polarització d’un transistor NPN i la d’un PNP. Podeu comprovar que les polaritats de les tensions són diferents i el sentit dels corrents també.

Perquè el transistor bipolar pugui amplificar és necessari polaritzar cada un dels seus terminals, tal com es mostra en la figura. En els NPN, el col·lector ha de ser sempre positiu respecte a l’emissor, en canvi, en els PNP és el contrari. Si els transistors estaven polaritzats es generen tres corrents diferents en cada un dels terminals que compleixen les equacions següents:

En què β és el guany de corrent en continu, i és una característica de cada transistor.

Hi ha diferents tipus de circuits de polarització, però el més utilitzat és el circuit de polarització universal, ja que proporciona una gran estabilitat.

En la figura el circuit està format per quatre resistències i un potenciòmetre. Un cop fixat el valor de cada resistència, es varia el potenciòmetre fins que la tensió V_ce és igual a la meitat de la tensió d’alimentació. D’aquesta manera ens assegurem que el transistor es troba en zona activa.

En la figura podeu veure el transistor amb el circuit de polarització universal. S’han col·locat dos voltímetres que mesuren les tensions V_be i V_ce per comprovar si està en una zona activa. S’ha anat variant el potenciòmetre fins que la V_ce és aproximadament la meitat de l’alimentació, en el nostre cas la meitat de 12 V. El valor de V_ce que podeu aconseguir és 5,912 V i observeu que la V_be = 0,810 V. Amb aquests dos valors podeu assegurar que el transistor està en zona activa.

Per poder representar la recta de càrrega i determinar el punt de treball s’utilitzen les corbes característiques del transistor. Aquestes corbes són la representació gràfica de les magnituds més importants del transistor (V_be, V_ce, I_b, I_c). Per consideracions pràctiques, el muntatge EC és el més utilitzat i per aquest motiu les concretarem en aquest muntatge.

En la figura podeu veure les corbes característiques d’EC. Sobre aquesta gràfica es dibuixa la recta de càrrega i es determina el punt de treball (Q). La recta de càrrega s’obté del circuit de polarització. En el circuit de polarització universal, la recta de càrrega és igual a:

Per representar la recta ens faran falta dos punts. Aquests punts es poden veure gràficament en la figura:

• El primer punt el trobeu quan la recta talla amb l’eix V_ce, llavors la I_c = 0; substituint, teniu que:

• El segon punt, quan la recta passa per l’eix I_c, llavors V_ce = 0, i teniu que:

El punt de treball es col·loca al mig de la recta de càrrega. Observeu que en el punt Q la V_ce és igual a la meitat de la V_CC: d’aquesta manera el transistor es troba en zona activa i amplifica el senyal d’entrada al màxim sense cap distorsió.