Equipo casero de Radioaficionado

¿Qué se considera “casero”?

El constructor casero fundamental debería ser un tipo que camina por el árido desierto desnudo. Entonces, usando rocas y palos, construye un sistema de comunicaciones de alta tecnología. ¡Oye, no te lances! Nuestros antepasados lo hicieron. Por supuesto, tuvieron que permanecer en los bosques por miles de años para finalizar el trabajo. Nuestros antepasados fueron gentes inteligentes que trabajaron duro. Desde nuestra elevada posición de hoy es fácil mirarles hacia abajo como alguna clase de gente rústica con habilidad manual. Irónicamente, la gente rústica suelen ser más de lo que aparentan. En mi opinión, las familias granjeras de hoy son maestros en un mayor rango de tecnología que cualquier otro grupo de gente en nuestra sociedad. Los granjeros de hoy no se pueden proveer del empleo de otros para reparar sus viejos equipamientos, de modo que han dominado destrezas desde la electricidad a la biología. La mayoría de los granjeros actuales tienen talentos y conocimiento que hace que el resto de nosotros parezcamos robots especializados en una cadena de montaje.

La construcción de nuestro propio equipo de radio es divertida y te da la satisfacción que viene del dominio del conocimiento. La construcción casera no necesita una definición precisa. Si te estás divirtiendo y aprendiendo algo, es eso. Deberías sentirte libre para inventar tu propia definición. No obstante, a mayores niveles de la pirámide tecnológica que domines, mayor será tu logro. Además, la compra de equipos de aficionado es como saltarte la escuela y comprar un diploma. Tienes los mismos privilegios, pero los resultados serán vanos en muchos modos. Mi definición personal de la construcción casera es que construyo mi propio equipo comenzando de simples componentes que (creo) entiendo.

Intento no comprar nunca equipos o componentes diseñados específicamente para la radio afición.

Estoy orgulloso de ser la ruina de la mayoría de anunciantes en las revistas de radio afición. Aún compró componentes eléctricos individuales, por supuesto. Solo pretendo que la industria electrónica nunca consiga absorber la inventiva de las comunicaciones de radio.

Una de las ironías de nuestra afición es que, cuando los pocos constructores caseros que quedan se jubilan de sus trabajos suelen construir y vender equipos de radioafición. Estos industriosos individuos fabrican y venden todo imaginable artilugio de aficionado. Dudo si alguno de ellos halla advertido que haciendo todas las cosas fácilmente disponibles hallan desalentado la construcción casera.

¿Cuándo no es apropiada la construcción casera?

La construcción casera no debería ser hecha como modo para salvar dinero o procurar equipos modernos. Los modernos transceptores multibanda de HF de aficionado son maravillosamente baratos. Deberías ser capaz de comprar un buen transceptor usado de alta frecuenta por tan poco como 500 a 1000€. Las buenas noticias es que nuestra sociedad es tan próspera que los padres pueden a menudo proporcionar a los chicos juguetes que cuestan cientos o incluso miles de euros. Las malas noticias es que el incentivo económico para los jóvenes aficionados para construir el suyo propio casi se ha desvanecido. También, si construyes el tuyo propio, incluso el constructor más habilidoso no tendrá años suficientes para construir una estación de aficionado moderna realmente equivalente. Las unidades comerciales contienen circuitos integrados propios, contenedores propios, y son el resultado final de múltiples prototipos y pruebas exhaustivas.

Construcción casera con válvulas

Hace 40 años los aficionados construían transmisores y receptores razonablemente buenos en sus sótanos. Una construcción casera bien construida debería cubrir todas las bandas de alta frecuencia (HF) de 1,8 a 30 MHz. Lo mejor de todo, su señal en el éter no debería avergonzarte. La construcción casera de CW y fonía AM eran la rutina. En el lado contrario, la construcción de fonía de simple banda lateral (transmisión de voz SSB) siempre ha sido rara porque es complejo generar SSB.

Las circunstancias han cambiado. Si pudieses examinar el esquema completo de un moderno transceptor ICOM, Kenwood o Yaesu, necesitarías un microscopio para leerlo. Por supuesto en un formato de dibujo DIN A1 podrías ser capaz de poder leerlo bien, pero el esquema no podrías colocarlo sobre la mesilla de tu sala de estar. En contra, el esquema de un transmisor completo de aficionado de CW y fonía AM todo bando de 1970, con la lista de componentes, se coloca confortablemente en una página de una revista de radio. En definitiva, el material moderno es complicado. Si solo estuviese hecho de pequeñas válvulas, podría aun tomar cientos de veces más tamaño construirlos. Pero hay muchas diferencias.

Estabilidad de frecuencia

Casi todos los aficionados de hoy en día están usando transceptores diseñados alrededor de precisos sintetizadores de frecuencia digital. La frecuencia es mostrada digitalmente en una pequeña pantalla para precisiones tan cercanas como 0.1 Hz. Los números de las salidas de lectura pueden no ser tan precisos, pero el tipo medio cree que es preciso porque realmente no ha leído las especificaciones. Por ejemplo, la estabilidad puede estar especificada típicamente para 1 parte por millón. Así que en la banda de 10 metros, 28 Megahercios, la precisión podría ser 0,1 Hz, pero la precisión garantizada podría ser de +/- 28 Hz.

Sin embargo, si el equipo comercial está leyendo un error de 28 Hz, todavía es probable que sea mucho más estable que un oscilador típico de construcción casera. Consecuentemente, cuando un transmisor casero sale al aire y patina más de aproximadamente 20 Hz, no es grande suficiente antes de que comiencen las críticas. Hoy, si la transmisión de un trasmisor casero patina como los transceptores típicos de hace 40, las quejas probablemente llevarán a ese aficionado a marcharse. En mi limitada experiencia, la cosecha típica de los transmisores de aficionados de hace 30 o 40 años están probablemente para transmitir señales de calidad pobre que provocarán montones de quejas. Por el contrario, si estás usando un viejo equipo de la mejor calidad, tope de gama, de 40 años, entonces la calidad de señal es probablemente aceptable. El capítulo 14 ilustra el esfuerzo necesario para construir un equipo a la vieja usanza apto para usar en nuestros días. Si, puede hacerse, pero con tan altos estándares, es un reto hacer que aquellos viejos componentes se comportes como los equipos modernos.

Inductancia de cables

Otra barrera para la construcción casera de hoy es la inductancia de cables. El problema es que simples hilos actúan como bobinas. Resisten las corrientes AC cuando la frecuencia es alta. Cuando las corrientes son débiles, como las usadas en la era de los transmisores de los años 60, este problema no es severo. Sin embargo, los más modernos transmisores transistorizados funcionan a 12 voltios. Ya que los 12 voltios eliminan la mayoría de complejidad de la fuente de alimentación, esto suena seguro y fácil. Para operar en un vehículo incluso no necesitas ni fuente de alimentación, simplemente lo conectas directamente a la batería usando la salida del encendedor. En un viejo transmisor a válvulas, el voltaje de placa abarca desde 500 a 2000 voltios o incluso más. Las fuentes de 12 voltios DC son más seguras y suenan como las buenas noticias. Desafortunadamente, si tu fuente de alimentación es solo de 12 voltios, las corrientes en tu transmisor serán 50 veces más altas para la misma cantidad de corriente. Por ello la caída de voltaje a través de las inductancias de cabos serán 50 veces más altas. Repentinamente cada componente en tu circuito actúa como si tuviese un inductor (alta resistencia a la corriente de radio frecuencia) en serie con él. Estos inductores no deseados motivan que las etapas transistorizadas autooscilen, o simplemente no produzcan ganancia de potencia. El punto destacado contrario es que es más dificultoso construir transmisores transistorizados.

La solución al problema de la inductancia está en los circuitos impresos y cables muy cortos entre los componentes. Esto significa que la habilidad necesaria para construir un transmisor transistorizado es mayor que la que necesitamos con válvulas. Sin limitar cuidadosamente tus objetivos y sin trabajar dentro de los condicionantes de tu tiempo y conocimiento, la decisión del cacharreo puede ser una larga marcha de frustración.

CONOCIMIENTO ELÉCTRICO BÁSICO

El primer reto en la construcción de equipos de radio es adquirir el conocimiento técnico. Hay muchos caminos para aprender la electrónica básica. El Manual de Radio Afición de la ARRL es publicado cada año y tiene (casi) todo lo que necesitas saber. Este gran volumen cubre todos los aspectos de la afición. Desafortunadamente, su tamaño es abrumador para muchos lectores. También, ya que hoy en día pocos aficionados construyen su propio equipo, esta construcción casera seria ha sido desmarcada del Manual. De hecho, si todo lo que tienes fue el manual, probablemente concluirías que la construcción de tu propio equipo es totalmente inadecuada. Un objetivo de mi libro es ayudar a restaurar la construcción casera como función de ayuda en la Radio Afición. Este capítulo se introduce en el conocimiento mínimo que necesitas para comenzar. Si tienes problema comprendiendo las explicaciones si acaso excesivamente simplificadas en este libro, lee acerca de los mismos tópicos en el manual de la ARRL y otros textos.

Mucho de lo que sigue está escrito de forma que ignora muchos puntos finos. Por ejemplo, si digo “todos los circuitos son lazos completos”, un purista podría traer situaciones inusuales en las cuales esto no parece ser cierto. Con todo, es importante tener algunos simples conceptos básicos para apoyarse de los cuales te servirán bien.

Reglas de pulgar son esenciales para mantener tu razonamiento organizado. No obstante, mantén tu mente abierta a excepciones, porque encontrarás montones de ellas. Cuando encuentres excepciones no arrojes las reglas básicas. Normalmente trabajan bien y te mantendrán sensato.

Solo uso matemáticas cuando es esencial para hacer la tarea. Un problema serio con las escuelas de ingeniería es que los profesores de ingeniería son seleccionados del 2% de los estudiantes quienes, naturalmente, piensan en términos matemáticos. De modo que después de la graduación los tipos se cuelgan las ineptas matemáticas alrededor para educar la siguiente generación. Los estudiantes que piensan como la "gente normal" salen al mundo real a construir cosas que trabajan. Realmente, la mayoría de ingenieros están así desencantados por las matemáticas obsesivas/compulsivas acaban en la dirección o venta.

Primero aprender un entendimiento cualificado

Concentrándose en las matemáticas, los profesores suelen fallar en la enseñanza de los conceptos básicos de cómo trabaja la electricidad. Un amigo mío, John Anderson, enseñó ingeniería electrónica de tercer año. Estaba abatido al descubrir que la mayoría de sus estudiantes podían cubrir un encerado con ecuaciones, pero no podían balancear un diodo emisor de luz o predecir el voltaje del colector de un transistor saturado. Cualquier técnico bueno o radioaficionado experimentado puede hacer esas cosas con apenas un pensamiento.

Como decía John, “la Ingeniería es como aprender a pintar un cuadro”. Primero necesitas la destreza para pintar un caballo de modo que se vea como un caballo y no como una casa. No es importante para la mayoría de pintores ser capaz de calcular la química de los pigmentos de pintura. Esas habilidades son solo importantes para unos pocos miembros especializados de la comunidad artística.

Personalmente trabajé por décadas como un ingeniero real, pero mis métodos son en primer lugar cualitativos. Solo uso matemáticas simples en las que confío completamente. Un día estaba trabajando en un proyecto con John Anderson cuando se volvió y me dijo “Empleas cuatro años en la escuela de ingeniería y todo lo que aprendes es que las matemáticas no funcionan y no se debería confiar en ellas”. Estoy avergonzado de admitir que está en lo cierto. Una vez que fui al mundo real, empleé demasiados meses calculando números aleatorios inútiles en papel. Finalmente aprendí a trabajar principalmente desde la experiencia y la intuición. En otras palabras, ¡trabajo como un aficionado! Estoy haciendo esta confesión para enfatizar que cuando uso fórmulas y matemáticas, es material importante y no querrás evitar usarlas. En caso de que creas que construir radios en tu garaje solo es un entretenimiento ocioso considera esto: durante mis cuatro años en la Fuerza Aérea mi título de trabajo fue “ingeniero electrónico”. Hice mi trabajo técnico enteramente con mis habilidades de aficionado. Nadie me pidió escribir ecuaciones. Todo lo que querían de mí era una fuente de alimentación trabajando para el jueves, un enlace de radio control trabajando, un circuito de protección contra la electricidad estática o cualquier cosa. Y si no hubiese sido un aficionado supongo que la Fuerza Aérea podría haber encontrado alguna clase de papeleo que hacer para mí, pero podría no haber sido capaz de completar las tareas a las que estaba originalmente asignado.

CAMPOS ELÉCTRICO Y MAGNÉTICO

Imanes – un generado ordinario de fuerza física

Nunca me cansé de jugar con imanes. Aparte de la gravedad de la Tierra, los imanes son los dispositivos más comunes en nuestro mundo diario que nos permite experimentar con un campo físico. Una fuerza invisible desde el imán se alarga y captura clips de papel o chinchetas desde 5 milímetros o más. Jugar con dos imanes es incluso más interesante. Un imán puede atraer a otro, del mismo modo que un imán atrae el acero. Pero cuando inviertes la dirección de uno de los imanes, la fuerza magnética actúa como un “repulsor” empujando al otro imán fuera o causando que gire 180 grados a la polaridad opuesta. Una vez reorientado el segundo imán salta hacia el primer imán.

Jugar con imanes nos acostumbra a la idea de que un campo magnético puede ser generado por un dispositivo físico. También observamos que un campo magnético es un fenómeno de corto alcance. Con imanes pequeños el campo solo se ve efectivo a 5 milímetros o menos. Con tan corto alcance, los imanes de frigorífico no parece que prometan como punto de comienzo para comunicación de corto alcance.

El campo magnético de un imán permanente surge de los átomos individuales que hacen el imán. Cada átomo tiene electrones que orbitan alrededor del núcleo. Estos electrones se parecen a los electrones pasando alrededor de las bobinas de un inductor. A diferencia de los electrones en los átomos ordinarios, los electrones de hierro y otros átomos magnéticos orbitan los átomos alineados al menos a un pequeño grado. En contra, los átomos ordinarios tienen órbitas de electrones que corren alrededor del átomo entero en escudos perfectamente esféricos. Los átomos ordinarios también generan campos magnéticos, pero no están alineados y los campos se cancelan.

Los campos eléctricos también son comunes en nuestro mundo diario, pero los efectos son normalmente sutiles. Durante el invierno de las latitudes septentrionales la humedad en nuestras casas gotea y la descargada de electricidad estática suele sorprendernos cuando cogemos un pomo metálico. Como el imán, la electricidad estática puede mover objetos ligeros a corta distancia. Puede hacer que varillas no conductoras se junten o incluso repelerlas. A diferencia de los imanes, los objetos afectados por campos eléctricos domésticos pueden ser elementos de peso ligero como hilos o pelos. La estática pegada en nuestras ropas es un ejemplo de materiales cargados opuestamente atrayéndose uno a otro, como los imanes. En contra, acariciar al gato puede hacer que el pelo del gato permanezcan erizados. Cuando el pelo permanece erizado, cada pelo está repeliendo los pelos que le rodean. Además, un poco de humedad hace que el fenómeno desaparezca. Debido a que los objetos afectados son tan ligeros, la electricidad estática se ve bastante menor. Para ambos campos eléctrico y magnético estos fenómenos diarios se ven ser estrictamente de corto alcance.

¿QUÉ ES LA ELECTRICIDAD?

La electricidad consiste en electrones fluyendo a través de materiales conductores.

Algunos físicos podrían saltar ahora y comenzar leyendo acerca de agujeros fluyendo a través de semiconductor tipo-P o iones químicos migrando a través de soluciones electrolíticas. Pero vamos a olvidarnos las excepciones por ahora. Es más fácil visualizar flujo de corriente como electrones.

Los electrones son una forma de “carga”. “Carga” simplemente significa un exceso o carencia de electrones que da elevación a un campo eléctrico. Cuando la carga es recogida junta en un lugar, establece un campo eléctrico con respecto a objetos cercanos que tienen una carga opuesta, o tiene menos de la misma carga. Si se establece un paso de conducción ente los dos objetos, el campo eléctrico se convierte en un voltaje. El voltaje es la fuerza que empuja un flujo de corriente desde un objeto al otro hasta que las cargas se igualan. Los electrones tienen una carga negativa. La palabra "negativa" es arbitraria, y podría igualmente haber sido llamada "George" o "Napoleón". La oposición de la carga negativa ocurre cuando un objeto ha perdido electrones necesita reemplazarlos. Un objeto con carencia de electrones se dice tener una "carga positiva". Cuando se les da la oportunidad a los electrones para viajar, fluirán desde una región cargada negativamente a una región cargada positivamente a (casi) la velocidad de la luz. "Flujo de corriente positiva" se dice para significar flujo de corriente desde positivo a negativo. En otras palabras, el flujo de corriente positiva es la dirección opuesta al flujo de electrones.

Conductores metálicos

Los materiales que permiten a los electrones viajar son llamados "conductores eléctricos". Los conductores eléctricos son normalmente metálicos. Si recuerdas la química, los metales están al lado izquierdo de la tabla periódica. Los metales tienen una capa exterior de electrones con 1, 2, 3 o 4 electrones. Si lo recuerdas, se necesitan 8 electrones para completar una capa exterior de electrones en la mayoría de elementos. Los electrones exteriores orbitando metales no están estrechamente limitados a sus átomos y estos electrones pueden ser fácilmente atraídos hacia fuera. En una pieza de metal los electrones exteriores vagan hacia fuera de sus átomos residentes y se mueven sobre los átomos metálicos vecinos. Estos electrones itinerantes forman una corriente eléctrica. Por ejemplo, el cobre tiene justo un electrón exterior. Cuando se consideran características de precio, peso, conductividad, ductilidad y corrosión, el cobre es el mejor metal disponible para hacer cables.

Aisladores

Las capas de electrones de los átomos del lado derecho de la tabla periódica están rellenadas con 8 electrones o muy próximos con 5, 6 o 7 electrones. Estos átomos no tienen pérdida de electrones, pero aceptan fácilmente electrones perdidos para completar sus capas. De este modo, los aislantes toman electrones libres fuera de circulación y evitan los flujos de corriente. Estos elementos son gases inertes y materiales como el azufre y fósforo que son malos conductores. Los no conductores son llamados aislantes y son vitales en circuitos electrónicos para confinar las corrientes eléctricas en las vías de paso propuestas. Por ejemplo, el azufre tiene seis electrones en la capa exterior y es un aislador eléctrico cristalino. Todos los elementos más ligeros con 7 y 8 electrones exteriores son gases. En la práctica los aisladores son normalmente compuestos hechos de dos o más átomos con cuatro o más electrones exteriores. Por ejemplo, el cristal ordinario de dióxido de silicio está hecho de silicio con 4 electrones exteriores y oxígeno con 6 electrones exteriores.

Semiconductores

Justo a la derecha del centro de la tabla periódica están los semiconductores.

Los semiconductores, tal como silicio, germanio y carbón tienen una valencia de 4. Esto es, tienen capas exteriores de electrones semiestables. Si se aplica suficiente voltaje, los electrones pueden ser forzados a abandonar un átomo semiconductor y los semiconductores pueden actuar como conductores. O, si se suministran los 4 electrones perdidos al átomo, puede llegar a ser un aislante temporalmente. Esta naturaleza ambivalente es explotada en semiconductores para hacer interruptores electrónicos y diodos que pueden ser conectados y desconectados. Además, las combinaciones de elementos semiconductores tienen otras sorprendentes propiedades. Las células solares de silicio transforman la luz solar en electricidad. Los diodos emisores de luz transforman electricidad en luz. Otros tipos de dispositivos semiconductores detectan campos magnéticos, detectan radiación gamma, regulan voltaje y sirven como circuitos interruptores reposicionables. Innecesario decir que las formaciones de matrices complejas de semiconductores también son fabricadas en computadoras enteras en un chip o en pantallas de visualización.

El ordinario carbono amorfo como el carbón es un pobre conductor, no un semiconductor. Pero cuando el carbono está cristalizado en grafito se transforma en semiconductor. Desgraciadamente el grafito es demasiado sensible al calor para ser usado en transistores. Las mezclas de silicio y carbono son usadas con éxito en LEDs azules. En teoría, el carbono en la forma de diamantes puede hacer conductores con comportamiento super conductor. En la práctica, esto ha sido difícil y no ha ocurrido todavía. Algunos semiconductores están hechos de mezclas de elementos ligeros con valencias de 3 y 5 que dan una valencia media de 4. Por ejemplo, todos los diodos emisores de luz están hechos de mezclas como ésta y usan una amplia variedad de elementos. Como ejemplos, los LEDs están hechos desde carburo de silicio, fosfuro deindio, y galio-aluminio-arsenio, y fosfuro de aluminio-indio-galio. Éstos producen "colores" rojo, verde, amarillo, azul e incluso infrarrojos.

Los elementos de alto peso atómico hacen pobres semiconductores y aisladores

La pulcra relación para las propiedades de los elementos se rompe en la parte inferior de la tabla periódica. Elementos pesados como el plomo y el estaño tienen 4 electrones en sus órbitas exteriores. Su localización en la tabla sugieren que deberían ser semiconductores. Sin embargo, cuando reaccionan químicamente, solo pierden 2 electrones, no 4. Son buenos conductores eléctricos y sus propiedades físicas se parecen al zinc o cobre, más que al carbono o silicio. El arsenio, antimonio y bismuto deberían ser aislantes ya que tienen 5 electrones en sus órbitas externas. Pero según se eleva el peso atómico se ven y actúan menos y menos como aisladores cristralinos y más y más como metales pesados. El bismuto es un buen conductor eléctrico que casi parece plomo. No fue totalmente reconocido diferente del plomo hasta 1735. Todos los elementos más pesados que el gas inerte radón son metales conductores, sin considerar las órbitas externas.

Lazos de circuitos

Todos los circuitos están en lazos completos. Los electrones deben fluir en círculos completos o no se consigue trabajo. El voltaje de la fuerza que empuja los electrones a circular en un circuito. El voltaje por si mismo no hace nada. Solo cuando el voltaje es capaz de empujar los electrones a través de un circuito completo, hace que ocurra cualquier cosa. Por ejemplo, desenrosca una lámpara cuando está luciendo. La luz se apaga porque la corriente ya no pasa por la lámpara. Esto era obvio, pero nota que la corriente no puede saltar a través de los terminales dentro del casquillo de la lámpara y no se desparrama por la habitación. Todavía es abundante en voltaje en los terminales del casquillo. Podrías poner tu dedo en el casquillo para comprobarlo, pero la corriente fluiría a través de tu dedo y con el voltaje doméstico eso es una muy mala idea.

Voltaje = presión eléctrica

El voltaje, presión eléctrica, es medido en VOLTIOS. Como sabes, una batería normal de linterna tiene 1,5 voltios de presión eléctrica. La potencia doméstica tiene 220 voltios de presión. Ya sabes que manejar 1,5 voltios es inocuo para la gente, mientras que manejar una de doscientas veces más es peligroso. Pegar tus dedos en casquillos de lámparas puede ser fatal. Si hay presente suficiente voltaje, el voltaje puede impulsar un arco eléctrico a través del tenue aire. Esta proeza requiere aproximadamente 30.000 voltios por 25 mm. de aire. Si estás interesado, puedes calcular el voltaje necesario para generar un rayo durante una tormenta. Pista: éste será un número realmente grande.

Corriente = el flujo de la carga eléctrica

La corriente debería medirse en términos de electrones fluyendo a través de un circuito por segundo pero eso sería inmanejable. En lugar de ello, la corriente es medida en AMPERIOS. Un amperio está definido como un culombio de electrones fluyendo a través de un cable en un segundo. Un culombio es igual a 6.242 miles de millones de miles de millones de electrones. Suficiente. ¡Vamos a usar amperios! En la radio afición, corrientes mayores de un amperio solo son comunes en transmisores. Las corrientes desarrolladas por fuentes de alimentación de 12 voltios normalmente están en los amperios. Sin embargo, la mayoría de circuitos encontrados en receptores o

procesamiento de señales tratan con corrientes medidas en miliamperios ymicroamperios.Un miliamperio = 1/1000 de un amperio Un microamperio = 1/1.000.000 de un amperio (una millonésima de un amperio)

Mucha gente tiene problemas al mantener correctamente voltaje y corriente en sus mentes. Para el tipo medio la electricidad es un tema ardorosamente chocante. Puede que lo siguiente ayude. El voltaje es análogo a la presión de agua mientras la corriente eléctrica es análoga al agua. Un modo simple para recordar esto es que no puedes regar las flores con presión de agua. Por otro lado, puede haber un montón de agua en el tanque, pero la presión es necesaria para impulsarla a través de la manguera a las flores.

El agua cayendo como lluvia y fluyendo desde las montañas a los ríos produce un ciclo que es la reminiscencia de un lazo completo de circuito eléctrico. El sol brillante en el océano causa evaporación que eleva el agua por encima de las montañas donde de nuevo cae en forma de lluvia. En otras palabras, la energía del sol es la "batería" que mantiene el ciclo en marcha. Elevando el agua en el aire literalmente eleva la energía potencial del agua. La lluvia se recoge en las cadenas montañosas y ríos que pueden fluir a través de presas de regreso al océano. El agua caída imparte su energía gravitacional a la noria en la presa, haciendo con ello un trabajo útil. En otras palabras, la gravedad proporciona la presión del agua.

Las células solares son dispositivos que son el equivalente eléctrico al vapor de agua elevado por la luz solar a alta energía potencial a través de la evaporación. En una célula solar la luz solar proporciona la energía para "empujar" los electrones hasta un nivel de energía más alto. En la práctica, cada célula solar genera solo 0,6 voltios de potencial. Así que para cargar una batería de coche de 12 voltios al menos deben ser colocadas 20 células solares en serie de modo que los electrones puedan ser empujados hasta los 12 voltios.

Potencia = la relación para hacer trabajo

La relación a la cual la rueda de la noria trabaja es su "potencia". La potencia es definida como la energía producida o gastada por segundo. En aplicaciones de aficionado la potencia es medida normalmente en vatios. Los vatios son definidos como julios de energía por segundo. Los julios son usados ocasionalmente en el trabajo de aficionados cuando se diseñan bobinas o se idea lo grande que debería ser un condensador. No obstante, no los necesitarás muy a menudo y no son necesarios para ir por este libro.

La cantidad de energía que puede ser extraída del agua caída es igual al volumen de agua por la altura de la que cae. Nota la rueda de noria de arriba, el agua solo está empujando la rueda por la mitad superior del diámetro de la rueda. El resto del descenso es malgastado. No es muy eficiente como tiro.

Potencia = altura de caída (presión del agua) x cantidad de agua que cae (corriente)

En electricidad la relación es la misma:

Potencia = voltaje (presión eléctrica) x corriente (electrones haciendo el trabajo)

P = V x I

Donde "I" es la corriente eléctrica. "I" es la letra usada por los ingenieros para representar la corriente, abreviatura de Intensidad.

Para poner los vatios en términos familiares, la potencia fue descrita primero probablemente en términos de equivalencia a caballos de trabajo. Cuando se gasta energía, objetos tales como mineral suele ser subido desde una chimenea de mina. Tirando de la polea de un polipasto, un caballo típico podía elevar 250 Kg. cada segundo. Esto era definido como un caballo de potencia. Ello da:

746 vatios = 1 caballo de potencia = 250 Kg. elevados cada segundo.

Resistencia

En la analogía del agua de arriba, la lluvia cae en las montañas, luego hace un largo viaje de días de regreso al mar. Este largo viaje es análogo a una alta resistencia eléctrica. En contraste, si el agua cae directamente al mar, el viaje solo debería tomar un minuto o dos. Este corto circuito de viaje debería ser análogo a una BAJA resistencia eléctrica.

Buenas analogías de agua para resistencias eléctricas son tuberías estrechas y tuberías anchas de agua. Por ejemplo, supón un gran tanque de agua es perforado repentinamente por pequeños agujeros de bala y grandes agujeros del tamaño de un melón. Obviamente el agua fluirá rápidamente del tanque, especialmente el agua saldrá de los agujeros grandes. La velocidad a la cual sale el agua depende del tamaño del agujero y de la presión del agua. La presión del agua es mucho más alta en el fondo del tanque que en su parte superior. Por ello el agua saliente de un agujero del fondo del tanque chorrea a considerable presión, mientras en la parte superior del tanque solo gotea lentamente.

La ley de Ohm

El voltaje es análogo a la presión del agua y la corriente es análoga al flujo del agua. La resistencia es medida en ohmios. El ohmio es llamado así por Georg Simon Ohm. La relación entre estos parámetros está descrita por la ley del Sr. Ohm, la cual dice que un voltio conducirá un amperio a través de un ohmio de resistencia.

Voltaje = (corriente) x (resistencia)

En la fórmula eléctrica V = voltaje y R = resistencia la ley de Ohm es escrita como

V = I x R

Si conoces cualquiera dos de estos tres parámetros, puedes encontrar el valor perdido con álgebra.

Recolocando las letras podemos tener:

V = IR o I = V/R o R = V/I

Perdón por las matemáticas, pero esta relación es inevitable para cualquiera que quiera tener éxito con la electricidad.

Por ejemplo: sabes que la corriente eléctrica doméstica trabaja a 230 voltios. Supón que mides la corriente a través de una bombilla y mide 0,833 amperios. ¿Cuál es la resistencia de la bombilla?

230 voltios = (0,833 amperios) X Resistencia

Resistencia = Voltaje / Corriente

Resistencia = 230 voltios / 0,833 amperios = 276 ohmios

El símbolo para los ohmios normalmente es la letra griega Omega mayúscula Ω. Por ejemplo, 276 ohmios pueden ser escritos como “276 Ω”

Resistencias en serie

Cuando la corriente debe pasar a través de dos o más resistencias en serie, la resistencia total es igual a la suma de las resistencias. Por ejemplo, dos bombillas de 100 vatios en serie presentarán el doble de la resistencia de una sola bombilla:

Voltaje = 230 voltios = 0,417 amperios x (276 ohmios + 276 ohmios)

Ya que la corriente debe pasar a través del doble de obstáculos, el flujo de corriente es la mitad y las bombillas solo arderán penumbrosas, si lucen.

Un divisor de tensión hecho de resistencias

Un uso común para las resistencias es reducir los voltajes DC o AC. Dos resistencias en serie hacen un divisor de voltaje. Esto es análogo a la energía potencial remanente de la lluvia después de volver la mitad del camino de regreso al océano. En el ejemplo de la bombilla de arriba, el voltaje a través de una de las dos bombillas en serie será el 50% del total. En otras palabras, el voltaje estará reducido a 115 voltios AC. En la circuitería electrónica DC es común reducir un voltaje para balancear un transistor o para controlar el voltaje a través de una luz u otra aplicación. La mayor corriente requerida para el punto de derivación más bajo de voltaje, más bajas las resistencias deben de ser para soportar la carga extra para el voltaje reducido. En el ejemplo de abajo 10 voltios AC están divididos para producir 5 voltios AC. Este mismo divisor resistivo podría igualmente dividir 10 voltios DC a 5 voltios DC. Verás pronto que hay otros modos de hacer divisores de voltaje AC y el porque el raro valor de “530 ohmios” fue usado en este dibujo.

Resistencias en paralelo

Cuando dos resistencias iguales son colocadas en paralelo, la resistencia vista por la fuente de voltaje será la mitad tal como si hubiese una resistencia. Esto ocasiona doblar la corriente que fluye. En el caso de las bombillas, cuando enciendes el doble de luces, el caudal de corriente se dobla, todas las bombillas arden con igual luminosidad y tu recibo eléctrico se dobla.

Cuando las resistencias paralelas son iguales en tamaño, la corriente que arrastrarán es intuitivamente obvia. Esto es, cada resistencia recibe la misma corriente. Pero cuando las resistencias en paralelo son todas diferentes, entonces necesitarás calcular la resistencia equivalente usando la fórmula:

Resistencia equivalente = 1 / (1/R1 + 1/R2 + 1/R3 +… etc.)

La resistencia equivalente es la inversa de la suma de las inversas de las resistencias. Si solo hay dos resistencias, entonces la fórmula es ligeramente menos torpe, pero si acaso es más difícil de recordar:

Resistencia equivalente = R1 x R2 / (R1 + R2)

Por ejemplo, supón una bombilla de 50 vatios con una resistencia de 288 ohmios en paralelo con una resistencia de 144 ohmios. La resistencia equivalente debería ser:

Resistencia equivalente = (288 ohmios x 144 ohmios) / (288 ohmios + 144 ohmios)

Resistencia = 96 ohmios

Baterías

Las baterías son análogas a los tanques de agua. Una batería realmente grande, como una batería de simple célula usada en un submarino, puede tener una enorme capacidad y puede ser capaz de suministrar cientos de amperios por horas. Pero a despecho de su gran tamaño, solo puede ser capaz de suministrar dos voltios de presión eléctrica. En un submarino puede haber un ciento o más de estas enormes células en serie para suministrar 200 voltios a los motores eléctricos. En términos de analogía de tanques de agua, una batería de bajo voltaje puede ser equivalente a un gran abrevadero de ganado, si acaso 8 metros de ancho pero solo medio metro de profundidad.

Una batería de coche es la batería más grande que la mayoría de gente puede ver. Nota que, para arrancar el coche en las frías mañanas, la batería debe entregar cientos de amperios en unos pocos segundos. Hace esto a través de GRANDES cables de hilo de cobre. Estos son los cables eléctricos más gruesos bajo el capó. Si intentas usar cables finos para esta carga, los cables podrían fundirse en segundos. ¿Cuánta potencia toma arrancar tu coche en enero?

Potencia = 12 voltios x 200 amperios = 2400 vatios

O, Potencia = 12 voltios/746 vatios/hp = 3,2 caballos de potencia

En contraste, una batería normal alcalina de 9 voltios tiene 6 pequeñas células de 1,5 voltios en serie para un total de 9 voltios. Cada célula tiene una relación de salida de aproximadamente ½ amperio (550 miliamperios) durante una hora. En términos de potencia, es aproximadamente 4,5 vatios.

Potencia = 9 voltios x 0,55 amperios = 4,5 vatios

Nota que una pequeña batería con varias células en serie debería ser análoga a un tanque de agua alto con poco volumen. Por ejemplo, supón que una bomba está puesta en el fondo de uno de 30 metros. La tubería puede ser de solo 25 mm. de diámetro. Por ello una tubería de 30 metros contendrá apenas 15 litros. Pero la presión en el fondo de la tubería será enorme, 8,5 bares. En los sistemas municipales de agua el agua es almacenada en grandes tanques encima de torres para proporcionar tanto presión de agua como una gran reserva de potencial caudal de agua.

Los conductores eléctricos son comparables a agujeros pinchados en el tanque de agua. Hilos finos tienen mayor resistencia que hilos gruesos hechos del mismo material. Metales como el cobre y plata tienen tal inherente baja resistencia que esta diferencia no es obvia. Pero en un conductor como el carbono, una tira gruesa de carbono tendrá mucha menos resistencia que una fibra delgada de carbono como las fibras Edison usadas en sus primeras bombillas comerciales.

Potencia eléctrica

¿Cuál es la potencia consumida por la bombilla? O más familiarmente, ¿cuál es el vataje de la bombilla? Potencia = voltios x corriente Potencia = (230 voltios) X (0,4348 amperios) = 100 vatios Otro modo para calcular la potencia que suele ser útil cuando no es conocido el voltaje: Potencia = Resistencia X (Corriente)²

P = I² x R

Sustituyendo el voltaje de arriba Potencia = (corriente x resistencia) x corriente Potencia = Resistencia X (Corriente)²O, si solo tienes voltaje y resistencia, Potencia = (Voltaje)² / (Resistencia)

P = V² / R

Por ejemplo, 100 vatios = (230 voltios)² / 529 ohmios

Condensadores

Los condensadores son dispositivos que almacenan carga eléctrica, igual que una batería. Los condensadores están hechos habitualmente de dos placas paralelas de metal conductor separadas la una de la otra por una fina capa de aislante. El aislante puede ser aire, papel, plástico, mica o incluso el vacío. Cuando las dos placas están conectadas a los polos de una batería, la carga se precipita dentro del condensador por medio de cables. Ya que la carga positiva es atraída por la carga negativa, la carga se recoge en las placas como si estuviese "intentando" saltar a través de la ranura. Ya que el voltaje de la batería ha estabilizado el mismo voltaje uniformemente por las placas, la carga recogida en las placas del condensador mantendrá ese voltaje, incluso después de que la batería sea desconectada del condensador. La carga es mantenida en las placas por la fuerza de atracción de la placa opuesta. Si un condensador cargado tiene un aislamiento de alta calidad que no fugue carga por la ranura, el condensador almacenará energía en forma de carga atrapada indefinidamente. Por ejemplo, condensadores grandes de bajo voltaje son empleados algunas veces para mantener la memoria RAM de ordenadores cuando el resto del ordenador está apagado. No obstante, con la actual tecnología los condensadores son raramente serios rivales con las baterías electroquímicas como fuentes de energía de larga duración.

En un condensador los electrones recogidos en las placas establecen un campo eléctrico a lo largo de la ranura. Otro modo de ver un condensador cargado es que el campo eléctrico a lo largo del aislante almacena energía, igual que un imán almacena energía en el campo magnético dentro y alrededor del cuerpo del imán.

El voltaje a lo largo de un condensador no puede cambiar instantáneamente

En electrónica, la propiedad simple más importante de los condensadores es que el voltaje a lo largo de un condensador no puede cambiar instantáneamente. La corriente fluyente dentro y fuera de un condensador puede cambiar inmediatamente, pero el voltaje no puede cambiar hasta que haya sido almacenada más carga o la carga haya sido eliminada. En otras palabras, la corriente puede fluir dentro y fuera de un condensador antes de que su voltaje pueda cambiar. En contraste con un condensador, el voltaje que cruza una resistencia y la corriente que fluye a través de ella son proporcionales y cambian instantáneamente. Con resistencias, el voltaje y la corriente están siempre estrictamente relacionadas por la ley de Ohm. La ley de Ohm trabaja con condensadores solo cuando el voltaje conductor es una onda senoide continua operando a una frecuencia constante. Los condensadores son usados comúnmente en circuitos de cuatro formas diferentes:

Almacenan energía por cortos periodos de tiempo.
Ya que el voltaje del condensador no puede cambiar instantáneamente, los condensadores son usados para suavizar o regular voltajes y mantenerlos constantes. Por ejemplo, las fuentes de alimentación de corriente directa (DC) usan grandes condensadores para mantener la corriente directa a un voltaje constante.
Los condensadores son usados para separar las señales AC de las DC. Los condensadores conducen corriente alterna de igual forma que las resistencias, pero debido a su capa de aislamiento, los condensadores bloquean el flujo de corriente directa.
Los condensadores son usados con inductores para formar circuitos resonantes. Los circuitos resonantes condensador/inductor son el núcleo de la radiotecnología y será discutido en detalle posteriormente.

Faradios

La capacidad de almacenamiento de los condensadores se llama "capacidad" y se mide en FARADIOS. Un Faradio de capacidad es un condensador enorme. Aunque puedes comprar tal cosa, el aislamiento entre placas generalmente es muy delgado y solo tolerará bajo voltaje, normalmente solo unos pocos voltios. En la electrónica de audio de baja frecuencia y fuentes de alimentación los condensadores usados normalmente se miden en MICROFARADIOS, una millonésima de un Faradio.

Los microfaradios se escriben algunas veces como "µ Faradio" donde la letra griega µ es la abreviatura de "micro". Por ejemplo un gran condensador de 10.000 microfaradios puede estar etiquetado como "10.000 µF". Los condensadores almacenan carga eléctrica, la cual es medida en CULOMBIOS. Un culombio de electrones son 6..242 billones de electrones. Una broma común en la práctica de laboratorio electrónico es cargar un gran condensador, digamos de 10.000 microfaradios, a más de 20 voltios. El condensador es entonces lanzado a un "amigo". ¡He, Pepe, cógelo! Pepe lo coge y recibe una gran sacudida al descargarse por sus dedos. Un desfibrilador para restablecer el ritmo cardiaco normal trabaja con este principio. Se carga un gran condensador a aproximadamente 400 julios de energía – esto es, 400 vatios por segundo. Entonces se descarga el condensador a través de grandes palas colocadas cruzando el pecho de la víctima. Ser desfibrilado es una horrible sacudida y puede ser fatal si se aplica mal. Nota que cualquier objeto conductor aislado de un segundo conductor por un aislador comprende un condensador. Por ejemplo, tu cuerpo es como un objeto conductor. Si estás calzando zapatos con suelas aislantes de goma y permaneces en un suelo metálico, eres ahora un condensador con respecto al suelo. Tu capacidad corporal puede ser típicamente de 50 picofaradios. Un picofaradio es una milésima de una milmillonésima de un Faradio. Esto suena trivial, pero no lo es.

Si la humedad es baja y tu cuerpo se carga al arrastrar tus pies en la alfombra de lana, tu cuerpo puede cargarse hasta un potencial de miles de voltios. Afortunadamente solo una tenue cantidad de carga se recoge en tu cuerpo, normalmente bastante menos de 1 microculombio. De otro modo podrías electrocutarte en lugar de ser, simplemente, sacudido cuando tocas un objeto metálico. Este fenómeno llega a ser importante cuando se manejan circuitos integrados y transistores. La descarga de la capacidad de tu cuerpo en un chip puede arruinarlo instantáneamente. Pon siempre a tierra tu cuerpo antes de tocar chips y transistores, especialmente chips hechos con transistores de efecto de campo.

Los condensadores en paralelo se calculan como las resistencias en serie

Si están colocados dos condensadores en paralelo, la capacidad de almacenamiento del par es la suma de los dos. Esto es fácil de visualizar. Si los condensadores son iguales, entonces el tamaño de las placas paralelas se dobla mientras todo el resto permanece igual.

Capacidad total = C1 + C2 + C3 +… etc.

Cuando los condensadores están en serie, el cálculo recuerda el de las resistencias en paralelo. Los condensadores en serie tienen menos habilidad para almacenar carga, pero ganan aislamiento extra y pueden aguantar mayor voltaje. La relación de voltaje de un condensador se llama voltaje de trabajo o "WV".

Capacidad equivalente = 1/ (1/C1 + 1/C2 + 1/C3 +… etc.)

La corriente que fluye en un condensador momento a momento mientras se está cargando puede ser calculada usando relaciones que están basadas en la ley de Ohm. Desgraciadamente, para expresar una fórmula que trabaje en todos los casos de voltajes cambiantes se requiere una ecuación diferencial. En general,

I = (dV/dt) / C

Donde t es tiempo y C = a la capacidad en faradios. "dV" significa "la diferencia de voltaje" y "dt" significa la diferencia de tiempo.

La vida es demasiado corta para que los aficionados consigan ir demasiado lejos en los cálculos a menos que te fascine. Afortunadamente raramente lo necesitamos. Hay casos especiales en los cuales podemos hacer cálculos más simples para lograr lo que queremos. Por ejemplo, desde el punto de vista de una corriente senoide AC, los condensadores se ven como resistencias. Esto es, el condensador toma una cantidad finita de tiempo para cargarse y descargarse. Por ello, cuando se aplica un voltaje senoide a un condensador, la corriente que fluye dentro y fuera del condensador estará limitada por cuanto voltaje ya está cargado en el condensador. En el otro extremo, cuando la frecuencia es infinitamente alta, el condensador tiene resistencia equivalente a cero "un corto circuito". En el extremo opuesto del espectro, para una corriente DC, el condensador se ve como un circuito abierto. Esto es, tendrá resistencia infinita. Después de todo, el condensador es solo un aislador separando dos conductores. Y si el voltaje cargado no cambia con la edad, no habrá corriente fluyendo dentro y fuera del condensador.

Reactancia capacitiva

A frecuencias entre cero e infinito un condensador resiste el flujo de corriente senoide como si fuese una resistencia. Puedes calcular la resistencia equivalente o reactancia capacitiva como sigue:

Reactancia en ohmios = 1 / [2π (frecuencia) (capacidad en faradios)]

Xc = 1 / (2 πf C)

Donde π es "Pi" o 3,1416 Por ejemplo, la reactancia de un condensador de 5 µ faradios a 50 Hz es: Xc = 1 / [2 π (50 Hz) (5 µ F) = 636 ohmios Podemos usar esta propiedad como de resistencia para atenuar señales senoides o hacer

divisores de tensión. Por ejemplo, dos condensadores de 5 microfaradios en serie

pueden dividir el voltaje de una onda senoide a la mitad.

A diferencia de un divisor comparable hecho de resistencias de 636 ohmios, la energía no puede ser disipada en los condensadores, así que no se calentarán y no malgastarán energía.

Condensadores electrolíticos

Los condensadores mayores de 1 microfaradio son casi siempre condensadores electrolíticos. En el divisor de arriba, los pequeños signos + sobre los símbolos de condensadores significa que son condensadores electrolíticos. También significa que cuando los cableas en un circuito debes cablearlos de modo que la marca + esté orientada a la línea alta con la polaridad de cualquier voltaje DC medio que pueda ser aplicado al condensador. En el ejemplo de arriba, la polaridad no debería ser problema porque los condensadores solo están expuestos a voltaje AC. Un condensador electrolítico consigue alta capacidad por medio de dos ardides: Primero, el aislante es una capa de óxido bañada electroquímicamente en una lámina de metal de aluminio o tántalo. La capa de óxido sirve como aislador y puede ser extremadamente delgada. La capacidad es inversamente proporcional a la distancia de las placas, así que cuanto más delgado el aislador, mayor la capacidad. Ya que el aislamiento está vinculado al metal, no hay separación entre el metal y el aislante y el contacto es tan íntimo como es posible. El segundo ardid es que, si bien un polo del condensador es la lámina metálica, el otro polo es una solución electrolítica, un baño de sal. El fluido está en un extremadamente íntimo contacto con el aislante, de modo que la ranura efectiva entre los dos cuerpos conductivos es realmente fina, solo de unas pocas moléculas de espesor.

Los condensadores electrolíticos deben ser cableados con la polaridad correcta

Ahora las malas noticias: los condensadores electrolíticos están polarizados. En otras palabras, deben estar orientados en el circuito de modo que un polo es siempre positivo y el otro es siempre negativo. Si el electrolítico se cablea al revés, la capa aislante de óxido será corroída por la corriente DC y el condensador se cortará. Cuando ocurre el corto, normalmente el condensador desahoga una nube de olor asqueroso, o en caso de condensadores de tántalo pueden incluso causar un fuego. Es extremadamente excitante tener uno que se estropee en tu cara. Por ello haz siempre un esfuerzo extra en asegurar que la polaridad es la correcta. Esto es especialmente vital en fuentes de alimentación DC donde el condensador está siempre sujeto a la misma polaridad.

Afortunadamente, en circuitos de baja potencias está bien si la polaridad es invertida brevemente. Por ejemplo, si es usado un condensador electrolítico para excitar un altavoz Hi-Fi de alta potencia, el voltaje de audio señal es tanto positivo como negativo según pasa la señal de música. Pero cuando no hay sonido presente, el condensador debe estar orientado, de modo que el voltaje DC local tenga la polaridad correcta por el condensador. Hay también condensadores especiales llamados “electrolíticos no polalrizados”. Están hechos de dos condensadores electrolíticos espalda con espalda. Generalmente son más del doble de grandes de un condensador electrolítico polarizado de la misma capacidad.

INDUCTORES

Los inductores son la función opuesta a los condensadores. Recuerda que el voltaje que cruza un condensador no puede cambiar instantáneamente. De forma similar, la corriente a través de un inductor no puede cambiar instantáneamente. Cuando los electrones fluyen a través de un cable aparece un campo magnético en el espacio alrededor del hilo. Esta energía flota en el espacio que rodea al hilo. Ya que la energía es real, no aparece sin un costo. El precio pagado para establecer el campo es que la energía debe ser empleada en el cable para “cargar” el campo magnético antes que los electrones puedan pasar a través. Cuando la corriente comienza primeramente a fluir, el cable parece como una “resistencia” durante un momento. Luego, después que ha sido establecido el campo, esta seudo-resistencia cae a cero y la corriente directa fluye sin impedimentos. Esta propiedad de los cables se llama “inductancia”. A cable más grande, más inductancia tiene. La inductancia es medida en Henrios. Es llamada así por Joseph Henry, un físico inglés que describió primeramente este fenómeno. En las ecuaciones, la inductancia está representada por la letra “L”, lo cual no tiene mucho sentido pero no quedaban muchas letras libres.

Diseño de inductor

El cuadro inferior muestra varias vueltas de hilo alrededor de un “inductor”. Una bobina de hilo como ésta tiene más inductancia que la que se podría esperar de una longitud recta del mismo hilo. Los campos magnéticos de cada vuelta se solapan y recogen en el centro de la bobina.

A más vueltas en una bobina, más inductancia se genera. De hecho, la inductancia es proporcional al cuadrado del número de vueltas. Por ello una bobina de siete vueltas como una de las de arriba tiene 7² o 49 veces más inductancia que una simple vuelta pueda tener. Nota que el campo magnético producido por esta bobina es un imán genuino. De hecho, elevará ficheros de hierro. ¡Grandes electroimanes como éste son usados en chatarrerías para elevar coches! A diferencia de un imán de nevera, este imán puede activarse y desactivarse usando el interruptor.

Si quieres construir un gran electroimán del tipo de chatarrería, una bobina de núcleo de aire como la de arriba no sería práctica. En el momento que hubieses arrollado suficientes vueltas para generar un campo lo suficientemente fuerte para elevar un coche, habrás necesitado kilómetros de hilo. Kilómetros de fino hilo tendría una enorme resistencia eléctrica. Esta no es la clase de resistencia llamada “impedancia” o “reactancia” sino solo la resistencia del cobre con el que se hacen los hilos normales. Para empujar grandes corrientes a través de una alta resistencia se toma una fuente de alimentación de alto voltaje y alta corriente. Si realmente hicieses eso, todas aquellas vueltas de hilo fino empaquetadas juntas en una bobina deberían arder hasta quemar. Como habíamos dicho arriba, potencia = corriente por voltaje. Una bobina de resistencia alta estaría en peligro de derretirse ya que la energía disipada en ella sería demasiado alta. Como demuestran los imanes permanentes, los campos magnéticos no requieren consumo de potencia para nada una vez ha sido establecido el campo. Solo se necesita una corriente para generar un campo magnético. En un imán permanente los electrones orbitando alrededor del hierro u otros átomos magnéticos proporcionan la corriente. No se necesita potencia externa para mantener esos electrones orbitando, de modo que un imán permanente puede generar el campo permanente. En teoría, un hilo superconductor puede arrollarse en un lazo cerrado para producir un imán permanente teniendo una corriente circulante a través del lazo infinitamente sin pérdida para formar un imán permanente. En la práctica, la inviabilidad de hilo superconductor a alta temperatura, alta corriente, hace este sueño impráctico. En lugar de ello, el hierro ordinario puede ser “renovado” para formar un imán incluso cuando no está cristalizado con todos los átomos magnéticos alineados en la misma dirección. Los electroimanes son construidos arrollando una bobina alrededor de una pieza de hierro.

La corriente a través de un inductor no puede cambiar instantáneamente

En electrónica, la propiedad simple más importante de los inductores es que la corriente a través de un inductor no puede cambiar instantáneamente. El voltaje que cruza un inductor puede cambiar inmediatamente pero la corriente no puede cambiar hasta que el campo magnético que rodea el inductor ha sido aumentado o disminuido. Es decir, el voltaje debe cambiar a través del inductor para forzar un cambio en la corriente y su correspondiente campo magnético. En resumen, los inductores son lo opuesto a los condensadores. Como con los condensadores, la ley de Ohm trabaja con los inductores solo cuando el voltaje excitador es una onda senoide continua operando a una frecuencia constante. Los inductores se usan comúnmente en circuitos electrónicos de cuatro formas:

los inductores son usados para prolongar el flujo de corriente en una resistencia y mantener la corriente constante. Esto previene oleadas de corrientes que puedan de otro modo dañar otros componentes. Son usados en filtros de varias clases para regular voltajes y corrientes.
los inductores generan campos magnéticos que atraen hierro y producen movimiento. Consecuentemente, los inductores son un componente para relés, solenoides y altavoces.
los inductores, como parte de transformadores o actuando solos, son usados para cambiar niveles de voltaje
los inductores son usados con condensadores para formar circuitos resonantes. Los circuitos resonantes condensador/inductor son el corazón de la radio tecnología y serán discutidos posteriormente en detalle.

La inductancia es medida en Henrios

La unidad de inductancia es el Henrio. Un henrio es un inductor relativamente grande. Un inductor tan grande casi siempre tiene un núcleo de hierro y suele ser usado en aplicaciones de baja frecuencia como fuentes de alimentación. A frecuencias de radio un microhenrio es una inductancia significativa. Como verás la mayoría de circuitos de radio usan inductores en el rango de 1 a 100 microhenrios. La habilidad de manejo de energía del inductor está clasificada en amperios. Por ejemplo, un pequeño inductor puede tener el valor de 1 milihenrio a 100 miliamperios. Si pones más de 100 mA a través de él, el cable puede quemarse o si tiene un núcleo de hierro, el hierro se puede saturar y la inductancia caerá dramáticamente a mucho menos de su valor de 1 mH. Los núcleos de hiero y la saturación se tratarán en más detalle brevemente.

Inductores en serie

Cuando la corriente pasa a través de dos o más inductores en serie, la inductancia total será igual a la suma de los inductores. Cuando están colocados dos inductores iguales en serie, la corriente que pasa a través se dobla con muchos obstáculos, el flujo de corriente cargará los inductores a la mitad de rapidez pero doblará la energía del campo magnético que será almacenada.

Para calcular la inductancia equivalente de varios inductores en serie, simplemente suma las inductancias separadas.

Inductancia equivalente = L1 + L2 + L3 + L4 +… etc.

Inductores en paralelo

Cuando dos inductores iguales están en paralelo, la inductancia vista por el voltaje fuente será la mitad de la que fuese un inductor. Esto origina que se doble la corriente AC a fluir y la energía del campo magnético cambiará el doble de rápido y la mitad de grande.

Cuando los inductores son iguales en tamaño, la corriente AC que sacarán en paralelo obviamente es obvia. Pero cuando los inductores en paralelo tienen diferentes inductancias entonces necesitarás calcular la inductancia equivalente usando la fórmula:

Inductancia equivalente = 1 / (1/L1 + 1/L2 + 1/L3 +… etc.)

Esto es, la resistencia equivalente es la inversa de la suma de las inversas de las resistencias. Si solo hay dos resistencias, entonces la fórmula es ligeramente menos enrevesada, pero si acaso más dura de recordar:

Inductancia equivalente = L1 x L2 / (L1 + L2)

El cálculo del flujo de corriente senoide a través de los inductores y el voltaje que pasa por ellos puede ser hecho usando la ley de Ohm. Desgraciadamente, como con los condensadores, cuando la corriente no es una onda senoide constante, los cálculos son complicados porque el flujo de corriente depende del tiempo. Para hacerlo correctamente de un modo que trabaje bajo todas las circunstancias requiere una ecuación diferencial específica

Voltaje (t) = L dl/dt

Donde t es tiempo y L = inductancia en Henrios. ¿Por qué “L”? La inductancia podría haber sido “I” pero ya se entiende para corriente. Afortunadamente, los aficionados raramente necesitan hacer estos cálculos. Sin embargo cuando la corriente cambiante es una onda senoide, el voltaje o resistencia equivalente (reactancia inductiva) de un inductor es fácil de calcular.

Reactancia inductiva

Desde el punto de vista de una onda senoide AC de corriente constante, los inductores se ven como resistencias. En un extremo, si la frecuencia es infinitamente alta, la resistencia AC equivalente es infinita. En el extremo opuesto del espectro, para una corriente DC, el inductor se ve como una gran pieza de hilo de cobre. Dicho de otro modo, para DC, un inductor perfecto tendría cero resistencia.

Para frecuencias entre cero e infinito, un inductor resiste el flujo de corriente senoide como si fuese una resistencia. Puedes calcular la resistencia equivalente o reactancia inductiva como sigue:

Reactancia en ohmios = 2 π (frecuencia) (inductancia en Henrios)

XL = 2 π f L

Por ejemplo, la reactancia de un inductor de 5 Henrios a 50 Hercios es:

XL = 2 π (50 Hz) (5 H) = 1.571 ohmios

Como los condensadores, los inductores pueden ser usados como resistencias para atenuar corrientes o divisores de voltaje. Por ejemplo, dos inductores de 5 Henrios en serie pueden dividir el voltaje de una onda senoide a la mitad. A diferencia de un divisor comparable hecho de resistencias de 1.571 ohmios, virtualmente no debería ser disipada energía en los inductores.

Si quieres una reactancia de 530 ohmios como los divisores de voltaje previos entonces puedes resolver la inductancia comenzando con 530 ohmios. Como puedes ver, reactancia más pequeña significa una inductancia más pequeña.

530 ohmios = 2 π (50 Hz) (L), L = 1,7 Henrios.

Inductores con núcleo de hierro

Una barra de hierro colocada dentro de una bobina aumenta enormemente la inductancia y la energía del campo magnético en tramos de magnitud. Esto es como se hacen los electroimanes de alta fuerza. En el circuito divisor de arriba las líneas rayadas a continuación de los símbolos de inductores significan que el inductor tiene un núcleo de hierro. En la práctica, cualquier inductor más grande de 0,5 Henrios tendrá casi siempre un núcleo de hierro para conseguir tan alta inductancia. Puede ser que si la oportunidad de que la temperatura de los superconductores llegue a ser práctica, esto pueda cambiar. Pero por ahora gran inductancia significa núcleo de hierro.

Transformadores

Los transformadores son dispositivos consistentes de dos o más inductores que comparten el mismo campo magnético. Supón que dos bobinas están colocadas próximas una a otra de modo que el campo magnético de una bobina pasa a través de la otra: Un campo magnético cambiante acopla energía de una bobina a otra. Si ponemos un voltímetro u osciloscopio a lo largo de la resistencia de la bobina secundaria, veremos un voltaje saltando desde cero, luego desvaneciéndose inmediatamente bajando a cero según el campo magnético en la bobina se estabiliza. Una vez se establece un campo magnético estático en ambas bobinas, no habrá voltaje pasando el arrollamiento secundario y resistencia.

Transformadores con núcleo de hierro