The Art of Electronics

1. La electrónica es una combinación de leyes, reglas y trucos prácticos.

El enfoque de este libro refleja nuestra filosofía de que la electrónica, tal como se practica actualmente, es básicamente un arte simple, una combinación de algunas leyes básicas, reglas generales y una gran bolsa de trucos.

Arte sobre teoría. La electrónica no se trata solo de teorías abstractas, sino también de la aplicación práctica del conocimiento. Es un campo donde la intuición, la experiencia y una colección de técnicas útiles son tan importantes como las fórmulas matemáticas. Este libro enfatiza el "arte" de la electrónica, centrándose en los métodos que realmente utilizan los diseñadores de circuitos.

Leyes y reglas generales. La base de la electrónica se apoya en leyes fundamentales como la Ley de Ohm y las Leyes de Kirchhoff. Sin embargo, estas leyes a menudo se complementan con reglas generales, aproximaciones y técnicas prácticas que simplifican el diseño y análisis de circuitos. Estas reglas son esenciales para cálculos rápidos y una comprensión intuitiva.

Trucos prácticos. Más allá de las leyes y reglas, la electrónica implica una vasta colección de trucos y técnicas prácticas que los diseñadores experimentados acumulan con el tiempo. Estos trucos, a menudo no documentados en los libros de texto, son esenciales para resolver problemas del mundo real y optimizar el rendimiento de los circuitos.

2. La tensión y la corriente son fundamentales, con roles distintos.

Las corrientes fluyen a través de los elementos, y las tensiones se aplican (o aparecen) a través de ellos.

Definiendo tensión y corriente. La tensión es la diferencia de potencial entre dos puntos, representando la energía necesaria para mover una carga unitaria. La corriente es la tasa de flujo de carga eléctrica a través de un punto. Estas dos magnitudes son la base de todos los circuitos electrónicos.

Tensión a través, corriente a través. Es crucial entender los roles distintos de la tensión y la corriente. La tensión siempre se mide entre dos puntos, mientras que la corriente se mide a través de un dispositivo o conexión. Usar la terminología correcta es esencial para una comunicación clara y un análisis preciso de circuitos.

Visualizando con instrumentos. Aunque la electricidad es invisible, sus efectos pueden ser observados y medidos utilizando instrumentos como osciloscopios y voltímetros. Estas herramientas nos permiten "ver" tensiones y corrientes en un circuito como función del tiempo, proporcionando valiosos conocimientos sobre el comportamiento del circuito.

3. Los resistores relacionan tensión y corriente de manera lineal, disipando potencia.

Un resistor está hecho de algún material conductor (carbono, o una fina película de metal o carbono, o un alambre de baja conductividad), con un cable o contactos en cada extremo.

Ley de Ohm. Los resistores son componentes caracterizados por su resistencia (R), que relaciona la tensión (V) y la corriente (I) a través de la Ley de Ohm: V = IR. Esta relación lineal es un principio fundamental en el diseño de circuitos.

Disipación de potencia. Los resistores disipan potencia eléctrica en forma de calor, siendo la potencia (P) dada por P = IV = I²R = V²/R. Comprender la disipación de potencia es crucial para seleccionar resistores con clasificaciones de potencia adecuadas para prevenir el sobrecalentamiento y fallos.

Combinaciones en serie y paralelo. Los resistores pueden combinarse en serie y paralelo para lograr los valores de resistencia deseados. La resistencia equivalente de resistores en serie es la suma de las resistencias individuales, mientras que la resistencia equivalente de resistores en paralelo es el recíproco de la suma de sus recíprocos.

4. El teorema de Thévenin simplifica el análisis de circuitos.

El teorema de Thévenin establece que cualquier red de dos terminales de resistores y fuentes de tensión es equivalente a un solo resistor R en serie con una sola fuente de tensión V.

Simplificando circuitos complejos. El teorema de Thévenin proporciona una herramienta poderosa para simplificar circuitos complejos. Establece que cualquier red de dos terminales de resistores y fuentes de tensión puede ser reemplazada por una sola fuente de tensión (VTh) en serie con un solo resistor (RTh).

Encontrando el equivalente de Thévenin. Para encontrar el equivalente de Thévenin de un circuito, calcula la tensión en circuito abierto (VTh) y la corriente en cortocircuito (Isc). La resistencia de Thévenin se da entonces por RTh = VTh / Isc.

Aplicaciones del teorema de Thévenin:

• Simplificar el análisis de circuitos reduciendo redes complejas a equivalentes más simples.
• Determinar la máxima transferencia de potencia a una carga.
• Comprender los efectos de carga de un circuito sobre una fuente de señal.

5. Las señales varían en el tiempo, siendo las ondas sinusoidales un ejemplo clave.

El gran mérito de las ondas sinusoidales (y la causa de su perenne popularidad) es el hecho de que son las soluciones a ciertas ecuaciones diferenciales lineales que describen muchos fenómenos en la naturaleza, así como las propiedades de los circuitos lineales.

Describiendo señales. Las señales, que son voltajes o corrientes que cambian con el tiempo, pueden caracterizarse por su amplitud, frecuencia y forma de onda. Las formas de onda comunes incluyen ondas sinusoidales, ondas cuadradas, ondas triangulares y pulsos.

Ondas sinusoidales como un bloque fundamental. Las ondas sinusoidales son particularmente importantes porque son las soluciones a ecuaciones diferenciales lineales que describen muchos fenómenos físicos. Cualquier forma de onda compleja puede descomponerse en una suma de ondas sinusoidales de diferentes frecuencias y amplitudes (análisis de Fourier).

Decibelios para relaciones de señal. El decibelio (dB) es una unidad logarítmica utilizada para expresar la relación entre dos amplitudes o potencias de señal. Es particularmente útil para representar grandes relaciones y para simplificar cálculos que involucran etapas en cascada.

6. Los capacitores e inductores introducen un comportamiento dependiente de la frecuencia.

A grandes rasgos, los capacitores son dispositivos que podrían considerarse simplemente resistores dependientes de la frecuencia.

Capacitores e inductores como componentes reactivos. A diferencia de los resistores, los capacitores y los inductores exhiben un comportamiento dependiente de la frecuencia. Los capacitores almacenan energía en un campo eléctrico, mientras que los inductores almacenan energía en un campo magnético.

Reactancia capacitiva e inductiva. La oposición al flujo de corriente que ofrecen los capacitores y los inductores se llama reactancia. La reactancia capacitiva (XC) es inversamente proporcional a la frecuencia, mientras que la reactancia inductiva (XL) es directamente proporcional a la frecuencia.

Circuitos RC y constantes de tiempo. La combinación de resistores y capacitores crea circuitos con un comportamiento dependiente del tiempo. La constante de tiempo (τ = RC) determina la velocidad a la que un capacitor se carga o se descarga en un circuito RC.

7. Los diodos son elementos no lineales que permiten la rectificación y más.

Un resistor está hecho de algún material conductor (carbono, o una fina película de metal o carbono, o un alambre de baja conductividad), con un cable o contactos en cada extremo.

Flujo de corriente unidireccional. Los diodos son dispositivos semiconductores que permiten que la corriente fluya fácilmente en una dirección (polarización directa) y bloquean el flujo de corriente en la dirección opuesta (polarización inversa). Este comportamiento no lineal los hace útiles para la rectificación, detección de señales y regulación de voltaje.

Rectificación y fuentes de alimentación. Los diodos son componentes esenciales en fuentes de alimentación, donde convierten corriente alterna (CA) en corriente continua (CC). La rectificación puede ser de media onda o de onda completa, siendo esta última más eficiente en el uso de la forma de onda de CA.

Diodos Zener para regulación de voltaje. Los diodos Zener son tipos especiales de diodos que exhiben un voltaje de ruptura agudo en la dirección inversa. Pueden ser utilizados para crear reguladores de voltaje simples, proporcionando un voltaje de salida estable a pesar de las variaciones en el voltaje de entrada o la corriente de carga.

8. Los componentes activos como los transistores amplifican señales.

La electrónica, quizás más que cualquier otro campo de la tecnología, ha disfrutado de un desarrollo explosivo en las últimas cuatro décadas.

Componentes activos versus pasivos. Los componentes activos, como los transistores, son capaces de amplificar señales, aumentando su potencia. Los componentes pasivos, como resistores, capacitores e inductores, no pueden amplificar señales, pero son esenciales para dar forma y controlar las mismas.

Transistores como amplificadores. Los transistores pueden ser utilizados para crear amplificadores, que aumentan la amplitud de una señal. Los amplificadores son esenciales para potenciar señales débiles a niveles que pueden ser fácilmente procesados o utilizados para accionar otros dispositivos.

Transistores como interruptores. Los transistores también pueden ser utilizados como interruptores, controlando el flujo de corriente en un circuito. Los interruptores de transistor son ampliamente utilizados en circuitos de lógica digital y aplicaciones de control de potencia.

9. Los transistores bipolares pueden actuar como interruptores o amplificadores.

Primer modelo de transistor: amplificador de corriente.

Amplificación de corriente. Los transistores de unión bipolar (BJT) son dispositivos de tres terminales que controlan una gran corriente de colector (IC) con una pequeña corriente de base (IB). La relación de IC a IB se llama ganancia de corriente (β o hFE).

BJT como interruptor. Los BJT pueden ser utilizados como interruptores operando en la región de corte (sin flujo de corriente) o en la región de saturación (flujo máximo de corriente). La corriente de base controla el estado del interruptor.

BJT como amplificador. Los BJT también pueden ser utilizados como amplificadores operando en la región activa, donde la corriente de colector es proporcional a la corriente de base. La ganancia de voltaje de un amplificador BJT depende de la configuración del circuito y los valores de los componentes.

10. Los transistores de efecto de campo ofrecen alta impedancia de entrada y capacidades de conmutación únicas.

Introducción a los amplificadores operacionales – el “componente perfecto”.

Fuente de corriente controlada por voltaje. Los transistores de efecto de campo (FET) son dispositivos de tres terminales que controlan el flujo de corriente entre los terminales de drenaje y fuente variando el voltaje aplicado al terminal de puerta. A diferencia de los BJT, los FET tienen una impedancia de entrada muy alta, extrayendo una corriente despreciable de la puerta.

FET como interruptor. Los FET pueden ser utilizados como interruptores analógicos, permitiendo que las señales pasen con una distorsión mínima cuando la puerta está debidamente polarizada. También se utilizan ampliamente en circuitos de lógica digital, donde su alta impedancia de entrada y bajo consumo de energía son ventajosos.

FET como amplificador lineal. Los FET también pueden ser utilizados como amplificadores lineales, aunque su transconductancia (ganancia) es generalmente menor que la de los BJT. Sin embargo, su alta impedancia de entrada los hace ideales para amplificar señales de fuentes de alta impedancia.

11. Los amplificadores operacionales son bloques de construcción versátiles para circuitos de precisión.

Introducción a los amplificadores operacionales – el “componente perfecto”.

Amplificadores diferenciales de alta ganancia. Los amplificadores operacionales (op-amps) son amplificadores diferenciales de alta ganancia con una salida de un solo extremo. Están diseñados para ser utilizados con retroalimentación negativa, lo que estabiliza su ganancia y mejora su rendimiento.

Circuitos de op-amp. Los op-amps pueden configurarse para realizar una amplia variedad de funciones, incluyendo amplificación, filtrado, integración, diferenciación y más. Su versatilidad y facilidad de uso los convierten en bloques de construcción esenciales para el diseño de circuitos analógicos.

Limitaciones de los op-amps. Aunque los op-amps a menudo se tratan como componentes ideales, tienen limitaciones como ganancia finita, ancho de banda, tasa de cambio, corriente de polarización de entrada y voltaje de offset. Comprender estas limitaciones es crucial para diseñar circuitos de alto rendimiento.

12. El ruido, la interferencia y la conexión a tierra son consideraciones críticas en el diseño de circuitos.

“Ruido”.

Fuentes de ruido. El ruido son señales eléctricas no deseadas que pueden oscurecer o distorsionar señales deseadas. Las fuentes comunes de ruido incluyen el ruido de Johnson (ruido térmico en resistores), ruido de disparo (fluctuaciones estadísticas en la corriente) e interferencia (señales de fuentes externas).

Relación señal-ruido. La relación señal-ruido (SNR) es una medida de la fuerza de una señal deseada en relación con el ruido de fondo. Una alta SNR es esencial para mediciones precisas y un funcionamiento confiable del circuito.

Apantallamiento y conexión a tierra. Las técnicas adecuadas de apantallamiento y conexión a tierra son cruciales para minimizar la interferencia y el ruido en circuitos electrónicos. El apantallamiento reduce el acoplamiento capacitivo, mientras que la conexión a tierra proporciona un camino de baja impedancia para que fluyan corrientes no deseadas.

Última actualización: February 4, 2025