Aplicar Tensión o Aplicar Corriente
 

www.geocities.ws/danielperez    www.qsl.net/lw1ecp   Ing. Daniel Pérez    LW1ECP   

fb: Daniel Ricardo Perez Alonso    contacto: danyperez1{arrroba}yahoo.com.ar

ANTES DE SEGUIR LEYENDO: en los foros de electrónica se ven preguntas que dan la impresión de no tener bien los conceptos de tensión y corriente, p. ej. "Cuántos volts CIRCULAN por este circuito?". Recordar:
- la tensión o voltaje de una fuente es la "fuerza" que es capaz de hacer circular los electrones, la fuerza electromotriz (FEM), se mide en volts.
- la intensidad de corriente es el "caudal" de electrones que circulan, se mide en amperes.
- cuando una corriente pasa por algo que no sea un conductor (p. ej. un resistor, un diodo) también aparece una tensión entre sus conexiones, también se mide en volts, pero se la llama caída de tensión o diferencia de potencial DDP.

En electrónica se suele hablar de fuentes de tensión y fuentes de corriente. Hay principiantes que preguntan "pero una fuente de tensión no entrega también corriente?". El asunto es así: uno diseña o regula la fuente para que genere una cierta tensión, y se mantiene constante aunque no le conectes nada o la conectes a un circuito que consuma corriente. Por eso se dice que es una fuente "de tensión". La corriente que circule al conectarle un circuito dependerá de esa tensión y del circuito.

Bien, regulemos una fuente de tensión en 0,5V y la conectamos a un diodo, para polarizarlo (alimentarlo) en directa. Es decir, negativo al cátodo y positivo al ánodo. Elegimos el conocido 1N4148. Poniendo un miliamperímetro en serie, vemos que la corriente que circula es cero, o tan chica que no la puedo medir.
Subo la tensión a 0,7V y ahora circulan 5mA.
Luego la llevo a 1,0V y me sorprende que la corriente aumentó un montón, mido 170mA.
Qué comportamiento raro. Los resistores se portan más educadamente: por ley de Ohm si aplico 0,5V y mido una corriente, entonces con el doble de tensión tendré el doble de corriente. En cambio, con este diodo pasó de nada, a un valor tan alto que casi lo puedo quemar.
Lo que pasa es que en un resistor, la relación entre la tensión aplicada y la corriente que circula (o sea, su resistencia) es constante, pero en un diodo no, entonces no puedo aplicar la ley de Ohm. El fabricante no me puede decir "este diodo tiene tantos ohms" sino que me tiene que dar esa curva de corriente versus tensión.

Y qué pasa si a un diodo lo conecto a una fuente de corriente? Como te podrás imaginar por el nombre, ahora es una fuente que se esmera en hacer circular la corriente que uno desea sin importar qué le conecto. Ese tipo de fuentes no es común, salvo en laboratorios. Pero la puedo simular usando una fuente de tensión relativamente alta con un resistor en serie. Supongamos que tengo una fuente de 100V, y en el positivo conecto un resistor de 10k. Si el otro lado del resistor lo conecto al negativo (digamos que hago un cortocircuito en ese lado), circularán 100V / 10.000 ohm = 0,01A, o sea 10mA. Si en vez de ese cortocircuito conecto un resistor de 100 ohm, tendré una R total de 10,1k, circularán 100 / 10,1k = 9,9mA, prácticamente lo mismo.
Bien, ahora reemplazo el R de 100 por el diodo en directa. Como lo estoy alimentando con una fuente de corriente, esta vez estoy seguro de cuánta corriente le estará circulando. Y para saber cuánta será la tensión sobre el diodo, voy a la curva pero esta vez entro al revés: entro por el eje de corriente en 10mA, choco con la curva, y el eje de tensión me dice que son 735mV.
Es importante destacar que no le estoy APLICANDO 735mV. Le estoy aplicando 10mA y CAEN 735mV sobre el diodo. Es el diodo el que decide cuánta "caída de tensión" habrá entre sus patas.
Por supuesto, si vuelvo a la fuente de tensión y le aplico 735mV, resultará una corriente de 10mA.
Pero sigamos con la fuente de corriente simulada. Si subo a 200V, estará circulando 20mA. La curva nos dice que caerán 775mV, un poco más.

Qué conclusión sacamos de todo esto? Que:

- si a un diodo lo alimentamos con tensión, una variación de ésta produce un gran cambio de la corriente resultante; y al revés:

- si lo alimentamos con corriente, al variarla varía poco la caída de tensión.

Los problemas de aplicar una tensión a un diodo son varios:
- Los diodos fabricados con un mismo código no son todos iguales. Si la curva en el manual del fabricante me dice que con 735mV circula 10mA, eso es un promedio de la fabricación. En algunos puede ser que llegue a 25mA, en otros sólo 4mA. Parecería que el fabricante nos está vendiendo cualquier cosa!
- En un mismo diodo la curva se corre según la temperatura de su juntura. Los valores mencionados son para 25 grados Celsius. Para otras temperaturas hay otras curvas. Con 65 Celsius, 735mV harán circular 35mA, y con 40 bajo cero serán menos de 1mA. Qué desastre!

Moraleja: al diseñar un circuito, evitar que a un diodo se le aplique una determinada tensión. Tratar de que sea excitado por una fuente de corriente, o que tenga una suficiente resistencia en serie. De lo contrario, su "punto de trabajo" será impredecible.
En circuitos que manejan pequeñas potencias, para diodos de silicio como éste, si no se tiene datos del fabricante es común adoptar en las cuentas una caída del orden de 700mV. Para corrientes cercanas al máximo que aguantan, la caída puede exceder un poco de 1V.

En diodos con otro tipo de material, la caída típica es diferente. En los de germanio es menor. En los LEDs infrarrojos, rojos, amarillos, verdes y azules, haciéndoles circular 10mA la caída aproximada es de 1,1 / 1,6 / 1,9 / 2,0 / 2,9V respectivamente. Los LED blancos tienen un chip de LED azul (y además una sustancia en la cápsula que convierte el azul en más colores), por lo tanto también funcionan con unos 3V.
La foto es cómo medí las caídas de tensión. Estando todos los LED en serie, la corriente que circula por cada uno es la misma, y voy conectando el multímetro a cada uno.

Y como las pilas de litio también son de 3V, muchos conectan directamente un LED blanco a una pila, o sea lo alimentan con tensión. Está bien o está mal? Según el modelo y lote de fabricación del LED y la temperatura, la corriente bien podría estar en cualquier valor entre 1mA y 20mA, digamos. Si Ud. simplemente quiere que el LED "prenda", Ok. Si necesita que el funcionamiento sea predecible, mejor use una tensión más alta (p. ej. una batería de plomo de 4V) y agregue un resistor en serie.

Si se polariza un diodo en inversa, ahí sí que lo correcto es aplicarle tensión. La corriente resultante es pequeña y no varía abruptamente al variar la tensión inversa, siempre y cuando no sea tan alta que se llegue a la tensión de ruptura del diodo. Si se quiere trabajar en esta tensión zener, nuevamente es imprescindible excitar con corriente o con un R en serie.

Y qué pasa con los transistores? La juntura base-emisor se polariza normalmente en directa, y vale todo lo dicho para los diodos: la corriente de base Ib varía muy empinada si la juntura se alimenta con tensión. Además, está la corriente de colector Ic, que es igual a Ib multiplicada por hFE (beta): si no está limitada por un resistor, y si se aplica tensión descuidadamente a B-E puede ser que el transistor se destruya por Ic o disipación excesivas aunque no se exceda Ib.
Hay dos formas de "educar" a Ib:

- con un R en serie con la base, como en el caso de cualquier diodo.

- con un R en serie con el emisor, pero como por esa pata pasa no sólo Ib sino también Ic, entonces su valor deberá ser bastante menor.

Ejemplo: supongamos un transistor con hFE = 200, adopto Vbe = 0,7V. Quiero saber cómo alimentar su base desde una tensión de 5,6V. Para simplificar la idea, no conectaremos nada al colector, le aplicamos 12V directamente. Quiero que conduzca una Ic = 10mA.

Sabemos que Ic es igual a Ib multiplicada por hFE. Por lo tanto, acá la Ib tiene que ser igual a 10mA / 200 = 0,05mA = 50uA.

Si el emisor está a masa y uso un R en serie con la base para fijar Ib, como tendrá 5,6V de un lado y los 0,7V del otro, su valor tendrá que ser R = V / I = (5,6 - 0,7) / 0,05 = 98k.

Ahora probemos la otra posibilidad: no pongo ningún R en serie con la base, pero sí en serie con el emisor. La corriente que entra por la base sale por el emisor, y la que entra por el colector también. Por lo tanto, Ie = Ic + Ib = 10 + 0,05 = 10,05mA. Como en la base tenemos 5,6V y Vbe = 0,7V , en el emisor con respecto a masa hay 5,6 - 0,7 = 4,9V. El R tiene que ser de 4,9 / 10,05 = 0,488k = 488 ohm.

También podemos deducir que Ie = Ib* (hFE + 1) = 0,05 * 201 = 10,05mA

Atención! Estamos aplicando TENSIÓN directamente a la base! Por qué el transistor no se quema? Porque los 5,6V son entre la pata de base y masa, NO entre base y emisor.

Y para qué serviría este circuito? Acá lo vemos con un uso práctico. Los 5,6V vienen de un zener de 5,6V. Al zener lo alimento desde los 12V con un resistor calculado para que pase 1mA. En realidad, al zener le llegará un poco menos de 1mA porque una pequeña parte se va a la base. Lo que va al emisor no es un resistor sino un circuito digital que funciona con 5V. Si en vez de 10,05mA consumiera 5 o 30mA, no importa: Ib, que es hFE+1 veces menor, tendrá la misma variación relativa, pero como la relación entre Vbe y Ib es como en un diodo, Vbe variará poco, manteniendo bastante constante la tensión que el emisor entrega al circuito.

Y no se podría usar un zener de 5V y alimentar al circuito directamente sin el transistor? Teóricamente sí, pero es una forma poco eficiente. Si mi circuito a veces consume 30mA, y cuando no hace nada consume mucho menos, el R que alimenta al zener habría que calcularlo como para que siempre le pase un poco más de 30mA, o sea que se desperdiciará corriente calentando al zener cuando esté en reposo. El esquema con el transistor sólo consumirá 1mA más aparte de lo que tome el circuito.

Confesiones

Ahora que leíste todo lo anterior, te cuento algunas simplificaciones que hice para no complicar.

- Al hablar de fuente de tensión supusimos que no varía en absoluto. Por supuesto, en la realidad es normal que la tensión baje un poco al tomar corriente desde la fuente, y las fuentes electrónicas además suelen tener un sistema de protección que corta o reduce la tensión de salida si la corriente llega a valores peligrosos para la fuente.

- Habrás notado que no me fijé en ninguna curva para conocer Vbe. Y si no fuese de 700mV? Como mucho podrá estar entre 650 y 750mV para este nivel de corriente según el transistor que me vendan, esa misma variación se reflejará en la tensión de salida, o sea variará poco.

- Los diodos zener, además de tener una tolerancia en su tensión (comúnmente de +/- 5%), el fabricante los especifica para una cierta corriente aplicada. Si uso un zener de 5,6V especificado para 10mA y que tenga exactamente 5,6V en esas condiciones, si le aplico 1mA es seguro que presentará una tensión algo menor.

- En la figura en que alimento al diodo con tensión, el voltímetro tal como está dibujado está midiendo la salida de la fuente. Suponiendo que el miliamperímetro tenga una resistencia interna cero, entonces toda la tensión de la fuente llega al diodo. En la realidad, siempre tienen una resistencia que se trata que sea lo menor posible. Por el contrario, un voltímetro perfecto debería tener una resistencia de entrada infinita y por lo tanto no le debería entrar nada de corriente, pero comúnmente esa resistencia es de 1 o 10 megohm.