La belleza interior de la electrónica básica

Jul 03, 2023

Open Circuits muestra la sorprendente complejidad de los componentes pasivos

Eric Schlaepfer fueintentando para reparar una pieza rota del equipo de prueba cuando encontró la causa del problema: un condensador de tantalio defectuoso. De algún modo el componente había sufrido un cortocircuito y quería saber por qué. Así que lo pulió para echar un vistazo al interior. Nunca encontró la fuente del corto, pero él y su colaborador, Windell H. Oskay, descubrieron algo aún mejor: un impresionante mundo oculto dentro de la electrónica. Lo que siguió fueron horas y horas de pulido, limpieza y fotografía que dieron como resultado Circuitos abiertos: la belleza interior de los componentes electrónicos (No Starch Press, 2022), cuyo extracto sigue. Como escriben los autores, todo lo relacionado con estos componentes está diseñado deliberadamente para satisfacer necesidades técnicas específicas, pero ese diseño conduce a una "belleza accidental: la estética emergente de cosas que nunca se esperaba ver".

De un libro que abarca el amplio mundo de la electrónica, lo que en IEEE Spectrum encontramos sorprendentemente convincente fue el interior de cosas en las que no dedicamos mucho tiempo a pensar: los componentes pasivos. Los transistores, los LED y otros semiconductores pueden ser el lugar donde está la acción, pero la física simple de las resistencias, los condensadores y los inductores tiene su propio tipo de esplendor.

Todas las fotografías son de Eric Schlaepfer y Windell H. Oskay.

Esta resistencia de película de alta estabilidad, de unos 4 milímetros de diámetro, está fabricada de forma muy parecida a su económica prima de película de carbono, pero con una precisión exacta. Se recubre una varilla de cerámica con una fina capa de película resistiva (metal fino, óxido metálico o carbono) y luego se mecaniza una ranura helicoidal perfectamente uniforme en la película.

En lugar de recubrir la resistencia con epoxi, está sellada herméticamente en un pequeño sobre de vidrio brillante. Esto hace que la resistencia sea más robusta, ideal para casos especializados como instrumentación de referencia de precisión, donde la estabilidad a largo plazo de la resistencia es crítica. La envoltura de vidrio proporciona un mejor aislamiento contra la humedad y otros cambios ambientales que los recubrimientos estándar como el epoxi.

Se necesitan 15 rotaciones de un tornillo de ajuste para mover un potenciómetro de ajuste de 15 vueltas de un extremo de su rango resistivo al otro. Los circuitos que deben ajustarse con control de resolución fina utilizan este tipo de potenciómetro de ajuste en lugar de la variedad de una sola vuelta.

El elemento resistivo de esta recortadora es una tira de cermet, un compuesto de cerámica y metal, serigrafiada sobre un sustrato cerámico blanco. El metal serigrafiado une cada extremo de la tira a los cables de conexión. Es una versión lineal y aplanada del elemento resistivo en forma de herradura en las recortadoras de una sola vuelta.

Al girar el tornillo de ajuste se mueve un control deslizante de plástico a lo largo de un riel. El limpiaparabrisas es un dedo de resorte, un contacto metálico accionado por un resorte, unido al control deslizante. Hace contacto entre una tira de metal y el punto seleccionado en la tira de película resistiva.

Los condensadores son componentes electrónicos fundamentales que almacenan energía en forma de electricidad estática. Se utilizan de innumerables maneras, incluso para el almacenamiento de energía a granel, para suavizar señales electrónicas y como células de memoria de computadora. El condensador más simple consta de dos placas metálicas paralelas con un espacio entre ellas, pero los condensadores pueden adoptar muchas formas siempre que haya dos superficies conductoras, llamadas electrodos, separadas por un aislante.

Un condensador de disco cerámico es un condensador de bajo costo que se encuentra frecuentemente en electrodomésticos y juguetes. Su aislante es un disco cerámico y sus dos placas paralelas son recubrimientos metálicos extremadamente delgados que se evaporan o pulverizan sobre las superficies exteriores del disco. Los cables de conexión se unen mediante soldadura y todo el conjunto se sumerge en un material de revestimiento poroso que se seca con fuerza y ​​protege el condensador de daños.

Los condensadores de película se encuentran con frecuencia en equipos de audio de alta calidad, como amplificadores de auriculares, tocadiscos, ecualizadores gráficos y sintonizadores de radio. Su característica clave es que el material dieléctrico es una película plástica, como poliéster o polipropileno.

Los electrodos metálicos de este condensador de película se depositan al vacío sobre las superficies de largas tiras de película plástica. Una vez conectados los cables, las películas se enrollan y se sumergen en un epoxi que une el conjunto. Luego, el conjunto completo se sumerge en una capa exterior resistente y se marca con su valor.

Otros tipos de condensadores de película se fabrican apilando capas planas de película plástica metalizada, en lugar de enrollar capas de película.

En el núcleo de este condensador hay una bolita porosa de metal de tantalio. El gránulo se fabrica a partir de polvo de tantalio y se sinteriza o se comprime a alta temperatura hasta obtener un sólido denso parecido a una esponja.

Al igual que una esponja de cocina, el pellet resultante tiene una gran superficie por unidad de volumen. Luego, el pellet se anodiza, creando una capa de óxido aislante con una superficie igualmente alta. Este proceso empaqueta una gran cantidad de capacitancia en un dispositivo compacto, utilizando una geometría similar a una esponja en lugar de las capas apiladas o enrolladas que usan la mayoría de los demás capacitores.

El terminal positivo del dispositivo, o ánodo, está conectado directamente al metal de tantalio. El terminal negativo, o cátodo, está formado por una fina capa de dióxido de manganeso conductor que recubre el pellet.

Los inductores son componentes electrónicos fundamentales que almacenan energía en forma de campo magnético. Se utilizan, por ejemplo, en algunos tipos de fuentes de alimentación para convertir voltajes almacenando y liberando energía alternativamente. Este diseño de bajo consumo ayuda a maximizar la duración de la batería de los teléfonos móviles y otros dispositivos electrónicos portátiles.

Los inductores suelen consistir en una bobina de cable aislado enrollada alrededor de un núcleo de material magnético como hierro o ferrita, una cerámica rellena de óxido de hierro. La corriente que fluye alrededor del núcleo produce un campo magnético que actúa como una especie de volante de inercia, suavizando los cambios en la corriente a medida que fluye a través del inductor.

Este inductor axial tiene varias vueltas de alambre de cobre barnizado enrolladas alrededor de una forma de ferrita y soldadas a cables de cobre en sus dos extremos. Tiene varias capas de protección: un barniz transparente sobre los devanados, una capa verde claro alrededor de las uniones de soldadura y una capa exterior verde llamativa para proteger todo el componente y proporcionar una superficie para las rayas de colores que indican su valor de inductancia.

Este transformador tiene múltiples conjuntos de devanados y se usa en una fuente de alimentación para crear múltiples voltajes de CA de salida desde una única entrada de CA, como un tomacorriente de pared.

Los alambres pequeños más cerca del centro son vueltas de alambre magnético de “alta impedancia”. Estos devanados transportan un voltaje más alto pero una corriente más baja. Están protegidos por varias capas de cinta, un escudo electrostático de lámina de cobre y más cinta.

Los devanados exteriores de "baja impedancia" están hechos con un cable aislado más grueso y menos vueltas. Manejan un voltaje más bajo pero una corriente más alta.

Todos los devanados están enrollados alrededor de una bobina de plástico negro. Se unen dos piezas de cerámica de ferrita para formar el núcleo magnético en el corazón del transformador.

Este artículo aparece en la edición impresa de febrero de 2023.