La belleza interior de la electrónica básica

Open Circuits muestra la sorprendente complejidad de los componentes pasivos

Eric Schlaepfer estaba intentando para arreglar una pieza rota de un equipo de prueba cuando se encontró con la causa del problema: un condensador de tantalio con problemas. El componente se había cortocircuitado de algún modo 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 mundo oculto impresionante 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), un extracto del cual 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 las cosas en las que no dedicamos mucho tiempo a pensar, los componentes pasivos. Los transistores, los LED y otros semiconductores pueden estar donde está la acción, pero la física simple de las resistencias, los condensadores y los inductores tiene su propio tipo de esplendor.

Todas las fotos por Eric Schlaepfer y Windell H. Oskay

Esta resistencia de película de alta estabilidad, de unos 4 milímetros de diámetro, está fabricada de manera muy similar a su prima económica de película de carbono, pero con una precisión exacta. Una varilla de cerámica se recubre con una fina capa de película resistiva (metal delgado, óxido de metal 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 lustroso. 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 fundamental. El sobre de vidrio proporciona un mejor aislamiento contra la humedad y otros cambios ambientales que los revestimientos 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 un control de resolución fino 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 de cerámica blanca. El metal serigrafiado une cada extremo de la tira a los cables de conexión. Es una versión lineal aplanada del elemento resistivo en forma de herradura en los recortadores de una sola vuelta.

Al girar el tornillo de ajuste, se mueve un deslizador de plástico a lo largo de una pista. El limpiaparabrisas es un dedo de resorte, un contacto de metal accionado por resorte, unido al deslizador. 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 formas, incluido el almacenamiento de energía a granel, para suavizar las señales electrónicas y como celdas de memoria de computadora. El capacitor más simple consta de dos placas de metal paralelas con un espacio entre ellas, pero los capacitores pueden tomar muchas formas siempre que haya dos superficies conductoras, llamadas electrodos, separadas por un aislante.

Un capacitor de disco cerámico es un capacitor de bajo costo que se encuentra con frecuencia en electrodomésticos y juguetes. Su aislante es un disco cerámico y sus dos placas paralelas son revestimientos metálicos extremadamente delgados que se evaporan o pulverizan sobre las superficies exteriores del disco. Los cables de conexión se unen con 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 de plástico, como poliéster o polipropileno.

Los electrodos metálicos de este condensador de película se depositan al vacío en las superficies de largas tiras de película plástica. Después de unir los cables, las películas se enrollan y se sumergen en un epoxi que une el conjunto. Luego, el ensamblaje 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 de plástico metalizado, en lugar de enrollar capas de película.

En el núcleo de este condensador hay una bolita porosa de metal tantalio. El gránulo está hecho de polvo de tantalio y sinterizado, o comprimido a alta temperatura, en un sólido denso similar a una esponja.

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

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 entre 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 generalmente consisten en una bobina de alambre aislado envuelto alrededor de un núcleo de material magnético como hierro o ferrita, una cerámica llena de óxido de hierro. La corriente que fluye alrededor del núcleo produce un campo magnético que actúa como una especie de volante para la corriente, 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 envuelto alrededor de una forma de ferrita y soldado a conductores de cobre en sus dos extremos. Tiene varias capas de protección: un barniz transparente sobre los devanados, un revestimiento de color verde claro alrededor de las juntas de soldadura y un llamativo revestimiento exterior verde para proteger todo el componente y proporcionar una superficie para las franjas de colores que indican su valor de inductancia.

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

Los alambres pequeños más cerca del centro son vueltas de "alta impedancia" de alambre magnético. Estos devanados llevan 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 con menos vueltas. Manejan un voltaje más bajo pero una corriente más alta.

Todos los devanados están envueltos 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.