Elementos pasivos y activos

Ingeniería en comunicaciones y electrónica
Tema 1.1 del Plan de Estudios de Circuitos CA y CD IPN

¡Qué tal, STEAMdiantes! Hoy vamos a desmenuzar un tema fundamental en el fascinante mundo de los circuitos eléctricos: los elementos pasivos y activos.

En el estudio de los circuitos eléctricos, tanto de corriente alterna (CA) como de corriente directa (CD), es fundamental comprender los componentes que los conforman. Estos elementos se clasifican en pasivos y activos, según su capacidad para suministrar energía al circuito. En este artículo, aprenderemos sobre sus características, funcionamiento y aplicaciones.

Elementos pasivos

Comencemos con los componentes más sencillos, pero no por ello menos importantes: los elementos pasivos. La característica principal de estos componentes es que no requieren una fuente de alimentación externa para funcionar y no pueden amplificar la potencia o la ganancia de una señal eléctrica. Es decir, no “inyectan” energía al circuito, sino que la disipan (en forma de calor), la almacenan (en campos eléctricos o magnéticos) o simplemente la conducen.

Son los bloques de construcción básicos y los encontrarán en prácticamente cualquier dispositivo electrónico. Los principales son:

Resistores (Resistencias) R

• Función: limita el flujo de corriente y disipa energía en forma de calor (efecto Joule). Se oponen al flujo de la corriente eléctrica. Esta oposición se mide en Ohms (Ω).
• Comportamiento en CD: limitan la corriente y dividen el voltaje. Su comportamiento se rige por la Ley de Ohm (V=I⋅R).
• Comportamiento en CA: se comportan de manera similar a la CD en términos de oposición a la corriente instantánea. La potencia que disipan se calcula como P=I2⋅R. No introducen desfase entre el voltaje y la corriente.
• Aplicaciones: divisores de voltaje, limitadores de corriente, calefacción eléctrica.
• Analogía: piensen en una tubería de agua con una sección más estrecha; dificulta el paso del agua (corriente).

Inductores (Bobinas) L

• Función: almacenar energía en forma de campo magnético. Su inductancia se mide en Henrios (H). Consisten en un alambre enrollado, a menudo alrededor de un núcleo de material ferromagnético.
• Comportamiento en CD: en estado estable, actúa como un cortocircuito (un conductor ideal, resistencia casi nula).
• Comportamiento en CA: presentan una oposición al paso de la corriente alterna llamada reactancia inductiva (XL​), que aumenta a medida que aumenta la frecuencia. XL​=2πfL. El voltaje adelanta a la corriente en 90 grados en un inductor ideal.
• Aplicaciones: filtros, transformadores, motores eléctricos.
• Analogía: piensen en una rueda pesada (volante de inercia); cuesta trabajo ponerla en movimiento y también detenerla una vez que gira.

Capacitores (Condensadores) C

• Función: almacenar energía en forma de campo eléctrico. Su capacidad se mide en Faradios (F). Están formados básicamente por dos placas conductoras separadas por un material dieléctrico.
• Comportamiento en CD: inicialmente, permiten el flujo de corriente para cargarse. Una vez cargados, actúan como un circuito abierto, bloqueando el flujo de corriente continua.
• Comportamiento en CA: ofrecen una oposición al paso de la corriente alterna llamada reactancia capacitiva (XC​), que disminuye a medida que aumenta la frecuencia. XC​=2πfC1​. La corriente adelanta al voltaje en 90 grados en un capacitor ideal.
• Aplicaciones: filtros, acoplamiento de señales, corrección de factor de potencia.
• Analogía: imaginen un pequeño tanque de agua que puede llenarse y vaciarse rápidamente.

En resumen, los elementos pasivos son fundamentales para: limitar corriente, dividir voltaje, filtrar señales (seleccionando o rechazando ciertas frecuencias), almacenar energía temporalmente o crear circuitos resonantes (combinando capacitores e inductores).

Elementos activos

Ahora pasemos a los componentes que le dan “vida” e “inteligencia” a los circuitos: los elementos activos. A diferencia de los pasivos, estos componentes necesitan una fuente de alimentación externa para operar y, lo más importante, pueden controlar el flujo de electrones y amplificar señales eléctricas. Son capaces de proporcionar ganancia de potencia o voltaje.

Piensen en ellos como los directores de orquesta del circuito, capaces de modificar y dirigir la energía.

Fuentes de Alimentación

• Fuente de voltaje (CD y CA): proporciona una diferencia de potencial constante (CD) o variable (CA).
• Fuente de corriente: mantiene un flujo de corriente constante independientemente de la carga.

Transistores (BJT, MOSFET, etc.)

• Función: son dispositivos semiconductores que pueden actuar como amplificadores de señal o como interruptores controlados electrónicamente. Son la base de la electrónica moderna.
• Operación: una pequeña corriente o voltaje en una de sus terminales (base o puerta) puede controlar una corriente mucho mayor entre sus otras dos terminales (colector-emisor o drenador-fuente).
• Tipos principales:
  • BJT (Transistor de Unión Bipolar): controlado por corriente (tipos NPN y PNP).
  • FET (Transistor de Efecto de Campo): controlado por voltaje (tipos JFET y MOSFET).

Aplicaciones: amplificadores de audio, circuitos digitales, reguladores de voltaje.

Amplificadores Operacionales (Op-Amps)

• Función: son circuitos integrados (que contienen muchos transistores, resistores y capacitores) diseñados para realizar operaciones matemáticas con señales de voltaje. Tienen una ganancia de voltaje muy alta.
• Aplicaciones: se utilizan en amplificadores, filtros activos, osciladores, comparadores, sumadores, restadores, integradores, derivadores, y muchas otras configuraciones. Requieren alimentación externa (generalmente doble, positiva y negativa).

Diodos (Diodo Rectificador, LED, Zener)

• Función: permitir el flujo de corriente en una sola dirección (polarización directa) y bloquearlo en la dirección opuesta (polarización inversa).
• Aplicaciones: rectificadores (CA a CD), regulación de voltaje (Zener), emisión de luz (LED).

En resumen, los elementos activos son esenciales para: amplificar señales (aumentar su potencia, voltaje o corriente), conmutar señales (encender o apagar el flujo de corriente), generar señales (osciladores), procesar señales (como en los microprocesadores), rectificar CA a CD o regular voltaje.

Aplicaciones en circuitos de CA y CD

• Circuitos de CD:
  • Las resistencias limitan corriente.
  • Los capacitores e inductores actúan como almacenadores de energía o filtros.
  • Las fuentes de CD alimentan dispositivos electrónicos.
• Circuitos de CA:
  • Los inductores y capacitores generan reactancia, afectando la impedancia total.
  • Los transformadores (basados en inductancia mutua) ajustan niveles de voltaje.
  • Los diodos rectifican la CA en CD para fuentes de alimentación.

Tanto los elementos pasivos como los activos son indispensables en el diseño y funcionamiento de cualquier circuito electrónico. Los pasivos establecen las condiciones base, manejan la energía de formas fundamentales y definen parámetros clave del circuito. Por otro lado, los activos proporcionan la capacidad de manipulación, amplificación y control inteligente de las señales eléctricas, permitiendo la creación de sistemas complejos y funcionales.

Dominar el comportamiento de estos dos grandes grupos de componentes en CD y CA es el primer gran paso para convertirse en un experto en electrónica. ¡Así que a estudiarlos a fondo y a experimentar con ellos! Cualquier duda, ya saben dónde encontrarme. 😉

¡Hasta la próxima clase!

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