¿Cómo funciona una 'caída de tensión'?

Question

Según mi comprensión, en un circuito eléctrico, el voltaje se divide entre los componentes en una proporción determinada por sus diversas resistencias. Es decir, por ejemplo, si se colocaran en serie una resistencia de 5 y una de 10 ohmios a través de una fuente de alimentación de 12V (asumiendo una resistencia despreciable en los cables), entonces los voltajes a través de las resistencias de 5 y 10 ohmios serían de 4V y 8V respectivamente, dividiendo así los 12V en la proporción 2:1 según los valores de resistencia, ¿correcto?

Sin embargo, algunos componentes no funcionan así, y me interesa saber por qué. Tomemos por ejemplo la base de un transistor. Se dice que la base 'cae' alrededor de 0.7V entre ella y el emisor, en lugar de describirse con un valor de resistencia. Es lo suficientemente fácil de trabajar con solo usando un divisor de voltaje, pero aún así parece un concepto extraño y me gustaría mucho saber cómo funciona esto.

Gracias de antemano.

Answer 1

Esto se debe a lo que podrías llamar 'impedancia diferencial': el cambio en la corriente por cambio unitario en el voltaje. La impedancia diferencial de una resistencia es lineal: por cada voltio adicional a través de ella, fluye una cantidad fija de amperios adicionales, determinada por el valor de resistencia de esa resistencia.

Los semiconductores no exhiben impedancia diferencial lineal; un cambio unitario en el voltaje no siempre creará el mismo cambio en la corriente. Si graficas voltaje vs corriente para un diodo, verás algo como esto:

Esto es lo que crea la característica caída de voltaje del diodo. La curva es lo suficientemente pronunciada como para que en su mayoría se pueda aproximar diciendo que tiene una caída de voltaje constante, pero puedes ver que eso no es cierto: la caída de voltaje aumentará gradualmente con la corriente. Esto es más fácil de ver en un gráfico de escala logarítmica:

La conclusión de todo esto es que en un circuito con, digamos, una resistencia y un diodo en serie, encontrarán un equilibrio, donde la corriente y el voltaje a través de cada parte forman un punto en sus respectivas curvas IV. Dado que la curva IV de un diodo es muy pronunciada, el voltaje a través de él cambia muy poco con la corriente, y la mayor parte del voltaje se caerá en lugar de a través de la resistencia.

Answer 2

En la base de un transistor obviamente hay más que una simple resistencia. La llamada caída de voltaje de 0.7V se debe a la acción tipo diodo dentro de la conexión de Base a Emisor.

En una aproximación parcial la conexión de Base a Emisor puede ser vista como una pequeña batería de 0.7V y una resistencia en serie. Esta pequeña batería se opone al voltaje que intenta encender el transistor. Cuando se dibuja como una aproximación, la dirección de la batería (orientación + y -) depende del tipo de transistor (NPN o PNP).

El valor de 0.7V se debe al potencial de la banda prohibida de los materiales de silicio dentro del transistor, (los antiguos transistores de germanio tienen una banda prohibida de aproximadamente 0.3V). Como al atravesar físicamente un "hueco" hay cierta cantidad de esfuerzo (o voltaje) necesario para "saltar" sobre la banda prohibida. Cuando el voltaje aplicado en la Base del transistor alcanza o excede este potencial de la banda prohibida, la corriente comenzará a fluir.

Así que con la aproximación de una batería conectada en serie y una resistencia puedes comenzar a calcular algunas de las otras características de un circuito de transistor.

Otros componentes pueden ser aproximados de esta misma forma, por ejemplo un diodo Zener puede ser pensado como que contiene una fuente de voltaje inverso igual a Vz. La compuerta de un componente Triac (que se simula con dos o más transistores) puede tener un voltaje de encendido de compuerta de 1.5V. El voltaje directo (Vf) de un LED simple tiene un requisito de voltaje de encendido similar (banda prohibida) que puede ser diferente dependiendo del color del LED.

Answer 3

Creo que, para responder tu pregunta, es - como primer paso - importante conocer la diferencia entre resistencias lineales y no lineales.

Por ejemplo, la resistencia base-emisor de un BJT es fuertemente no lineal. En ese caso, siempre debemos discriminar entre (a) la resistencia ESTÁTICA Rbe (como una relación de valores de CC solamente) y (b) la resistencia DINÁMICA (diferencial) r,be en el punto de operación correspondiente (definido por los valores de CC).

Esta resistencia dinámica o diferencial r,be está definida por la PENDIENTE de la característica V-I no lineal. La pendiente da la conductancia de pequeña señal dIb/dVbe en este punto - y la resistencia diferencial r,be=dVbe/dIb es 1/conductancia.

Volviendo a tu pregunta inicial: La regla del divisor de voltaje aún se aplica (incluso si hay una parte no lineal involucrada):

• para valores de CC - siempre y cuando solo consideres la resistencia de CC R para todas las partes;

• para señales de CA - siempre y cuando solo se consideren las resistencias diferenciales de pequeña señal r.

(Es importante saber que no debes mezclar resistencias dinámicas y estáticas; para un resistor ohmico clásico tenemos R=r).