La placa base (Parte 2: Pequeños elementos)

   En entradas anteriores de la presente bitácora se ha mencionado, o tratado, el tema de la placa base, esa tarjeta de circuito impreso a la que se conectan los componentes que constituyen el ordenador.
Además de los elementos más populares (algunos de los cuales pueden hasta conocerlos vagamente algunos usuarios estándar), se debe tener en cuenta que existen otros elementos informáticos, aunque bastante relacionados con la electrónica, que también son parte del funcionamiento de una placa base, es decir, que son unos eslabones más de la cadena que representa dicho funcionamiento.

  Se trata, indudablemente, de los condensadores, los transistores, los inductores y las resistencias.

  En una placa base, los condensadores almacenan y liberan energía, estabilizando el voltaje; los transistores actúan como interruptores o amplificadores de corriente, gestionando el flujo de señales y potencia para el correcto funcionamiento de UCP, RAM y otros chips; los inductores almacenan energía en un campo magnético, permiten el paso de corriente continua (CC) pero se oponen a cambios rápidos de corriente, siendo cruciales para la conversión y filtrado de energía en las fuentes de alimentación de la placa base; y las resistencias limitan el flujo de corriente y ajustan voltajes, trabajando todos juntos en circuitos que controlan la energía y la información.

   Por lo tanto, dichos elementos son componentes esenciales que controlan, almacenan y regulan la electricidad para que el sistema funcione correctamente.

CONDENSADOR

  En general, un condensador es un dispositivo electrónico pasivo, formado por un par de superficies conductoras en situación de influencia total (es decir, que todas las líneas de campo eléctrico que parten de una van a parar a la otra) separados entre sí por un medio dieléctrico o por vacío, capaz de almacenar carga y por tanto energía eléctrica.

  Las placas, sometidas a una diferencia de potencial, adquieren una determinada carga eléctrica, positiva en una de ellas y negativa en la otra, siendo nula la variación de carga total.
  Introducido en un circuito, se comporta en la práctica como un elemento "capaz" de almacenar la energía eléctrica que recibe durante el período de carga, la misma energía que cede después durante el período de descarga. Además, es capaz de almacenar carga eléctrica tras haberlo cargado y desconectado del circuito, por lo que es apropiado ser cuidadoso al manipular uno, ya que podría haber quedado cargado desde su uso anterior, lo adecuado es conectar siempre sus extremos mediante un elemento conductor por unos segundos antes de manipular un condensador.

  El condensador de una placa base debe ser de estos tipos:

•   Polarizado: Debe conectarse al circuito conectado el terminal negativo al polo negativo y el terminal positivo al polo positivo. Es decir, siempre en polarización directa y si no, se rompe. Por tanto, este condensador no es válido en corriente alterna. Suele tener una capacidad elevada, de más de 1 microfaradio. Para distinguir un terminal de otro normalmente el terminal negativo viene pintada con una franja en el cuerpo del condensador. Además, normalmente el terminal negativo es más corto que el positivo.
•    Electrolítico: Tipo de condensador que utiliza un electrolito, como su primera armadura, la cual actúa como cátodo (papel que toma un electrodo cuando sufre una reacción de reducción, mediante la cual un material reduce su estado de oxidación al recibir electrones). Con la tensión adecuada, el electrolito deposita una capa aislante (la cual es en general una capa muy fina de óxido de aluminio) sobre la segunda armadura o cuba (ánodo), consiguiendo así capacidades muy elevadas. Son inadecuados para funcionar con corriente alterna. La polarización inversa destruye el óxido, produciendo un cortocircuito entre el electrolito y la cuba, aumentando la temperatura, y por tanto, arde o estalla el condensador consecuentemente.
•   Cerámico: Utiliza cerámicas de varios tipos para formar el dieléctrico. Existen diferentes tipos formados por una sola lámina de dieléctrico, pero también los hay formados por láminas apiladas. Dependiendo del tipo, funcionan a distintas frecuencias, llegando hasta las microondas. En la placa base, se suele usar como condensador de señal o acoplamiento (se utilizan para filtrar ruido, estabilizar señales o bloquear componentes de CC en circuitos de alta frecuencia). 

Condensadores electrolíticos polarizados.

 

Condensadores de cerámica polarizados.

  De entre los condensadores electrolíticos polarizados y de los cerámicos polarizados, debe escogerse el del voltaje y capacitancia (capacidad de un componente electrónico para almacenar energía en forma de carga eléctrica entre dos placas conductoras separadas por un aislante) adecuados. No obstante, los valores de voltaje (V) y capacitancia (µF/nF) de un condensador de placa base dependen del modelo específico de la placa y del circuito en el que se utilice.

  Afortunadamente, es posible dar unas pautas generales:

•   Condensadores electrolíticos polarizados:
•   Voltaje: Entre 6.3V y 25V.
•   Capacitancia: Entre 1µF y 2200µF.
•    Condensadores cerámicos polarizados:
•   Voltaje: 6.3V, 10V o 16V.
•   Capacitancia: Entre 1nF y 100µF. 

   Por lo tanto, en una placa base, este componente tiene la función de filtrar el ruido, suavizar las fluctuaciones de voltaje ("ripple", en inglés) y proporcionar energía de respaldo momentánea para componentes, crucial en reguladores de voltaje.

 

INDUCTOR 

   Un inductor, o bobina, es un componente pasivo diseñado para almacenar energía en forma de campo magnético y regular el flujo de corriente. Generalmente, se realiza mediante un alambre aislado en una bobina, que puede estar envuelta en torno a un núcleo magnético o no magnético, lo que influye en la eficacia del inductor.

  En el circuito impreso de una placa base, un inductor se identifica, comúnmente, por la letra "L" o "PL"; por otra parte, se caracteriza por su inductancia (relación entre la tensión y la tasa de cambio de la corriente), cuya unidad es el henrio (H).

  En las placas base actuales, los inductores suelen ser de los siguientes tipos:

•   Inductor de potencia ("Choke", en inglés): Pequeño bloque cuadrado o rectangulares, generalmente negro o gris, situado cerca del zócalo del procesador.
•   Componente DMS {Dispositivo de Montaje Superficial ["Surface Mount Device" ("SMD"), en inglés]}: Componente electrónico que se suelda directamente sobre la superficie de una placa de circuito impreso, en un área de cobre ("pad", en inglés), sin necesidad de agujeros. Versión minúscula de montaje superficial para circuitos menos exigentes. Se adhieren a "pads" (áreas de cobre) en la superficie de la placa, sin necesidad de perforar.
•   Bobina de ferrita: Utiliza un núcleo de ferrita para aumentar la inductancia y eficiencia en espacios reducidos.

Bobina de ferrita.

  

Inductor DMS.

Inductor de potencia.

  El rango de inductancia para inductores de placa base es muy amplio, desde nanoh (nH) para aplicaciones de alta frecuencia (RF, WiFi) hasta milihenrios (mH) o incluso henrios (H), dependiendo del diseño de la traza (ancho, longitud) y si usan núcleo de ferrita o aire; los más comunes varían de 4.7 nH a 2200 nH (2.2 µH), mientras que las pistas de placa base suelen tener entre 5-10 nH por pulgada, aunque es posible diseñar para valores mayores, todo depende de la frecuencia y la corriente. Así, los rangos típicos suelen ser:

•   Inductores DMS (en placa):
•   Bajos: 4.7 nH a unos pocos cientos de nH (para RF, filtrado de señal).
•   Medios: Hasta 2200 nH (2.2 µH) para aplicaciones de potencia en formatos pequeños.
•    Pistas de placa base (sin componente): Una pulgada de pista puede ser ~5-10 nH, pero esto se puede diseñar con soporte lógico para valores más específicos.

   Su papel crítico en la placa base es la regulación de voltaje, puesto que se emplea para bloquear la corriente alterna (CA) y permitir el paso de la CC, eliminando picos o fluctuaciones que podrían dañar componentes sensibles. También se utilizan para bloquear interferencias de alta frecuencia (ruido electromagnético) permitiendo el paso de corriente continua limpia.

  Si se sospecha de mal funcionamiento, es posible comprobar su estado con un multímetro realizando las siguientes pruebas:

•   Continuidad: Colocando el multímetro en modo de diodo o continuidad, el inductor debe pitar. Si no hay continuidad, la bobina interna está rota.
•   Resistencia: Debe mostrar una resistencia extremadamente baja (normalmente inferior a 1 ohmio).

 

RESISTENCIA 

  En una placa base, una resistencia, o resistor, es un componente pasivo fundamental que limita el flujo de corriente eléctrica, protege otros elementos sensibles y divide voltajes para asegurar que cada componente reciba la energía exacta que necesita, se mide en Ohmios (Ω) y se identifica por códigos de colores o número.

  La corriente máxima y diferencia de potencial máxima en una resistencia viene condicionada por la máxima potencia que pueda disipar su cuerpo.

   Según su material, existen los siguientes tipos de resistencias:

•   Resistencia de película de carbono: Es económica y adecuada para uso general, pero tiene un coeficiente de temperatura relativamente grande y niveles de ruido más altos.
•    Resistencia de película metálica: Ofrece una mejor estabilidad de temperatura, menor ruido y mayor precisión que la anterior. Es ideal para aplicaciones de alta precisión.
•   Resistencia de óxido metálico: Similar a la anterior pero con mayor resistencia a altas temperaturas, lo que la hace adecuada para aplicaciones de alta confiabilidad.
•   Resistencia bobinada: Excelente para aplicaciones de alta potencia debido a su capacidad para soportar más calor. Sin embargo, no es ideal para circuitos de alta frecuencia debido a problemas de inductancia.
•   Resistencia de película gruesa y delgada: Común en dispositivos de montaje superficial. La de película delgada ofrece mayor precisión y estabilidad, mientras que la de película gruesa es más económica.
•   Resistencia de lámina: Proporciona coeficientes de temperatura muy bajos y alta precisión, lo que la convierte en la mejor opción para aplicaciones de alto rendimiento y centradas en la precisión.

   Por otra parte, dependiendo de su montaje, las resistencias se pueden clasificar en:

•   Resistencia de montaje superficial: Ideal para placas de alta densidad y líneas de montaje automatizadas modernas. Los tamaños como 0402, 0603 y 0805 se utilizan comúnmente en placas base compactas para dispositivos móviles, productos electrónicos de consumo y más.
•   Resistencia de orificio pasante: Al ser más grande, es apropiada para aplicaciones de alta potencia, lo que ofrece una mejor disipación del calor y durabilidad. Es ideal para placas de prototipos o diseños donde es necesaria la soldadura manual.
  
  
  

Lecturas de resistencias 

  La lectura de una resistencia depende de los dos últimos tipos explicados.

  De este modo, en una resistencia de orificio pasante hay que fijarse en sus colores, ya que forman un código. Estos colores se encuentran en tres, cuatro o cinco rayas; dejando la raya de tolerancia (normalmente plateada o dorada) a la derecha, se leen de izquierda a derecha. La última raya indica la tolerancia (precisión). De las restantes, la última es el multiplicador y las otras indican las cifras significativas del valor de la resistencia.

    El valor de la resistencia eléctrica se obtiene leyendo las cifras como un número de una, dos o tres cifras; se multiplica por el multiplicador y se obtiene el resultado en Ohmios (Ω). El coeficiente de temperatura únicamente se aplica en resistencias de alta precisión o tolerancia menor del 1 %.

  Por lo tanto, en una resistencia con 4 líneas con la banda correspondiente a la tolerancia a la derecha, se leerían las bandas restantes de izquierda a derecha, como sigue: Las primeras dos bandas conforman un número entero de dos cifras (primera línea para el dígito de las decenas, segunda línea para el dígito de las unidades), la tercera línea representa la potencia de 10 por la cual se multiplica el número; su resultado se expresa en Ohmios.

  Por su parte, las resistencias de montaje superficial tienen impresos unos valores numéricos en un código similar al usado en los resistores anteriores. Se trata de un código de tres dígitos, en el cual los primeros dos dígitos representan los primeros dos dígitos significativos y el tercer dígito representa una potencia de diez (el número de ceros).

   No obstante:

•    Los resistores de menos de 100 Ω se escriben: 100, 220, 470, etc. El número cero final representa diez a la potencia de cero, lo cual es 1. En ocasiones, estos valores se marcan como "10" o "22" para prevenir errores.
•   Las resistencias menores de 10 Ω tienen una 'R' para indicar la posición del punto decimal.
•   Las resistencias de precisión son marcadas con códigos de cuatro dígitos, en los cuales los primeros tres dígitos son los números significativos y el cuarto es la potencia de diez.
•   Los valores "000" y "0000" aparecen en algunas ocasiones en los enlaces de montajes de superficie, debido a que tienen una resistencia aproximada a cero.

 

  Para elegir una resistencia adecuada se deben tener en cuenta los siguientes factores:

•   Valor de resistencia: Cantidad de corriente que fluye en un circuito (en Ohmnios).
•   Tolerancia: Precisión del valor de la resistencia. Normalmente, 1% para precisión (resistencias finas) y 5% para uso general (resistencias más gruesas)
•   Potencia nominal: Potencia que soporta la resistencia cuando pasa a través de la misma (generalmente, 1/4 de vatio).
•   Coeficiente de temperatura: Cambio de la resistencia según la temperatura. Cuanto más bajo, mayor estabilidad. El rango estándar es de -5 °C a 60 °C.
•   Voltaje: La tensión nominal debe ser superior a la tensión del circuito.
•   Tamaño: Depende del diseño de la placa. Las resistencias más pequeñas manejan menos potencia, aunque ahorren espacio; las más grandes disipan mejor el calor y son más fáciles de soldar. En las resistencias de montaje superficial los valores más comunes son 0805 (fácil manejo), 0603 (más pequeño) y 0402 (muy pequeño), que afectan la potencia disipada.
•   Ruido: Ciertas resistencia generan ruido que puede alterar las señales.
•   Tiempo de respuesta:  Se deben elegir aquella que provoque menos retrasos en el rendimiento.

  Sin embargo, los valores de resistencia en una placa base varían enormemente según su función, y pueden ser desde unos pocos Ohmios (Ω) hasta Megaohmios (MΩ), dependiendo del diagrama esquemático de la placa base.

 

TRANSISTOR 

   Un transistor de una placa base es un componente semiconductor minúsculo, generalmente con al menos tres terminales, que actúa como interruptor o amplificador, fundamental para gestionar el flujo de corriente, transmitir datos y regular voltajes hacia UCP, RAM y otros componentes.

  El transistor consta de tres partes dopadas artificialmente (impurezas con materiales específicos en cantidades específicas) que forman dos uniones bipolares: el emisor que emite portadores (partículas o cuasipartículas que son libres de moverse y que transportan una carga eléctrica, especialmente las partículas que transportan cargas eléctricas en conductores eléctricos), el colector que los recibe o recolecta y la tercera, que está intercalada entre las dos primeras, modula el paso de dichos portadores.

  De los tipos de transmisores existentes, para las placas base sólo son relevantes 2:

•   Transistor de Efecto de Campo Metal-Óxido-Semiconductor ["Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor" ("MOSFET"), en inglés]: Un tipo de TEC con alta impedancia de entrada y bajo consumo de energía, ideal para conmutación de alta velocidad. Como los demás transistores de este tipo, está formado por una barra de material semiconductor de silicio de tipo N o P. En los terminales de la barra se establece un contacto óhmico, tenemos así un transistor de efecto de campo tipo N de la forma más básica. Si se difunden dos regiones P en una barra de material N y se conectan externamente entre sí, se producirá una puerta. A uno de estos contactos se le llamará surtidor y al otro drenador. Aplicando tensión positiva entre el drenador y el surtidor y conectando la puerta al surtidor, se establece una corriente, a la que  se llamará corriente de drenador con polarización cero. Con un potencial negativo de puerta, denominado tensión de estrangulamiento, cesa la conducción en el canal.
•    Transistor de unión bipolar ["Bipolar Junction Transistor" ("BJT"), en inglés]: Usado en aplicaciones de alta corriente para controlar el flujo, utiliza una pequeña corriente en la base para controlar una corriente más grande entre el emisor y el colector. Se fabrica sobre un monocristal de material semiconductor como el germanio, el silicio o el arseniuro de galio, cuyas cualidades son intermedias entre las de un conductor eléctrico y las de un aislante.

Transistor MOSFET.

 

 

Transistor BJT.

     Para seleccionar un transistor adecuado para una placa base se debe:

•    Consultar el esquemático ("datasheet", en inglés), también conocido como manual de la placa base, de la placa base.
•    Medir los voltajes y corrientes en el circuito donde va el transistor.

•   Buscar el número de parte impreso en el transistor y revisar su manual de uso.

  Si no es posible realizar alguno de los pasos antes mencionados, se puede realizar la misma acción escogiendo los valores adecuados a la placa base objetivo desde los siguientes parámetros clave:

•   Polaridad: NPN (Negativo-Positivo-Negativo) o PNP (Positivo-Negativo-Positivo).
•   Voltajes (Vceo, Vcbo...): Tensión máxima entre colector y emisor/base. El Vds debe ser mayor que el voltaje máximo del circuito. Puede detectarse la caída de tensión del Vbe si, al medir con un multímetro, no se obtiene una lectura de 0.5V a 0.8V (para silicio) cuando la sonda positiva toca la base y la negativa el emisor (o viceversa para PNP).
•   Corriente (Ic...): Corriente máxima del colector. La ld debe soportar la corriente máxima que circulará por el transistor.
•   Ganancia (hFE / Beta): Amplificación de corriente.
•   Potencia (Ptot): Potencia máxima disipada (en W).
•   Tipo de encapsulado: TO-92 (pequeño), TO-220 (más grande para más potencia).
•   Tipo de transistor: Vistos más arriba.
•   Resistencia en estado encendido [Rds(on)]: Cuanto menor, mejor para reducir pérdidas de potencia. Una lectura con el multímetro de entre ~500 y 1500 ohmios entre base y colector/emisor (dependiendo del modo) indica un transistor en buen estado.
•   Tensión de umbral [Vgs(th)]: Debe ser compatible con los voltajes de control de la placa.

   Se puede comprobar el estado de un transmisor mediante un multímetro del siguiente modo:

•     En estado normal: Un tester en continuidad, con una punta en masa, debería mostrar continuidad solo en la pata derecha de un MOSFET, no en la izquierda.
•   En corto (dañado): Si hay continuidad en ambas patas (izquierda y derecha) con una punta en masa, el transistor está en corto y debe ser reemplazado, lo que puede causar problemas. 

   Espero que la presente entrada haya sido interesante para el lector. De ser así, aguardo que éste la comente y/o la comparta, por favor.