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viernes, 14 de febrero de 2014

Tutorial Electrónica Básica. 06. El Transistor


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Índice

-Qué es un transistor, para que sirve
-Corte y saturación
-Modos de uso: conmutación, amplificación
-Uso de disipadores
-Curva característica
-Datos importantes de un transistor
-Configuración de un transistor
-Conocer los datos de un transistor
-Simbolos utilizados para los transistores
-Tipos de transistor
   Bipolar (BJT) (npn y pnp)
   Uniunión (UJT)
   Efecto de campo (FET)
   Mosfet
   Darlington
   Fototransistor
-Cómo comprobar un transistor

Rincón de la TEORÍA
Analógico y Digital




Que es un transistor, para que sirve

Un transistor es un componente electrónico de tres terminales, al que se le aplican pequeñas variaciones de corriente, y devuelve esas mismas variaciones de corriente ampliadas. Es decir, trabaja como una válvula, pero además con efecto amplificador.

Cuatro tipos distintos de transistores de los muchos que existen

En el siguiente dibujo vemos cómo un transistor está formado por tres cristales. Cada uno de ellos da lugar a un terminal cuya denominación cambia según el tipo de transistor.



En el ejemplo de transistor del símbolo anterior, la corriente ingresaría por el emisor y circularía hasta el colector... siempre y cuando en la base haya aplicada una tensión ligeramente positiva respecto del emisor

Abajo a la derecha, en la imagen anterior, vemos el concepto "encapsulado", así como cuatro encapsulados distintos. El encapsulado es la envoltura utilizada para contener a los tres cristales que componen al transistor. Hay muchos tipo de encapsulado, cada uno con un orden o disposición de terminales distinto. El encapsulado puede ser de plástico, cerámico, metálico...



Corte y saturación

Una vez polarizado un transistor, cuanto mas alta sea la tensión base-emisor, tanto mayor será la conducción, y así hasta llegar al estado conocido como saturación: El transistor conduce al máximo. Cuando por el contrario la tensión base-emisor baja de cierto nivel, la corriente cesa completamente: Se dice entonces que el transistor está en estado de "corte". Entre esos dos estados extremos, un transistor puede conducir en mayor o menor medida.




Modos de uso: conmutación, amplificación

Un transistor puede trabajar en dos modos:

1) Conmutación: Al transistor se le hace trabajar manteniéndolo en uno de sus dos estados extremos: Corte o saturación. No hay estados intermedios. Esto tiene múltiples aplicaciones, por ejemplo, almacenar información en formato digital, lo cual es la base de la informática. Un transistor puede significar un bit, que estará al valor binario "0" o "1" según este en corte o en saturación. Es necesario que haya una diferencia clara entre ambos estados para que no puedan confundirse. En la práctica, un transistor en corte o en saturación supone una diferencia de varios voltios que no deja lugar a dudas.

Esta manera de hacer trabajar al transistor en la modalidad de "todo" o "nada" también es útil para fijar dos estados posibles en numerosas aplicaciones en donde no se permite un estado intermedio, por ejemplo, en un control de alumbrado público donde, según sea de día o de noche, las luces se apagan o se encienden, no se mantienen a media luz si hay penumbra.

El siguiente circuito se monta y pone a prueba en el vídeo, en el minuto 11:45, comprobando que funciona satisfactoriamente.


Interruptor crepuscular: Circuito donde se hace trabajar a un transistor en modo conmutación

En el circuito anterior, un hecho que señalo en el vídeo y del que hablo aquí también es relativo al condenador C3 de 470µf. Supongamos que es de noche, este circuito está activado alimentando al alumbrado. Y hay una tormenta. Un relámpago es captado por la LDR y provoca el apagado momentáneo de las luces. Esto resulta molesto. 

La función de C3 es evitarlo: Cuando llega a la base de T1 un impulso proveniente de la patilla 6 de IC1, si ese impulso es breve (relámpago) es absorbido por C3 impidiendo que llegue a T1. Sólo si el impulso tiene la duración suficiente llenará (cargará) a C3 y entonces si: actuará sobre la base de T1 provocando la orden de apagado de las luces.


También trabajan los transistores en modo conmutación para numerosos circuitos por ejemplo: Osciladores, que son la base de los circuitos conocidos como "relojes". Los hay que generan onda senoidal, diente de sierra u onda cuadrada. Estos últimos son un ejemplo en donde el transistor debe pasar de la conducción a la no conducción de forma rápida (conmutación) para poder formar una onda cuadrada.


2) Amplificación:  Aquí se hace trabajar al transistor de forma continua, recorriendo su curva de forma progresiva. Esta modalidad es la utilizada por excelencia en el mundo de las telecomunicaciones, donde es necesario aumentar el valor de tensión y/o intensidad de señales eléctricas.

También se monta en protoboard este circuito para probarlo, en el minuto 14:52 del vídeo:



Sencillo amplificador transistorizado de dos etapas



Uso de disipadores. El problema del calor.

Como consecuencia de la corriente que recorre al transistor, se genera calor. En los transistores mas pequeños el propio transistor puede vérselas para disipar ese calor y que la temperatura no suba peligrosamente. 

No se puede decir lo mismo de los transistores que tienen que manejar cierta potencia. Su tamaño, o mejor dicho, su superficie no permiten evacuar el calor al ritmo que se genera, y el transistor se destruye en un corto plazo de tiempo, a veces de menos de un segundo.

Para evitar esto, se utilizan disipadores o radiadores. Son piezas de forma y tamaño variado, normalmente de aluminio, que se fijan al transistor y que permiten una transferencia eficaz del calor generado, normalmente al aire circundante. En la foto siguiente se muestran unos cuantos disipadores.



Estos disipadores se fijan al transistor a veces con tornillo y tuerca, a veces con un clip que lo presiona. En todos los casos es recomendable usar pasta térmica para asegurar un buen contacto térmico entre el transistor y el disipador. El formato de jeringuilla es bastante práctico y te durará años.


Pasta térmica en formato jeringuilla, para semiconductores y disipadores

  
Curva característica

Un transistor tiene no una sino varias curvas características que relacionan tensión e intensidad en cada uno de sus tres terminales. También hay curvas para la ganancia (amplificación), curvas para la temperatura...

Son tantos datos que no pueden incluirse en una sola gráfica. 

Normalmente tendremos mas que suficiente con conocer algunos datos numéricos sencillos tipo "tensión máxima soportable entre colector y emisor, o corriente máxima que puede circular por la base...". Si fuese necesario consultar alguna curva, se puede ver en la hoja de especificaciones (datasheet) correspondiente.


Curva característica de un transistor relacionando tres variables:
1 Tensión emisor-colector, 2 Intensidad base, 3 Intensidad colector



Datos importantes de un transistor

Si estamos diseñando algún circuito, para la gran mayoría de aplicaciones nos será suficiente con conocer estas características:

- Configuración de los terminales del transistor
- La tensión máxima soportable entre colector y emisor
- Idem para los terminales base-emisor
- Corriente máxima Emisor-Colector
- Ganancia

Datos que siempre vienen detallados en la hoja de especificaciones.




Configuración de un transistor

Un transistor puede conectarse siguiendo uno de estos tres esquemas:


Las tres configuraciones de un transistor



Conocer los datos de un transistor. 
Hoja de especificaciones (DataSheet)

Siempre que necesitemos conocer alguna característica no sólo de un transistor sino de cualquier semiconductor (diodo, diac, triac, tiristor, IC,) consultaremos la hoja de especificaciones. Suele estar disponible en internet. Una buena página es:

Hoja de especificaciones (Datasheet)

Allí podemos teclear el código de nuestro componente y consultar la información. No en todos los componentes sale la misma información. Algunos componentes vienen con información exhaustiva, otros sólo lo justo.

Hoja de especificaciones del transistor BD157 al BD159




Símbolos utilizados para los transistores en los esquemas

La tabla siguiente contiene los símbolos utilizados en los esquemas para representar a la mayoría de tipos de transistor.

Símbolos utilizados en los esquemas para los transistores



- Tipos de transistor

1) Bipolar (BJT)

Transistor bipolar. Símbolo y transistor real TIP31C

Transistor de unión bipolar, es uno de los primeros tipos de transistor, aún en pleno uso y es el mas sencillo. Consisten en tres cristales con una configuración NPN o PNP lo que da dos nuevos subtipos de transistor. La base es siempre el cristal central. Es un transistor "multiuso". Se utiliza para prácticamente todas las aplicaciones, aunque cuando las exigencias son altas, se opta por emplear un tipo de transistor mas específico.


2) Uniunión (UJT)



Transistor Uniunión (UJT)

Son transistores que nos recuerdan una característica del diodo túnel: Tienen una zona de resistencia negativa, lo que los hace especialmente indicados para circuitos de conmutación. Muy utilizados para gobernar tiristores y triacs.



3) Transistor de Efecto de Campo. FET


Transistor de Efecto de Campo (FET)

Mientras que los transistores bipolares se dividían en NPN y PNP, los FET o transistores de efecto de campo pueden ser de canal N o de canal P. Una diferencia importante de los FET frente a los bipolares es que su impedancia de entrada es mucho mas alta, su consumo es muy reducido. Sus terminales no se denominan igual y tienen esta equivalencia con el bipolar:


Emisor - Source (Fuente), se utiliza la letra S
Base - Gate (Puerta), letra G
Colector - Drain (Drenador), letra D

Estos transistores, por sus propiedades, son ampliamente utilizados en electrónica digital y forman parte -agrupados en gran número- de circuitos integrados. Hoy día se construyen transistores FET de tamaño microscópico de sólo unos pocos nanómetros de tamaño, de modo que hay circuitos integrados que contienen mas de mil millones de esos transistores.



4) Transistor MOSFET


Transistor MOSFET. Símbolo y ejemplar real (IRF822)
En este modelo, el terminal D (Drenador) también es la aleta refrigeradora

Los MOSFET son utilizados en circuitos de conmutacion, en aplicaciones de potencia y forman parte de fuentes de alimentación, inversores, control de motores...

Los mosfet pueden ser de tipo enriquecimiento o agotamiento. A su vez, cada uno de esos tipos pueden ser del subtipo Canal N o Canal P.


4) Darlington


Transistor tipo Darlington

Este tipo consiste en dos transistores bipolares montados dentro de un mismo componente, de modo que parece UN transistor, pero realmente son dos. La característica principal es su alta ganancia, que es el producto de la ganancia de cada uno de los dos transistores que lo componen. Si cada uno de ellos tiene una ganancia de -digamos- 70, la ganancia del conjunto sería 70 x 70 = 4.900. En la práctica, esta ganancia resulta ser inferior. Se utilizan en aplicaciones donde la ganancia debe ser alta, permitiendo grandes variaciones de corriente por medio de pequeñas variaciones en la base del primer transistor.

Tienen el inconveniente de que la tensión emisor base que hay que superar para entrar en conducción, que en un transistor único es de 0.7 voltios, en un darlington es la suma de ambos transistores, es decir, 1.4 voltios.


5) Fototransistor

Fototransistor

Tienen una ventana con una pequeña lente por donde capta la luz. Esa luz hace el papel de electrodo base, de modo que el electrodo real de la base suele dejarse al aire, sin conectar. 

Iluminar al fototransistor equivale a polarizar la base en un transistor común.

Pero también puede ignorarse esa característica de ser sensible a la luz y polarizar su base como en un transistor común: Entonces se comporta como un transistor BJT normal. 

A veces se usa de forma mixta: Se le somete a iluminación pero también se polariza su base para aumentar su sensibilidad en caso de que la iluminación sea escasa.

Un transistor recuerda a un fotodiodo, pero con la característica añadida de la amplificación (ganancia) propia de un transistor que un diodo no tiene.




Cómo comprobar un transistor

MEDIR UN TRANSISTOR BIPOLAR (BJT):

Esto se puede ver a partir del 29:04 del vídeo.

Hay dos formas: 

1) Forma tradicional. Usando las puntas del tester:

Procedimiento:

1.1) Seleccionamos la escala "resistencia" en el tester. Si NO es autorango, seleccionaremos un valor elevado de resistencia, varios mega-ohms.

1.2) Identificamos los terminales del transistor (emisor, base, colector)

1.3) Colocamos una punta en la base. Medimos la resistencia entre base-emisor y base-colector. Debemos obtener un valor de resistencia infinito (o muy alto, de Kohms). Esto depende de la punta que hayamos elegido para poner en la base y del tipo de transistor (NPN ó PNP). No tiene importancia el orden en que hagamos las medidas.

1.4) Ahora colocamos la otra punta del tester en la base. Repetir ambas medidas (base-emisor y base-colector). Debemos obtener un valor de resistencia infinito (o muy alto, de Kohms). Si en el paso 1.3) obtuvimos infinito, ahora obtendremos un valor alto, o viceversa.

Para estar completamente seguros, haremos otra medida:

1.5) Mediremos la resistencia entre colector-emisor, dos veces, cambiando el orden de las puntas de prueba del tester. Debe dar infinito en ambos casos.

Si en alguna de las medidas anteriores obtenemos un valor cero o cercano a cero ohms, es que el transistor está cruzado (cortocircuitado) y será inservible. 


2) Forma alternativa de medir un transistor bipolar: 

Usando el zócalo que algunos tester llevan para medir transistores.

Aprovecharemos las prestaciones de los multímetros modernos: Muchos llevan un zócalo para "pinchar" transistores y el propio tester te dice de una sola vez y sin tener que estar´haciendo medidas ni cambiando las puntas de prueba, si el transistor está bien o no y además proporciona un dato útil: La ganancia del transistor. Si dicha ganancia se sale de un margen correcto el transistor estará mal.

Por supuesto, tendremos que conocer la ubicación de los terminales: emisor, base y colector. Si es necesario, consultaremos la hoja de especificaciones.


MEDIR UN TRANSISTOR MOSFET:

Debido a que un mosfet funciona de manera distinta a un bipolar, el sistema anterior no nos sirve. Hay varias formas de probar un MOSFET, mi preferida es usar una pila o fuente de 12V y una lamparita de incandescencia de 12v ayudándonos de unos pequeños cables con pinzas de caimán. Ponemos la pila, la lamparita y el mosfet en serie según el siguiente dibujo.


Montaje con 12 volts y lamparita de 12 volts para probar MOSFET

Hay que identificar los terminales del mosfet: source, drain y gate. Respetaremos las polaridades aplicando el positivo al drain y el negativo al source.

La prueba consiste en:

1) Comunicar el gate con el drenador. La bombilla debe encenderse aunque dejemos de hacer contacto entre gate-drenador.

2) Comunicar gate con source: La bombilla debe apagarse aunque dejemos de hacer contacto gate-source




Rincón de la TEORÍA
Analógico y Digital

Dos formas distintas de manejar y guardar la información

¿Cómo guardar la información? Centrémonos por ejemplo, en el sonido. Cuando un objeto vibra: Las cuerdas de una guitarra, la lengüeta de un instrumento de viento, las cuerdas vocales de una persona, ese objeto al vibrar desplaza a las partículas del medio que lo rodea y las hace vibrar al compás del objeto que vibra. Ese movimiento se desplaza esfericamente en el medio. Normalmente el aire.


Procesamiento ANALÓGICO de la información (sonido en este caso)

Si representamos en un par de ejes el movimiento de cada partícula de aire, veremos que según avanza el tiempo (eje X), la partícula realiza un desplazamiento oscilante (eje Y), con una frecuencia, una intensidad y un conjunto de armónicos (timbre) que caracterizan a cada sonido y que sigue fielmente el patrón de vibración del objeto que origina el sonido.


Guardar un sonido en formato analógico. Ejemplo: Disco de vinilo

La expresión "analógico" viene de "analogía". La información se guarda siguiendo una analogía con la forma en que se manifiesta dicha información. 

En un disco de vinilo, los surcos tienen la misma forma que la representación gráfica del sonido. Si dejamos la aguja del "pick-up" sobre el disco y lo hacemos girar podremos escuchar el sonido proveniente de la aguja incluso sin encender el equipo. La información de ese sonido (una canción) se ha guardado de forma ANÁLOGA, similar, equivalente a la forma de onda de ese sonido.

Otra forma analógica de guardar sonido muy utilizada es la cinta magnética. Aquí, a la hora de grabar sonido en esa cinta, las partículas magnéticas de dicha cinta se orientan siguiendo el patrón del sonido, por medio de una cabeza grabadora. Para reproducir esa información se usa otra cabeza lectora que en contacto con la cinta "lee" o detecta no solo la orientación de las partículas magnéticas sino también su intensidad de imantación.

Esto también está sujeto a ruido, a degradación de la información. Por ejemplo: Si el motor que arrastra a la cinta no tiene una velocidad exacta y estable, el tono en que se escucha la canción no es el original. Esto no tiene importancia para una audición normal. El que una canción esté medio tono arriba o abajo respecto de la original no se nota mucho. Pero si vas a utilizar cinta magnética para hacer mezclas entre distintos aparatos, te encontrarás con que cada uno reproduce una nota distinta, según la velocidad del motor que arrastra la cinta. Esto supone una grave limitación a la hora de la "afinación".


Inconvenientes de lo analógico: Ruido, degradación de la información.

Es fácil adivinar qué sucederá si en un disco de vinilo se posan partículas de polvo. Una mota de polvo, es como una piedra cuando hablamos de cosas tan pequeñas como un microsurco en un disco de vinilo. Cuando la mota de polvo llegue a la aguja la hará producir un crujido o chasquido que falseará la información original.

Es el ruido.

En electrónica se conoce como "ruido" no sólo al concepto de sonido (que también) sino a cualquier información o señal ajena y no deseada. Es un sinónimo de "interferencia". El ruido puede venir externamente del sistema que estamos utilizando, y también internamente generado por el propio equipo. En el caso del disco de vinilo, un ejemplo de ruido externo sería el polvo que cae sobre el disco. Un ejemplo de ruido interno sería el desgaste del propio disco: con el tiempo, las paredes de los microsurcos del disco (y la aguja lectora) se erosionan y el sonido se degrada.

En el caso de las transmisiones ANALÓGICAS por radio, el ruido interno puede venir dado por la degradación de la señal a medida que se aleja de la emisora. Mientras que un ejemplo de ruido externo puede ser la existencia de una tormenta cuya actividad electromagnética (rayos) se superpone a la señal de radio, falseándola.


-Guardar un sonido en formato digital: CD, DVD, Memoria...

Los inconvenientes anteriores se pueden evitar procesando la señal (sonido en este caso) de forma digital. Ahora no se graba la señal tal cual es, sino que se realiza un "muestreo". 

Vayamos otra vez a nuestra representación gráfica de un sonido:

Procesamiento DIGITAL de la información (Sonido en este caso)

Vemos que el valor de tensión de la onda de sonido cambia según el tiempo. Un muestreo consiste en tomar el valor de la tensión X veces por segundo. Cuantas mas veces por segundo se tome una muestra, mas "definición" tendrá la lectura.

En el dibujo anterior se ve una onda de sonido sometida a muestreo. En el standard de la industria musical, se realizan 44100 muestras cada segundo (44100 Hz). Cada una de esas muestras consiste en un byte de 16 bits. Con 16 bits se pueden expresar 65.536 estados distintos, que corresponden a 65536 valores de tensión posibles. 

Es decir, un sonido guardado en formato digital consiste en 44100 números (por cada segundo de grabación), y cada uno de esos 44100 números representa un valor bastante exacto de tensión merced a los 65536 valores posibles que se pueden expresar con 16 bits.

Con tal definición y nivel de discriminación, un sonido queda bastante bien representado.

Esto tiene un coste, y es que hace falta bastante memoria para representar un sólo segundo de sonido. Este es el famoso formato .WAV.  Usando algoritmos, es posible representar un sonido digitalmente de forma aceptable usando mucha menos memoria, basándose en hechos físicos y las limitaciones de nuestro sentido del oído. Tales son los formatos MP3 y similares.

Ahora, el sonido no es una forma de onda. Es una sucesión de números... y esto se presta maravillosamente bien a la computación, el tratamiento informático, matemático, matricial y tantas formas de proceso.

Pero...¿Cómo se almacenan números en un equipo?

Usando memorias.

Un CD es un claro ejemplo de memoria masiva que almacena la información en formato numérico, concretamente el binario: 0 y 1. Lo mismo para las memorias Flash de los USB y los MP4, teléfonos móviles, etc.

Un equipo que procese la señal de sonido (o cualquier otra señal) de forma digital, por modesto que sea, está basado en un µP (microprocesador) que será el que gestione esa información.

Una gran ventaja de la información digital es su inmunidad frente al ruido. Aquí los valores de la señal grabada no son continuos como en el caso analógico. Los valores son "0" ó "1",; "Alto" o "bajo", es decir, son valores bien diferenciados, por lo que el ruido no hace que el "1" deje de ser "1" o el "0" deje de ser "0". Es más, si eso ocurriera, si un bit "1" se convirtiera en un "0" por una interferencia: Hay circuitos programados mediante un código detector-autocorrector que no sólo son capaces de detectar un error sino que son capaces de saber dónde está el error (qué bit de los 16 que componen un byte es el erróneo)... y corregirlo ellos mismos. De esta forma se evita el pedir el reenvío del paquete de información defectuoso, lo cual agiliza el proceso.

Hay que dejar claro que un equipo de sonido, por muy digital que sea, tiene que acabar procesando la señal de forma analógica, ya que los altavoces son analógicos por naturaleza. 


Ventajas de lo digital: Inalterabilidad, manipulación sin límites.

Queda clara la superioridad del método digital frente al analógico en cuanto a invulnerabilidad a los errores, así como el tratamiento informatizado de la información: Presentación de menús, organización en carpetas y subcarpetas, por temas, autor, género; también se puede tratar digitalmente esa información por medio de editores de sonido y otro software relativo al audio...



El Video:







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12 comentarios:

  1. Terrazocultor eres un crak.
    Simplemente me gustaría felicitarte por tu gran trabajo.
    Muchisimas gracias y espero con ganas la siguiente lección.
    Un saludo Aguslujar

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  2. Terrazocultor, ¿podrías decir(nos) tu formación académica?. La cosa o la curiosidad me surge de lo variado de conocimientos... solo hace falta ver tu canal youtube y el blog del biodesel.

    Mi interes por la electronica siempre ha estado ahí, pero he pasado a más por el librito "la radio pero si es muy facil", no sé si lo conocereís.

    Un abrazo y un gran gracias.

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    Respuestas
    1. Hola DAvid, Si yo conozco el libro de la editorial Marcombo.
      Los personajes Curiosus e Ignotus te hacen comprender los conocimientos
      técnicos de la radio y la electronica de forma entretenida...

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  3. Llevo tiempo siguiendo las aventuras de este blog y también he sentido muchas veces curiosidad por la formación académica (o no) que tiene el autor, este señor es un auténtico hombre del renacimiento!. A ver Terrazocultor cuando realizas un post en modo autobiografía :)
    Yo también quisiera recomendar una serie de libros relacionados con la electrónica, por que mientras estaba leyendo el artículo me han recordado a ellos por la forma en que Terrazocultor muestra los conocimientos y sobre todo como dibuja los esquemas electrónicos.
    El autor es Forrest M. Mins y tiene un montón de bibliográfica sobre electrónica amateur, los libros son obras de arte pues están escritos a mano sobre libretas de cuadros y están ilustrados con dibujos de los circuitos y componentes de una forma extraordinaria. Os dejo un enlace con un libro, espero que lo disfrutéis.

    http://es.scribd.com/doc/3137551/Radio-Shack-Basic-Electronics

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  4. increible la sabiduria y la forma de explicar. hace entender rapidamente todo... eres el mejor. un abrazo desde venezuela

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  5. Material a usar en crepúsculo? Muchas gracias buenos tutos

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  6. Este comentario ha sido eliminado por el autor.

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  7. Hola Jose !
    Enhorabuena por esta clase!
    Tengo algunas dudas sobre el circuito crepuscular.
    Puesto que me gusta entender en su totalidad el circuito.
    Serias tan amable de poder explicarme que finalidad tienen en el circuito C1, C2 y R2,R3.
    Gracias por adelantado!

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  8. muy bien explicaste amigo gracias estoy utilizando los informaciones que escribiste! tours estambul

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  9. Eres muy bueno en tu tema. DIOS te bendiga

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