CIRCUITOS ELECTRONICOS CON DIODOS Y TRANSISTORES

RESUMEN.

En el siguiente reporte se estarán abordando dos temas muy importantes relacionados al diodo y transistor, donde se utilizara voltaje y corriente, también se realizaran circuitos electrónicos con la herramienta Multisim y la tableta experimental protoboard. Por último se investigara de una herramienta de medición que se encuentra en el programa Multisim.

1.- INTRODUCCIÓN.

Los elementos principales del siguiente reporte son el diodo y transistor, donde se describirán los conceptos, características y clasificación. Proporcionando graficas sobre el comportamiento del voltaje y corriente de estos dos componentes, también se elaboraran dos circuitos electrónicos del diodo y transistor, donde se describirá el funcionamiento, utilizando la herramienta osciloscopio y multímetro. Por consiguiente se investigara de la herramienta de medición Bode Plotter y por último se dará una conclusión general.

2.- CONCEPTO, CARACTERÍSTICAS Y CLASIFICACIÓN DE UN DIODO Y UN TRANSISTOR, PROPORCIONANDO LAS GRÁFICAS ACERCA DEL COMPORTAMIENTO DE ESTOS DOS COMPONENTES CON RESPECTO AL VOLTAJE Y CORRIENTE.

2.1.- DIODO.

Los diodos de potencia juegan un papel importante en los circuitos electrónicos de potencia, para la conversión de la energía eléctrica. Un diodo funciona como interruptor que efectúa diversas funciones, como por ejemplo, conmutadores en rectificadores, corrida libre en reguladores conmutados, inversión de carga de capacitor y transferencia de energía entre componentes, aislamiento de voltaje, regreso de energía, de la carga a la fuente de alimentación y recuperación de la energía atrapada.

Un diodo de potencia es un dispositivo de unión pn con dos terminales (1, 2). Una unión pn se forma, en el caso normal, por aleación, difusión y crecimiento epitaxial. Las técnicas modernas de control de los procesos de difusión y epitaxiales permiten obtener las características deseadas en el dispositivo. La (Figura 1), muestra un corte de unión pn y el símbolo del diodo.

Figura 1. Unión pn y símbolo del diodo.

Cuando el potencial es positivo con respecto al cátodo, se dice que el diodo esta polarizado directo, y conduce electricidad, Un diodo conductor tiene una caída directa de voltaje a través de él relativamente pequeña; la magnitud de esta caída depende del proceso de manufactura y de la temperatura de la unión. Cuando el

potencial del cátodo es positivo con respecto al del ánodo, se dice que el diodo esta polarizado inverso. Bajo condiciones de polarización inversa pasa una corriente pequeña inversa (que también se llama corriente de fuga o corriente de perdida), en del orden de micro o miliamperes; esta corriente de fuga aumenta de magnitud en forma paulatina hasta que se llega al voltaje de avalancha o de Zener. La (Figura 2a) muestra las características v-i de estado permanente para un diodo. Para la mayor parte de los fines prácticos, se puede considerar que un diodo es un interruptor ideal, cuyas características se ven en la (Figura 2b). (Rashid & Gonzalez y Pozo, 2004, pág. 31)

Figura 2. Características de v-i de un diodo.

Los diodos rectificadores son muy importantes. Un rectificador es un dispositivo que transforma la corriente alterna (ca) en corriente continua (cc). Como los diodos solo facilitan el paso de corriente en un sentido, en el caso de una (ca) sólo pasara la mitad de cada ciclo. En un cargador de baterías puede emplearse un diodo para dar una cc. Las baterías de acumuladores se cargan haciendo que las atraviese una corriente de sentido contrario al de su corriente de descarga; entonces, si se dispone de una fuente de alimentación de ca, el diodo solo dejara pasar la parte de corriente que tenga el sentido necesario para restituir la carga de la batería (Figura 3). (Schuler, 1986, pág. 28)

Figura 3. Carga de batería con diodo.

2.2.- TRANSISTOR.

Los transistores de potencia tienen características controladas de encendido y apagado. Los transistores, que utilizan como elementos de conmutación, se operan en la región de saturación, y producen una pequeña caída de voltaje en el estado de encendido. La velocidad de conmutación de los transistores modernos es mucho mayor que la de los tiristores y se emplean frecuentemente en convertidores cd-cd y cd-ca, con diodos conectados en paralelo inverso para proporcionar flujo bidireccional de corriente. Sin embargo, sus especificaciones nominales de voltaje y corriente son menores que las de los tiristores, y normalmente los transistores se emplean en aplicaciones de baja a mediana potencia. Los transistores de potencia se pueden clasificar, de manera general, en cinco categorías:

A.- Transistores bipolares de unión (BJT).

B.- Transistores de efecto de campo de metal oxido semiconductor (MOSFET).

C.- Transistores de inducción estática (SIT).

D.- Transistores bipolares de compuerta aislada (IGBT).

E.- COOLMOS.

Se puede considerar a los BJT, MOSFET, SIT, IGBT o COOLMOS como interruptores ideales para explicar las técnicas de conversión de potencia. Un transistor se puede operar como un interruptor. Sin embargo, la elección entre un BJT y un MOSFET en los circuitos convertidores no es obvia, aunque cada uno de ellos puede sustituir a un interruptor, siempre y cuando sus especificaciones nominales de voltaje y corriente cumplan con los requisitos de salida del convertidor. Los transistores prácticos difieren de los dispositivos ideales; tienen ciertas limitaciones, y se restringen a algunas aplicaciones. Se deben examinar las características y especificaciones nominales de cada tipo para determinar su adecuación a determinada aplicación.

Un transistor bipolar se forma agregando una segunda región p o n a un diodo de unión pn. Con dos regiones n y una p, se forman dos uniones, teniéndose así un transistor NPN, como se muestra en la (Figura 4a). Con dos regiones p y una región n, se forma lo que se llama transistor PNP, que se muestra en la (Figura 4b). Las tres terminales son colector, emisor y base. Un transistor bipolar tiene dos uniones: la unión colector-base (CBJ) y la unión base-emisor (BEJ).

Figura 4. Transistores bipolares.

Aunque hay tres configuraciones posibles en transistores: colector común, base común y emisor común, la configuración emisor común, que se ve en la (Figura 5a) para un transistor NPN, es la que generalmente se utiliza en aplicaciones de conmutación. En la (Figura 5b) se muestran las características típicas de entrada de corriente de base IB en función del voltaje base-emisor VBE. La (Figura 5c) muestra las características típicas de salida de corriente de colector IC en función del voltaje de colector-emisor VCE. Para un transistor PNP, se invierten las polaridades de todas las corrientes y voltajes.

Figura 5. Características de los transistores NPN.

Hay tres regiones de operación de un transistor: de corte activa y de saturación. En la región de corte, el transistor está abierto o apagado, la corriente de base no es suficiente para saturarlo. Y las dos uniones están polarizadas inversamente. En la región activa, el transistor actúa como un amplificador, en que la corriente de base se amplifica una ganancia determinada, y el voltaje colector-emisor disminuye al aumentar la corriente de base. La unión colector-base (CBJ) esta polarizada inversamente, y la unión colector-emisor (BEJ) tienen polarización directa. En la región de saturación, la corriente de base es suficientemente alta como para que el voltaje colector-emisor sea bajo, y el transistor actúa como interruptor. Las dos uniones (CBJ y BEJ) tienen polarización directa. La característica de transferencia, que es una gráfica de VCE en función de IB, se muestra en la (Figura 6). (Rashid & Gonzalez y Pozo, 2004, pág. 125)

Figura 6. Características de transferencia.

3.- REALIZA EN EL PROGRAMA MULTISIM UN CIRCUITO ELECTRÓNICO EMPLEANDO EL DISPOSITIVO DIODO.

El circuito electrónico realizado con el dispositivo diodo se compone de las siguientes partes: Fuente de alimentación de 220Vac (V1), fusible de protección de 1Amper (F1), Transformador de 10:1 (T2), puente de cuatro diodos 1B4B42 (D2), diodo 1N5404 (D1, D3), capacitor electrolítico de 4700µF (C1), capacitor de 100nF (C10, C11), capacitor electrolítico de 22µF (C8), capacitor electrolítico de 10µF (C9), resistencia variable de 10k (R1), resistencia de 220 (R2), regulador de voltaje LM7812CT (U2), lámparas de 12V 10Watts (X1, X2), también se cuenta con equipo de medición los cuales son: Cuatro multímetros (XMM1, XMM2, XMM3, XMM4), osciloscopio (XSC1).

4.- REALIZA EN EL PROGRAMA MULTISIM UN CIRCUITO ELECTRÓNICO EMPLEANDO EL DISPOSITIVO TRANSISTOR.

En el circuito electrónico realizado con el dispositivo transistor se compone de los siguientes elementos: Fuente de alimentación de 220Vac 60Hz (V1), fuente de alimentación de 6Vcc (V2), interruptor tipo apagador (S1), resistencia de 47k (R1), resistencia de 22k (R2), resistencia de 5k (R3), diodo 1N4004 (D1), capacitor electrolítico de 10µF (C1), transistor BC558AP (Q1), transistor BD136 (Q2), fusible de protección de 500mA (U1), lámpara de 6Vcc 3watts (X1). Cuenta con cuatro dispositivos de medición los cuales son: tres multímetros (XMM1, XMM2, XMM3) y un osciloscopio (XSC1).

5.-DESCRIPCIÓN Y ANÁLISIS CON EL OSCILOSCOPIO DE LOS CIRCUITOS ELECTRÓNICOS REALIZADOS CON DIODO Y TRANSISTOR.

5.1.- CIRCUITO ELECTRÓNICO CON DIODO (FUENTE DE VOLTAJE REGULADA).

En este circuito electrónico podemos apreciar que la entrada de voltaje es de 220Vac (V1), la cual se transforma utilizando un transformador de relación 10:1 (T2), dando como resultado un voltaje de 21.993 Vac en su salida, la cual se puede apreciar en el multímetro (XMM1), después se rectifica el voltaje con un puente de diodos (D2), donde obtenemos 26.972Vcc, la cual se envía a un regulador de voltaje de 12Vcc (LM7812CT), el cual nos regula un voltaje de 12Vcc para las lámparas (X1, X2), algo muy importante, donde se debe poner atención es que el regulador de voltaje, está realizando su función, ya que nos está regulando el voltaje de 26.972Vcc, multímetro (XMM2) a 11.693Vcc multímetro (XMM3). También se cuenta con una resistencia variable para ajuste del voltaje de salida, la cual se encuentra al 100% en su ajuste. En el

osciloscopio, podemos observar el voltaje de entrada (línea roja), como una onda senoidal, ya que es voltaje de corriente alterna, en el voltaje de salida (línea amarilla) se puede observar como una línea continua en la parte superior de la onda senoidal (Figura 7).

Figura 7. Circuito electrónico, fuente de poder utilizando el dispositivo diodo.

5.2.- CIRCUITO ELECTRÓNICO CON TRANSISTOR (LUZ DE EMERGENCIA).

En el siguiente circuito electrónico se puede observar que en presencia de la tensión de la red (220Vac), el transistor (Q2), se encuentra cortado debido que su base, no se encuentra excitada de manera que no existe consumo de corriente, ya que el emisor y colector se encuentran abiertos y por lo tanto la lámpara no prende (X1), esto lo podemos observar en el osciloscopio, el cual nos muestra el momento en que tenemos presente la tensión (220Vac) y la salida, se va a cero (Línea amarilla) (Figura 8.1). Al momento que se pierde la tensión de entrada (220Vac), el transistor (Q2) se excita y se cierra el emisor y colector. Por lo tanto, tenemos presencia de voltaje y la lámpara se prende, se puede observar la línea amarilla que incrementa el voltaje (Figura 8.2). Este circuito es semejante, al transistor como interruptor que se utilizó anteriormente en la actividad 3, pero este se utiliza para las lámparas de emergencia.

Figura 8.1. Circuito electrónico con transistores modo apagado, cuando la tensión de entrada está presente.

Figura 8.2. Circuito electrónico con transistores modo encendido, cuando la tensión de entrada no está presente.

6.-CIRCUITOS ELECTRÓNICOS EN TABLETA EXPERIMENTAL PROTOBOARD.

6.1.- FUENTE DE VOLTAJE REGULADA.

En el circuito electrónico de la fuente de voltaje regulada (Figura 9), implementado en la tableta experimental protoboard, se aprecian todos los componentes descritos en el capítulo 3 parte superior.

Figura 9. Fuente de voltaje regulada en tableta experimental protoboard.

6.2.- LUZ DE EMERGENCIA.

En el circuito electrónico de la luz de emergencia (Figura 10), se pueden apreciar los componentes utilizados. Estos componentes se encuentran descritos en el capítulo 4 parte superior.

Figura 10. Circuito electrónico para luz de emergencia con transistores.

7.- HERRAMIENTA EN MULTISIM (BODE PLOTTER).

El trazador de Bode se emplea para analizar la respuesta en frecuencia de un circuito. Es capaz de medir tanto la relación entre magnitudes (ganancia de tensión en decibelios) como el desfase (en grados).

El trazador de Bode genera su propio espectro de frecuencia. La frecuencia de cualquier fuente de alterna en el circuito es ignorada, pero el circuito debe incluir una fuente de alterna. (Corporation, 2013)

Se debe conectar los terminales In y Out del trazador de Bode a los puntos del circuito en los que desea medir Vin y Vout (Figura 11).

Figura 11. Trazador de bode.

La magnitud (o fase) y la frecuencia en la intersección del cursor vertical y la traza se muestran en las cajas debajo de la pantalla, como en el ejemplo a continuación (Figura 12).

Figura 12. Magnitud y frecuencia de fase en bode plotter.

8.- CONCLUSIÓN.

Al concluir los temas tratados de este reporte puedo decir lo siguiente: Lo interesante que ha sido el poder seguir aprendiendo, sobre el diodo y el transistor, ya que se ha podido comprobar el huso y aplicaciones, por medio de circuitos electrónicos, los cuales los tratados en este reporte son: fuente de voltaje regulada, donde se comprobó su funcionamiento y la eficacia de los diodos, como rectificadores y un circuito, para luz de emergencia, donde se pudo comprobar lo magnifico que es un transistor como interruptor. En verdad estoy impresionado por lo grandiosos que son los diodos y transistores, otra de las experiencias que son de gran ayuda para mi experiencia personal, es la elaboración de los circuitos electrónicos en la tarjeta experimental protoboard, ya que se puede comprobar, aunque es virtualmente la inserción de los dispositivos electrónicos.

También al investigar sobre el instrumento de medición, Bode Plotter he comprendido la gran utilidad para el análisis de las magnitudes y frecuencias de circuitos electrónicos.

Como punto final puedo decir que el seguimiento que se le ha dado al diodo y transistor, ha sido de gran utilidad para mi formación personal y profesional. La electrónica actual por medio de sus investigaciones nos ha permitido llegar hasta el punto donde estamos con la micro-tecnología.

BibliografíaCorporation, N. I. (18 de Octubre de 2013). National Instruments. Recuperado el 18 de Octubre de

2013, de National Instruments: http://www.ni.com

Rashid, M. H., & Gonzalez y Pozo, V. (2004). Electronica de potencia. Mexico: Pearson Educacion.

Schuler, C. A. (1986). Electronica, principios y aplicaciones. España: Reverte, S.A.