CURSO DE ELECTRONICA

5/10/2018 CURSO DE ELECTRONICA - slidepdf.com

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INSTITUTO TECNOLÓGICO DE TOLUCA

INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA

CRESTOMATIA DE

ELECTRÓNICA

PROFESOR: ING. HÉCTOR GARCÍA DE LA ROSAING. OMAR GARCIA DE LA ROSA

FEBRERO 2011



CURSO DE ELECTRÓNICA

UNIDAD I DIODO

UNIDAD II TRANSISTOR BIPOLAR DE UNIÓN

UNIDAD III AMPLIFICADORES OPERACIONALES Y CIRCUITOSDE TIEMPO

UNIDAD IV PRINCIPIOS DE ELECTRÓNICA DIGITAL

UNIDAD V PRINCIPIOS DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA

UNIDAD VI CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMABLES(PLC)



UNIDAD I

DIODOS

1.1 Conducción en semiconductores. 1.2 Semiconductores contaminados y unión PN.

1.3 Curva característica y especificaciones.

1.4 Circuitos rectificadores.

1.5 Circuitos limitadores de nivel.

1.6 Diodo Zener.

1.7 Regulación con diodo Zener.



DIODOS

Los diodos realizan una gran variedad de funciones entre ellas, la rectificación deseñales de corriente alterna en fuentes de poder y en radios AM, reguladores devoltaje, formadores de onda, duplicadores de voltaje, selectores de frecuencia,

detectores de FM, disparadores, indicadores luminosos, detectores de haz,generadores láser, etc. Las aplicaciones de los diodos son muchas y muy variadas;de ahí la importancia de conocerlos mas a fondo.

Los diodos semiconductores como su nombre lo indica, son dispositivosconformados por dos uniones de material semiconductor, una tipo P y otra tipo N.Su nombre proviene de la contracción de las palabras”dos electrones”, en ingles.En la actualidad, la palabra diodo se utiliza de manera más amplia para definirmuchos dispositivos semiconductores que únicamente tienen dos terminales deconexión; esto a pesar de que su formación interna sea de mas de dos seccionesde material semiconductor.

A la sección P de un diodo se le conoce con el nombre de ánodo y a la secciónN con el cátodo.

En la codificación de diodos se distinguen tres códigos fundamentales, que son:

Europeo (PROELECTRÓN) Americano (JEDEC) Japonés (JIS)

Habitualmente se utiliza la codificación europea o americana.

1. Código europeo (PROELECTRÓN).-Dispone de dos o tres letras seguidasde un número (que también puede tener alguna letra intermedia).La primeraletra indica el material utilizado (A al Germanio, B al Silicio). Las otras letrasson relativas a la aplicación.

2. Código americano (JEDEC).- El código americano empieza con 1N (unaunión) seguido de un número sin ninguna significación especial que no seade identificación en catálogo.

Evidentemente estas distintas codificaciones dan lugar a que diodos con códigosdiferentes puedan ser equivalentes.

Cuando un diodo se encuentra en polarización directa, los electrones libres de lasección N y los huecos de la sección P son repelidos hacia la unión P-N debido alvoltaje aplicado por la fuente externa.

Si el voltaje de polarización es mas que el de la barrera de potencial, entonces unelectrón de la sección N cruzara a través de la unión para recombinarse con unhueco de la sección P, el desplazamiento de los electrones hacia la unión, genera



iones positivos dentro de la sección N, los cuales atraen a los electrones delconductor externo hacia el interior de cristal.

Una vez dentro, los electrones pueden desplazarse también hacia la unión pararecombinarse con los electrones de la unión P, mismos que se convierten en

electrones de valencia y son atraídos por el polo positivo del conductor externo;entonces salen del cristal (semiconductor P), y de ahí se dirigen hacia la batería.

El hecho de que un electrón de valencia en la sección P se mueva hacia elextremo izquierdo, es equivalente a que un hueco se desplace hacia la unión.Este proceso de flujo de corriente en el diodo se mantiene en tanto exista lapolarización directa con el voltaje mayor a la barrera de potencial.

Si el diodo esta polarizado de manera inversa, los huecos de la sección P sonatraídos hacia el polo negativo de la batería y los electrones de la sección N sonatraídos hacia el polo positivo. Puesto que huecos y electrones se alejan de la

unión, la zona de deplexión crece de acuerdo con el valor del voltaje inversoaplicado a las terminales del diodo. Por tanto, la zona de deplexión deja deaumentar cuando tiene una diferencia de potencial igual al valor de la tensióninversa aplicada con la zona de deplexión aumentada, no circula entonces lacorriente eléctrica; la razón es que el positivo, en cierta forma, aumentó el máximode sus resistencia eléctrica interna.

Aunque de manera practica consideramos que no hay flujo de corriente eléctrica através del diodo de polarización inversa, realmente si se genera un pequeño flujode corriente eléctrica inversa.

El calor del ambiente hace que de manera espontánea se generen pares (hueco-electrón) suficiente para mantener un diminuto flujo de corriente eléctrica. A lacorriente eléctrica también se ele conoce como “corriente de portadoresminoritarios”.

Hay otra corriente que se genera de manera paralela a la corriente inversa, y es laeléctrica superficial de fugas; esta es producida por impurezas de la superficie delcristal e imperfecciones en sus estructura interna.



1.1 Conducción en semiconductores

Un semiconductor es un componente que no es directamente un conductor decorriente, pero tampoco es un aislante. En un conductor la corriente es debida almovimiento de las cargas negativas (electrones). En los semiconductores se

producen corrientes producidas por el movimiento de electrones como de lascargas positivas (huecos). Los semiconductores son aquellos elementospertenecientes al grupo IV de la tabla Periódica (Silicio, Germanio, etc.).

En los átomos de silicio y germanio, los electrones se mantienen juntos consuficiente fuerza. Los electrones interiores se encuentran a gran profundidaddentro del átomo, mientras que los electrones de valencia son parte del enlacecovalente: no pueden desprenderse sin recibir una considerable cantidad deenergía. Generalmente a estos se le introducen átomos de otros elementos,denominados impurezas, de forma que la corriente se deba primordialmente a loselectrones o a los huecos, dependiendo de la impureza introducida. Otra

característica que los diferencia se refiere a su resistividad, estando éstacomprendida entre la de los metales y la de los aislantes.

El germanio es un ejemplo de semiconductor, tiene cuatro electrones en su orbitalde valencia. Hace unos años el germanio era el único material adecuado para lafabricación de dispositivos semiconductores. Sin embargo estos dispositivos degermanio tenían un grave inconveniente, que no pudo ser resuelto por losingenieros: su excesiva corriente inversa.

Mas tarde otro semiconductor, el silicio, se hizo mas practico dejando obsoleto algermanio en la mayoría de las aplicaciones electrónicas. Después del oxigeno el

silicio es el elemento mas abundante en la tierra.El funcionamiento del diodo ideal es el de un componente que presenta resistencianula al paso de la corriente en un determinado sentido, y resistencia infinita en elsentido opuesto. La punta de la flecha del símbolo circuital, representada en lafigura 1, indica el sentido permitido de la corriente.

presenta resistencia nula.

presenta resistencia infinita.

Mediante el siguiente ejemplo se pretende mostrar el funcionamiento ideal de undiodo en circuito sencillo.



Figura 1.1: Ejemplo de funcionamiento del diodo ideal.

Según está colocada la fuente, la corriente debe circular en sentido horario.En el circuito de la izquierda, el diodo permite dicha circulación, ya que la corrienteentra por el ánodo, y éste se comporta como un interruptor cerrado. Debido a esto,se produce una caída de tensión de 10V en la resistencia, y se obtiene unacorriente de 5mA.

En el circuito de la derecha, el diodo impide el paso de corriente, comportándosecomo un interruptor abierto, y la caída de tensión en la resistencia es nula: los 10Vse aplican al diodo.

2.2.1 Principales características comerciales

A la hora de elegir un diodo para una aplicación concreta se debe cuidar quepresente unas características apropiadas para dicha aplicación. Para ello, se debeexaminar cuidadosamente la hoja de especificaciones que el fabricante provee.Las características comerciales más importantes de los diodos que aparecen encualquier hoja de especificaciones son:

1. Corriente máxima en directa , IFmax o IFM (DC forward current ): Es lacorriente continua máxima que puede atravesar el diodo en directa sin queeste sufra ningún daño, puesto que una alta corriente puede provocar uncalentamiento por efecto Joule excesivo. Los fabricantes suelen distinguirtres límites:

o Corriente máxima continua (IFM)o Corriente de pico transitoria (Peak forward surge current ), en la que

se especifica también el tiempo que dura el picoo Corriente de pico repetitivo (Recurrent peak forward current ), en la

que se especifica la frecuencia máxima del pico



1. Tensión de ruptura en polarización inversa (Breakdown Voltage,BV; Peak Inverse Voltage, PIV): Es la tensión a la que se produce elfenómeno de ruptura por avalancha.

2. Tensión máxima de trabajo en inversa (Maximun Working Inverse Voltage): Es la tensión que el fabricante recomienda no sobrepasar

para una operación en inversa segura.3. Corriente en inversa, IR (Reverse current ): Es habitual que seexprese para diferentes valores de la tensión inversa

4. Caída de tensión en PD, VF (Forward Voltage): Pese a que se haseñalado anteriormente los 0.7V como valor típico, en muchasocasiones los fabricantes aportan datos detallados de esta caída detensión, mediante la gráfica I-V del dispositivo.

Además, es frecuente que los fabricantes suministren datos adicionales a cercadel comportamiento del dispositivo para otras temperaturas diferentes a la nominal.En el Anejo A.1 de este documento se incluyen unas hojas de datos de diodos a

modo de ejemplo.

1.2 Semiconductores contaminados y unión PN.

La conductividad de un semiconductor se puede aumentar en forma considerablecuando se introducen cantidades pequeñas de impurezas específicas en el cristal.Este procedimiento se llama dopado. Si las sustancias contaminantes tienenelectrones libres extra, se conoce como donador, y el semiconductor contaminadoes de tipo n. Los portadores mayoritarios son electrones y los portadoresminoritarios son huecos, pues existen más electrones que huecos. Si la sustancia

contaminante tiene huecos extra, se conoce como aceptor o receptor, y elsemiconductor contaminado es de tipo p. Los portadores mayoritarios son huecosy los minoritarios son electrones. Los materiales contaminados se conocen comosemiconductores extrínsecos, mientras que las sustancias puras son materialesintrínsecos.

2.3 Diodo de unión PN

Actualmente los diodos se fabrican a partir de la unión de dos materialessemiconductores de características opuestas, es decir, uno de tipo N y otro de tipoP. A esta estructura se le añaden dos terminales metálicos para la conexión con el

resto del circuito. En la Figura 1.2: se presenta el esquema de los dos tipos dediodos que se fabrican actualmente, el diodo vertical y el plano .



Figura 1.2: Esquemas de diodos de unión PN.

El hecho de que los diodos se fabriquen con estos materiales conlleva algunasdesviaciones de comportamiento con respecto al diodo ideal.En este apartado se presenta en primer lugar el proceso de formación de losdiodos de semiconductores para pasar después a exponer el comportamiento

eléctrico y las desviaciones con respecto al comportamiento ideal.

2.3.1 Formación de la unión PN

Supongamos que se dispone de un monocristal de silicio puro, dividido en doszonas con una frontera nítida, definida por un plano. Una zona se dopa conimpurezas de tipo P y la otra de tipo N (Figura 1.3). La zona P tiene un exceso dehuecos, y se obtiene introduciendo átomos del grupo III en la red cristalina (porejemplo, boro). La zona N dispone de electrones en exceso, procedentes deátomos del grupo V (fósforo). En ambos casos se tienen también portadores designo contrario, aunque en una concentración varios órdenes de magnitud inferior

(portadores minoritarios).

Figura 1.3: Impurificación del silicio para la obtención de diodos PN.

En cada zona la carga total es neutra: por cada electrón hay un ion positivo, y porcada hueco un ion negativo, es decir, no existen distribuciones de carga neta, nicampos eléctricos internos. En el momento mismo de crear dos zonas de diferenteconcentración de portadores, entra en juego el mecanismo de la difusión. Como se



recordará, este fenómeno tiende a llevar partículas de donde hay más a donde hay menos . El efecto es que los electrones y los huecos cercanos a la unión de lasdos zonas la cruzan y se instalan en la zona contraria, es decir:

Electrones de la zona N pasan a la zona P.

Huecos de la zona P pasan a la zona N.Este movimiento de portadores de carga tiene un doble efecto. Centrémonos en laregión de la zona P cercana a la unión:

1. El electrón que pasa la unión se recombina con un hueco. Aparece unacarga negativa, ya que antes de que llegara el electrón la carga total eranula.

2. Al pasar el hueco de la zona P a la zona N, provoca un defecto de cargapositiva en la zona P, con lo que también aparece una carga negativa.

El mismo razonamiento, aunque con signos opuestos puede realizarse para lazona N. En consecuencia, a ambos lados de la unión se va creando una zona decarga, que es positiva en la zona N y negativa en la zona P (Figura 1.4).

Figura 1.4: Formación de la unión PN.

La distribución de cargas formada en la región de la unión provoca un campoeléctrico desde la zona N a la zona P. Este campo eléctrico se opone almovimiento de portadores según la difusión, y va creciendo conforme pasan máscargas a la zona opuesta. Al final la fuerza de la difusión y la del campo eléctricose equilibran y cesa el trasiego de portadores. En ese momento está ya formado eldiodo de unión PN, y como resultado del proceso se ha obtenido:

Zona P , semiconductora, con una resistencia RP.

Zona N , semiconductora, con una resistencia . Zona de agotamiento (deplección) : No es conductora, puesto que no

posee portadores de carga libres. En ella actúa un campo eléctrico, o bienentre los extremos actúa una barrera de potencial .



Hay que tener en cuenta que este proceso sucede instantáneamente en elmomento en el que se ponen en contacto las zonas N y P, y no necesita de ningúnaporte de energía, excepto el de la agitación térmica.

2.3.2 Polarización directa

El bloque PN descrito en el apartado anterior (Figura 1.5) en principio no permiteel establecimiento de una corriente eléctrica entre sus terminales puesto que lazona de deplección no es conductora.

Figura 1.5: Diodo PN durante la aplicación de una tensión inferior a la de barrera.

Sin embargo, si se aplica una tensión positiva en el ánodo, se generará un campoeléctrico que "empujará" los huecos hacia la unión, provocando un estrechamientode la zona de deplección (Figura 1.6). Sin embargo, mientras ésta exista no será

posible la conducción.

Figura 1.6: Diodo PN bajo la acción de una tensión mayor que la de barrera.

Si la tensión aplicada supera a la de barrera, desaparece la zona de deplección yel dispositivo conduce. De forma simplificada e ideal, lo que sucede es lo siguiente(Figura 1.6):



1. Electrones y huecos se dirigen a la unión.2. En la unión se recombinan.

En resumen, polarizar un diodo PN en directa es aplicar tensión positiva a la zonaP y negativa a la zona N. Un diodo PN conduce en directa porque se inunda de

cargas móviles la zona de deplección.La tensión aplicada se emplea en:

Vencer la barrera de potencial. Mover los portadores de carga.

2.3.3 Polarización inversa

Al contrario que en el apartado anterior, al aplicar una tensión positiva a la zona Ny negativa a la zona P, se retiran portadores mayoritarios próximos a la unión.Estos portadores son atraídos hacia los contactos aumentando la anchura de la

zona de deplección. Esto hace que la corriente debido a los portadoresmayoritarios sea nula (Figura 1.7). Ahora bien, en ambas zonas hay portadoresminoritarios. Un diodo polarizado en inversa lo está en directa para losminoritarios, que son atraídos hacia la unión. El movimiento de estos portadoresminoritarios crea una corriente, aunque muy inferior que la obtenida enpolarización directa para los mismos niveles de tensión.

Figura 1.7: Diodo PN polarizado en inversa.

Al aumentar la tensión inversa, llega un momento en que se produce la ruptura dela zona de deplección, al igual que sucede en un material aislante: el campoeléctrico puede ser tan elevado que arranque electrones que forman los enlacescovalentes entre los átomos de silicio, originando un proceso de rotura poravalancha. (Nota: Sin embargo, ello no conlleva necesariamente la destruccióndel diodo, mientras la potencia consumida por el diodo se mantenga en nivelesadmisibles).



Modelos del diodo de unión PNA continuación se van a explicar los diferentes tipos de modelos propuestos parael funcionamiento de un diodo de unión PN.

Modelos para señales continuas

Bajo el término señales continuas se engloban en este apartado tanto las señalesconstantes en el tiempo como aquellas que varían con una frecuencia muy baja.

Modelo DC del diodo realEl comportamiento del diodo real se corresponde con el indicado por la siguienteexpresión:

En donde:

n, es el factor de idealidad. El valor n se ubica dentro del rango entre 1 y 2.

Depende de las dimensiones del diodo, del material semiconductor, de lamagnitud de la corriente directa y del valor de IS. VT, es el potencial térmico del diodo y es función de la constante de

Boltzmann (K), la carga del electrón (q) y la temperatura absoluta del diodoT(K). La siguiente expresión permite el cálculo de VT:

Con y .El potencial térmico a temperatura ambiente, T=25ºC, es VT=25.71mV.

R es la resistencia combinada de las zonas P y N, de manera que V-IR esla tensión que se está aplicando en la unión PN, siendo I la intensidad quecircula por el componente y V la tensión entre terminales externos.

IS, es la corriente inversa de saturación del diodo. Depende de laestructura, del material, del dopado y fuertemente de la temperatura.

La representación gráfica de este modelo se muestra en la Figura 1.8:

Figura 1.8: Representación gráfica del modelo del diodo real.



Como puede apreciarse, este modelo no da cuenta de la tensión de ruptura eninversa.El modelo puede completarse mediante la adición de nuevos parámetros queincluyan efectos no contemplados en la teoría básica. Por ejemplo, algunosmodelos empleados en los programas simulación por ordenador constan de hasta

quince parámetros. Sin embargo, a la hora de realizar cálculos sobre el papelresulta poco práctico. Por ello es habitual realizar simplificaciones del modelo paraobtener soluciones de modo más simple.

2.3.3.1 Modelo ideal del diodo de unión PN.

El modelo ideal del diodo de unión PN se obtiene asumiendo las siguientessimplificaciones:

Se toma el factor de idealidad como la unidad, n=1. Se supone que la resistencia interna del diodo es muy pequeña y que, por

lo tanto, la caída de tensión en las zonas P y N es muy pequeña, frente a lacaída de tensión en la unión PN.

Para V<0, el término exponencial es muy pequeño, despreciable frente a launidad. Entonces la intensidad tiende al valor IS, que como ya se había indicadoanteriormente, es la corriente inversa del diodo. Para V>0, la exponencial crecerápidamente por encima de la unidad.

2.3.3.2 Modelo lineal por tramos

Al igual que el modelo real, el modelo ideal sigue siendo poco práctico, dado sucarácter no lineal. El modelo lineal por tramos se obtiene como una aproximacióndel modelo ideal del diodo de unión PN, considerando las siguientessimplificaciones:

En inversa, la corriente a través de la unión es nula. En directa, la caída de tensión en la unión PN (VON) es constante e

independiente de la intensidad que circule por el diodo.

Para calcular el valor de VON se considera un diodo de unión PN de silicio con una

I S= 85 fA a una temperatura ambiente de T=25 ºC. El potencial térmico a esatemperatura es VT=25.7 mV. Tomando como variable independiente la intensidadI, la ecuación ideal del diodo queda:



A partir de esta expresión, se puede calcular la caída de tensión en el diodo paralas magnitudes de corriente habituales en los circuitos electrónicos. Por ejemplo,para un intervalo de corrientes 1 mA < I < 1 A se tienen tensiones 0.6 V <V DIODO<0.77 V. Como se puede apreciar, mientras que la corriente ha variado 3 órdenesde magnitud, la tensión apenas ha experimentado un cambio de 200 mV, por lo

que es posible aproximar la caída de tensión en la unión PN a un valor constantede 0.7 V.

Con estas simplificaciones se consigue evitar las expresiones exponenciales quecomplican los cálculos en la resolución del circuito. Sin embargo, se divide elmodelo en dos tramos lineales denominados inversa y directa (o corte yconducción), cada uno de los cuales obedece a ecuaciones diferentes: el diodoqueda convertido en un componente biestado .El modelo lineal por tramos queda sintetizado en la siguiente tabla:

Estado Modelo Condición

Conducción

Corte

La Figura 1.9 muestra la curva característica V-I del modelo lineal

Figura 1.9: Modelo lineal por tramos del diodo.

En la Figura 9, quedan reflejados los dos posibles estados del diodo el diodo:

Conducción o Polarización Directa "On", donde la tensión es VON paracualquier valor de la corriente.

Corte o Polarización Inversa "Off", donde la corriente es nula para cualquiervalor de tensión menor que VON.

El uso de este modelo sólo está justificado en aquellas ocasiones en las que no serequiere una gran exactitud en los cálculos.



Cuando a un material se le agregan impurezas para provocar un déficit deelectrones.

A las impurezas se las clasifica en donadoras y aceptadoras. Si a la estructura delsemiconductor de silicio se le añade alguna impureza, como puede ser el arsénico

(As), que tiene cinco electrones externos ligados al núcleo con carga positiva +5,se obtiene una forma distinta. Ahora, bien para aumentar la conducción decualquier semiconductor se recurre a un proceso denominado "dopado" o"envenenamiento". El objeto del mencionado proceso es el del aumentar lacantidad de portadores libres en el cristal provocando un aumento en laconductividad del mismo (recordar que la corriente es el flujo de portadores)El dopado del cristal es realizado con átomos trivalentes (con tres electrones en suúltima órbita) o pentavalentes (con cinco). Esta elección no es resultado de unproceso azaroso sino que uno u otro tipo de átomo aumentará a su vez lapresencia de uno u otro tipo de portador. ¿Cómo es esto?: el silicio, como ya se hadicho, tiene cuatro electrones en su última órbita que se combinan a su vez con

otros átomos para formar un cristal. Al introducir un átomo penta o trivalente endicho cristal, se provocará un aumento o un defecto de electrones que haráaumentar la cantidad portadores. Si se introduce un átomo pentavalente (P, Sb,As) en un cristal puro, cuatro de sus electrones se unirán a cuatro electrones delos átomos de silicio vecinos, pero el quinto queda libre, sin formar parte deninguna unión, por lo que está débilmente ligado al átomo: este electrón libre,requerirá muy poca energía para "saltar" a la banda de conducción. La energíatérmica del ambiente basta para provocar este salto. De esta forma al agregarátomos pentavalentes agregamos electrones en la banda de conducción, es decir,agregamos portadores.

Cabe mencionar que los mencionados átomos pentavalentes se ubican en un nivelde energía mucho más cercano a la banda de conducción que la banda devalencia, denominado "nivel donador" este nivel se ubica a una distancia,energéticamente hablando, de 0,05 electrón-volt, mientras que la distancia entrelas bandas de un semiconductor es de 0,7 eV.

De la misma forma, podemos dopar al cristal con átomos trivalentes (como el boro,el Aluminio, el Galio, etc.), esto provocará un exceso de electrones en el cristal, yatres de los cuatro electrones de la última órbita del Silicio se combinan con los treselectrones del anterior átomo. Esto trae como consecuencia la generación de unespacio sin electrones, que tendrá carga positiva, es decir, esto generará un

hueco.De esta forma podemos controlar de manera casi definida, a través del dopado, lacantidad de electrones o huecos que existen en un cristal. A este tipo de cristal sele denomina extrínseco, ya que fue modificado por elementos exteriores.



1.3 Curva característica y especificaciones.

El diodo ideal es un componente discreto que permite la circulación de corrienteentre sus terminales en un determinado sentido, mientras que la bloquea en elsentido contrario. En la Figura 1 se muestran el símbolo y la curva característica

tensión-intensidad del funcionamiento del diodo ideal. El sentido permitido para lacorriente es de A a K.

Figura 1.10: Símbolo y curva característica tensión-corriente del diodo ideal.

2.3.4 Característica tensión-corriente

La Figura 1.11 muestra la característica V-I (tensión-corriente) típica de un diodoreal.

Figura 1.11: Característica V-I de un diodo de unión PN.

En la gráfica se aprecian claramente diferenciadas las diversas regiones defuncionamiento explicadas en el apartado anterior:



Región de conducción en polarización directa (PD).o Región de corte en polarización inversa (PI).o Región de conducción en polarización inversa.

Por encima de 0 Voltios, la corriente que circula es muy pequeña, hasta que no se

alcanza la tensión de barrera (VON). El paso de conducción a corte no esinstantáneo: a partir de VON la resistencia que ofrece el componente al paso de lacorriente disminuye progresivamente, hasta quedar limitada sólo por lasresistencias internas de las zonas P y N. La intensidad que circula por la uniónaumenta rápidamente. En el caso de los diodos de silicio, VON se sitúa en torno a0,7 V.Cuando se polariza con tensiones menores de 0 Voltios, la corriente es muchomenor que la que se obtiene para los mismos niveles de tensión que en directa,hasta llegar a la ruptura, en la que de nuevo aumenta.

2.3.5 Diferencias entre el diodo de unión PN y el diodo ideal

Las principales diferencias entre el comportamiento real e ideal son:

1. La resistencia del diodo en polarización directa no es nula.2. La tensión para la que comienza la conducción es VON.3. En polarización inversa aparece una pequeña corriente.4. A partir de una tensión en inversa el dispositivo entra en conducción por

avalancha.

En la Figura 1.12 vemos representadas más claramente estas diferencias entre loscomportamientos del diodo de unión PN e ideal.

Figura 1.12: Diferencias entre el comportamiento del diodo de unión PN y deldiodo ideal.



1.4 Circuitos rectificadores.

Rectificación de media onda

La red más simple que se examinará con una señal variable en el tiempo aparece

en la figura 1.13. (En este caso utilizaremos el modelo ideal).

Figura 1.13. Rectificador de media onda.

A través de un ciclo completo, definido por el periodo T de la figura 1.13, el valorpromedio es cero. El circuito rectificador de media onda que se muestra en lafigura 1.13 generará una forma de onda vo, la cual tendrá un valor promedio deuso particular en el proceso de conversión de ac a dc. Cuando un diodo es usadopara el proceso de rectificación, es común que se le llame rectificados. Susvalores nominales de potencia y corriente son normalmente mucho más altos quelos de los diodos que se usan en otras aplicaciones, como en computadoras osistemas de comunicación.

Durante el intervalo t=0 => T/2, la polaridad del voltaje aplicado vi es como para

establecer "presión" en la dirección que se indica, y encender el diodo con lapolaridad indicada arriba del diodo.Al proceso de eliminación de la mitad de la señal de entrada para establecer unnivel dc se le llama rectificación de media onda.

El efecto del uso de un diodo de silicio con VT = 0.7 V se señala en la siguientefigura par región de polarización directa. La señal aplicada debe ser ahora de porlo menos 0.7 antes de que el diodo pueda "encender". Para los niveles de vimenores de 0.7 V el diodo aún está en estado de circuito abierto y v0 = 0 V, comoindica la misma figura. Cuando conduce, la diferencia entre v0 y vi se encuentraen un nivel fijo de VT = 0.7 V y v0 = vi - VT, según se indica en la figura. El efecto

neto es una reducción en el área arriba del eje, la cual reduce de manera naturalel nivel resultante de voltaje dc.

Rectificación de onda completa

Puente de diodosEl nivel de CD que se obtiene a partir de una entrada senoidal puede mejorar al100% si se utiliza un proceso que se llama rectificación de onda completa. La red



más familiar para llevar a cabo tal función aparece en la figura 1.14 con sus cuatrodiodos en una configuración en forma de puente durante el periodo t = 0 a T/2 lapolaridad de la entrada se muestra en la figura 1.15 para mostrar que D2 y D3están conduciendo, en tanto que D1 y D4 se hallan en estado "apagado". Elresultado neto es la configuración de la figura 1.16, con su corriente y polaridad

indicadas a través de R. Debido a que los diodos son ideales, el voltaje de cargavo = vi, según se muestra en la misma figura.

Figura 1.14. Puente rectificador de onda completa.

Figura 1.15. Rectificador de onda completa para el periodo 0? T/ 2 de voltaje deentrada vi.

Figura 1.16. Trayectoria de conducción para la región positiva de vi.



Figura 1.17: Tensiones en el rectificador de onda completa.

Si ahora se filtrara esta señal mediante un condensador, mejoraría su rizado.

Rectificación con condensador

En la Figura 1.18 se presenta el esquema eléctrico que aplica este principio a larectificación. Lo que se pretende es que sea el condensador el que alimente a lacarga cuando no pueda hacerlo la fuente de alimentación.

Figura 1.18: Esquema de rectificador con condensador.

La corriente no puede circular dado que el diodo está en inversa para ese sentidode circulación, con lo que C no puede descargarse y mantiene fija la tensión VM.La siguiente figura refleja la carga y descarga del condensador:



Figura 1.19: Funcionamiento del condensador.

Figura 1.20: Tensiones en el circuito de la Figura 1.18.

Funcionamiento en carga:El funcionamiento en carga es el que se obtiene al conectar una carga RL aldispositivo objeto de estudio.

Figura 1.21: Dispositivo en carga.



El condensador va perdiendo su carga al poder cerrarse una corriente a través deRL. De este modo, se cumple el objetivo de este diseño: C alimenta a la carga.Volviendo al circuito original. D estará en corte mientras VB sea menor que VA. Porlo tanto hay un punto en el que D vuelve a conducir (V B=VA), repitiéndose a partirde aquí toda la secuencia. Dicho funcionamiento se muestra en la Figura 1.22.

Figura 1.22: Tensiones en el circuito de la Figura 1.21.

Tal como se aprecia en la figura 1.22, el rizado obtenido es menor que el delesquema anterior. Su valor depende de la rapidez con que se descargue C através de la resistencia. Como se recordará, cuanto mayor sea el valor de C,mayor será el tiempo que necesita para descargarse, y menor el rizado. Comocontrapartida, si C es muy grande es posible que no tenga tiempo suficiente paracargarse durante el tiempo de conducción de D.



1.5 Circuitos limitadores de nivel.

Reciben este nombre debido a que limitan el nivel de amplitud de una señal a unvalor predeterminado.

Limitador positivo

La forma de un limitador positivo es la siguiente:

Figura 1.23

Se tomo RL >> R para que en el semiciclo negativo vaya todo a la salida.

Figura 1.24

Recorta los semiciclos positivos, limita o recorta. Si se usa la 2ª aproximación:

Figura 1.25

No recorta de forma perfecta por no ser ideal el diodo.



Limitador positivo polarizadoEs como el anterior pero con una pila.

Figura 1.26

Limitador negativo

La diferencia con el limitador positivo radica en el cambio de dirección del diodo.

Figura 1.27

Para explicar el comportamiento del limitador negativo se analizara un limitadordoble, que esta compuesto por un limitador polarizado positivo y otro limitadorpolarizado negativo.

Figura 1.28: Análisis del limitador doble.



Figura 1.29: Forma de onda del limitador doble.

Esto era para RL >> R. Si no se cumpliera esto no sería una senoidal cuando noconducen los diodos.

Es un circuito recortador (limitador), es un circuito limitador positivo polarizado ylimitador negativo polarizado.

Transformar una Senoidal a Cuadrada; si se mete una onda de pico muy grande ala entrada, aparece una onda prácticamente cuadrada a la salida, que aunque nosea tan parecida se toma como si fuese una onda cuadrada (es imposible haceruna onda cuadrada perfecta). Se puede aprovechar esto para electrónica digital.

Figura 1.30: Onda cuadrada.



Aplicación: Si tenemos un circuito que da alterna a su salida que es variable ynosotros queremos transmitir esa onda a la carga, podemos estropear la carga siconectamos directamente la carga a ese circuito.

Figura 1.31

Por eso ponemos un recortador o limitador entre la carga y ese circuito para queno se estropee la carga. Es para protección de la carga (se puede limitar la partepositiva, la negativa o las dos dependiendo del limitador que se utilice).

Figura 1.32: Aplicación del limitador al circuito de la figura 1.31.

1.6 Diodo Zener

El diodo zener trabaja exclusivamente en la zona de característica inversa y, enparticular, en la zona del punto de ruptura de su característica inversa.Esta tensión de ruptura depende de las características de construcción del diodo,se fabrican desde 2 a 200 voltios. Polarizado en directa actúa como un diodonormal y por tanto no se utiliza en dicho estado.

Figura 1.33: El diodo zener.



De acuerdo con la definición, se puede decir que el diodo Zener ha sido diseñadopara trabajar con voltajes negativos (con respecto a él mismo). Es importantemencionar que la región Zener (en un diodo Zener) se controla o se manipulavariando los niveles de dopado. Un incremento en el número de impurezasagregadas, disminuye el potencial o el voltaje de Zener VZ.

Así, se obtienen diodos Zener con potenciales o voltajes de Zener desde -1.8 V a -200 V y potencias de 1/4 a 50 W. El diodo Zener se puede ver como un dispositivoel cual cuando ha alcanzado su potencial VZ se comporta como un corto. Es un"switch" o interruptor que se activa con VZ volts. Se aplica en reguladores devoltaje o en fuentes.

Efecto zener

El efecto zener se basa en la aplicación de tensiones inversas que originan,debido a la característica constitución de los mismos, fuertes campos eléctricos

que causan la rotura de los enlaces entre los átomos dejando así electrones librescapaces de establecer la conducción. Su característica es tal que una vezalcanzado el valor de su tensión inversa nominal y superando la corriente a sutravés un determinado valor mínimo, la tensión en bornes del diodo se mantieneconstante e independiente de la corriente que circula por él.

En el circuito que se muestra en la figura 1.34, se desea proteger la carga contrasobre voltajes, el máximo voltaje que la carga puede soportar es 4.8 volts. Si seelige un diodo Zener cuyo VZ sea 4.8 volts, entonces este se activará cuando elvoltaje en la carga sea 4.8 volts, protegiéndola de esta manera.

Figura 1.34: Ejemplo de aplicación de un zener

De acuerdo a otras consideraciones, el funcionamiento de este diodo, a grandesrasgos es la siguiente:En la zona directa lo podemos considerar como un generador de tensión continua(tensión de codo). En la zona de disrupción, entre la tensión de codo y la tensiónzener (Vz nom) lo podemos considerar un circuito abierto. Cuando trabaja en lazona de disrupción se puede considerar como un generador de tensión de valorVf= -Vz.



El zener se usa principalmente en la estabilidad de tensión trabajando en la zonade disrupción o ruptura.Podemos distinguir:

Vz nom, Vz: Tensión nominal del zener (tensión en cuyo entorno trabaja

adecuadamente el zener). Iz min.: Mínima corriente inversa que tiene que atravesar al diodo a partir de

la cual se garantiza el adecuado funcionamiento en la zona de disrupción(Vz min.).

Iz máx.: Máxima corriente inversa que puede atravesar el diodo a partir dela cual el dispositivo se destruye (Vz máx.).

Pz: Potencia nominal que no debe sobrepasar el componente.Aproximadamente se corresponde con el producto de Vz nom e Iz máx.

Las curvas características de este tipo de diodo son:

Figura 1.35



Zeners reales contra ideales

Si un diodo Zener se comportara “perfectamente” el voltaje a través de él sería elvoltaje Zener, sin importar cuantos amperios fluyesen a través del diodo. Esto estáilustrado por la curva verde en el grafico inferior. Desgraciadamente, el voltajeZener crece con corrientes grandes como se muestra abajo en la curva roja. Notaque cuando el diodo Zener está conectado al revés actúa como un diodo normalde silicio conectado correctamente. La conducción comienza a aproximadamente0,6 voltios. Los Zeners reales se ven como diodos de silicio normalescorrectamente polarizados. Lo que se llama conducción “directa” para un diodo esllamada conducción “inversa” para un Zener.

Figura 1.36: Zener real e ideal.

Cuando usamos un diodo zener en un circuito se deben tener en cuenta lassiguientes consideraciones (a partir de las hojas de características suministradaspor el fabricante):



Para un correcto funcionamiento, por el zener debe circular una corrienteinversa mayor o igual a Iz min.

La corriente máxima en sentido inverso ha de ser siempre menor que Izmáx.

La potencia nominal Pz que puede disipar el zener ha de ser mayor (del

orden del doble) que la máxima que este va a soportar en el circuito.

Tres son las características que diferencian a los diversos diodos Zener entre si:

Tensiones de polarización inversa, conocida como tensión zener.- Es latensión que el zener va a mantener constante.

Corriente mínima de funcionamiento.- Si la corriente a través del zener esmenor, no hay seguridad en que el Zener mantenga constante la tensión ensus bornes.

Potencia máxima de disipación. Puesto que la tensión es constante, nosindica el máximo valor de la corriente que puede soportar el Zener.

Por tanto el Zener es un diodo que al polarizarlo inversamente mantiene constantela tensión en sus bornes a un valor llamado tensión de Zener, pudiendo variar lacorriente que lo atraviesa entre el margen de valores comprendidos entre el valormínimo de funcionamiento y el correspondiente a la potencia de zener máximaque puede disipar. Si superamos el valor de esta corriente el zener se destruye.

1.7 Regulación con diodo Zener

Un regulador de tensión se utiliza para obtener una tensión continua eliminandolas fluctuaciones que pueda producir tanto la tensión de línea como las cargasvariables.

La regulación de línea es la medida de cuánto cambia la tensión en la cargacuando va cambiando la tensión de la fuente primaria.

Regulación de línea = V carga / V fuete x100

La regulación a plena carga es una medida del cambio de la tensión de la carga amedida que cambia la corriente en la carga.

Idealmente, la regulación a plena carga y de línea deberían ser cero para lamayoría de las aplicaciones.

Se llama voltaje no regulado aquel que disminuye cuando el circuito conectado aél consume más corriente, esto ocurre en las fuentes DC construidas con solo el



rectificador y el condensador de filtro, en los adaptadores AC-DC y en las baterías.Un voltaje regulado mantiene su valor constante aunque aumente o disminuya elconsumo de corriente.

Problemas que podemos tener:

RL variable (variaciones de carga).

Variaciones de tensión de red (variaciones de red).

Debido a estos dos problemas la onda de salida de ese circuito puede variar entredos valores y como nuestro objetivo es obtener una tensión constante a la salidatendremos que hacer algo. Para resolver este problema ponemos un regulador detensión basado en el diodo zener.

Figura 1.37: Circuito con regulador.El circuito regulador con zener proporciona una tensión de salida casi constante apartir de una fuente variable.

Regulador de tensión en vacío (sin carga)

Figura 1.38: Regulador de tensión en vacío.



Vs estará entre un mínimo y un máximo, y el regulador tiene que funcionar bienentre esos 2 valores (Vs máx. y Vs mín.). En este caso Vs lo pondremos como unapila variable.

Además para que funcione correctamente el zener tiene que trabajar en la zona de

ruptura.

Figura 1.39

Para que esté en ruptura se tiene que cumplir:

Regulador de tensión con carga

Figura 1.40: Regulador de tensión con carga.

Para comprobar que estamos en ruptura calculamos el equivalente de Thevenindesde las bornes de la tensión VZ:



Figura 1.41: Análisis del regulador con carga.

El zener absorbe la corriente sobrante (IZ variable) y la resistencia (R) la tensiónsobrante. Entonces a la salida la forma de la onda es la siguiente:

Figura 1.42: Forma de onda.

Con esto se ve que lo que hace el zener es "Amortiguar el rizado". Si se requieredisminuir más el rizado se pondría otro regulador que disminuiría más el rizadopico a pico:

Figura 1.43: Circuito con doble regulador.



UNIDAD II

TRANSISTOR BIPOLAR DE UNIÓN

2.1 Uniones NPN, PNP.

2.2 Curvas característica y especificaciones.

2.3 Configuraciones de los transistores y circuitos depolarización.

2.4 El transistor como amplificador.

2.5 Amplificadores en cascada.



TRANSISTOR BIPOLAR DE UNIÓN

La mayoría de nosotros tiene que ver con algo con los productos electrónicos deun modo rutinario y tiene cierta experiencia con las computadoras personales. Uncomponente básico de los circuitos integrados que se encuentran en estos

productos electrónicos y en las computadoras es el dispositivo activo de tresterminales que se conoce como transistor. Entender este componente es esencialantes de que un ingeniero pueda iniciar el diseño de un circuito electrónico. Lafigura representa varios tipos de transistores que se consiguencomercialmente .Hay dos tipos básicos de transistores: transistores de uniónbipolar (BJT) y transistores de efecto de campo (FET).Aquí solamenteconsideraremos al BJT que fue el primero de los dos y continúa utilizándose en laactualidad. Nuestro objetivo es presentar al BJT, a fin de que nos permita aplicarlas técnicas para analizar los circuitos transistorizados.



2.1 Uniones NPN, PNP

En 1948, los laboratorios Bell desarrollaron un dispositivo semiconductor con tressecciones de materiales semiconductores (una configuración NPN y PNP); nosreferimos al transistor. Cada transistor cuenta con dos secciones de material N

separadas por una sección de material P; en tanto, cada transistor PNP cuentacon dos secciones de material P y una sección de material N. El nombre detransistor se deriva de la transferencia de resistencia. En su momento, estedispositivo fue el reemplazado directo de la válvula tríodo, que durante esa épocadominaba el mundo. Por motivos de claridad, basaremos nuestra explicación entransistores de tipo NPN. Al igual que el diodo el transistor requiere ser polarizadopara que realice la función en la que será empleado, para ello se coloca unafuente de alimentación (una batería) entre el colector y el emisor , de tal maneraque el polo negativo de la fuente quede conectado al emisor del transistor. En laconstrucción interna de un transistor, existe una tercer zona llamada base; éstasepara al colector del emisor, mientras que no exista una polarización en la base,

el circuito descrito se mantendrá en un estado de no conducción; esto se debe aque la barreras de potencial de las uniones se hacen tan grandes que no permitenel paso de electrones a través de ellas.

Figura 2.1: Uniones PNP y NPN.



Si se aplica un voltaje positivo entre la base y el emisor, se fomentara laproducción de portadores mayoritarios: es decir, huecos que pueden servir detransporte a los electrones que se encuentran en el emisor. Esto genera el pasode la corriente eléctrica desde el emisor a través de la base, saliendo por laterminal externa del colector; de esta forma se reduce la resistencia de las

barreras de potencial. Mientras se mantenga el voltaje aplicado en la base, por elcontrario se aplica un voltaje negativo no se generan portadores mayoritarios;entonces la corriente eléctrica del transistor se interrumpirá, y las barreras depotencial en las uniones se harán mas grandes.

Ahora ya sabemos que la corriente a través de un transistor puede ser controladamediante la aplicación de un voltaje positivo o negativo en la base del mismo.Existe una característica que hace a los transistores especialmente útiles, sobretodo en los que se refiere a la aplicación de señales electrónicas: El flujo decorriente eléctrica que circula entre el emisor y el colector, puede ser de valoresque oscilan entre un rango de los miliampers hasta los amperes (una corriente

muy grande), pero para controlar el flujo de corriente entre el emisor y el colectorse requiere de corrientes del orden de los microampers.El transistor esta compuesto por tres zonas de dopado, como se ve en la figura:

Figura 2.2

La zona superior es el "Colector", la zona central es la "Base" y la zona inferior esel "Emisor". El Emisor está muy impurificado, la Base tiene una impurificación muybaja, mientras que el Colector posee una impurificación intermedia.En este ejemplo concreto el transistor es un dispositivo npn, aunque tambiénpodría ser un pnp.

En principio es similar a dos diodos:Un transistor es similar a dos diodos, el transistor tiene dos uniones: una entre elemisor y la base y la otra entre la base y el colector. El emisor y la base formanuno de los diodos, mientras que el colector y la base forman el otro. Estos diodosson denominados: "Diodo de emisor" (el de la izquierda en este caso) y "Diodo decolector" (el de la derecha en este caso).



Figura 2.3

Antes y después de la difusión:Vamos a hacer un estudio del transistor npn, primeramente cuando está sinpolarizar (sin pilas y en circuito abierto) se produce una "Difusión" (como un gasen una botella), donde los electrones cruzan de la zona n a la zona p, se difunden,encuentran un hueco y se recombinan. Esto hace que en las uniones entre laszonas n y p se creen iones positivos y negativos.

Figura 2.4

Esta difusión y recombinación se da hasta llegar al equilibrio, hasta conseguir unabarrera de potencial de 0,7 V (para el Si). Se crean 2 z.c.e., una en la unión E-B(WE) y otra en la unión C-B.

2.2 Curvas características y especificaciones

Zonas de funcionamiento del transistor bipolar:

1. ACTIVA DIRECTA: El transistor sólo amplifica en esta zona, y se comportacomo una fuente de corriente constante controlada por la intensidad debase (ganancia de corriente).Este parámetro lo suele proporcionar el



fabricante dándonos un máximo y un mínimo para una corriente de colectordada (Ic); además de esto, suele presentar una variación acusada con latemperatura y con la corriente de colector, por lo que en principio nopodemos conocer su valor. Algunos polímetros son capaces de medir esteparámetro pero esta medida hay que tomarla solamente como una

indicación, ya que el polímetro mide este parámetro para un valor decorriente de colector distinta a la que circulará por el BJT una vez en elcircuito.

2. SATURACIÓN: En esta zona el transistor es utilizado para aplicaciones deconmutación (potencia, circuitos digitales, etc.), y lo podemos considerarcomo un cortocircuito entre el colector y el emisor.

3. CORTE: el transistor es utilizado para aplicaciones de conmutación(potencia, circuitos digitales, etc.), y podemos considerar las corrientes quelo atraviesan prácticamente nulas (y en especial Ic).

4. ACTIVA INVERSA: Esta zona se puede considerar como carente de interés.

Figura 2.5: Curvas características del BJT.

El transistor PNP es complemento del NPN de forma que todos los voltajes ycorrientes son opuestos a los del transistor NPN.

Para encontrar el circuito PNP complementario:

1. Se sustituye el transistor NPN por un PNP.2. Se invierten todos los voltajes y corrientes.



Curvas ganancia - corriente de colector

Figura 2.6: Transistor BUD600

Nos muestra la variación de la ganancia de corriente continua hFE con la corrientede colector IC y con la temperatura.Podemos apreciar que a una temperatura fija, la ganancia crece hasta un máximocuando la corriente de colector aumenta. Si esta corriente continúa aumentando,la ganancia comienza a disminuir.Por otro lado, también se observa que al aumentar la temperatura, aumenta laganancia para una corriente de colector dada.

Curvas características de entrada

Figura 2.7: Transistor BU1506DX

Relaciona la intensidad de base con la tensión base-emisor.En ella podemos ver la característica de entrada que nos da el fabricante, paratemperaturas de 25 a 125ºC del encapsulado y para distintas corrientes de



colector. Así, cuando la temperatura de la cápsula vale 25ºC, observamos quepara una variación pequeña de VBE, tenemos una variación de IB mayor.

Curvas características de salida

Figura 2.8: Transistor BUD600

Relacionan la intensidad de colector y la tensión colector-emisor para unaintensidad de base constante.En este caso no se limitan las curvas con la curva de máxima disipación depotencia (en algunas hojas vienen limitadas), así que hay que tenerlo muy encuenta a la hora de realizar los cálculos, ya que no se debe trabajar por encima dedicha curva.

Curvas características de transferencia

Figura 2.9: Transistor NZT44H8

Relacionan la intensidad de colector con la tensión base-emisor, para una tensiónconstante de VCE, en este caso de 5V.En esta gráfica, vemos como la relación IC-VBE es mucho más lineal a 25ºC quea 125ºC, queriéndonos decir el fabricante que a altas temperaturas nos



encontramos con una distorsión considerable, consecuencia directa de laalinealidad del transistor. Curvas VCEsat / IC

Figura 2.10: Transistor BU1506DXNos relacionan la tensión colector-emisor de saturación con la intensidad decolector. Los otros dos parámetros característicos son la temperatura de lacápsula y la ganancia de corriente en continua (IC/IB).Como podemos apreciar, para mayor temperatura habrá mayores valores detensión e intensidad.



2.3 Configuraciones de los transistores y circuitos de polarización

Para la polarización las terminales que se muestran en la figura 2.11 lasterminales se indican mediante las literales E para el emisor, C para el colector y Bpara la base. Se desarrollará una apreciación de la elección de esta notación

cuando se analice la operación básica del transistor. La abreviatura BJT, detransistor bipolar de unión (del ingles, Bipolar Junction Transistor), suele aplicarsea este dispositivo de tres terminales. El término bipolar refleja el hecho de que loshuecos y los electrones participan en el proceso de inyección hacia el materialpolarizado de forma opuesta. Si sólo se utiliza un portador (electrón o hueco),entonces se considera un dispositivo unipolar.

a) b)Figura 2.11: Tipos de transistores: a) pnp; b) npn.

Operación de Transistores

Se describirá la operación básica del transistor utilizando el transistor pnp de lafigura 2.11a. La operación del transistor npn es exactamente la misma que siintercambiaran las funciones que cumplen el electrón y el hueco. En la figura 2.12

se dibujo de nuevo el transistor pnp sin la polarización base-colector. El espesorde la región de agotamiento se redujo debido a al polarización aplicada, lo que dapor resultado un flujo muy considerable de portadores mayoritarios desde elmaterial tipo p hacia el tipo n.



Figura 2.12: Unión con polarización directa de un transistor pnp.

Ahora se eliminará la polarización base-colector del transistor pnp de la figura2.11a, según se muestra en la figura 2.13.Una unión p-n de un transistor tiene polarización inversa, mientras que la otratiene polarización inversa.

Ambos potenciales de polarización se aplicaron a un transistor pnp, con el flujoresultante indicado de portadores mayoritarios y minoritarios. Los espesores de lasregiones de agotamiento, que indican con claridad cuál unión tiene polarizacióndirecta y cuál polarización inversa. Habrá una gran difusión de portadoresmayoritarios a través de la unión p-n con polarización directa hacia el material tipon. Así, la pregunta sería si acaso estos portadores contribuirán de forma directa ala corriente de base IB o si pasarán directamente al material tipo p. Debido a quematerial tipo n del centro es muy delgado y tiene baja conductividad, un númeromuy pequeño de estos portadores tomará esta trayectoria de alta resistencia haciala terminal de la base.

La magnitud de la corriente de base casi siempre se encuentra en el orden de losmicroamperes, comparando con mili amperes para las corrientes del emisor y delcolector. La mayor cantidad de estos portadores mayoritarios se difundirá a travésde la unión con polarización inversa, hacia el material tipo p conectado a laterminal del colector. La razón de esta relativa facilidad con la cual los portadoresmayoritarios pueden atravesar la unión con polarización inversa se comprenderácon facilidad si se considera que para el diodo con polarización inversa, losportadores mayoritarios inyectados aparecerán como portadores con polarizacióninversa, los portadores mayoritarios inyectados aparecerán como portadoresminoritarios en el material tipo n.

En otras palabras, tuvo lugar una inyección de portadores minoritarios al materialde la región de la base tipo n. A la combinación de esto con el hecho de que todoslos portadores minoritarios en la región de agotamiento atravesarán la unión conpolarización inversa de un diodo puede atribuírsele el flujo.



Figura 2.13: Unión con polarización inversa de un transistor pnp.

Configuración de Base Común

Para la configuración de base común con transistores pnp y npn. La terminologíade la base común se deriva del hecho de que la base es común tanto a la entrada

como a la salida de la configuración. A su vez, por lo regular la base es la terminalmás cercana a, o que se encuentra en, el potencial de tierra. A lo largo de estelibro todas las direcciones de corriente harán referencia al flujo convencional(huecos) en lugar de hacerlo respecto al flujo de electrones. Para el transistor laflecha en el símbolo gráfico define la dirección de la corriente del emisor (flujoconvencional) a través del dispositivo.

Para describir en su totalidad el comportamiento de un dispositivo de tresterminales, como los amplificadores de base común se requiere de dos conjuntosde características, uno para el punto de excitación o parámetros de entrada y elotro para el lado de la salida. El conjunto de entrada para el amplificador de base

común relacionará la corriente de entrada (IE). El conjunto de características de lasalida o colector tiene tres regiones básicas de interés: la regiones activa, de cortey de saturación. La región activa es la que suele utilizarse para los amplificadoreslineales (sin distorsión). En particular:

En la región activa la unión base - colector se polariza inversamente, mientras quela unión emisor - base se polariza directamente.

La región activa se define mediante los arreglos de polarización de la figura 2.14.En el extremo más bajo de la región activa, la corriente del emisor (IE) es cero;esa es la verdadera corriente del colector, y se debe a la corriente de saturación

inversa ICO, como lo señala la figura 2.15.La corriente ICO real es tan pequeña (micro amperes) en magnitud si se comparacon la escala vertical de IC = 0. Las condiciones del circuito que existen cuando IE= 0 para la configuración de base común se muestra en la figura 2.16. La notaciónque con más frecuencia se utiliza para ICO en los datos y las hojas deespecificaciones es, como se indica en la figura 2.16, ICBO.



Debido a las mejoras en las técnicas de fabricación, el nivel de ICBO para lostransistores de propósito general (en especial los de silicio) en los rangos depotencia baja y mediana, por lo regular es tan bajo que puede ignorarse su efecto.Sin embargo, para las unidades de mayor potencia ICBO, así como Is, para eldiodo (ambas corrientes de fuga inversas) son sensibles a la temperatura. A

mayores temperaturas, el efecto de ICBO puede convertirse en un factorimportante debido a que aumenta muy rápidamente con la temperatura.En la región de corte, tanto la unión base-colector como la unión emisor-base deun transistor tienen polarización inversa.En la región de saturación, tanto la unión como la emisor - base están enpolarización directa.

a) b)Figura 2.14: Símbolos utilizados con la configuración común: a) transistor pnp; b)

transistor npn.

Figura 2.15: Características de salida o colector para un amplificador a transistorde base común.

Figura 2.16: Corriente de saturación inversa.



Configuración de Emisor Común

La configuración de transistor que se encuentra más a menudo aparece en lafigura 2.17 para los transistores pnp y npn. Se le denomina configuración de

emisor común debido a que el emisor es común o hace referencia a las terminalestanto de entrada como de salida (en este caso, es común tanto a la terminal debase como a la de colector). Una vez más, se necesitan dos conjuntos decaracterísticas para describir por completo el comportamiento de la configuraciónde emisor común: uno para el circuito de entrada o base-emisor y otro para elcircuito de salida o colector-emisor.En la región activa de un amplificador de base común la unión del colector-base seencuentra polarizada inversamente, mientras que la unión base-emisor seencuentra polarizada directamente.Para propósitos de amplificación lineal (la menor distorsión), el corte para laconfiguración de emisor común se definirá mediante IC = ICEO.

a) b)Figura 2.17: símbolos utilizados con la configuración de emisor común: a)

transistor npn; b) transistor pnp.

Configuración de Colector Común

La configuración de colector común se utiliza sobre todo para propósitos deacoplamiento de impedancia, debido a que tiene una alta impedancia de entrada yuna baja impedancia de salida, contrariamente a alas de las configuraciones debase común y de un emisor común.

La figura 2.18 muestra una configuración de circuito de colector común con laresistencia de carga conectada del emisor a la tierra. Obsérvese que el colector seencuentra conectado a la tierra aunque el transistor esté conectado de manerasimilar a la configuración del emisor común. Desde un punto de vista de diseño, nose requiere de un conjunto de características de colector común para elegir losparámetros del circuito de la figura 2.18. Puede diseñarse utilizando lascaracterísticas de salida para la configuración de colector común son la mismasque para la configuración de emisor común.



Figura 2.18: Configuración de colector común utilizado para propósitos de

acoplamiento de impedancia.

Polarización

La polarización adecuada de la base común puede determinarse rápidamenteempleando la aproximación IC ð IE y suponiendo por el momento que IB ð 0 μA. El

resultado es la configuración de la figura 2.19 para el transistor pnp. La flecha delsímbolo define la dirección del flujo convencional para IC ð IE. Las alimentacionesde cd se insertan entonces con una polaridad que sostendrá la dirección de lacomente resultante. En el transistor npn las polaridades estarán invertidas.

Figura 2.19

2.4 El transistor como amplificador.

Supongamos un transistor pnp conectado, tal como se muestra en la ¡Error! Nose encuentra el origen de la referencia.2.20. Como ya hemos visto, el número

de huecos que atraviesan la base vendrá dado fundamentalmente por la facilidadque tengan estos huecos de atravesar la unión emisor –base. Esta barrera estácontrolada por la tensión emisor –base, V EB , siendo, por tanto, éste el únicoparámetro externo que controla el valor de la corriente de huecos que atraviesa eltransistor. Por ello, la intensidad de colector, I C , está gobernada por V EB .



I E

I B

P

Emisor

I C N

Base

P

Colector

R L

Figura 2.20: El transistor como amplificador

Si conectamos a la salida del colector una resistencia R L, la diferencia de potencialentre los terminales de esta resistencia será: V AD = R L I C . Dado que la resistenciaR L es constante, cualquier variación de la intensidad de colector afectará a V AD

según la relación:V AD = R LI C

El valor de la intensidad de colector, así como el de su variación, dependen delvalor de la tensión emisor –base y de cómo varíe ésta. La relación entre ambosviene dada por la expresión

(-I C ) = g m V EB

Siendo g m un parámetro denominado transconductancia y que depende del puntode funcionamiento del transistor. Entonces, la variación de la tensión entre losterminales de la resistencia será:

V AD = R L g m V EB

Para un mismo incremento de la tensión emisor –base, el valor de la tensión enbornes de la resistencia dependerá de R L. Cuanto mayor sea R L mayor será V AD ,pudiéndose obtener grandes aumentos de tensión respecto a la tensión aplicadaV EB .

Se denomina “factor de ganancia” a la relación existente entre la variación de latensión a la salida y a la entrada del circuito. En nuestro caso:

m LEB

AD g R V V

Entonces si, por ejemplo, introducimos una señal senoidal superpuesta a VED,podremos obtener entre los terminales A y D una señal senoidal mucho mayorsuperpuesta a la tensión VAD. Habremos obtenido una amplificación de la señalintroducida.



Figura 2.21: Características del punto de entrada o manejo para un amplificador a

transistor de silicio de base común.

Se puede explicar la acción básica de amplificación del transistor sobre un nivelsuperficial utilizando la red de la figura 2.22. La polaridad de corriente directa noaparece en la figura debido a que nuestro interés se limita a la respuesta encorriente alterna. Para la configuración de base común, la resistencia de corrientealterna de entrada determinada por las características de la figura 2.21 es muypequeña y casi siempre varía entre 10 y 100 . La resistencia de salida, según sedeterminó en las curvas de la figura 2.15 es muy alta (mientras más horizontalessean las curvas, mayor será la resistencia) y suele variar entre 50 k y 1 M . Ladiferencia en cuanto a resistencia se debe a la unión con polarización directa en laentrada (base-emisor) y a la unión con polarización inversa en la salida (base-colector). Utilizando un valor común de 20 para la resistencia de entrada, seencuentra que:

Ii = Vi / Ri = 200mV / 20 = 10 mA

IL = Ii +10 mA

VL = ILR

= (10 mA) (5 k )

= 50 VFigura 2.22: Acción básica de amplificadorde voltaje de la configuración base común.

AV = VL / Vi = 50 V / 200 mV = 250



Los valores típicos de la amplificación de voltaje para la configuración de basecomún varían entre 50 y 300. La amplificación de corriente (IC / IE) es siempremenor que 1 para la configuración de la base común.

La acción básica de amplificación se produjo mediante la transferencia de una

corriente i desde un circuito de aja resistencia a uno de alta.Transferencia + Resistor ==> Transistor

2.5 Amplificadores en cascada

Cuando vamos a trabajar un sistema de amplificación este esta conformandovarias etapas que contribuyen a que al final tengamos el resultado deseado.

Figura 2.23: Diagrama en bloques sistema en cascada.

Supongamos que cada bloque es una configuración de un amplificador de las quehemos estudiado.Sabemos que Av= ganancia de voltaje de un amplificador es la relación entre elvoltaje de salida y el voltaje de entrada.

i

o

V

V Av

Entonces Donde:

iV

V Av

1

1

iV AvV *11

1

22

V

V Av

iV Av AvV AvV *** 12122

23 V

V Av

o

31223 **** AvV Av AvV AvV io

Por tanto:

321 ** Av Av Av AvV

V

T

i

o



Lo que indica que la ganancia de un sistema en cascada es la multiplicación decada una de las ganancias de cada amplificador y la impedancia de entrada delsistema será la Zi de la primera etapa y la de salida la de la ultima etapa.Calculada como se realizo en las diferentes configuraciones anteriores. Paraacoplar las diferentes etapas de un sistema en cascada podemos realizar

diferentes acoples tales como:Acople Directo

La señal de un amplificador se conecta directamente a la entrada del otro, estoocasiona que los niveles DC de la etapa anterior se sobrepongan sobre lasiguiente etapa, moviendo el punto de trabajo, para compensar los niveles DCque vienen de las otras etapas se deben trabajar con diferentes fuentes de voltajeDC.

Este tipo de acople tiene una buena respuesta en frecuencia ya que no existen

elementos sensibles a la frecuencia que afecten la respuesta de la señal en bajafrecuencia, es usado generalmente en el diseño de circuitos integrados.

Figura 2.24: Ejemplo de acople directo.

Acople por Condensador

Es el más utilizado y permite en una forma sencilla desacoplar niveles DC de laetapa anterior. El condensador es el elemento que permite que pase la señalalterna y bloquea la señal directa DC. Para que este elemento no afecte el circuitose desea que el condensador se comporte como un corto circuito para todas lasfrecuencias de trabajo.



Figura 2.25: Ejemplo de acople por condensador.

Acople por transformador

Es usado para trabajar a altas frecuencias tiene como desventaja que lostransformadores son mas costosos que los condensadores. Son usados paraaumentar la ganancia de voltaje o corriente.

Ejemplos: En la etapa de salida de un amplificador el transformador se puede usar

para aumentar ganancia de corriente. Se puede conectar para resonar a cierta frecuencia convirtiéndose en un

filtro, este método es usado en televisión y radio. Usado para acoplar la ultima etapa de un amplificador a la carga.

Figura 2.26: Ejemplo de acople por transformador.

Acople Óptico

Dispositivos ópticos como:

Dispositivos emisores y receptores de luz, detectores y emisores para fibra óptica,aisladores y acopladores que transmiten señales eléctricas si conexiones.Usado principalmente para aislar señales.



Conexión Darlington

Conexión especial que hace que el transistor opere como un transistor con un

súper .

1

2

21* D

Figura 2.27: Conexión Darlington.

El transistor compuesto actúa como un solo transistor con una ganancia decorriente que es el producto de las dos ganancias.

Este tipo de configuración ya viene encapsulada en una solo. Y la hoja decaracterísticas brinda hfe, VBE, ICmax entre otras.

Se caracterizan por tener una alta impedancia de entrada, baja impedancia desalida y alta ganancia de corriente.

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UNIDAD III

AMPLIFICADORES OPERACIONALES Y CIRCUITOS DE TIEMPO

3.1 CONSTRUCCIÓN Y TIPOS DE CIRCUITOS INTEGRADOS

3.2ESTRUCTURA Y ESPECIFICACIONES DE LOS AMPLIFICADORESOPERACIONALES

3.3 CONFIGURACIONES BÁSICAS DE LOS AMPLIFICADORESOPERACIONALES

3.4 MULTIVIBRADORES

3.5 ESTRUCTURA Y ESPECIFICACIONES DE LOS CIRCUITOSTEMPORIZADORES INTEGRADOS

3.6CIRCUITOS DE TIEMPO



UNIDAD III

AMPLIFICADORES OPERACIONALES Y CIRCUITOS DETIEMPO

La introducción de los tubos de vacío a comienzos del siglo XX propició el rápidocrecimiento de la electrónica moderna. Con estos dispositivos se hizo posible lamanipulación de señales, algo que no podía realizarse en los antiguos circuitostelegráficos y telefónicos, ni con los primeros transmisores que utilizaban chispasde alta tensión para generar ondas de radio. Por ejemplo, con los tubos de vacíopudieron amplificarse las señales de radio y de sonido débiles, y además podían

superponerse señales de sonido a las ondas de radio. El desarrollo de una ampliavariedad de tubos, diseñados para funciones especializadas, posibilitó el rápidoavance de la tecnología de comunicación radial antes de la II Guerra Mundial, y eldesarrollo de las primeras computadoras, durante la guerra y poco después de ella.

Hoy día, el transistor, inventado en 1948, ha reemplazado casi completamente altubo de vacío en la mayoría de sus aplicaciones. Al incorporar un conjunto demateriales semiconductores y contactos eléctricos, el transistor permite lasmismas funciones que el tubo de vacío, pero con un costo, peso y potencia másbajos, y una mayor fiabilidad. Los progresos subsiguientes en la tecnología desemiconductores, atribuible en parte a la intensidad de las investigaciones

asociadas con la iniciativa de exploración del espacio, llevó al desarrollo, en ladécada de 1970, del circuito integrado. Estos dispositivos pueden contenercentenares de miles de transistores en un pequeño trozo de material, permitiendola construcción de circuitos electrónicos complejos, como los de losmicroordenadores o microcomputadoras, equipos de sonido y vídeo, y satélites decomunicaciones.

El primer circuito Integrado fue creado por Jack Kilby en la empresa TexasInstruments en el año de 1959; poco más de una década después de la invencióndel transistor en los laboratorios Bell en 1947.

A partir de 1966 los Circuitos Integrados comenzaron a fabricarse por millones yen la actualidad se considera una pieza esencial en los aparatos electrónicos.



3.1 CONSTRUCCIÓN Y TIPOS DE CIRCUITOSINTEGRADOS

QUE SON LOS CIRCUITOS INTEGRADOS

Un circuito integrado o (ci) es aquel en el cual todos los componentes, incluyendotransistores, diodos, resistencias, condensadores y alambres de conexión, sefabrican e interconectan completamente sobre un chip o pastilla semiconductor de

silicio.Una vez procesado, el chip se encierra en una cápsula plástica o de cerámica quecontiene los pines de conexión a los circuitos externos.

Los chips digitales más pequeños contienen varios componentes sencillos comocompuertas, inversores y flip-tops. Los más grandes contienen circuitos y sistemascompletos como contadores, memorias, microprocesadores, etc. La mayoría delos circuitos integrados digitales vienen en presentación tipo dip (dual in-linepackage) o de doble hilera. Los ci más comunes tipo dip son los de 8, 14, 16,24,40 y 64 pines.

En la cápsula trae impresa la información respecto al fabricante, la referencia deldispositivo y la fecha de fabricación.

Además del tipo dip, existen otras presentaciones comunes de los circuitosintegrados digitales como la cápsula metálica, la plana y la " chip carrier". Existencircuitos integrados que utilizan cápsulas smt o de montaje superficial, smt soncasi 4 veces más pequeñas que los dip.

La tecnología smt (surface-mount technology) es la que ha permitido obtenercalculadoras del tamaño de una tarjeta de crédito.



HISTORIA DE LOS CIRCUITOS INTEGRADOS.

La introducción de los tubos de vacío a comienzos del siglo XX propició el rápidocrecimiento de la electrónica moderna. Con estos dispositivos se hizo posible lamanipulación de señales, algo que no podía realizarse en los antiguos circuitos

telegráficos y telefónicos, ni con los primeros transmisores que utilizaban chispasde alta tensión para generar ondas de radio. Por ejemplo, con los tubos de vacíopudieron amplificarse las señales de radio y de sonido débiles, y además podíansuperponerse señales de sonido a las ondas de radio. El desarrollo de una ampliavariedad de tubos, diseñados para funciones especializadas, posibilitó el rápidoavance de la tecnología de comunicación radial antes de la II Guerra Mundial, y eldesarrollo de las primeras computadoras, durante la guerra y poco después deella.

Hoy día, el transistor, inventado en 1948, ha reemplazado casi completamente altubo de vacío en la mayoría de sus aplicaciones. Al incorporar un conjunto de

materiales semiconductores y contactos eléctricos, el transistor permite lasmismas funciones que el tubo de vacío, pero con un costo, peso y potencia másbajos, y una mayor fiabilidad. Los progresos subsiguientes en la tecnología desemiconductores, atribuible en parte a la intensidad de las investigacionesasociadas con la iniciativa de exploración del espacio, llevó al desarrollo, en ladécada de 1970, del circuito integrado. Estos dispositivos pueden contenercentenares de miles de transistores en un pequeño trozo de material, permitiendola construcción de circuitos electrónicos complejos, como los de losmicroordenadores o microcomputadoras, equipos de sonido y vídeo, y satélites decomunicaciones.

El primer circuito Integrado fue creado por Jack Kilby en la empresa TexasInstruments en el año de 1959; poco más de una década después de la invencióndel transistor en los laboratorios Bell en 1947.

A partir de 1966 los Circuitos Integrados comenzaron a fabricarse por millones yen la actualidad se considera una pieza esencial en los aparatos electrónicos.

En este capitulo se dará a conocer la forma en que los circuitos integrados sonfabricados, así como los materiales de los cuales están constituidos; tambiénveremos la clasificación de dichos circuitos de acuerdo a su estructura y laclasificación de acuerdo a su función.



COMO SE FABRICAN LOS CIRCUITOS INTEGRADOS.

Los Circuitos Integrados digitales disponibles se fabrican a partir de pastillas de

silicio. El procesamiento del silicio para obtener CI o chips es relativamentecomplicado.

El silicio utilizado para la fabricación de chips es de una pureza de orden del99.9999999%. Una vez sintetizado, el silicio se funde en una atmósfera inerte y secristaliza en forma de barras cilíndricas de hasta 10cm de diámetro y 1 m de largo.

Cada barra se corta en pastillas de 0.25 a 0.50 mm de espesor y las superficiesde estas ultimas se pulen hasta quedar brillantes. Dependiendo de su tamaño, seobtienen varios cientos de circuitos idénticos (chips) sobre ambas superficiesmediante un proceso llamado planar, el mismo utilizado para producir transistores

en masa.

Para fabricar un chip, las pastillas de silicio se procesan primero para hacertransistores. Una pastilla de silicio por si misma es aislante y no conduce corriente.Los transistores se crean agregando impurezas como fósforo o arsénico adeterminadas regiones de la pastilla. Las conexiones se realizan a través de líneasmetálicas.

Cada rasgo de forma sobre la pastilla rociando en las regiones seleccionadas unquímico protector sensible a la luz llamado photoresist, el cual forma una películamuy delgada sobre la superficie de la pastilla. La pastilla es entonces

bombardeada con luz, mediante un proyector deslizante muy preciso llamadoalineador óptico.

El alineador posee un dispositivo muy pequeño llamado mascara, que evita quela luz incida sobre puntos específicos de la pastilla, cuando la luz alcanza un áreadeterminada de la pastilla elimina el photoresist presente en esa zona. A esteproceso se le denomina fotolitografía.

Mediante un proceso de revelado, el químico se deposita en las regionesdescubiertas por la luz e ignora las encubiertas por la mascara. Estas últimaszonas aun permanecen recubiertas de " photoresist".

La precisión del alineador óptico determina que tan fino puede hacerse un rasto.A comienzos de los 70´s, era difícil hacer transistores de menos de 10 micras detamaño. Ahora, los transistores alcanzan tamaños inferiores a una velocidad derespuesta de los dispositivos.

A continuación, la pastilla se calienta a altas temperaturas; esto origina que elsilicio no procesado de la superficie se convierta en oxido de silicio (SiO2). El SiO2



se esparce sobre la superficie de la pastilla y forma sobre la misma una delgadapelícula aislante de unas pocas micras de espesor.

De este modo se obtiene el primer nivel de metalización de chips. Para obteneruna nueva capa de metalización, el SiO2 se trata nuevamente con "photoresist" y

se expone al alineador óptico, repitiéndose el mismo procedimiento seguido con elsilicio del primer nivel.

Las diferentes capas van creciendo una sobre otra formando una estructuraparecida a un sándwich, con el SiO2 como el pan y el metal o el silicio dopadocomo la salchicha, la mayoría de Circuitos Integrados no se hacen con mas detres capas de metalización.

DE QUE ESTÁN HECHOS LOS CIRCUITOS INTEGRADOS.

Los Circuitos Integrados están hechos por silicio que sirve como base donde se

fabrican transistores, diodos y resistencias. Los circuitos Integrados contienencientos de estos componentes distribuidos de manera ordenada; esto se logra pormedio de la técnica llamada fotolitografía la cual permite ordenar miles decomponentes en una pequeña placa de silicio.

CLASIFICACIÓN DE LOS CIRCUITOS INTEGRADOS DE ACUERDOA SU ESTRUCTURA.

La clasificación de los Circuitos Integrados de acuerdo a su estructura puede ser

de acuerdo a la cantidad de compuertas utilizadas para implementar la funciónpropia del chip (llamado Escalas de Integración) como sabemos, las compuertasson los bloques constructivos básicos de todos los circuitos digitales.

Las escalas de Integración son 4: SSI, MSI, LSI, VLSI; a continuación veremoscada una de ellas.

SSI.- Significa Small Scale Integration (integración en pequeña escala) ycomprende los chips que contienen menos de 13 compuertas. Ejemplos:compuertas y flip flops. Los Circuitos Integrados SSI se fabrican empleandotecnologías ttl, cmos y ecl. Los primeros Circuitos Integrados eran SI.

MSI.- Significan Médium Scale Integration (integración en mediana escala), ycomprende los chips que contienen de 13 a 100 compuertas. Ejemplos:codificadores, registros, contadores, multiplexores, de codificadores y demultiplexores. Los Circuitos Integrados MSI se fabrican empleando tecnologías ttl,cmos, y ecl.



LSI.- significa Large-Scale Integration (integración en alta escala) y comprendelos chips que contienen de 100 a 1000 compuertas. Ejemplos: memorias,unidades aritméticas y lógicas (alu's), microprocesadores de 8 y 16 bits. LosCircuitos Integrados LSI se fabrican principalmente empleando tecnologías.

VLSI.- Significa Very Large Scale Integration (integración en muy alta escala) ycomprende los chips que contienen más de 1000 compuertas ejemplos: micro-procesadores de 32 bits, micro-controladores, sistemas de adquisición de datos.Los Circuitos Integrados VSLI se fabrican también empleando tecnologías ttl,cmos y pmos.

CLASIFICACIÓN DE LOS CIRCUITOS INTEGRADOS DE ACUERDOA SU FUNCIÓN.

Los Circuitos Integrados se clasifican en CI analógicos, digitales, de interfase yde consumo. A continuación veremos cada uno de estos.

Circuitos Integrados Analógicos.

Los Circuitos Integrados analógicos se fabrican usado gran variedad detecnologías de semiconductores, como bipolar, efecto de campo, óxidos metálicosy combinaciones de estas tres. En la mayoría de los casos el usuario no estainteresado en este aspecto de los Circuitos Integrados, ya que únicamente puedebasar su trabajo en las especificaciones del fabricante. La tecnología empleada enla fabricación de los Circuitos Integrados digitales es importante para el usuario,

debido a que estos se emplean en “familias lógicas”, con características eléctricascomunes que garantizan su compatibilidad. Los Circuitos Integrados analógicos seseleccionan normalmente siguiendo criterios individuales, y solo es importante sucompatibilidad con los requisitos de alimentación. Incluso en este aspecto, lamayoría de los Circuitos Integrados analógicos están disponibles con ampliosmárgenes de alimentación, por lo que su empleo no suele estar condicionado porsu compatibilidad.



3.2ESTRUCTURA Y ESPECIFICACIONES DE LOSAMPLIFICADORES OPERACIONALES

Para trabajar con AO reales es necesario tomar en cuenta consideraciones de tipopráctico pues, aunque el modelo ideal se asemeja bastante al real, éste no secomporta exactamente igual al ideal. Es importante conocer esta diferencia, yaque de ello depende el comportamiento final de un circuito diseñado con un AO.La diferencia más significativa entre el AO ideal y el real es la ganancia de tensión(en lazo abierto). El AO ideal tiene ganancia infinita, mientras que la del AO real esfinita y además disminuye a medida que aumenta la frecuencia en la cual se estátrabajando. Por lo general la ganancia de tensión se especifica en decíbeles.

EL AO INTEGRADO ( OP AMP IC)El AO integrado (CI) está constituido básicamente por dos etapas de ganancia devoltaje (una entrada diferencial y una etapa de emisor común) seguida por una

etapa de salida clase AB de baja impedancia.Un diagrama simplificado de este circuito integrado es mostrado en la fig. 2.2. EstaVersión simplificada de un AO integrado es equivalente a un AO de propósitogeneral, similar al LM101, mA 741, o versiones de AO múltiples. Este circuitopermite entender el funcionamiento interno del CI. Le etapa de entradaconformada por Q 1 y Q 2 forman un par diferencial con carga activaFormada por Q 3 y Q 4. La salida se toma desde el colector del transistor Q 4. Porotro lado Q 10 proporciona una polarización adecuada para el par diferencial.



En la mayoría de los AO, la etapa intermedia (2ª etapa) proporciona una altaganancia a través de varios amplificadores, en el circuito de la fig. 2.2, dicha etapaesta formada por Q 5 la cual es un circuito en emisor común que proporciona unaalta impedancia de entrada a la primera etapa (la que atenúa los efectos decarga). Además, esta etapa tiene un capacitor Cc el cual es utilizado por el AO

para compensación en frecuencia.



CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DE LOS AO

Los fabricantes especifican una serie de características eléctricas para los AO,que permiten determinar tanto los rangos máximos a los cuales pueden sersometidos los amplificadores, como también sus características de entrada ysalida.Relación de rechazo en modo común (CMRR)Esta es la medida de la habilidad de un AO para rechazar señales en modocomún. Si la misma señal alimenta a la entrada inversora como a la no inversorade una configuración diferencial, la salida vo debiera ser cero, sin embargo, debidoa la componente en modo común esto no ocurre. La capacidad de atenuar estacomponente es lo que se conoce como CMRR y comúnmente se expresa endecibeles (dB)



Resistencia de entrada (rin)Es la resistencia desde un terminal de entrada con la otra entrada puesta a tierra.La resistencia de entrada de un AO es variable dependiendo del tipo y de su uso.



ENCAPSULADOS Y CÓDIGOS DE IDENTIFICACIÓN N

El AO se fabrica de un pequeño chip de silicio y se encapsula en una cajaadecuada, existen diferentes tipos de encapsulados, los que pueden ser de metal,plástico o cerámico. La fig. 2.19 muestra los diferentes tipos de encapsulado.

También existen AO encapsulados en componentes más pequeños llamados demontaje superficial (SMT), en formato PLCC (Plastic Lead Chip Carriers) o "chipcon encapsulado de plástico" indicado en la fig. 2.19c . Los diferentes tipos demontaje superficial se encuentran indicados en la tabla 2.13.



COMBINACIÓN DE SÍMBOLOS Y TERMINALES

Se puede combinar en un sólo dibujo el símbolo del AO con el encapsulado (fig.2.20).

La abreviación NC indica que no hay conexión. El componente se mira desdearriba. En el encapsulado DIP 14 la numeración de los pines es similar al DIP 8,

con la única diferencia enque tiene 7 terminales por lado y no 4.

Códigos De IdentificaciónCada tipo de AO tiene un código de identificación de letra y número, el quepermite sabe quien lo fabrica, que tipo de amplificador es, de que calidad es y quetipo de encapsulado tiene. No todos los fabricantes utilizan el mismo código, perola mayoría utiliza un código que consta de cuatro partes escritas en el siguienteorden:



Número del Circuito: Se compone de tres a siete números y letras que identificanel tipo de AO y su intervalo de temperatura.



3.3 CONFIGURACIONES BÁSICAS DE LOS

AMPLIFICADORES

OPERACIONALES

AMPLIFICADOR CLASE A (LINEAL)

En este amplificador, la señal de entrada es reproducida, aumentada en amplitud,exactamente con la misma forma de onda a la salida. Para ello, el punto de reposo(Q) se sitúa en el centro de la curva de corriente del colector (Ic), de forma quetanto la señal de entrada como la señal amplificada de salida trabajan solamenteen la zona lineal de la misma. Ic es siempre saliente (fig.1) Los amplificadoresClase A se emplean siempre que la forma de onda de salida haya de ser lamisma, con una distorsión mínima, que la de la señal de entrada. Losamplificadores operacionales y los amplificadores “de pequeña señal”, como por ejemplo amplificadores de radio frecuencia, amplificadores de frecuenciaintermedia, preamplificadores, etc., son básicamente amplificadores en Clase A.

Figura 1.- Amplificador clase A



AMPLIFICADOR CLASE AB

En este tipo de amplificador el punto de trabajo (Q) se sitúa por debajo del puntocentral de la zona lineal de la curva Ic. Como resultado se ello se tiene que unamitad de la salida será una reproducción lineal de una mitad de la entrada, pero lasegunda mitad de la salida estará parcialmente suprimida. Existen dos versionesClase AB1 y Clase AB2. En Clase AB2 el punto Q esta muy cerca del punto decorte; en Clase AB1 este se sitúa aproximadamente un 20% o 30% por encima delpunto de corte. Ambas versiones de usan en circuitos push-pull minimizándose ladistorsión de cruce mediante, compensación mutua. Los amplificadores Clase AB1y AB2 son ampliamente utilizados en la excitación de altavoces y motores deservomecanismos, aplicaciones en las que se requiere una amplificación

sinusoidal lineal con potencias moderadas.

AMPLIFICADOR CLASE B

En este tipo de amplificador, el punto de trabajo (Q) se sitúa exactamente en elpunto de corte de la curva del circuito integrado, teniendo esto como resultado laamplificación de solo medio ciclo de la señal sinusoidal de entrada. Losamplificadores Clase B son sistemáticamente empleados en configuracionescomplementarias push-pull . En esta configuración, uno de los amplificadorestrabaja sobre los semiciclos positivos de la señal de entrada, mientras que el otrolo hace sobre el semiciclo negativo de la señal sinusoidal de entrada. Ampliamente

utilizado como amplificadores de audio, amplificadores para servomecanismos yaplicaciones similares en las que es esencial una alta linealidad en la señasinusoidal de salida, los amplificadores en Clase B gozan de una excelenteeficiencia y un buen comportamiento en lo relativo a la presencia de armónicos desegundo y tercer orden. Aparece cierta distorsión en el punto de cruce debido a laligera linealidad de la curva Ic en este punto. El componente representativo deestos amplificadores es Fairchild TBA 810S.

AMPLIFICADOR CLASE C.

En los amplificadores Clase C, el punto de trabajo (Q) se sitúa al doble del punto

de corte de la curva Ic. Solo una mitad de un semiciclo de señal sinusoidal esamplificada a la salida. Los amplificadores Clase C son utilizados usualmente enosciladores de radio frecuencia y, en algunos casos en transmisores de radiofrecuencia. En estas aplicaciones el efecto del circuito resonante proporciona laotra mitad del ciclo. Alta eficiencia es la característica esencial para losamplificadores Clase C en circuitos de radio frecuencia adecuadamente diseñadosy ajustados.



Los parámetros fundamentales son:

a) Ganancia. En la mayoría de las aplicaciones, una ganancia en tensión de 20es adecuada.

b) Frecuencia. Para aplicaciones como osciladores o amplificadores la salida detransmisores RF, el límite de frecuencia del dispositivo deberá estar situado almenos un 10% por encima de la frecuencia de resonancia esperada.

c) Potencia de salida. La potencia de salida puede variar en función con lafrecuencia de trabajo, pero es un criterio básico de diseño.

d) Disipación de potencia. Los amplificadores en Clase C trabajan normalmentecerca de sus límites especificados para la disipación de potencia, por lo queresulta critico el acoplo mecánico de sus características técnicas.

AMPLIFICADOR DE CORRIENTE (SEGUIDOR LINEAL). Los amplificadores de corriente son básicamente amplificadores Clase A quetienen usualmente una ganancia en tensión de 1 y funcionan efectivamente comoen transformadores de impedancias*. Su característica principal es su capacidadde manejar importantes corrientes de salida. Algunas veces se denominanseguidores lineales por similitud con los circuitos seguidores de emisor contransistores. Los amplificadores de corriente son frecuentemente utilizados,conjuntamente con amplificadores operacionales, dentro del lazo derealimentación para proporcionar una corriente de salida adicional.

AMPLIFICADOR DIFERENCIAL. Los amplificadores diferenciales tienen dos terminales de entrada, aislados ambosrespecto de masa a través de la misma impedancia como se muestra en la figura2. Básicamente similar a los amplificadores de tensión Clase A, el amplificadordiferencial amplifica solamente la diferencia de tensión entre sus dos terminales deentrada. Las señales que aparecen en ambos terminales no son amplificadas,permitiendo el amplificador diferencial extraer pequeñas señales en presencia defuertes interferencias electromagnéticas. Esta capacidad de rechazar señalescomunes a ambos terminales de entrada se especifica en la relación de rechazo almodo común. El componente representativo es el Sprague ULN-2047.



Figura 2.- Amplificador Diferencial

AMPLIFICADOR DE AISLAMIENTO.

Consistente en varias etapas de amplificación, el amplificador de entrada está,bien eléctricamente bien ópticamente aislado de la salida (fig.3). El amplificador de

entrada es usualmente de tipo diferencial, modulándose en radio frecuencia susalida, que se lleva a través de un transformador de RF hasta la segunda etapa,en la que se remodula y filtra. La fuente de alimentación para la sección delamplificador de entrada también debe estar aislada de forma que no existaconexión en bajas frecuencias o en continua entre las secciones de entada ysalida del amplificador. El funcionamiento de los amplificadores por aislamientoóptico es similar, sustituyéndose en transformador de RF por un opto-acoplador.Los amplificadores de aislamiento están generalmente encapsulados en unaunidad y se emplean en aquellas aplicaciones que requieren muy bajos niveles deconducta en continúa o a través de alimentación. Los amplificadores deaislamiento siempre requieren fuentes de alimentación aisladas así como cables

convenientemente aislados entre la fuente alimentación y el amplificador. Enalgunos casos se emplean baterías para evadir el problema de aislamiento de lafuente de alimentación. El componente representativo es el Análoga DevicesAD293.



.

AMPLIFICADOR DE POTENCIA DE AUDIO

Estos dispositivos son amplificadores de potencia de baja frecuencia(generalmente desde 40Hz a 20.000Hz). Internamente están diseñados comoamplificadores de potencia en clase B y ofrecen una ganancia de potenciarazonable (entre 5 y 10 W típicamente), así como bajos niveles de distorsión. Paramanejar las potencias digitales, la mayoría de los integrados poseen variosterminales planos y grandes que se conectan a masa y actúan como radiadores

térmicos. Estos integrados ofrecen además funciones adicionales, como porejemplo shut-down térmico, protección contra sobre tensiones y compensacionesen frecuencia. La salida esta diseñada para trabajar sobre bajas impedancias (unaltavoz de 4 ohmios es típico).

Parámetros fundamentales

a) Potencia de salida. Es la potencia de salida especificada del dispositivo. Lapotencia se da para una carga y frecuencia especificada. La potencia de salidadisminuye al hacerlo la tensión fuente.

b) Distorsión armónica total. La distorsión armónica total es la distorsióncausada por el funcionamiento a lineal del amplificador. Este parámetro seexpresa como un porcentaje de la salida total, siendo el 0,3 % el valor normal.

c) Consideraciones térmicas. Desde el momento que estos dispositivos estándiseñados para la entrega de una potencia significativa a la carga, los efectos delcalor producido por el integrado son un criterio primario para la construcción yfuncionamiento de los circuitos integrados situados en los alrededores del



amplificador de potencia. Los puntos de atención prioritaria incluyen los detallesfísicos del montaje y los datos de potencia térmica. Los terminales anchos delintegrado se emplean para la conducción del calor fuera del integrado y serán muyeficaces si se utilizan con propiedad. El fabricante entrega generalmenteinformación mostrando la disipación de potencia frente a la temperatura indican

como debe reducirse la disipación de potencia al aumentar la temperaturaambiente. La disipación de potencia especificada para un integrado lo es paratemperatura ambiente (25 grados Celsius).



3.4 MULTIVIBRADORES

Los multivibradores son en realidad osciladores, pero su forma de onda es unaseñal senoidal, sino que generan una onda cuadrada.

Existen dos clases de multivibradores:

-De funcionamiento continuo, también llamados libres, recurrentes o estables,mucho más conocidos por éste último nombre, que generan ondas sin lanecesidad de más excitación exterior que la propia fuente de alimentación.

-De funcionamiento excitado, que requieren una tensión exterior de disparo o deexcitación para salir de unas condiciones estáticas o de reposo.

MULTIVIBRADOR ESTABLE.

Un multivibrador estable es un oscilador de relajación; su frecuencia de salidadepende de la carga y descarga de condensadores. Estas cargas y descargas sonprovocadas por la conmutación de sendos transistores.

Si dividimos un multivibrador estable en dos verticalmente, se puede observar quees un circuito simétrico, desde el punto de vista geométrico. Si hacemos T1=T2,R1=R4, R2=R3 y C1=C2, la forma de onda de cualquiera de las salidas serásimétrica, es decir, la duración de ambos niveles de tensión de cada ciclo seráidéntica.

La frecuencia de salida viene determinada por los valores de C1, C2, R2 y R3; sise rompe la igualdad, expuesta anteriormente, entre dichos componentes, la formade onda de salida será asimétrica.

Las formas de onda de salida Vo1 y Vo2 está desfasadas 180º; mientras una estáen su nivel superior la otra está en el inferior. Esto es debido a la situación de T1en corte y T2 en saturación, y viceversa.

FUNCIONAMIENTO

Si consideramos un instante en el que T2 esté en saturación y T1 en corte, C1 seempezará a cargar a través de T2 y R1, y, como el punto de unión de C1 y R2está conectado a la base de T2, llegará un momento en que la tensión en la basede T2 es insuficiente para que T2 permanezca saturado, con lo que al conducirmenos la tensión Vo2 aumentará, iniciando el proceso descrito anteriormente peroen sentido contrario, es decir, llevando a T1 a saturación y T2 al corte.

Mientras C1 adquiría carga para provocar tal cambio, C2 se va descargando.



Este proceso se mantiene mientras estemos suministrando tensión al circuito deesta forma:

Las condiciones iniciales son estas:

C1 estaba prácticamente descargado.C2 estaba totalmente cargado.

T1 estaba en corte

T2 estaba en saturación

En estas circunstancias, C2 encuentra un camino de descarga a través de R3 y T2y C1 se carga a través de la unión base-emisor de T2 y de R1.

Momentáneamente, la base de T1 se encuentra sometida a un potencial de -Vcc,aproximadamente, respecto a masa. Obsérvese la polaridad con que se habíacargado C2, al conectar su terminal positivo a masa a través de T2, al inicio de ladescarga, en la base de T1 se reflejan -Vcc voltios, aproximadamente, que es lacarga de C2.

A partir del instante en que T2 pasa a saturación, C2 se empieza a descargar;tardará un tiempo

T2 = 0.69 · C2 · R3

En un tiempo menor se habrá cargado C1, ya queC1 = C2 y R1 << R3

Una vez que C2 se ha descargado totalmente empezará a cargarse en sentidocontrario, esto es, el punto de unión de C2 y R3 será ligeramente positivo, por loque también se aplicará polarización directa a la base de T1, que provocará elbasculamiento del circuito y que sitúa a T1 en saturación y a T2 en corte,comenzado entonces C2 a cargarse a través de su circuito de carga y C1 adescargarse a través de R2 y T1.

De forma análoga al proceso anterior, la base de T2 se encuentra en el instante dela conmutación sometida a un potencial negativo próximo a -Vcc que vadisminuyendo según se descarga C1; lo hará en un tiempo

T1 = 0.69 · R2 · C1

Por la razón expuesta anteriormente, C2 se cargará en un tiempo menor que T1.



Una vez extinguida la carga de C1, éste adquiere una pequeña carga en sentidocontrario, que hará de nuevo conmutar al circuito, pasando T2 a saturación y T1 acorte, con lo que se inicia un nuevo ciclo.

Por todo esto se deduce que un ciclo tendrá un periodo

T = t2 + t1

Como C1 = C2 y R2 = R3, tendremos que

t = 2 · (0.69 · R2 · C1) = 1.38 · R2 · C1

Esta expresión es cierta sólo en el caso de circuitos simétricos; en caso contrario,la duración de un ciclo será

T = t1 + t2 = 0.69 · R2 · C1 + 0.69 · R3 · R2

Por lo que, en cualquiera de los casos, la frecuencia de oscilación es conocida confacilidad.

AS

MULTIVIBRADOR TABLE. MULTIVIBRADOR MONOESTABLE.

Dentro de los multivibradores de funcionamiento excitado se distinguen dos tipos:

Monoestable, que permanecen en un estado determinado mientras no se lesaplique una señal exterior que les haga cambiar al estado contrario para,posteriormente, regresar de nuevo al de reposo y permanecer en él hasta lapresencia de un nuevo impulso de excitación.



Biestable, que pueden permanecer en cualquiera de los dos estados de formaindefinida, si no se les aplica una señal exterior que les haga cambiar al estadocontrario.

El multivibrador monoestable no es estrictamente un oscilador, pero en

determinadas circunstancias se puede comportar como tal, aunque siemprecontrolado por una señal exterior.

El multivibrador monoestable es muy similar al estable, como podemos observar.

MULTIVIBRADOR MONOESTABLE.

La sustitución del condensador C2 por la resistencia R3 es lo que le permite que elcircuito permanezca en un estado concreto, esto es, T1 en corte y T2 en

saturación, luego, Vo1 = Vcc y Vo2 = 0V.Cuando se aplica un impulso a Vd, T1 pasa a conducir y T2 al corte; en esteestado estará un tiempo determinado por R2 y C1, y volverá de nuevo al estadoprimitivo.

Si la señal Vd es una señal que se repite a intervalos constantes, la señal desalida ofrecerá una frecuencia constante.

Funcionamiento

Si suponemos inicialmente T2 en saturación, debido a la ausencia de tensión en labase de T1, éste permanecerá en corte ya que Vo2 = 0. En estas circunstancias,C1 se carga a través de R1 y de la unión base-emisor de T2 y el circuitopermanece en esta situación indefinidamente.

Si aplicamos un impulso de amplitud suficiente en Vd, T1 pasará a saturación, porlo que Vo1 se hará prácticamente 0 y en la base de T2 se reflejará una tensiónnegativa de valor próximo a -Vcc que hará que T2 pase al corte; por ello Vo2tomará un valor próximo a Vcc y la base de T1 permanezca en saturación.

Desde el instante en que T1 pasa a saturación, C1 comienza a descargarse a

través de R2 y T1 y lo hará en un tiempoT = 0.69 · R2 · C1

Una vez descargado empezará a cargarse en sentido contrario, esto es, la placaconectada a la base de T2 se hará positiva y una vez alcanzada tensión suficienteen ese punto, T2 pasará a saturación, por lo que Vo2 se hace 0 y, de nuevo, T1pasa al corte hasta la aparición de un nuevo impulso de disparo en Vd.



3.5 ESTRUCTURA Y ESPECIFICACIONES DE LOSCIRCUITOS TEMPORIZADORES INTEGRADOS

Los sistemas digitales pueden operar en forma sincrónica o asincrónica. En lossistemas asincrónicos las salidas de los circuitos lógicos pueden cambiar deestado en el momento en que una o más de las entradas cambien. En lossistemas sincrónicos los tiempos exactos en que una salida puede cambiar deestado se determinan por medio de una señal que comúnmente se le denominaseñal de reloj. Esta señal es una serie de pulsos rectangulares o cuadrados y sedistribuye a todas las partes del sistema y algunas de sus salidas cambian deestado sólo cuando la señal de reloj hace una transición. Cuando la señal dereloj cambia de 0 a 1, se le denomina Transición de Pendiente Positiva (TPP),

cuando pasa de 1 a 0 se le conoce como Transición de Pendiente Negativa (TPN).



La Figura 2 , muestra el símbolo general empleado para un multivibrador (MVB). Elsímbolo indica que el MVB tiene dos salidas Q y Q' inversas entre sí. Q recibe el nombrede salida normal del MVB, mientras que Q' es la salida negada o invertida. Siempre quese haga referencia al estado del MVB, éste será el de su estado normal y se entiende queQ' se encontrará en estado opuesto.

Características de los multivibradores sintonizados por reloj:

1. Los multivibradores (MVB) sincronizados por reloj tienen unaentrada de reloj designada CLK (Clock -reloj). Esta entrada sedispara por flanco, lo que significa que es activada por unatransición de señal; esto se especifica por la presencia de untriángulo en la entrada del reloj. Posteriormente, se explicandetalladamente los MVB disparados por flanco.

2. Los MVB sincronizados por reloj también poseen una o másentradas de control que pueden tener varios nombres, lo quedepende de su operación; su efecto está sincronizado con la señalaplicada en la entrada CLK. Por esta razón se les llama entradassincronizadas de reloj .

3. Las entradas de control hacen que las salidas del MVB esténlistas para cambiar, mientras que la transición activa en la entradaCLK es la que dispara un cambio.

S-R ASINCRÓNICO CON COMPUERTAS NO O.

El multivibrador biestable S-R, basado en compuertas No O, tiene dos entradasS y R y dos salidas Q y Q', donde Q' es el complemento de Q. Con el circuito,figura adjunta, y la tabla de verdad se facilita la explicación de su funcionamiento.

La tabla de excitación se utiliza para el proceso de síntesis o diseño y la xsignifica que es un término indiferente, es decir, puede tomar el valor de 1 o 0; laecuación de estados se utiliza para realizar el proceso de análisis.



Como recordatorio, se presenta la tabla funcional de la compuerta No O.

S R O No 0

0011

0101

0111

1000

En base al circuito de la figura anterior y la tabla funcional de la compuerta No

O, se obtiene la tabla funcional del multivibrador:S R Q Q'

10001

00101

1100x

0011x

después de S=1 y R=0

después de S=0 y R=1estados prohibidos

A continuación se presenta la tabla de estados, en donde Q+ es el estado siguiente :

DEC S R Q Q+

01234567

00001111

00110011

01010101

010011xx

comoMEMORIApuestas aCEROSpuestas aUNOSestadosPROHIBIDOS

De la tabla de estados, se observa que cuando S=R=0, Q+=Q; cuando S=0 yR=1, Q+=0; cuando S=1 y R=0, Q+= 1 y cuando S=R=1, Q+=x, o sea se presentan

los estados prohibidos. La siguiente tabla, llamada característica, resume lasobservaciones anteriores:

S R Q+

0011

0101

Q01x



De la misma tabla de estados, se observa que cuando Q=Q+=0, S=0 y R puedeser 0 o 1, o sea indiferente; cuando Q=0 y Q+=1, S=1 y R=0; cuando Q=1 y Q+=0,S=0 y R=1 y cuando Q=Q+=1, S puede ser 0 o 1, indiferente, y R=0. La tabla deexcitación muestra estas observaciones:

Q Q+ S R

0011

0101

010x

x010

De la tabla de excitación se observa, que dadas las salidas Q y Q+, se puedendeterminar qué valores de las variables de entrada, S y R, produjeron dichassalidas.

Nuevamente, de la tabla de estadosse determina la función canónica paraQ+:

Q

+

(S, R, Q)= 3m (1,4,5) + 3x (6,7)Se simplifica por mapas deKarnaugh, como se muestra en la figuraadjunta, y se obtiene la ecuación deestados, dada por:

Q+(S, R, Q)= S + R'Q

Finalmente, el diagrama a bloques del MVB es:



A continuación se presentan las tablas y diagramas correspondientes a este tipo demultivibrador, cuyo logigrama se presenta en la figura adjunta.



Tabla deESTADOS S R Q Q+ 0000111

1

0011001

1

0101010

1

010011x

x

comoMEMORIApuesta aCEROSpuestas aUNOSestados

PROHIBIDOS De la tabla de estados, se observa que cuando S=0, R=0 y Q es igual a 0 o 1

(indiferente ), Q+ se comporta como memoria; cuando S=0, R=1 y Q es igual a 0 o 1 (indiferente ), Q+ se pone a ceros; cuando S=1, R=0 y Q es igual a 0 o 1 (indiferente ) , Q+ se pone a unos; finalmente, cuando S=R=1 y Q es igual a 0 o 1 (indiferente ), Q+ presentaestados prohibidos.

La tabla característica se obtiene a partir de la tabla de estados, en esta tabla seincluye la señal de reloj (CLK), las entradas S y R y el estado siguiente Q+.

TablaCARACTERÍSTICA CLK S R Q+ 01111

x0011

x0101

QQ01x

Debe observarse que cuando CLK=0, sin importar los valores de S y R, Q+ mantiene elvalor del estado presente (Q). En las otras combinaciones, cuando CLK=1, se presentanlas cuatro posibilidades mostradas en la tabla de estados; es decir, como memoria(S=R=0), puesta a ceros (S=0 y R=1), puesta a unos (S=1 y R=0) y los estadosprohibidos (S=R=1).

A continuación se presenta la tabla de excitación, que se obtiene a partir de la tabla de

estados: Tabla deEXCITACIÓN

Q Q+ S R

0011

0101

010x

x010



De tabla de excitación se observa, que dadas las salidas Q y Q+, se puedendeterminar qué valores de las variables de entrada, S y R, produjeron dichas salidas. Seobserva que cuando Q=Q+=0, S=0 y R puede ser 0 o 1; cuando Q=0 y Q+=1, S=1 y R=0;cuando Q=1 y Q+=0, S=0 y R=1; finalmente, cuando Q=Q+=1, S puede ser 0 o 1 y R Paradeterminar la ecuación de estados, se debe tener una tabla ampliada de la tabla deestados, cuyas entradas sean CLK, S, R, Q y tenga como salida el estado siguiente Q+.

Los valores funcionales de Q+ se obtienen de la tabla característica:

DEC CLK S R Q Q+ 0

123456789101112

131415

0

000000011111

111

0

000111100001

111

0

011001100110

011

0

101010101010

101

0

101010101001

1xx

Obsérvese que cuando CLK=0, combinaciones 0-7, Q+=Q, por tanto Q+=1 para lascombinaciones 1, 3, 5 y 7; para CLK=1, combinaciones 8-15, se tiene que para cuandoS=R=0, Q+=Q, lo que ocurre para las combinaciones de entrada 8 y 9, siendo Q+=1 para



la combinación de entrada 9; finalmente, cuando S=1 y R=0, Q+=1, cumpliéndose para lascombinaciones 12 y 13.

La figura siguiente, muestra la función de conmutación de Q+, el mapa de Karnaughpara reducir dicha función y la función reducida para Q+, que es la función de estados.

La figura adjunta presenta la carta de tiempo del multivibrador S-R sincronizado porreloj con TPP (transición de pendiente positiva).

La siguiente tabla presenta un resumen explicativo de la gráfica anterior.



3.6CIRCUITOS DE TIEMPO

MULTIVIBRADOR TIPO T (Toggle, variar o cambiar de estado).En el multivibrador tipo T, su diagrama a bloques se muestra en la figura

adjunta, la señal de reloj es la única existente, cuando pulsa la entrada T elbiestable cambia de estado. En otras palabras, el nombre del MVB se deriva de la

habilidad de variar (toggle) o cambiar de estado. Independientemente del estadopresente del multivibrador, éste asume el estado de complemento cuando ocurreel pulso de reloj, siempre y cuando el estado lógico de T esté a nivel alto.

La tabla de estados correspondiente a este MVB se presenta a continuación:

Tabla deESTADOS T Q Q+ 0011

0101

0110

De la tabla, se observa claramente que cuando T=0, Q+=Q y cuando T=1,Q+=Q'. A partir de esta tabla, se obtiene la tabla característica, cuya variable deentrada es T y la de salida el estado siguiente Q+:

De la tablas, se observa que cuando T=0, el estado siguiente es igual al estadopresente, Q+=Q, y cuando T=1, el estado siguiente es igual al complemento delestado presente, es decir: Q+=Q'.

Finalmente, la tabla de excitación presenta como entradas a las variables deestado presente y siguiente, Q y Q+, y como salida a la variable T que las produce:

´

TablaCARACTERÍSTICA

T Q+

01

QQ'

Tabla deEXCITACIÓN

Q Q+ T

0011

0101

0110



La ecuación de estados, Q+(T, Q), se deduce de la tabla de estados, en la cual seobserva que dicha función es igual a la O EXC de T y Q; es decir:

Q+(T,Q)=TrQ

A continuación se presenta la carta de tiempo del multivibrador tipo Tsincronizado por reloj con TPP.

MULTIVIBRADOR DISPARADO POR FLANCOUn tipo más común de multivibrador, para sincronizar el cambio de estado

durante una transición de pulso de reloj, es el multivibrador disparado por flanco,en el cual las transiciones de salida ocurren en un nivel específico del pulso dereloj. Cuando el nivel de entrada excede este umbral, se cierran las entradas y elmultivibrador se hace inactivo a cambios posteriores en las entradas hasta que elpulso de reloj regresa a cero y ocurre otro pulso.

Las figuras siguientes, corresponden al diagrama a bloques de un multivibradortipo D disparado por flanco positivo y la gráfica de tiempo. El valor de entrada D setransfiere a la salida Q cuando CLK tiene una transición de pendiente positiva

(TPP).



La transición de reloj positiva efectiva incluye un tiempo mínimo llamado tiempode establecimiento, en el cual la entrada D debe permanecer en un valorconstante antes de la transición y un tiempo definido llamado tiempo de retención,donde la entrada D no debe cambiar después de la transición positiva. Latransición de reloj positiva efectiva es por lo general una fracción muy pequeña del

período total del pulso de reloj.Las figuras siguientes corresponden a un multivibrador tipo D disparado por

flanco negativo, en el cual el símbolo gráfico incluye un círculo de negaciónenfrente de CLK, indicando que fue disparado por flanco negativo. En este caso elmultivibrador corresponde a la transición de la señal de reloj de nivel 1 al nivel 0.

MULTIVIBRADOR MAESTRO/ESCLAVO

En el caso de circuitos integrados (CI), un multivibrador maestro/esclavo, ya esobsoleto, aunque puede encontrarse en equipos viejos, algunos estándares en lafamilia TTL son 7473, 7476 y 74107; las nuevas tecnologías, tales como 74LS,74AS, 74ALS y 74HCT, no incluyen ningún multivibrador maestro/esclavo dentrode sus series.

El multivibrador maestro/esclavo no es más que dos MVB: uno maestro y otro

esclavo. Durante la transición de pendiente positiva (TPP) de la señal de reloj, losniveles presentes de las entradas de control (CLK, S, R) se emplean paradeterminar la salida del multivibrador maestro. Cuando existe un cambio de TPP,los estados del maestro se transfieren al esclavo, cuyas salidas son Q y Q'. Portanto, ambas cambian sólo después de cada TPN del reloj. En conclusión, elmultivibrador maestro/esclavo debe mantener estables las entradas de control,mientras que CLK se encuentre en estado ALTO, de lo contrario puede ocurrir unaoperación no previsible.



Las siguientes figuras muestran el diagrama a bloques de un multivibradormaestro/esclavo sincronizado por reloj, así como su carta de tiempo.



La siguiente tabla explica la operación del multivibrador maestro/esclavo:Operación del multivibrador MAESTRO/ESCLAVOInicialmente la salida Z=0, en ausencia de las entradas para cambiar a 1; la salidaY del primer par de compuertas con acoplamiento transversal del elementomaestro es igual que Z, entonces Y=0.

La entrada uno pasa a 1 antes de que el pulso 2 del reloj se acople a dichaentrada, de p=0 y después de un retardo de compuerta sigue al borde delanterodel pulso 2.Después de un retardo de compuerta adicional, la salida Y del elemento maestrova a 1. Obsérvese que no existe ninguna otra actividad del circuito hasta que elreloj vuelve a 0.La salida Z del segundo par de compuertas con acoplamiento transversal,elemento esclavo, permanece en 0. Con CLK=q=0, y después de otro retardo decompuerta, Z=1

Los

multivibradoresdispo

niblesenCIproporcionan a veces terminales de

entrada para iniciar o borrar el multivibrador en forma asincrónica. Estas entradas,por lo general, se llaman preinicio (preset) y borrado (clear) y afectan almultivibrador en el nivel negativo de la señal de entrada sin necesidad de un pulsode reloj. Estas entradas son útiles para llevar a los multivibradores a un estadoinicial antes de su operación cronometrada.Sincronización de multivibradores.

La mayoría de los sistemas digitales son sincrónicos en su operación, pues lageneralidad de las señales cambiarán estados de sincronización con lastransmisiones del reloj. En algunos casos, existirá una señal interna que no estésincronizada por el reloj, por lo que será una señal asincrónica. Las señalesasincrónicas ocurren a menudo como resultado de una señal interruptora al azar,en relación con la señal de reloj. Esta selección no programada puede producirresultados impredecibles.

1.6 CONVERSIÓN ENTRE MULTIVIBRADORES



1. Obtener un multivibrador J-K a partir del multivibrador tipo D, como se muestraen el diagrama de bloques adjunto.Pasos a seguir:a) Obtener la tabla de estados del multivibrador que se desea alcanzar:Tabla de ESTADOS

De la tabla se observa que la ecuación de estados es: D=Q+c) La entrada del multivibrador D, representa la salida del circuito de excitación(marcado con ? en la figura), la cual se obtiene de la tabla de estados del inciso a),es decir:D =Q+(J, K, Q) = 3m (1,4,5,6)Reduciendo la función por mapas K:



Obsérvese que el logigrama se obtuvo con compuertas No Y, lo cual se logracomplementando dos veces la función y aplicando uno de los complementos,como se muestra en el mapa de Karnaugh.

2. Obtener un multivibrador J-K a partir del multivibrador tipo T, como se muestraen el diagrama a bloques adjunto.Se siguen los pasos indicados en el ejemplo anterior.a) Obtención de la tabla de estados del multivibrador que se desea



De la tabla se observa que: T(Q, Q+) = Q r Q+c) Para determinar a T en función de J, K y Q, se agrega una columna extra a la

tabla de estados y los valores de T se determinan en base a la tabla de excitacióndel multivibrador tipo T. Así, cuando Q y Q+ tengan el mismo valor de verdad T=0y cuando Q y Q+ tengan distinto valor de verdad T=1, como se muestra en la

siguiente tabla:

Obsérvese que para las combinaciones 0, 1, 2 y 5, Q y Q+ tienen el mismo valorde verdad, por tanto T=0; para las combinaciones 3, 4, 6 y 7, Q y Q+ tienendistinto valor de verdad, por tanto T=1. Expresando a T en función de J, K y Q, setiene la siguiente función canónica:T(J,K,Q)=3m(3,4,6,7)

Reduciendo por mapas K:

Tabla de ESTADOS DEC J K Q Q+ 012345

67

000011

11

001100

11

010101

01

010011

10

comoMEMORIApuesta aCEROSpuesta aUNOS

complemento de Q



Y realizando el logigrama, se tiene:

También en este caso, la función se genera con compuertas No Y.

3. Obtener el multivibrador tipo D a partir del multivibrador tipo J-K.Obtención de la tabla de estados del multivibrador tipo D (el que se deseaalcanzar):

Tabla deESTADOS D Q Q+ 0011

0101

0011



Se obtiene la tabla de excitación del multivibrador J-K:

Se genera una tercera tabla para relacionar a D y Q con J y K. Esto se lograagregando tres columnas a la tabla de estados del MVB tipo D; una a su izquierdaque muestra los decimales asociados a las combinaciones de D y Q; y dos a la

derecha correspondientes a J y K. Los valores de J y K se obtienen de la tabla deexcitación del multivibrador J-K; es decir, cuando Q=Q+=0, J=0 y K=x; cuandoQ=0 y Q+=1, entonces J=1 y K=x y así sucesivamente, como se muestra acontinuación:

Ahora si podemos encontrar a J y K en función de D y Q, como se muestra acontinuación:J(D, Q) = 3m (2) + 3x (1,3)K(D, Q) = 3m (1) + 3x (0,2)

Tabla deESTADOS D

Q

Q

+ 0011

0101

0011

Tabla deESTADOS DEC D Q Q+ J K 0123

0011

0101

0011

0x1x

x1x0



Reduciendo por mapas de Karnaugh las funciones anteriores y realizando ellogigrama, se tiene:



UNIDAD IV

PRINCIPIOS DE ELECTRÓNICA DIGITAL

4.1 SISTEMA BINARIO

4.2 EL TRANSISTOR COMO CONMUTADOR

4.3 ÁLGEBRA BOLEANA

4.4 CONFIGURACIÓN LÓGICA DE OPERACIONES DIGITALES

4.5 ESTRUCTURA Y ESPECIFICACIONES DE LOS CIRCUITOSINTEGRADOS

4.6 APLICACIONES



4.1SISTEMA BINARIO

Un sistema de numeración puede ser definido como: "el conjunto de símbolos y reglas que se utilizan para la representación de datos numéricos o cantidades ”.

Un sistema de de numeración se caracteriza fundamentalmente por su base, quees el número de símbolos distintos que utiliza, y además es el coeficiente quedetermina cuál es el valor de cada símbolo dependiendo de la posición que ocupe.

El sistema binario es el sistema de numeración que utiliza internamente loscircuitos digitales que configuran el hardware de las computadoras actuales.

La base o números que utiliza el sistema binario son 2, siendo éstos el 0 y el 1.Cada cifra o dígito de un número representado en este sistema se denomina BIT(contracción de BInary digiT).

Para la medida de cantidades de información representadas en binarios se utilizanuna serie de múltiplos del BIT que poseen nombre propio; éstos son los siguientes:

Nivel o cuarteto. Conjunto de cuatro bits Byte u octeto. Conjunto de 8 bits Kilobyte (KB). Conjunto de 1024 bytes (1024 * 8 bits) Megabyte (MB). Conjunto de 1024 kilobytes (1024² * 8 bits) Gigabyte (GB). Conjunto de 1024 megabytes (1024³ * 8 bits) Terabyte (TB). Conjunto de 1024 gigabytes (10244 * 8 bits)

La razón por la que se utiliza el factor multiplicador 1024 en lugar de 1000, como

sucede en otras magnitudes físicas, es por ser el múltiplo de 2 más próximo a1000, cuestión importante desde el punto de vista electrónico.

210 = 1024



SUMA BINARIA

Es semejante a la suma en el sistema decimal, con la diferencia de que semanejan sólo 2 dígitos (0 y 1), de tal forma que cuando el resultado excede de lossímbolos utilizados se agrega el exceso (denominado acarreo) a la suma parcial

siguiente hacia la izquierda.

Las tablas de sumar son:

Tabla del 0 Tabla del 1

0 + 0 = 00 + 1 = 1

1 + 0 = 11 + 1 = 1 0 ( 0 con acarreo1)

Ejercicios:

100100+ 010010

110110

Resta Binaria

Es similar a la decimal, con la diferencia de que se manejan sólo 2 dígitos, yteniendo en cuenta que al realizar las restas parciales entre dos dígitos deidénticas posiciones, uno del minuendo y otro del sustraendo, si el segundoexcede al primero, se sustraes una unidad del dígito de más a la izquierda en elminuendo (si existe y vale 1), convirtiéndose este último en 0 y equivaliendo launidad extraída a 1*2 en el minuendo de resta parcial que estamos realizando. Sies 0 el dígito siguiente a la izquierda, se busca en los sucesivos.

Las tablas de restar son:

Tabla del 0 Tabla del 1

0 - 0 = 00 - 1 = no cabe 1 - 0 = 11 - 1 = 0

1 11 Acarreos11001

+ 10011101100



Multiplicación binaria

Se realiza similar a la multiplicación decimal salvo que la suma final de losproductos se hace en binario.

Las tablas de multiplicar son:Tabla del 0 Tabla del 10 * 0 = 00 * 1 = 0

1 * 0 = 01 * 1 = 1

Ejercicios:

110101* 001101

110101000000110101

1101011010110001

División Binaria

Al igual que las operaciones anteriores, se realiza de forma similar a la división

decimal salvo que las multiplicaciones y restas internas al proceso de la división sehacen en binario.

Ejemplos:

100010 110110↓ ↓ 1010 101→ Cociente110100 → Resto

111111* 101010000000

111111111111

111111101001010110

10001000100 101010101010110100 11010 → Cociente101010

101010

10101000 → Resto



CONVERSIONES A OTROS SISTEMAS

De binario a decimal

1. Método para convertir números binarios enteros a decimal. Consiste en rescribir

el número binario en posición vertical de tal forma que el dígito de la derechaquede en la zona superior y el dígito de la izquierda quede en la zona inferior. Serepetirá el siguiente proceso para cada uno de los dígitos comenzando por elinferior: se suma el dígito al producto de 2 por el resultado de la operación anterior,teniendo en cuenta que para el primer dígito, el resultado de la operación anterior es 0. El número decimal buscado será el resultado obtenido en la última operación.

Ejemplo:

1 0 1 1

↓ 2 * 5 + 1 = 11 Resultado↓ 2 * 2 + 1 = 5↓ 2 * 1 + 0 = 2

→ → → → 2 * 0 + 1 = 1

2. Método de las sumas de las potencias de 2. Es válido para números binarioscon o sin decimales. Consiste en realizar la multiplicación del dígito binario por lapotencia del 2 de acuerdo a la posición que le corresponde con referencia al punto.El número decimal buscado es la sumatoria de las multiplicaciones parciales.

Ejemplo:

1 0 1 0 . 1 0 1

↓ ↓

↓ → 1*2-3 = 0.125

↓ 0*2-2 = 0

↓ 1*2-1 = 0.500

→ → → → 0*2 0 = 0

1*2 1 = 2

0*2 2 = 0

1*2 3 = 8

10.625



De decimal a binario

1. Divisiones sucesivas entre 2. Este se utiliza para convertir un número enterodecimal a su respectivo número entero en binario. Se trata de dividirsucesivamente el número decimal y los sucesivos cocientes entre 2, hasta que elcociente en una de las divisiones tome el valor de 0. La unión de todos los restosobtenidos, escritos en orden inverso, nos proporciona el número expresado enbinario.

Ejemplo:

10 2 1 0 1 00 5 2 ↑ ↑ ↑ ↑

↓ 1 2 2 ↑ ↑ ↑ ↑ ↓ ↓ 0 1 2 ↑ ↑ ↑ ↑ ↓ ↓ ↓ 1 0 ↑ ↑ ↑ ↑ ↓ ↓ ↓ ↓ ↑ ↑ ↑ ↑ ↓ ↓ ↓ ↓ → → ↑ ↑ ↑ ↓ ↓ ↓ → → → → ↑ ↑ ↓ ↓ → → → → → → ↑ ↓ → → → → → → → →

2. Multiplicaciones sucesivas por 2. Se utiliza para convertir una fracción decimal asu equivalente fracción en binario. Consiste en multiplicar dicha fracción por 2,

obteniendo en la parte entera del resultado el primero de los dígitos binarios de lafracción que buscamos. A continuación, repetimos el mismo proceso con la partefraccionaria del resultado anterior. Repetiremos de esta forma, hasta quedesaparezca la parte fraccionaria de los resultados parciales o hasta quetengamos los dígitos binarios suficientes.

Ejemplo:↑→→→ → → →

0.828125*2= 1.65625 ↓ 0.65625*2= 1.3125 ↓ 0.3125*2= 0.625 ↓

0.625*2= 1.25 ↓ 0.25*2= 0.5 ↓ 0.5*2= 1.0 0 . 1 1 0 1 0 1



De binario a hexadecimal

Para convertir números binarios a hexadecimales, se agrupan los dígitos de 4 en 4a partir del punto decimal hacia la izquierda y hacia la derecha, sustituyendo cada

cuarteto por su correspondiente dígito hexadecimal, de acuerdo a la siguientetabla.

Ejemplo:

0111101110100011.10111100 → 7BA3.BC0111 1011 1010 0011. 1011 1100

7 B A 3 . B C

De hexadecimal a binario

Para convertir números hexadecimales a binarios se sustituye cada dígitohexadecimal por su representación binaria con cuatro dígitos de acuerdo a laanterior tabla.

Ejemplo:

2BC → 1010111100

2 B C0010 1011 1100

Dígitohexadecimal

Dígitosbinarios

0 00001 00012 00103 00114 01005 01016 01107 01118 10009 1001A 1010B 1011C 1100D 1101E 1110F 1111



De binario a octal

Para convertir números binarios a octal, se sigue el método que se usa paraconvertir de binario a hexadecimal, pero aquí se agrupan los dígitos de 3 en 3 apartir del punto decimal hacia la izquierda y hacia la derecha, sustituyendo cada

grupo de tres dígitos binarios por su correspondiente dígito octal, de acuerdo a lasiguiente tabla.

Dígitooctal

Dígitosbinarios

0 0001 0012 0103 0114 100

5 1016 1107 111

Ejemplo:

1010111100 → 1274

1 010 111 100

1 2 7 4



4.2 EL TRANSISTOR COMO CONMUTADOR

Aplicar los transistores no se limita únicamente a la amplificación de señales. Através de un diseño adecuado pueden utilizarse como un interruptor paracomputadora y para aplicaciones de control. Puede emplearse como un inversor

en los circuitos lógicos de las computadoras.

Observe la figura 4.24 donde el voltaje de salida Vc es opuesto al que se aplicósobre la base o a la terminal de entrada. También obsérvese la ausencia de unafuente de dc conectada al circuito de la base. La única fuente de dc estáconectada al colector o lado de la salida, y para las aplicaciones de computadorasnormalmente es igual a la magnitud del nivel "alto" de la señal aplicada, en estecaso 5 V.

Figura 4.24. Transistor inversor.

El diseño ideal para el proceso de inversión requiere que el punto de operaciónconmute de corte a la saturación, pero a lo largo de la recta de carga descrita en lafigura 4.52. para estos propósitos se asumirá que Ic = Iceo = 0 mA cuando IB = 0µA (una excelente aproximación de acuerdo con las mejoras de las técnicas defabricación).

Cuando Vi = 5 V, el transistor se encontrará "encendido" y el diseño debe asegurarque la red está saturada totalmente por un nivel de IB mayor asociado con la curvaIB, que aparece cerca del nivel de saturación. El nivel de saturación para lacorriente del colector y para el circuito está definido por:

ICsat = Vcc/ Rc



Transistor en conmutación

Tenemos un interruptor en posición 1, abierto:

IB = 0IC = 0 CORTE (el transistor no conduce)

Recta de carga:

Esto era lo ideal, lo exacto sería:

Pero para electrónica digital no tiene mucha importancia ese pequeño margen, porlo tanto se desprecia.



Interruptor en posición 2:

Finalmente tenemos una gráfica de la siguiente forma:

Aplicación: Si tenemos en la entrada una onda cuadrada.

Se invierte la Vsal, invierte la onda de entrada en la salida. Ese circuito se utiliza enelectrónica digital.



A ese circuito le llamábamos "Circuito de polarización de base", que era bueno

para corte y saturación, para conmutación. Pero este que hemos hecho no esexacto, lo exacto es:

Entonces se cogen los márgenes, pero como están muy separados se desprecia yno se le da importancia a ese pequeño error.

Conmutación ideal

La acción de conmutación de los transistores, bien sean bipolares (BJT) o deefecto campo (MOSFET). La conmutación se puede describir de una formasencilla como la posibilidad de un dispositivo de saltar o cambiar entre dosposiciones o dos estados distintos (que podemos llamar Alto/Bajo, On/Off,Marcha/Paro, 1/0, etc.) de una forma más o menos rápida. En el caso de lostransistores, ambos estados se identifican con las situaciones de Saturación yCorte.

Para un transistor bipolar, la operación de conmutación es la siguiente: cuando la

base está a unos 0,7 voltios por encima del emisor (y se suministra corrientesuficiente a la base) el transistor conduce y entra en saturación. En esta situación,el transistor se comporta idealmente como un interruptor cerrado entre el colectory el emisor, como ilustra la figura 1.a. Cuando la base está a menos de 0,7 V porencima del emisor, el transistor no conduce y se comporta como un interruptorabierto entre el colector y el emisor.



a) Transistor en Saturación. b) Transistor en Corte.

Figura 1. Conmutación ideal de un transistor BJT.

Los transistores MOSFET (transistores de efecto campo ) difieren enormemente ensu construcción y en su funcionamiento interno de los transistores bipolares, perosu acción de conmutación es básicamente la misma . Idealmente, funcionan comointerruptores abiertos o cerrados, dependiendo de su entrada.

Cuando la tensión de puerta de un MOSFET de canal-n (NMOS ) es más positivaque la de fuente, el MOSFET conduce (saturación ) e, idealmente, se comportacomo un conmutador cerrado entre el drenador y la fuente. Cuando la tensiónpuerta-fuente es cero, el MOSFET no conduce (corte ) y se comporta idealmentecomo un interruptor abierto entre el drenador y la fuente (ver figura 2).


Figura 2. Conmutación ideal de un transistor MOSFET de canal-n.

Los MOSFET de canal-p (PMOS ) funcionan con polaridades de tensión opuestas,tal como muestra la figura 3.




Figura 3. Conmutación ideal de un transistor MOSFET de canal-p.



4.3 COMPUERTAS LÓGICAS

INTRODUCCIÓN

El conocimiento de las puertas lógicas, exige tener en cuenta unos conceptosbásicos que se estudiaran en este apartado.

Puertas Lógicas.- es la unidad básica sobre la que se diseña un sistema digital.Pueden poseer una entrada o más y una sola salida. Son capaces de realizarfunciones dando un nivel de tensión a la salida que puede ser alto o bajo. Altosignifica 1 (H) y bajo significa 0 (L)

Las puertas lógicas básicas son: AND, OR, NAND, NOR, NOT, EX-OR, y EX-NOR.

Niveles Lógicos.- En TTL y CMOS los niveles de tensión en entradas y salidas noson fijos, hay fluctuaciones entre dos márgenes, tanto alto como bajo. En estatabla comparativa entre las dos tecnologías se observan las diferencias que soncapaces de soportar de niveles de tensión. Se dice que zona prohibida es aquellaen la que no se puede garantizar un nivel lógico 1 o 0. Este es un conceptoimportante, pues en electrónica digital lo que pretendemos es enviar informaciónfiable.

TecnologíaZonaprohibidaentrada

Zonaprohibidasalida

Vcc VIH VIL VOH VOL

TTL 0.8 a 2v 0.4 a2.4v 5v 2 a 5.5v 0 a 0.8v 2.4 a 5.5v 0 a 0.4v

CMOS 1.5 a3.5v

0.01 a4.99v 3 a 15v 3.5 a 5v 0 a 1.5v 4.99 a 5v 0 a 0.01v

Siendo:

Vcc= Tensión de alimentación de las puertas. En CMOS se ha supuesto dicha

tensión en 5v.VIH= Nivel alto de tensión (H) de entrada (L)

VIL= Nivel bajo de tensión (L) de entrada (L)

VOH= Nivel alto de tensión (H) de salida (O)

VOL= Nivel bajo de tensión (L) de salida (O)



Tablas de verdad.- A través de las tablas de verdad se puede conocerteóricamente el comportamiento de las puertas lógicas, en función de los nivelesque se aplican a la entrada. Más adelante veremos como además nos van aservir para diseñar circuitos digitales

PUERTA AND En las escenas de esta página se muestran las tres puertas lógicas elementales yque son la base de cualquier circuito digital. De hecho con esas puertas bastaríapara poder diseñar cualquiera de ellos. En las dos páginas siguientes veremosotras puertas que permiten simplificar el diseño e implementación de los circuitoslógicos más complejos. Cualquiera de estas puertas existen cómo productoscomerciales electrónicos. Los símbolos usados en las escenas, para representarlas puertas, son los estandares empleados en electrónica digital. Así mismo serepresenta la notación booleana de la función representada por cada una de laspuertas mostradas y su nombre en inglés ya que es usado en muchos textos.

La primera puerta que vemos es la puerta "Y". Podeis observar que tiene dosentradas (inputs) y una salida (output). Las variables A y B representan dosvariables booleanas cualesquiera y, modificando sus valores, podemos ver cómose modifica el valor de salida. Una puerta "Y" la podemos imaginar como laentrada a un comercio en el que hay una barrera y una puerta a continuación. Siuna de las dos, o ambas, están cerradas (alguna de las variables de entrada es 0),no podemos entrar al establecimiento. Sólo podemos entrar si ambas estánabiertas (las dos variables de entrada, así como la salida, serán 1).

A nivel de lógica proposicional la función Y corresponde a la conjunción o

producto lógico. Un ejemplo sería: "Juan es moreno y Luis practica baloncesto".En el caso de que ambas proposiciones sean verdaderas, tambien será verdaderasu conjunción.



SÍMBOLO FUNCIÓN

S = A . B

TABLA DE VERDAD ANIMACION

A B S 0 0 00 1 01 0 01 1 1

PUERTA NAND

En las escenas de esta página se presentan dos nuevas puertas lógicas, la puertaNO-Y y la puerta NO-O. Dichas puertas permiten implementar circuitos con unmenor número de componentes y, así mismo, ayudan a poder simplificar algunasexpresiones que resultarian algo complejas si únicamente dispusieramos de laspuertas y funciones vistas en la página anterior. En la parte derecha de las puertas

se puede observar un pequeño círculo. Dicho círculo nos indica que se inviertenlas salidas de una Y y una O, respectivamente.

En la realidad, las puertas NO-Y , por razones prácticas, se suelen comercializarcon 2, 3 o 4 entradas. Igualmente sucede con las puertas NO-O. Estas puertastienen la característica que con ellas se puede implementar cualquier expresiónbooleana sin usar ninguna otra puerta de otro tipo. Por ello están presentes, engran cantidad, en un sinfín de circuitos integrados (sumadores, flips-flops,...)

SÍMBOLO FUNCIÓN

B AS



TABLA DE VERDAD ANIMACIÓN

A B S 0 0 10 1 11 0 11 1 0

PUERTA OR

Como se puede observar también tiene dos entradas (inputs), A y B , y una salida

(output). Si modificas los valores de las entradas, tal como hiciste en la escenaanterior, verás cómo varía la salida correspondiente. Un ejemplo físico sencillo quese asemeja al comportamiento de una puerta O sería el de una puerta de doblehoja de una casa. Basta abrir una de las dos hojas para poder entrar o abrir lasdos hojas. Hay ejemplos más complejos pero éste resulta suficientemente claro).

Preposicionalmente se corresponde con la disyunción, también llamada sumalógica. Un ejemplo sería el aserto "esta página tiene el fondo blanco O se acabaeste párrafo". Dicho aserto será verdadero siempre que lo sea alguna de las dosproposiciones (frases) que lo forman.

SIMBOLO FUNCION

B AS




A B S 0 0 0

0 1 11 0 11 1 1

PUERTA NOR

Su respuesta es contraria a la de la puerta OR. Solo cuando tengamos nivel bajode tensión en todas las entradas se obtendrá un nivel alto a la salida

SIMBOLO FUNCION

B AS


A B S 0 0 10 1 01 0 01 1 0

PUERTA EX-OR

También denominada Or Exclusive. La salida toma valor 1 cuando el estado lógicode las entradas es diferente, y tomará valor 0 cuando ambas tienen el mismoestado.



SIMBOLO FUNCION

)()( B A B A B AS


A B S 0 0 00 1 1

1 0 11 1 0



4.4 ÁLGEBRA BOLEANA

Se define como álgebra de Boole a un sistema matemático con un conjunto deelementos B y dos operaciones binarias cerradas (·) y (+) siempre y cuando secumplan los siguientes postulados:

• P1.- las operaciones tienen la propiedad conmutativa.

a+b = b+aa·b = b·a

• P2.- las operaciones son distributivas entre sí

a·(b+c) = a·b + a·c

a+(b·c) = (a+b)·(a+c)

• P3.- las operaciones tienen elementos identidad diferentes dentro de B. Estoselementos son definidos como 0 para (+) y 1 para (·).

a+0 = aa·1 = a

• P4.- para cada elemento, a, del conjunto B, existe otro elemento denominadocomplemento, a también del conjunto B, tal que se cumple:

a+a = 1a·a = 0

Como podemos ver, en cualquier álgebra booleana se cumple el principio dedualidad:Cualquier teorema o identidad algebraica deducible de los postulados anteriorespuede transformarse en un segundo teorema o identidad válida sin más queintercambiar las operaciones binarias y los elementos identidad.

Como en cualquier álgebra, podemos disponer de constantes y de variables. Así,una constante se define como cualquier elemento del conjunto

B.Mientras que una variable es un símbolo que representa un elemento arbitrario delálgebra, ya sea una constante o una fórmula algebraica completa.

Teoremas del Álgebra de Boole.En cualquier álgebra de Boole se pueden demostrar los siguientes teoremas:Teorema 2.1.- El elemento a del 4º postulado (denominado complemento onegación de a) está unívocamente determinado, es decir, es único.



Demostración.- Supongamos que existen dos complementos de a: a1 y a2.

a2 = a2·1 = a2·(a+ a1) = a2·a + a2·a1 = a·a1 + a2·a1 = (a + a2)·a1 = a1Teorema 2.2.- (o Teorema de elementos nulos) Para cada cualquier elemento a,

se verificaa+1 = 1 y a·0 = 0

Demostración.-a+1 = 1·(a+1) = (a+a‟)·(a+1) = a + a‟·1 = a + a‟ = 1 a·0 = a·0+0 = a·0 + a·a‟ = a·(a‟+0) = a·a‟ = 0

Teorema 2.3.- Cada uno de los elementos identidad es el complemento del otro,es decir, 1‟ = 0 y 0‟ = 1 Demostración.- Si fuese cierto, deberían cumplir el cuarto postulado del álgebra:

1 = 0 + 0‟ 0 = 0 · 0‟ Por ser único l complemento: 0‟ = 1 1 = 1 + 1‟ 0 = 1 · 1‟ Por ser único el complemento: 1‟ = 0

Teorema 2.4.- (o Teorema de idempotencia) Para cada elemento a, se verifica:a + a = aa · a = aDemostración.-

a + a = a + a · 1 = a + a · (a + a‟) = a + a · a + a · a‟ = a · (1 + a) = a · 1 = a a · a = a · a + 0 = a · a + a · a‟ = a·(a + a‟) = a·1 = a

Teorema 2.5.- (o Teorema de involución) Para cada elemento de a, se verifica queel complemento del complemento de a es a, es decir, (a‟)‟ = a Demostración.-

Teorema 2.6.- (o Teorema de absorción) Para cada par de elementos, a y b, severifica:a + a · b = aa · (a + b) = aDemostración.-a + a · b = a · 1 + a · b = a · (1 + b) = a · 1 = aa·(a + b) = (a + 0) · (a + b) = a + 0 · b = a

Teorema 2.7.- Para cada par de elementos, a y b, se verifica:a + a‟ · b = a + b



a · (a‟ + b) = a · b Demostración.-a + a‟ · b = (a + a‟)·(a + b) = 1·(a + b) = a + b a · (a‟ + b) = a · a‟ + a · b = a · b

Teorema 2.8.- (o Leyes de DeMorgan) Para cada par de elementos, a y b, severifica(a + b)‟ = a‟ · b‟ (a · b)‟ = a‟ + b‟ Demostración.- Se comprobará si se satisface el cuarto postuladoa + b + (a + b)‟ = a + b + a‟ · b‟ = a + a‟ · b‟ + b + b‟ · a‟ = = a + b‟ + b + a‟ = a + a‟ + b + b‟ = 1 + 1 = 1 (a + b) · (a‟ · b‟) = a · a‟ · b‟ + b · b‟ · a‟ = b‟ · 0 + 0 · a‟ = 0 + 0 = 0 a · b + (a · b)‟ = a · b + a‟ + b‟ = a · b + a‟ + a · b + b‟ = = a + a‟ + b + b‟ = 1 + 1 = 1 a · b · (a‟ + b‟) = a · a‟ · b + a · b · b‟ = 0 · b + a · 0 = 0 + 0 = 0

Teorema 2.9.- (o Leyes de DeMorgan generalizadas) Para cualquier conjunto deelementos se verifica:(X0 + X1 + … + Xn) = X0 · X1 · … · Xn (X0 · X1 · … · Xn) = X0 + X1 + … + Xn Teorema 2.10.- (o Teorema de asociatividad) Cada uno de los operadores binarios(+) y (·) cumple la propiedad asociativa, es decir, para cada tres elementos, a, b yc, se verifica

(a + b) + c = a + (b + c)(a · b) · c = a · (b · c)

Álgebra de Conmutación.

Hasta ahora no hemos puesto ninguna restricción al conjunto de elementos ni alos operadores binarios (salvo los postulados que deberían cumplir). Siparticularizamos para el casode los circuitos digitales, restringimos el conjunto de elementos a los dos dígitosbinarios 0,1 y las operaciones binarias son las siguientes:



Se verifica que un álgebra definida de la forma mostrada en la tabla 2.1 se trata deun álgebra de Boole. La demostración de esta afirmación se realiza mediante laverificación de los cuatro postulados:• P1.- Se comprueba por simple inspección de la definición de las operaciones.• P2.- Se puede comprobar evaluando todas las combinaciones posibles.

• P3.- Por inspección de los operadores se puede verificar.

• P4.- Por definición del operador complemento.Un álgebra así definida se denomina álgebra de conmutación. Los operadores deesta álgebra reciben los siguientes nombres:• Operador + operador OR• Operador · operador AND • Operador „operador NOT Y los circuitos electrónicos que realizan estas operaciones se denominan puertas(OR, AND y NOT o inversor). Estas puertas tienen unos símbolos especiales, loscuales son mostrados en la figura 2.1. Éstos son los símbolos tradicionales; yaunque existe una simbología internacional también mostrada, usaremospreferentemente estos símbolos:



Aritmética binaria.Una vez visto el álgebra de Boole, y en particular el de conmutación, pasaremos aver como se harían las operaciones más básicas de la aritmética (suma, resta,multiplicación y división) utilizando el código binario.

Suma binaria.La suma binaria tiene dos salidas: suma y acarreo. La salida suma es el resultado,mientras que el acarreo es lo que se le añade a la siguiente suboperación. Latabla de combinaciones para la suma de dos entradas es la tabla 2.10, que seencuentra junto a un ejemplo:

Resta.La resta binaria tiene dos salidas: resta y desbordamiento. La salida resta es elresultado, mientras que el desbordamiento es lo que se le vuelve a restar a la

siguiente suboperación, como si fuese un nuevo substraendo. La tabla decombinaciones para la suma de dos entradas es la tabla 2.11, que se encuentra junto a un ejemplo:



Complemento.

Al igual que la resta de los números reales se puede ver como la suma del númeronegativo, en la resta binaria se puede hacer lo mismo. El número negativo enbinario es el denominado complemento a dos de dicho número, representado por2B. El complemento a dos de un número binario se calcula invirtiendo dichonúmero y sumarle 1 a la inversión, como podemos ver en el siguiente ejemplo:

Otra forma de obtener el complemento a dos es la siguiente: empezando por laderecha se deja todo igual hasta encontrar el primer 1 (inclusive) y a partir de ahíse invierte la parte restante bit a bit.En el caso de que el resultado sea negativo, tanto con la suma con elcomplemento a dos como en la resta binaria, el número que se obtiene es elnúmero negativo binario, y por tanto, el complemento a dos del número encuestión.Desplazamiento.En el caso que queramos realizar operaciones complejas (multiplicación y/odivisión) con números de potencia de dos (2, 4, 8, 16, 32), éstas resultan muysimples por propia construcción del código binario. La multiplicación (división) por

2n se realiza desplazando el punto decimal n dígitos a la derecha (izquierda). Enel caso de que no existan más dígitos, se rellenarán con ceros. Esta forma sepuede demostrar por la expresión polinómica de los números binarios.



Multiplicación.La multiplicación de dos números binarios cualesquiera se basa en la tabla 2.12de combinaciones:

Después se realiza la suma de los productos parciales (como en el caso decimal).Así, mostramos como ejemplo la multiplicación de 5.75 x 5 = 28.75.

División.La división es la operación más compleja, realizándose generalmente a través deun algoritmo. El algoritmo que vamos a emplear será el siguiente. El divisor sealineará con la parte más significativa (más a la izquierda) del dividendo y se

restará. Si el resultado de esta resta es negativo, al cociente se le añade un cero ala derecha y el divisor se desplaza un dígito a la derecha y volvemos a restar. Si elresultado es positivo, al cociente se le añade un 1 a la derecha y al resultado de laresta se le añade el dígito inmediatamente siguiente de la derecha del dividendo, yse vuelve a empezar. A continuación, vemos en la figura 2.2, y a modo deEjemplo, la división correspondiente a 45/5:



4.5 CONFIGURACIÓN LÓGICA DE OPERACIONESDIGITALES

Un computador digital, como su nombre lo indica, es un sistema digitalque realiza diversas operaciones de cómputo. La palabra Digital implica que la información que se representa en el computador pormedio de variables que toman un número limitado de valores Discretoso cuantizados. Estos valores son procesados internamente porcomponentes que pueden mantener un número limitado de estados

discretos. Los dígitos decimales por ejemplo, proporcionan 10 valoresdiscretos ( 0 .. 9 ). Como sabemos en la práctica, los computadoresfuncionan más confiablemente si sólo utilizan dos estadosequiprobables. Debido al hecho que los componentes electrónicosatienden a dos estados ( encendido / apagado ) y que la lógicahumana tiende a ser binaria ( esto es, cierto o falsa, si o no ) se utilizael sistema binario y se dice que son binarias.

Los computadores digitales utilizan el sistema de números binarios,que tiene dos dígitos 0 y 1. Un dígito binario se denomina un BIT. ' La

in fonación está representada en los computadores digitales en gruposde bits. Utilizando diversas técnicas de codificación los grupos de bitspueden hacerse que representen no solamente números binarios sinotambién otros símbolos discretos cualesquiera, tales como dígitosdecimales o letras de alfabeto. Utilizando arreglos binarios y diversastécnicas de codificación, los dígitos binarios o grupos de bits puedenutilizarse para desarrollar conjuntos completos de instrucciones pararealizar diversos tipos de cálculos.

La información binaria se representa en un sistema digital porcantidades físicas denominadas señales, Las señales eléctricas talescomo voltajes existen a través del sistema digital en cualquiera de dosvalores reconocibles y representan un a variable binaria igual a 1 o 0.Por ejemplo, un sistema digital particular puede emplear una señal de3 [volts 1 para representar el binario "I" y 0.5 [volts 1 para el binario "0".La siguiente ilustración muestra un ejemplo de una señal binaria.



Como se muestra en la figura, cada valor binario tiene una desviaciónaceptable del valor nominal. La región intermedia entre las dos

regiones permitidas se cruza solamente durante la transición deestado. Los terminales de entrada de un circuito digital aceptanseñales binarias dentro de las tolerancias permitidas y los circuitosresponden en los terminales de salida con señales binarias que caendentro de las tolerancias permitidas.

La lógica binaria tiene que ver con variables binarias y conoperaciones que toman un sentido lógico. Es utilizada para escribir, enforma algebraica o tabular. La manipulación y. procesamiento de

información binaria. La manipulación de información binaria se hacepor circuitos lógico que se denominan Compuertas.

Las compuertas son bloques del hardware que producen señales delbinario 1 ó 0 cuando se satisfacen los requisitos de entrada lógica. Lasdiversas compuertas lógicas se encuentran comúnmente en sistemasde computadores digitales. Cada compuerta tiene un símbolo gráficodiferente y su operación puede describirse por medio de una funciónalgebraica. Las relaciones entrada - salida de las variables binariaspara cada compuerta pueden representarse en forma tabular en una

tabla de verdad.

A continuación se detallan los nombres, símbolos, gráficos, funcionesalgebraicas, y tablas de verdad de ocho compuertas.



Compuerta ADN:

Cada compuerta tiene una o dos variables de entrada designadas porA y B y una salida binaria designada por x. La compuerta AND

produce la unión lógica AND: esto es: la salida es 1 si la entrada A y laentrada B están ambas en el binario 1: de otra manera, la salida es 0.Estas condiciones también son especificadas en la tabla de verdadpara la compuerta AND. La tabla muestra que la salida x es 1solamente cuando ambas entradas A y B están en 1 . El símbolo deoperación algebraico de la función AND es el mismo que el símbolo dela multiplicación de la aritmética ordinaria (*). Podemos utilizar o unpunto entre las variables o concatenar las variables sin ningún símbolode operación entre ellas. Las compuertas AND pueden tener más dedos entradas y por definición, la salida es 1 si cualquier entrada es 1.

Compuerta OR:

La compuerta OR produce la función OR inclusiva, esto es, la salidaes 1 si la entrada A o la entrada B o ambas entradas son 1; de otramanera, la salida es 0. El símbolo algebraico de la función OR (+),

similar a la operación de aritmética de suma. Las compuertas ORpueden tener más de dos entradas y por definición la salida es 1 sicualquier entrada es 1.

Compuerta NOT (Inversor):

El circuito inversor invierte el sentido lógico de una señal binaria.Produce el NOT,. o función complemento. El símbolo algebraico

utilizado para el complemento es una barra sobra el símbolo de lavariable binaria. Si la variable binaria posee un valor 0, la compuertaNOT cambia su estado al valor 1 y viceversa. El círculo pequeño en lasalida de un símbolo gráfico de un inversor designa un complementológico. Es decir cambia los valores binarios 1 a 0 y viceversa.



Compuerta Separador:

Un símbolo triángulo por sí mismo designa un circuito separador noproduce ninguna función lógica particular puesto que el valor binariode la salida es el mismo de la entrada. Este circuito se utilizasimplemente para amplificación de la señal. Por ejemplo, un separadorque utiliza i volt para el binario 1 producirá una salida de 3 volt cuandola entrada es 3 volt. Sin embargo, la corriente suministrada en laentrada es mucho más pequeña que la corriente producida en la salida.De ésta manera, un separador puede excitar muchas otrascompuertas que requieren una cantidad mayor de corriente que de

otra manera no se encontraría en la pequeña cantidad de corrienteaplicada a la entrada del separador.

Compuerta NAND:

Es el complemento de la función AND, como se indica por el símbolográfico que consiste en un símbolo gráfico AND seguido por unpequeño círculo. La designación NAND se deriva de la abreviaciónNOT - AND. Una designación más adecuada habría sido AND invertido puesto que Es la función AND la que se ha invertido.

Compuerta NOR:

La compuerta NOR es el complemento de la compuerta OR y utiliza unsímbolo gráfico OR seguido de un círculo pequeño. Tanto lascompuertas NAND como la NOR pueden tener más de dos entradas, yla salida es siempre el complemento de las funciones AND u OR,respectivamente.



Compuerta OR exclusivo (XOR):La compuerta OR exclusiva tiene un símbolo gráfico similar a lacompuerta OR excepto por una línea adicional curva en el lado de laentrada. La salida de esta compuerta es 1 si cada entrada es 1 peroexcluye la combinación cuando las dos entradas son 1. La función ORexclusivo tiene su propio símbolo gráfico o puede expresarse entérminos de operaciones complementarias AND, OR .

Compuerta NOR exclusivo (XOR):

El NOR exclusivo como se indica por el círculo pequeño en el símbolográfico. La salida de ésta compuerta es 1 solamente si ambasentradas son tienen el mismo valor binario. Nosotros nos referiremos ala función NOR exclusivo como la función de equivalencia. Puesto que

las funciones OR exclusivo y funciones de equivalencia no sonsiempre el complemento la una de la otra. Un nombre más adecuadopara la operación OR exclusivo sería la de una función impar; esto es,la salida es 1 si un número impar de entrada es 1. Así en una funciónOR (impar) exclusiva de tres entradas, la salida es 1 si solamente laentrada es 1 o si todas las entradas son 1. La función de equivalenciaes una función par; esto es, su salida es 1 si un número par deentradas es 0. Para un función de equivalencia de tres entradas, lasalida es 1 si ninguna de las entradas son 0 ( todas las entradas son 1 )

o si dos de las entradas son 0 ( una entrada es 1 Una investigacióncuidadosa revelará que el OR exclusivo y las funciones deequivalencia son el complemento la una de la otra cuando lascompuertas tienen un número par de entradas, pero las dos funcionesson iguales cuando el número de entradas es impar. Estas doscompuertas están comúnmente disponibles con dos entradas ysolamente en forma rara se encuentran con tres o más entradas.



Retornemos el teorema De Morgan:

El teorema De Morgan es muy importante al tratar compuertas NOR yNAND. Expresa que una compuerta NOR que realiza la función (x + y)'es equivalente a la expresión función xy' . Similarmente, una funciónNAND puede ser expresada bien sea por (xy)' o por x' + y' por estarazón, las compuertas NOR y NAND tienen dos símbolos gráficosdistintos como se muestra en la figura:

En vez de representar una compuerta NOR por el símbolo gráfico ORseguido por un círculo, nosotros podemos representarla por unsímbolo gráfico AND precedido por círculos en toda la entrada. Elinversor AND para la compuerta NOR proviene M teorema De Morgany de la convención de que los círculos pequeños denotancomplementación. Similarmente la compuerta NAND también poseedos símbolos gráficos.

Para ver cómo se utiliza la manipulación del álgebra Booleana parasimplificar circuitos digitales considere el diagrama lógico de lasiguiente figura. La salida de la primera compuerta NAND es, por elteorema De Morgan, (AB)' = A' + B' . La salida del circuito es laoperación NAND de este término y B' .

3 X = [( A' + B ) * B' ] '



Utilizando el teorema De Morgan dos veces, obtenemos:

4 X = (A' + B)' + B = AB' + B

Note que el teorema De Morgan ha sido aplicado tres veces ( parademostrar su utilización ) pero podría ser aplicado solamente una vezde la siguiente manera:

X = [(AB‟)*B']' = AB' + B

La expresión para x puede simplificarse por aplicación de lasrelaciones mencionadas anteriormente



X = AB'+ B= B + AB'= (B + A) (B + B')= (BEA)* 1= B + A= A + B

El resultado final produce una función OR y puede ser implementadocon una sola compuerta OR como se muestra en la figura parte (b).Uno Puede demostrar que dos circuitos producen relaciones binariasidénticas Entrada - Salida simplemente obteniendo la tabla de verdadpara cada uno de ellos.

Configuración interna de las compuertas lógicas más comunes:

NAND 7400

NOR 7402



INVERSOR

AND 7408

OR 7432



XOR 7486



4.6 ESTRUCTURA Y ESPECIFICACIONES DE LOSCIRCUITOS INTEGRADOS

Como se fabrican los Circuitos Integrados.

Los Circuitos Integrados digitales disponibles se fabrican a partir depastillas de silicio. El procesamiento del silicio para obtener CI o chipses relativamente complicado. El silicio utilizado para la fabricación dechips es de una pureza de orden del 99.9999999%. Una vezsintetizado, el silicio se funde en una atmósfera inerte y se cristaliza enforma de barras cilíndricas de hasta 10cm de diámetro y 1 m de largo.

Cada barra se corta en pastillas de 0.25 a 0.50 mm de espesor y lassuperficies de estas ultimas se pulen hasta quedar brillantes.Dependiendo de su tamaño, se obtienen varios cientos de circuitosidénticos (chips) sobre ambas superficies mediante un procesollamado planar, el mismo utilizado para producir transistores en masa...

Para fabricar un chip, las pastillas de silicio se procesan primero parahacer transistores. Una pastilla de silicio por si misma es aislante y noconduce corriente. Los transistores se crean agregando impurezascomo fósforo o arsénico a determinadas regiones de la pastilla. Lasconexiones se realizan a través de líneas metálicas.

Cada rasgo de forma sobre la pastilla rociando en las regionesseleccionadas un químico protector sensible a la luz llamadofotorresistencia, el cual forma una película muy delgada sobre lasuperficie de la pastilla. La pastilla es entonces bombardeada con luz,mediante un proyector deslizante muy preciso llamado alineador óptico.

El alineador posee un dispositivo muy pequeño llamado mascara, queevita que la luz incida sobre puntos específicos de la pastilla, cuandola luz alcanza un área determinada de la pastilla elimina elfotorresistencia presente en esa zona. A este proceso se le denominafotolitografía.

Mediante un proceso de revelado, el químico se deposita en lasregiones descubiertas por la luz e ignora las encubiertas por lamascara. Estas últimas zonas aun permanecen recubiertas de "fotorresistencia".



La precisión del alineador óptico determina que tan fino puede hacerseun rasto. A comienzos de los 70´s, era difícil hacer transistores demenos de 10 micras de tamaño. Ahora, los transistores alcanzantamaños inferiores a una velocidad de respuesta de los dispositivos.

A continuación, la pastilla se calienta a altas temperaturas; esto originaque el silicio no procesado de la superficie se convierta en oxido desilicio (SiO2). El SiO2 se esparce sobre la superficie de la pastilla yforma sobre la misma una delgada película aislante de unas pocasmicras de espesor.

De este modo se obtiene el primer nivel de metalización de chips. Paraobtener una nueva capa de metalización, el SiO2 se trata nuevamente

con "fotorresistencia" y se expone al alineador óptico, repitiéndose elmismo procedimiento seguido con el silicio del primer nivel.

Las diferentes capas van creciendo una sobre otra formando unaestructura parecida a un sándwich, con el SiO2 como el pan y el metalo el silicio dopado como la salchicha, la mayoría de CircuitosIntegrados no se hacen con mas de tres capas de metalización.

Clasificación de los Circuitos Integrados de acuerdo a su estructura.

La clasificación de los Circuitos Integrados de acuerdo a su estructurapuede ser de acuerdo a la cantidad de compuertas utilizadas paraimplementar la función propia del chip (llamado Escalas de Integración)como sabemos, las compuertas son los bloques constructivos básicosde todos los circuitos digitales.

Las escalas de Integración son 4: SSI, MSI, LSI, VLSI; a continuaciónveremos cada una de ellas.

SSI.- Significa Small Scale Integration (integración en pequeña escala)y comprende los chips que contienen menos de 13 compuertas.Ejemplos: compuertas y flip flops. Los Circuitos Integrados SSI sefabrican empleando tecnologías ttl, cmos y ecl. Los primeros CircuitosIntegrados eran SSI .



MSI.- Significan Médium Scale Integration ( integración en medianaescala), y comprende los chips que contienen de 13 a 100compuertas . ejemplos: codificadores, registros, contadores ,multiplexores, de codificadores y de multiplexores. los CircuitosIntegrados MSI se fabrican empleando tecnologías ttl, cmos, y ecl.

LSI.- significa Large-Scale Integration ( integración en alta escala) ycomprende los chips que contienen de 100 a 1000 compuertas.ejemplos: memorias, unidades aritméticas y lógicas (alu's),microprocesadores de 8 y 16 bits . los Circuitos Integrados LSI sefabrican principalmente empleando tecnologías.

VLSI.- Significa Very Large Scale Integration ( integración en muy altaescala) y comprende los chips que contienen más de 1000

compuertas ejemplos: micro-procesadores de 32 bits, micro-controladores, sistemas de adquisición de datos. los CircuitosIntegrados VSLI se fabrican también empleando tecnologías ttl, cmosy pmos.

Clasificación de los circuitos Integrados de acuerdo a su función.

Los Circuitos Integrados se clasifican en CI analógicos, digitales, deinterfase y de consumo. A continuación veremos cada uno de estos.

Circuitos Integrados Analógicos.

Los Circuitos Integrados analógicos se fabrican usado gran variedadde tecnologías de semiconductores, como bipolar, efecto de campo,óxidos metálicos y combinaciones de estas tres. En la mayoría de loscasos el usuario no esta interesado en este aspecto de los CircuitosIntegrados, ya que únicamente puede basar su trabajo en lasespecificaciones del fabricante. La tecnología empleada en lafabricación de los Circuitos Integrados digitales es importante para el

usuario, debido a que estos se emplean en “familias lógicas”, concaracterísticas eléctricas comunes que garantizan su compatibilidad.Los Circuitos Integrados analógicos se seleccionan normalmentesiguiendo criterios individuales, y solo es importante su compatibilidadcon los requisitos de alimentación. Incluso en este aspecto, la mayoríade los Circuitos Integrados analógicos están disponibles con amplios



márgenes de alimentación, por lo que su empleo no suele estarcondicionado por su compatibilidad.

Características Importantes

TTLLa familia TTL usa transistores del tipo bipolar por lo que está dentrode las familias lógicas bipolares.

Las familias TTL estándar.-

Texas Instruments (1964) introdujo la primera línea estándar deproductos circuitales TTL. La serie 5400/7400 ha sido una de lasfamilias lógicas de Circuitos Integrados más usadas.La diferencia entre las versiones 5400 y 7400 es que la primera es deuso militar, operable sobre rangos mayores de temperatura (de –55 a+125ºC) y suministro de alimentación (cuya variación en el suministrode voltaje va de 4,5 a 5,5 V). La serie 7400 opera sobre el rango detemperatura 0 – 70ºC y con una tensión de alimentación de 4,75 a5,75 V. Ambas tienen un fan-out típico de 10, por lo que puedenmanejar otras 10 entradas.

TTL de baja potencia, serie 74L00:Tienen menor consumo de energía, al costo de mayores retardos enpropagación, esta serie es ideal para aplicaciones en las cuales ladisipación de potencia es más crítica que la velocidad. Circuitos debaja frecuencia operados por batería tales como calculadoras sonapropiados para la serie TTL.

TTL de alta velocidad, serie 74H00:

Poseen una velocidad de conmutación mucho más rápida con unretardo promedio de propagación de 6ns. Pero la velocidadaumentada se logra a expensas de una disipación mayor de potencia.

TTL Schotty, serie 74S00:

http://www.monografias.com/trabajos/termodinamica/termodinamica.shtml






Tiene la mayor velocidad disponible en la línea TTL.

Otras propiedades de los TTL son:

-En cualquier Circuito Integrado TTL, todas las entradas son 1 amenos que estén conectadas con alguna señal lógica.-No todas las entradas en un Circuito Integrado TTL se usan en unaaplicación particular.

-Se presentan situaciones en que una entrada TTL debe mantenersenormalmente BAJA y luego hecha pasar a ALTA por la actuación deun swich mecánico.

-Las señales de entrada que manejan circuitos TTL deben tenertransiciones relativamente rápidas para una operación confiable. Si lostiempos de subida o de caída son mayores que 1 µs, hay posibilidadde ocurrencia de oscilaciones en la salida.

CMOS

Acrónimo de Complementary Metal Oxide Semiconductor(Semiconductor Complementario de Óxido Metálico).Utilizados por lo general para fabricar memoria RAM y aplicaciones de

conmutación, estos dispositivos se caracterizan por una alta velocidadde acceso y un bajo consumo de electricidad. Pueden resultardañados fácilmente por la electricidad estática.La lógica CMOS ha emprendido un crecimiento constante en el áreaMSI, mayormente a expensas de TTL, con la cual es de directacompetencia.

El proceso de fabricación del CMOS es más simple que TTL y tieneuna densidad de empaque mayor, permitiendo por consiguiente más

circuitería en un área dada y reduciendo el costo por función.CMOS usa sólo una fracción de la potencia que se necesita para laserie TTL de baja potencia (74L00) y es así apropiada idealmente paraaplicaciones que usan potencia de batería o potencia con batería derespaldo. La velocidad de operación de CMOS no es comparable aúncon las series TTL más rápidas, pero se espera mejorar en esterespecto.



La serie 4000A es la línea más usada de Circuitos Integrados digitalesCMOS. Contiene algunas funciones disponibles en la serie TTL 7400 yestá en expansión constante. Algunas características más importantesde esta familia lógica son:

-La disipación de potencia de estado estático de los circuitos lógicosCMOS es muy baja.

-Los niveles lógicos de voltaje CMOS son 0 V para 0 lógico y + VDD

para 1 lógico. El suministro + VDD puede estar en el rango 3 V a 15 Vpara la serie 4000A, por lo que la regulación de la fuente no es unaconsideración seria para CMOS. Cuando se usa CMOS con TTL, elvoltaje de la fuente se hace 5 V, siendo los niveles de voltaje de lasdos familias los mismos.

-La velocidad de conmutación de la familia CMOS 4000A varía con elvoltaje de la fuente.

-Todas las entradas CMOS deben estar conectadas a algún nivel devoltaje, preferiblemente tierra o VDD. Entradas no usadas no puedendejarse flotado (desconectadas), porque estas entradas seríansusceptibles al ruido. Estas entradas no usadas pueden también serconectadas a una de las entradas usadas, siempre y cuando no seexceda el fan-out de la fuente de señal. Esto es altamente improbable

debido al alto fan-out del CMOS.

Diferencias mas importantes:

Los voltajes de alimentación son de 5V para los circuitos TTL yde 3 V a 15 V para los circuitos CMOS.

En la fabricación de los circuitos integrados se usan transistoresbipolares par el TTL y transistores MOSFET para La tecnología CMOS.

El circuito integrado CMOS es de menor consumo de energíapero de menor velocidad que los TTL.



FUNCIONES Y TABLAS DE VERDAD

Una función de un Álgebra de Boole es una variable binaria cuyo valores igual al de una expresión algebraica en la que se relacionan entresí las variables binarias por medio de las operaciones básicas,producto lógico, suma lógica e inversión.

Se representa una función lógica por la expresión f = f (a, b, c,...)El valor lógico de f, depende del de las variables a, b, c,...Se llama termino canónico de una función lógica a todo producto osuma en la cual aparecen todas las variables en su forma directa oinversa. Al primero de ellos se le llama producto canónico y al segundosuma canónica. Por ejemplo sea una función de tres variables f (a, b,c). El término abc es un producto canónico mientras que el término a +b + c es una suma canónica.

El número máximo de productos canónicos o sumas canónicas vienedado por las variaciones con repetición de dos elementos tomados den en n. El número de productos o sumas canónicas de n variables es

por lo tanto 2n.Para mayor facilidad de representación, cada termino canónico seexpresa mediante un número decimal equivalente al binario obtenidoal sustituir las variables ordenadas con un criterio determinado por un1 o un 0 según aparezcan en su forma directa o complementadarespectivamente.

Los circuitos digitales operan en el sistema numérico binario, que

implica que todas las variables de circuito deben ser 1 o 0. El álgebrautilizada para resolver problemas y procesar la información en lossistemas digitales se denomina álgebra de Boole, basada sobre lalógica más que sobre el cálculo de valores numéricos reales. Elálgebra booleana considera que las proposiciones lógicas sonverdaderas o falsas, según el tipo de operación que describen y si lasvariables son verdaderas o falsas. Verdadero corresponde al valor



digital 1, mientras que falso corresponde a 0. Las tablas de verdad,llamadas tablas booleanas, presentan todas las posiblescombinaciones de entrada frente a las salidas resultantes.

Los teoremas del álgebra de Boole son demostrables a diferencia delos del álgebra convencional, por el método de inducción completa.Para poder realizar esto se emplean las llamadas tablas de verdadque no son otra cosa que representaciones gráficas de todos loscasos que pueden darse en una relación y de sus respectivosresultados.

La tabla de verdad de una función lógica es una forma derepresentación de la misma en la que se indica el valor 1 o 0 que tomala función para cada una de las combinaciones posibles de las

variables de las cuales depende. En la siguiente tabla se representa latabla de verdad de una función de tres variables. La deducción de laforma canónica de la función por medio de la tabla de verdad resultasencilla.

Si, para una determinada combinación de las entradas, la fusión tomael valor lógico 1, el producto canónico de todos los posibles 2n, quevale 1 para dicha combinación, ha de formar parte de la función. Ladeducción del producto canónico correspondiente es inmediataasignando al estado 0 la variable inversa y al estado 1 la variable

directa.

c b a f

0 0 0 0

0 0 1 1

0 1 0 0

0 1 1 1

1 0 0 1

1 0 1 0

1 1 0 1

1 1 1 1

http://www.monografias.com/trabajos6/fuso/fuso.shtml






No existe actualmente un criterio unico de minimización de laexpresión de una función lógica y además se prevé una gran evoluciónde este concepto debido a la cada día mayor disponibilidad desistemas funcionales complejos en circuitos integrados que permiterealizar cualquier función lógica.

CIRCUITOS BÁSICOS

Los siguientes son pequeños circuitos digitales integrados cuyofuncionamiento se adapta a las operaciones y postulados del álgebrade Boole . Los operadores o puertas lógicas mas importantesaparecen en la siguiente tabla , junto a su nombre , símbolo mas

extendido y ecuación.

Simbolo Función EcuaciónLógica

Tiposcomerciales

Sumadora O

(Or)

S = a+b Se fabrican endos entradas

Multiplicadora Y(AND)

S = a.b Se fabrican endos, tres o

cuatroentradas

Inversora No

(NOT)

S = ā Se fabrican enuna entrada

SumadoraNegadora No O(NOR)

S = a+b Se fabrican endos, tres,cuatro o cinco

entradasMultiplicadoraNegadora NoY(NAND)

S = ab Se fabrican endos, tres ocuatro, ocho,doce o treceentradas



Ahora pasaremos a especificar cada uno de los circuitos básicos quehemos resumido anteriormente en la tabla.

CIRCUITO OR

Es un dispositivo digital que entrega una salida baja cuando todas susentradas son bajas, y una salida alta cuando existe por lo menos unalto en cualquiera de sus entradas o en las dos al mismo tiempo.El signo (+) denota la función propia de una compuerta OR y no sepuede omitir, tampoco debe confundirse con el signo más de la sumaaritmética, a esta operación se le denomina también suma lógica.

Es un circuito que tiene dos o más entradas y su salida es igual a lasuma OR de las entradas. La figura siguiente muestra el símbolocorrespondiente a una compuerta OR de dos entradas. Las entradas Ay B son niveles de voltaje lógico y la salida S es un nivel de voltajelógico cuyo valor es el resultado de la operación OR de A y B; esto esS = A+B, que debe leerse como "S es igual a o B"o "A o B es igual aS" y no como "S es igual a A más B" En otras palabras, la compuertaOR opera en tal forma que su salida es alta (nivel lógico 1)si la entradaA, B o ambas están en el nivel lógico 1.La salida de la compuerta ORserá baja (nivel lógico 0)si todas sus entradas están en el nivel lógico

0.

Esta misma idea puede ampliarse a más de dos entradas Por ejemplosi tuviéramos tres entradas la tabla lógica que se muestra acontinuación nos demuestra una vez más que la salida 1 se dará en elcaso de que una o más entradas sean 1.Este es el principio general esel mismo que rige para compuertas OR con cualquier número deentradas .

Mediante el uso del lenguaje del álgebra booleana , la salida x puedeexpresarse como X = A + B + C, donde una vez debe hacerse hincapiéen que el signo + representa la operación OR. Por consiguiente lasalida de cualquier compuerta OR se puede expresar como la sumaOR de todas sus entradas.

http://www.monografias.com/trabajos11/tebas/tebas.shtml





CIRCUITO AND

Una compuerta AND de dos entradas es un dispositivo lógico queentrega una salida alta cuando todas sus entradas son altas y unasalida baja cuando hay un alto en cualquiera de sus entradas .

El signo (.) denota la función propia de una compuerta AND y sepuede omitir, de modo que da lo mismo si se coloca o no. A la funciónAND se le llama también producto lógico.

Es un circuito con dos o mas entradas, la salida de estas es igual alproducto AND de las entradas lógicas es decir S = A.B Es un circuitoque opera en tal forma que su salida es alta solamente cuando todassus entradas son altas . En todos los otros casos la salida de lacompuerta AND es baja es decir 0,. Al igual que en el caso del circuitoOR también se cumple que esta operación también se cumpla paramás de dos entradas . En la figura que se muestra a continuación seencuentra una tabla con tres entradas. Cabe resaltar que la salida de

la compuerta es 1 solamente en el caso que A = B = C = 1. Laexpresión para la salida sería la siguiente X =ABC.

Se debe tener cuidado a la hora de observar los símbolos para operardado que como son un poco parecidos podría haber una equivocacióny obviamente esto sería realmente fatal si lo que se busca es reducir oresolver el circuito.

A B C X=A+B+C

0 0 0 0

0 0 1 1

0 1 0 1

0 1 1 1

1 0 0 1

1 0 1 1

1 1 0 1

1 1 1 1



CIRCUITO NOT

Esta operación se puede efectuar con una sola variable de entrada. Enel caso de que la variable fuera B si la sometemos a la operación NOTel resultado sería X = Ā.Existen varias formas de expresar estaoperación una de ellas es: X es igual a la inversa de A o X es igual ano A. Lo que indica la negación vendría a ser el simbolito que seencuentra encima de la variable de entrada.

A este circuito también se le conoce con el nombre de inversor ocomplementador puesto que también pudimos haber dicho Ā es el

complemento de A.

En este circuito solo observamos dos casos cuando 1 se ha negado ocomplementado se convierte en 0 y cuando 0 se ha negado ocomplementado se convierte en 1. A continuación se muestra estosimbólicamente . Si lo quisiéramos representar en una tablade verdad sería de la forma siguiente:

A B C X=ABC

0 0 0 0

0 0 1 0

0 1 0 0

0 1 1 0

1 0 0 0

1 0 1 0

1 1 0 0

1 1 1 1

A X= Ā

0 1

1 0



CIRCUITOS NAND Y NOR

Una vez que se ha obtenida la expresión mínima de una función esnecesario realizarla en la practica mediante elementos físicos. Eldiseño de puertas lógicas con transistores en un principio y la posterioraparición de los circuitos ha hecho que las puertas NAND y NOR seanlas mas utilizadas en la realización de las funciones lógicas Se hademostrado que las funciones NAND y NOR pueden realizarcualquiera de las tres funciones elementales suma, producto einversión.

Par realiza con puertas NAND ( NOR) la expresión mínima de lafunción obtenida por el método tabular o el método numérico, seaplicaran las siguientes reglas cuya validez se deduce de los

postulados y teoremas existentes.a. Se aplican a la expresión global de la función dos inversores con

lo cual la misma queda invariable.b. Si la operación más externa es una suma (producto)lógica, se

opera una de las inversiones aplicando el Teorema de Morgan ysi es producto (suma) no se operan ninguna de las dos.

c. Si en el interior de la expresión existen sumas (producto) lógicas,se aplican a cada una de ellas dos inversiones y se opera una deellas par convertirla en el inverso del producto (suma).

d. Se continúa realizando esta operación hasta que todas lassumas (producto)hayan llegado convertidas en inversos deproductos (sumas).

Las reglas par realizar cualquier expresión con puertas NAND no soniguales a las de la puerta NOR sustituyendo la palabra suma porproducto, lo cual se ha indicado incluyendo la palabra suma entreparéntesis en las reglas que acabamos de indicar.

Componentes Digitales

Muchas veces, en la etapa de diseño de un circuito digital, se requiereutilizar una compuerta. Utilizar un circuito integrado y sólo disponer deuna compuerta de éste es muy ineficaz. Para evitar este problemarealizaremos algunos dispositivos digitales con componentes discretosy/o con otros dispositivos, con el fin de optimizar algunos circuitos.

http://www.monografias.com/trabajos12/cntbtres/cntbtres.shtml






La primera compuerta lógica que fabricaremos con componentesdiscretos será la NOT. Algunos esquemas posibles son los siguientes:

NOT:

El primer circuito es el más simple y el más usado. El transistor es ,mientras que R2 adopta un valor de cualquier transistor pequeño. R1

es de 10k . VCC es la tensión de alimentación del circuito. Estacompuerta es útil en 1k sistemas tanto TTL como CMOS.

El segundo circuito, que es del tipo CMOS, es un poco máscomplicado, pero su respuesta es casi igual al de una compuerta deltipo CD4XXX. Con lo cual debe ser utilizado en circuitos con grandesexigencias a nivel de lógica.



AND:

La compuerta AND se realiza de la siguiente manera:

Nuevamente, el primer circuito es el más utilizado y el más versátil.

Los . Sin embargo, el diodos son cualquier diodo pequeño y laresistencia es de 10k segundo ofrece características mucho mássimilares a las de un circuito integrado. Para agregar más entradas ala compuerta, basta sólo colocar tantos diodos en paralelo con D1 yD2 como entradas adicionales se requiera. Aquí se observa una nuevaventaja de la "fabricación" de compuertas: es perfectamente factiblerealizar una AND ó una OR con 30 ó 40 entradas, algo muy difícil deconseguir en un circuito integrado convencional.

OR: De forma similar a las AND las compuertas OR se crean de lasiguiente manera:



De nuevo aparece el compromiso entre la versatilidad y facilidad o lasimilitud de respuesta entre ambos diseños.

Las compuertas NAND, NOR, X-OR, X-NOR surgen de la combinaciónde los tres diseños anteriores.

Si bien, como se explicó arriba, realizar una compuerta concomponentes discretos es útil en algunas circunstancias, en otras esnecesario crear un componente digital a partir de otros. Por ejemplo: sise dispone de un circuito integrado con 4 compuertas NAND, del quese utilizan 3 y se requiere una compuerta "NOT", no hace falta colocarotro CI con una compuerta NOT es posible utilizar la compuerta NAND

como una NOT.Se pueden fabricar unos componentes con otros, por ejemplo:

• COMPUERTA NOT CON NAND:

• COMPUERTA NOT CON NOR:



• COMPUERTA AND CON NOR:

• COMPUERTA NAND CON NOR:

• COMPUERTA OR CON NAND:

• COMPUERTA NOR CON NAND:



4.7 APLICACIONES

Tarjeta UART para PC – elevada integración en los diseños con CompactFlash: VPU16550

El VPU16550 es la solución de Elan para promotores que deseen crear tarjetasPC o Compact Flash que posean una conexión de datos en serie.

El VPU, que representa Tarjeta UART Versátil para PC, implementa toda ladecodificación y lógica de protocolos requeridos por la interfaz con el “host”,integrados con una UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter,

Transceptor Asíncrono Universal) 16550 estándar en la Industria . Esto permite laconexión directa con cualquier dispositivo asíncrono hasta 1 Mb/s.

El chip VPU , acoplado con una Estructura de Información de Tarjetas adecuada,hará uso de los controladores por defecto a partir de todos los SistemasOperativos Windows; esto es: Windows95, 98, 98SE, ME, 2000, XP, CE,PocketPC y MacOS. El VPU funcionará asimismo con controladores de DOS,procedentes de compañías como SystemSoft y Award.

El VPU implementa también algunas funcionalidades novedosas, más allá delfuncionamiento normal del UART, para permitir que se añadan prestacionespropietarias al diseño de la tarjeta, pero sin necesidad de escribir controladores delos dispositivos en el núcleo.



Para apoyar a los distribuidores en el uso y producción de su tarjeta, existe unconjunto de diseño de referencia que incluye: chips, herramientas de software,esquemas y datos de muestra sobre CIS.

El VPU16551 se adecua, de modo ideal, a la creación de las tarjetas PC que

precisen de una funcionalidad "COM" de tipo puerto estándar. Por ejemplo:1. Radio Bluetooth.2. Tarjetas para interfaz RS232, 422 y 485.3. Interfaz para escáner.4. Transmisores / etiquetas Smart.5. Módulos RF con E/S en serie.6. Módulos de radio GSM y GPRS.7. Módulos de radio CDMA.8. Módulos GPS.

4.2 Características técnicas

16C550 compatible UART con FIFO TX y RX de 16 bytes, para mayorvelocidad y fiabilidad de las comunicaciones.Soporta las tasas binarias estándar en la Industria y el modo mejorado x8,para llegar hasta 1 Mb/s (y más allá)

Paquete VQFP ultra-delgado y de 100 bolitas, 16mm x 16mm x 1,1 mm típ.

Soporta interfaces PCMCIA y Compact Flash.

Muy fácil de usar. No se precisan conocimientos especiales.

Utiliza EEPROM en paralelo re-programable en circuito (como AT28C16). ElVPU proporciona señales de control a la EEPROM para permitir que elsoftware activado “desbloquee” la secuencia antes de la escritura (con el finde protegerla contra una corrupción accidental por parte del “host”).

Puerto E/S digital de amplio uso general de 8 bits (precisa controlador Elan)

Acceso mediante "puerto paralelo" a los búferes de TX y RX (en el lado de latarjeta) para aquellos diseños que no pueden usar el modo serie.Soporte del modo FIFO externo hiperacelerado...completamenteindependiente del puerto serie, le permite escoger la profundidad de FIFO yobtener caudales continuos utilizables de más de 5 MBits/seg. en el “host”

PDA (como iPaq). Esta característica requiere el controlador Elan.Resistencias de “pull-up” y “pull-down” incorporadas (rev Ch hacia adelante)

Controlador del LED de actividad del registro UART.

Se proporciona una señal para auto-triestado RS485, llamada "TXRDY".

Soporte de oscilador a cristal o unidad de reloj TTL externo.

Soporte multifunción...hasta 8 VPU en una tarjeta, o compartición con otras



funciones lógicas.Soporte por los controladores estándar de DOS, Windows 95, 98, 98SE, Me,2000, XP, CE/ Pocket PC y MacOS.También está disponible el controlador mejorado para PocketPC, para darsoporte a las prestaciones extendidas del VPU (llegará pronto otros soportes

sobre SO).Bajo consumo de energía: típicamente, 5 mA a 5 V o 3,3 V. Soporte del modode adormecimiento con consumo reducido, a través e la detención delosciladorSeñal de desconexión controlada por software disponible a nivel de conector,para usarse en su circuito.

Los circuitos integrados son unidades funcionales completas. Esto no quiere decirque por si mismos son capaces de cumplir la función para los que estén diseñados.Para ello serán necesarios unos componentes pasivos y activos para completar

dicha funcionalidad. Si los circuitos integrados no existieran las placas de circuitoimpreso para los aparatos serían muy grandes y además estarían llenos decomponentes. Este tipo de dispositivos, por su diseño, son capaces de albergar ensu interior y de forma casi microscópica gran cantidad de componentes, sobretodo, semiconductores.No todos los componentes electrónicos se pueden integrar con la misma facilidad:

Como antes se indicó los semiconductores, básicamente, los transistores ydiodos, presentan menos problemas y menor costo en la integración.

Igualmente tanto resistencias como condensadores se pueden integrar peroaumenta el coste.

Por último las bobinas no se integran por la dificultad física que entrañan, así

mismo ocurre con relés, cristales de cuarzo, displays, transformadores ycomponentes tanto pasivos como activos que disipan una potencia considerablerespecto de la que podrían soportar una vez integrados.

El proceso de fabricación de un circuito integrado es como se observa en la figurade un modo esquemático:



a) Diseño del circuito que se quiere integrar.

b) Máscara integrada con los semiconductores necesarios según el diseño del

circuito.

c) Oblea de silicio donde se fabrican en serie los chips.

d) Corte del microchip.

e) Ensamblado del microchip en su encapsulado y a los pinescorrespondientes.

f) Terminación del encapsulado.

ESCALAS DE INTEGRACION

Las escalas de integración hacen referencia a la complejidad de los circuitosintegrados, dichas escalas están normalizadas por los fabricantes.

Escala de integración Nºcomponentes Aplicaciones típicas

SSI: pequeña escala deintegración <100 Puertas lógica y biestables

MSI: media escala deintegración +100 y -1000 Codificadores, sumadores,

registros...

LSI: gran escala de integración +1000 y -100000

Circuitos aritméticos complejos,memorias...

VLSI: Muy alta escala deintegración

+100000 y -106

Microprocesadores, memorias,microcontroladores...

ULSI: Ultra alta escala deintegración + 106 Procesadores digitales ymicroprocesadores avanzados



ENCAPSULADOS

ENCAPSULADO DIP o DIL.- Este es el encapsulado más empleado enmontaje por taladro pasante en placa. Este puede ser cerámico (marrón) o deplástico (negro). Un dato importante en todos los componentes es la distanciaentre patillas que poseen, en los circuitos integrados es de vital importancia estedato, así en este tipo el estándar se establece en 0,1 pulgadas (2,54mm).Se suelen fabricar a partir de 4, 6, 8, 14, 16, 22, 24, 28, 32, 40, 48, 64 patillas,estos son los que más se utilizan.Otra norma que también suele cumplirse se refiere a la identificación de lanumeración de las patillas o pines: la patilla número uno se encuentra en unextremo señalada por un punto o una muesca en el encapsulado y se continua lanumeración en sentido antihorario (sentido contrario a las agujas del reloj),mirando al integrada desde arriba. Por regla general, en todos los encapsuladosaparece la denominación del integrado, así como, los códigos particulares de cadafabricante.

ENCAPSULADO FLAT-PACK.- se diseñan para ser soldados en máquinasautomáticas o semiautomáticas, ya que por la disposición de sus patillas sepueden soldar por puntos. El material con el que se fabrican es cerámico. Lanumeración de sus patillas es exactamente igual al anterior. Sus terminales tienenforma de ala de gaviota. La distancia entre patillas es de 1,27mm, la mitad que enlos DIP.

Encapsulado DIP o DIL(Dual In Line) Encapsulado flat-pack

Encapsulado SOIC (SmallOutline Integrated Circuit)

Encapsulado PLCC(Plastic Lead Chip Carrier)

Encapsulado LCCC( Leaded Ceramic Chip

Carrier)

Encapsulado SIP



ENCAPSULADO SOIC.- Circuito integrado de pequeño contorno. Son los máspopulares en los circuitos de lógica combinacional, tanto en TTL como en CMOS.También la terminación de las patillas es en forma de ala de gaviota. Se sueldandirectamente sobre las pistas de la placa de circuito impreso, en un áreadenominada footprint. La distancia entre patillas es de 1,27mm (0,05"). La

numeración de los pines es exactamente igual a los casos anteriores.

ENCAPSULADO PLCC.- Se emplea en técnicas de montaje superficial pero,generalmente, montados en zócalos, esto es debido a que por la forma en J quetienen sus terminales la soldadura es difícil de verificar con garantías. Esto permitesu uso en técnicas de montaje convencional. Se fabrican en material plástico. Eneste caso la numeración de sus patillas varía respecto de los anteriores. El puntode inicio se encuentra en uno de los lados del encapsulado, que coincide con ellado de la cápsula que acaba en chaflán, y siguiendo en sentido antihorario. Ladistancia entre terminales es de 1,27mm.

ENCAPSULADO LCC.- Al igual que el anterior se monta en zócalo y puedeutilizarse tanto en montaje superficial como en montaje de taladro pasante. Sefabrica en material cerámico y la distancia entre terminales es cerámico.

Los encapsulados que aparecen en este tema son los más importantes y los másutilizados. Como es lógico esta es una pequeña selección de la infinidad de tiposde cápsulas que existen. Si pulsas en el siguiente botón verás una clasificación decircuitos integrados bajo dos criterios que se refieren a la forma física y disposiciónde patillaje, así como, al montaje en placa de circuito impreso (Montajeconvencional y SMD).

Montaje convencional Montaje Superficial



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UNIDAD V.- PRINCIPIOS DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA

5.1.- El SCR

5.2.- El TRIAC

5.3.- APLICACIONES DEL SCR Y DEL TRIAC

5.3.1.- Protección contra elevación de voltaje

5.3.2.- Controles simples de velocidad

5.3.3.- Control de iluminación

5.4.- EL UJT

5.4.1.- Aplicaciones

5.5.- CONTROL DE POTENCIA CON TIRISTORES

5.6.- DISPOSITIVOS OPTOELECTRONICOS Y SUS APLICACIONES

5.6.1.- Led

5.6.2.- Fotodiodo

5.6.3.- Optoacopladores

5.6.4.- Fototransistor



5.1 TIRISTORES (SCR)

Dentro de la familia de dispositivos pnpn, el rectificador controlado de silicio(SCR) es, sin duda, el de mayor interés hoy en día, y fue presentado por primeravez en 1956 por los Bell Telephone Laboratories. Algunas de las áreas más

comunes de aplicación de los SCR incluyen controles de relevador, circuitos deretardo de tiempo, fuentes de alimentación reguladas, interruptores estáticos,controles de motores, recortadores, inversores, cicloconversores, cargadores debaterías, circuitos de protección, controles de calefacción y controles de fase.

En años recientes han sido diseñados SCR para controlar potencias tanaltas de hasta 10 MW y con valores individuales tan altos como de 2000 A a 1800V. Su rango de frecuencia de aplicación también ha sido extendido a cerca de 50kHz, lo que ha permitido algunas aplicaciones de alta frecuencia.

Operación Básica del Rectificador Controlado de Silicio

Como su nombre lo indica, el SCR es un rectificador construido con materialde silicio con una tercera terminal para efecto de control. Se escogió el siliciodebido a sus capacidades de alta temperatura y potencia. La operación básica delSCR es diferente de la del diodo semiconductor de dos capas fundamental, en queuna tercera terminal, llamada compuerta, determina cuándo el rectificadorconmuta del estado de circuito abierto al de circuito cerrado. No es suficiente sólola polarización directa del ánodo al cátodo del dispositivo. En la región deconducción la resistencia dinámica el SCR es típicamente de 0.01 a 0.1 . Laresistencia inversa es típicamente de 100 k o más.

El símbolo gráfico para el SCR se muestra en la figura 4.27, y lasconexiones correspondientes a la estructura de semiconductor de cuatro capas enla figura 4.26.

Figura 4.26. Construcción básica del SCR.



Figura 4.27. Símbolo del SCR.

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Características y Valores Nominales del SCR

En la figura 4.28 se proporcionan las características de un SCR paradiversos valores de corriente de compuerta. Las corrientes y voltajes más usados

se indican en las características.

Figura 4.28. Características del SCR.

1. Voltaje de ruptura directo V(BR) F* es el voltaje por arriba del cual el SCR entraa la región de conducción. El asterisco (*) es una letra que se agregará

dependiendo de la condición de la terminal de compuesta de la manera siguiente:

O = circuito abierto de G a KS = circuito cerrado de G a K



R = resistencia de G a KV = Polarización fija (voltaje) de G a K

2. Corriente de sostenimiento (IH) es el valor de corriente por abajo del cual elSCR cambia del estado de conducción a la región de bloqueo directo bajo las

condiciones establecidas.3. Regiones de bloqueo directo e inverso son las regiones que corresponden a lacondición de circuito abierto para el rectificador controlado que bloquean el flujo decarga (corriente) del ánodo al cátodo.

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4. Voltaje de ruptura inverso es equivalente al voltaje Zener o a la región deavalancha del diodo semiconductor de dos capas fundamental.

Aplicaciones del SCR

Tiene variedad de aplicaciones entre ellas están las siguientes:

Controles de relevador. Circuitos de retardo de tiempo. Fuentes de alimentación reguladas. Interruptores estáticos.

Controles de motores. Recortadores. Inversores. Cargadores de baterías. Circuitos de protección. Controles de calefacción. Controles de fase.

En la figura 4.29a se muestra un interruptor estático es serie de medida demedia onda. Si el interruptor está cerrado, como se presenta en la figura 4.29b, lacorriente de compuerta fluirá durante la parte positiva de la señal de entrada,

encendiendo al SCR. La resistencia R1 limita la magnitud de la corriente decompuerta.

Cuando el SCR se enciende, el voltaje ánodo a cátodo (VF) caerá al valor deconducción, dando como resultado una corriente de compuerta muy reducida ymuy poca pérdida en el circuito de compuerta. Para la región negativa de la señalde entrada el SCR se apagará, debido a que el ánodo es negativo respecto al



cátodo. Se incluye al diodo D1 para prevenir una inversión en la corriente decompuerta.

Las formas de onda para la corriente y voltaje de carga resultantes semuestran en la figura 4.29b. El resultado es una señal rectificada de media onda a

través de la carga. Si se desea conducción a menos de 180º, el interruptor sepuede cerrar en cualquier desplazamiento de fase durante la parte positiva de laseñal de entrada. El interruptor puede ser electrónico, electromagnético,dependiendo de la aplicación.

a) b)

Figura 4.29. Interruptor estático en serie de media onda.

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En la figura 4.30a se muestra un circuito capaz de establecer un ángulo de conducción entre 90º y 180º. El circuito es similaral de la figura 4.29a, con excepción de la resistencia variable y la eliminación del interruptor. La combinación de las resistencias R y R1limitará la corriente de compuerta durante la parte positiva de la señal de entrada. Si R1 está en su valor máximo, la corriente decompuerta nunca llegará a alcanzar la magnitud de ence4ndido. Conforme R1 disminuye desde el máximo, la corriente de compuerta seincrementará a partir del mismo voltaje de entrada.

De esta forma se puede establecer la corriente de compuerta requerida

para el encendido en cualquier punto entre 0º y 90º, como se muestra en la figura4.30b. Si R1es bajo, el SCR se disparará de inmediato y resultará la misma acciónque la obtenida del circuito de la figura 4.30b, el control no puede extenderse másallá de un desplazamiento de fase de 90º, debido a que la entrada está a su valormáximo en este punto. Si falla para disparar a éste y a menores valores del voltajede entrada en la pendiente positiva de la entrada, se debe esperar la mismarespuesta para la parte de pendiente negativa de la forma de onda de la señal. Aesta operación se le menciona normalmente en términos técnicos como control defase de media onda por resistencia variable. Es un método efectivo para controlarla corriente rms y, por tanto, la potencia se dirige hacia la carga.



a) b)

Figura 4.30. Control de fase de resistencia variable de media onda.

5.2 TRIAC

El triac es un dispositivo semiconductor de tres terminales que se usa para controlar el flujo decorriente promedio a una carga, con la particularidad de que conduce en ambos sentidos y puedeser bloqueado por inversión de la tensión o al disminuir la corriente por debajo del valor demantenimiento. El triac puede ser disparado independientemente de la polarización de puerta, esdecir, mediante una corriente de puerta positiva o negativa.

Descripción general

Cuando el triac conduce, hay una trayectoria de flujo de corriente de muy baja resistencia de unaterminal a la otra, dependiendo la dirección de flujo de la polaridad del voltaje externo aplicado.Cuando el voltaje es mas positivo en MT2, la corriente fluye de MT2 a MT1 en caso contrario fluyede MT1 a MT2. En ambos casos el triac se comporta como un interruptor cerrado. Cuando el triacdeja de conducir no puede fluir corriente entre las terminales principales sin importar la polaridaddel voltaje externo aplicado por tanto actúa como un interruptor abierto.

Debe tenerse en cuenta que si se aplica una variación de tensión importante al triac (dv/dt) aún sinconducción previa, el triac puede entrar en conducción directa.

Construcción básica, símbolo, diagrama equivalente

FIG. 1 FIG. 2



http://www.monografias.com/trabajos14/nuevmicro/nuevmicro.shtml


http://www.monografias.com/trabajos15/mantenimiento-industrial/mantenimiento-industrial.shtml


http://www.monografias.com/trabajos10/restat/restat.shtml



http://www.monografias.com/trabajos15/direccion/direccion.shtml


http://www.monografias.com/trabajos14/flujograma/flujograma.shtml










La estructura contiene seis capas como se indica en la FIG. 1, aunque funciona siempre como untiristor de cuatro capas. En sentido MT2-MT1 conduce a través de P1N1P2N2 y en sentido MT1-MT2 a través de P2N1P1N4. La capa N3 facilita el disparo con intensidad de puerta negativa. Lacomplicación de su estructura lo hace mas delicado que un tiristor en cuanto a di/dt y dv/dt ycapacidad para soportar sobre intensidades. Se fabrican para intensidades de algunos amperioshasta unos 200 A eficaces y desde 400 a 1000 V de tensión de pico repetitivo. Los triac sonfabricados para funcionar a frecuencias bajas, los fabricados para trabajar a frecuencias mediasson denominados alternistores En la FIG. 2 se muestra el símbolo esquemático e identificación delas terminales de un triac, la nomenclatura Ánodo 2 (A2) y Ánodo 1 (A1) pueden ser reemplazadospor Terminal Principal 2 (MT2) y Terminal Principal 1 (MT1) respectivamente.

El Triac actúa como dos rectificadores controlados de silicio (SCR) en paralelo Fig. 3, estedispositivo es equivalente a dos latchs.

FIG. 3

Característica tensión – corriente

FIG. 4

La FIG. 4 describe la característica tensión – corriente del Triac. Muestra la corriente a través delTriac como una función de la tensión entre los ánodos MT2 y MT1.

El punto VBD ( tensión de ruptura) es el punto por el cual el dispositivo pasa de una resistencia altaa una resistencia baja y la corriente, a través del Triac, crece con un pequeño cambio en la tensiónentre los ánodos.

http://www.monografias.com/trabajos15/todorov/todorov.shtml#INTRO








http://www.monografias.com/trabajos6/noqui/noqui.shtml



http://www.monografias.com/trabajos10/carso/carso.shtml






http://www.monografias.com/trabajos7/mafu/mafu.shtml






http://www.monografias.com/trabajos2/mercambiario/mercambiario.shtml














El Triac permanece en estado ON hasta que la corriente disminuye por debajo de la corriente demantenimiento IH. Esto se realiza por medio de la disminución de la tensión de la fuente. Una vezque el Triac entra en conducción, la compuerta no controla mas la conducción, por esta razón seacostumbra dar un pulso de corriente corto y de esta manera se impide la disipación de energíasobrante en la compuerta.

El mismo proceso ocurre con respecto al tercer cuadrante, cuando la tensión en el ánodo MT2 esnegativa con respecto al ánodo MT1 y obtenemos la característica invertida. Por esto es uncomponente simétrico en cuanto a conducción y estado de bloqueo se refiere, pues lacaracterística en el cuadrante I de la curva es igual a la del cuadrante III.

Métodos de disparo

Como hemos dicho, el Triac posee dos ánodos denominados ( MT1 y MT2) y una compuerta G.

La polaridad de la compuerta G y la polaridad del ánodo 2, se miden con respecto al ánodo 1.

El triac puede ser disparado en cualquiera de los dos cuadrantes I y III mediante la aplicación entrelos terminales de compuerta G y MT1 de un impulso positivo o negativo. Esto le da una facilidad deempleo grande y simplifica mucho el circuito de disparo. Veamos cuáles son los fenómenosinternos que tienen lugar en los cuatro modos posibles de disparo.

1 – El primer modo del primer cuadrante designado por I (+), es aquel en que la tensión del ánodoMT2 y la tensión de la compuerta son positivas con respecto al ánodo MT1 y este es el modo mascomún (Intensidad de compuerta entrante).

La corriente de compuerta circula internamente hasta MT1, en parte por la union P2N2 y en parte através de la zona P2. Se produce la natural inyección de electrones de N2 a P2, que es favorecidaen el área próxima a la compuerta por la caída de tensión que produce en P2 la circulación lateralde corriente de compuerta. Esta caída de tensión se simboliza en la figura por signos + y - .

Parte de los electrones inyectados alcanzan por difusión la unión P2N1 que bloquea el potencialexterior y son acelerados por ella iniciándose la conducción.

2 – El Segundo modo, del tercer cuadrante, y designado por III(-) es aquel en que la tensión delánodo MT2 y la tensión de la compuerta son negativos con respecto al ánodo MT1 (Intensidad decompuerta saliente).

Se dispara por el procedimiento de puerta remota, conduciendo las capas P2N1P1N4.

La capa N3 inyecta electrones en P2 que hacen más conductora la unión P2N1. La tensión positivade T1 polariza el área próxima de la unión P2N1 más positivamente que la próxima a la puerta.Esta polarización inyecta huecos de P2 a N1 que alcanzan en parte la unión N1P1 y la hacenpasar a conducción.

3 – El tercer modo del cuarto cuadrante, y designado por I(-) es aquel en que la tensión del ánodoMT2 es positiva con respecto al ánodo MT1 y la tensión de disparo de la compuerta es negativacon respecto al ánodo MT1( Intensidad de compuerta saliente).

El disparo es similar al de los tiristores de puerta de unión. Inicialmente conduce la estructuraauxiliar P1N1P2N3 y luego la principal P1N1P2N2.

http://www.monografias.com/trabajos12/elorigest/elorigest.shtml





http://www.monografias.com/trabajos14/administ-procesos/administ-procesos.shtml#PROCE







http://www.monografias.com/trabajos/fintrabajo/fintrabajo.shtml


http://www.monografias.com/trabajos13/mapro/mapro.shtml












El disparo de la primera se produce como en un tiristor normal actuando T1 de puerta y P decátodo. Toda la estructura auxiliar se pone a la tensión positiva de T2 y polariza fuertemente launión P2N2 que inyecta electrones hacia el área de potencial positivo. La unión P2N1 de laestructura principal, que soporta la tensión exterior, es invadida por electrones en la vecindad de laestructura auxiliar, entrando en conducción.

4 –

El cuarto modo del Segundo cuadrante y designado por III(+) es aquel en que la tensión delánodo T2 es negativa con respecto al ánodo MT1, y la tensión de disparo de la compuerta espositiva con respecto al ánodo MT1(Intensidad de compuerta entrante).

El disparo tiene lugar por el procedimiento llamado de puerta remota. Entra en conducción laestructura P2N1P1N4.

La inyección de N2 a P2 es igual a la descrita en el modo I(+). Los que alcanzan por difusión launión P2N1 son absorbidos por su potencial de unión, haciéndose más conductora. El potencialpositivo de puerta polariza más positivamente el área de unión P2N1 próxima a ella que la próximaa T1, provocándose una inyección de huecos desde P2 a N1 que alcanza en parte la unión N1P1encargada de bloquear la tensión exterior y se produce la entrada en conducción.

El estado I(+), seguido de III(-) es aquel en que la corriente de compuerta necesaria para el disparoes mínima. En el resto de los estados es necesaria una corriente de disparo mayor. El modo III(+)es el de disparo más difícil y debe evitarse su empleo en lo posible.

En general, la corriente de encendido de la compuerta, dada por el fabricante, asegura el disparoen todos los estados.

Formas de onda de los triacs










La relación en el circuito entre la fuente de voltaje, el triac y la carga se representa en la FIG.7. Lacorriente promedio entregada a la carga puede variarse alterando la cantidad de tiempo por cicloque el triac permanece en el estado encendido. Si permanece una parte pequeña del tiempo en elestado encendido, el flujo de corriente promedio a través de muchos ciclos será pequeño, encambio si permanece durante una parte grande del ciclo de tiempo encendido, la corrientepromedio será alta.

Un triac no esta limitado a 180 de conducción por ciclo. Con un arreglo adecuado del disparador,

puede conducir durante el total de los 360 del ciclo. Por tanto proporciona control de corriente deonda completa, en lugar del control de media onda que se logra con un SCR.

Las formas de onda de los triacs son muy parecidas a las formas de onda de los SCR, a excepciónde que pueden dispararse durante el semiciclo negativo. En la FIG.8 se muestran las formas deonda tanto para el voltaje de carga como para el voltaje del triac ( a través de los terminalesprincipales) para dos condiciones diferentes.

En la FIG.8 (a), las formas de onda muestran apagado el triac durante los primeros 30 de cadasemiciclo, durante estos 30 el triac se comporta como un interruptor abierto, durante este tiempo elvoltaje completo de línea se cae a través de las terminales principales del triac, sin aplicar ningúnvoltaje a la carga. Por tanto no hay flujo de corriente a través del triac y la carga.

La parte del semiciclo durante la cual existe seta situación se llama ángulo de retardo de disparo.

Después de transcurrido los 30 , el triac dispara y se vuelve como un interruptor cerrado ycomienza a conducir corriente a la carga, esto lo realiza durante el resto del semiciclo. La parte delsemiciclo durante la cual el triac esta encendido se llama ángulo de conducción.

La FIG.8 (b) muestran las mismas formas de ondas pero con ángulo de retardo de disparo mayor.

http://www.monografias.com/trabajos6/meti/meti.shtml















http://www.monografias.com/trabajos14/control/control.shtml






http://www.monografias.com/trabajos5/elso/elso.shtml#ondas














FIG.8

Circuito practico para disparo

FIG.5

En la FIG. 5 se muestra un circuito práctico de disparo de un triac utilizando un UJT. El resistor R F es un resistor variable que se modifica a medida que las condiciones de carga cambian. El

transformador T1 es un transformador de aislamiento, y su propósito es aislar eléctricamente elcircuito secundario y el primario, para este caso aísla el circuito de potencia ca del circuito dedisparo.

La onda senoidal de ca del secundario de T1 es aplicada a un rectificador en puente y la salida deeste a una combinación de resistor y diodo zener que suministran una forma de onda de 24 vsincronizada con la línea de ca. Esta forma de onda es mostrada en la FIG. 6 (a).

http://www.monografias.com/trabajos14/trmnpot/trmnpot.shtml





Cuando la alimentación de 24 v se establece, C1 comienza a cargarse hasta la Vp del UJT, el cualse dispara y crea un pulso de corriente en el devanado primario del transformador T2. Este seacopla al devanado secundario, y el pulso del secundario es entregado a la compuerta del triac,encendiéndolo durante el resto del semiciclo. Las formas de onda del capacitor( Vc 1), corriente delsecundario de T2 ( Isec) y voltaje de carga (VLD), se muestran en la FIG. 6 (b), (c),(d).

La razón de carga de C1 es determinada por la razón de R F a R1, que forman un divisor de voltaje,entre ellos se dividen la fuente de cd de 24 v que alimenta al circuito de disparo. Si RF es pequeñoen relación a R1, entonces R1 recibirá una gran parte de la fuente de 24 v , esto origina que eltransistor pnp Q1 conduzca, con una circulación grande de corriente por el colector pues el voltajede R1 es aplicado al circuito de base, por lo tanto C1 se carga con rapidez. Bajo estas condicionesel UJT se dispara pronto y la corriente de carga promedio es alta.

Por otra parte se RF es grande en relación a R1, entonces el voltaje a través de R1 será menor queen el caso anterior, esto provoca la aparición de un voltaje menor a través del circuito base-emisorde Q1 con la cual disminuye su corriente de colector y por consiguiente la razón de carga de C 1 sereduce, por lo que le lleva mayor tiempo acumular el Vp del UJT. Por lo tanto el UJT y el triac sedisparan después en el semiciclo y la corriente de carga promedio es menor que antes.

FIG.6

5.5. Control de potencia con tiristores

El Triac es un dispositivo semiconductor que pertenece a la familia de los dispositivos de controlpor tiristores. El triac es en esencia la conexión de dos tiristores en paralelo pero conectados en

sentido opuesto y compartiendo la misma compuerta.

http://www.monografias.com/Salud/Nutricion/



http://www.monografias.com/trabajos/multimediaycd/multimediaycd.shtml



http://www.monografias.com/trabajos11/trans/trans.shtml







El triac sólo se utiliza en corriente alterna y al igual que el tiristor, se dispara por la compuerta.Como el triac funciona en corriente alterna, habrá una parte de la onda que será positiva y otranegativa.

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La parte positiva de la onda (semiciclo positivo) pasará por el triac siempre y cuando haya habidouna señal de disparo en la compuerta, de esta manera la corriente circulará de arriba hacia abajo(pasará por el tiristor que apunta hacia abajo), de igual manera:

La parte negativa de la onda (semiciclo negativo) pasará por el triac siempre y cuando haya habidouna señal de disparo en la compuerta, de esta manera la corriente circulará de abajo hacia arriba(pasará por el tiristor que apunta hacia arriba)

Para ambos semiciclos la señal de disparo se obtiene de la misma patilla (la puerta o compuerta).

Lo interesante es, que se puede controlar el momento de disparo de esta patilla y así, controlar eltiempo que cada tiristor estará en conducción. (recordar que un trisitor solo conduce cuando hasido disparada (activada) la compuerta y entre sus terminales hay un voltaje positivo de un valormínimo para cada tiristor)

Entonces, si se controla el tiempo que cada tiristor está en conducción, se puede controlar lacorriente que se entrega a una carga y por consiguiente la potencia que consume.

Ejemplo: Una aplicación muy común es el atenuador luminoso de lámparas incandescentes(circuito de control de fase).

Donde: - Ven: Voltaje aplicado al circuito (A.C.)- L: lámpara- P: potenciómetro- C: condensador (capacitor)- R: Resistencia- T: Triac

- A2: Anodo 2 del Triac- A3: Anodo 3 del Triac- G: Gate, puerta o compuerta del Triac

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El triac controla el paso de la corriente alterna a la lámpara (carga), pasando continuamente entrelos estados de conducción (cuando la corriente circula por el triac) y el de corte (cuando la corrienteno circula)



Si se varía el potenciómetro, se varía el tiempo de carga del condensador causando que seincremente o reduzca la diferencia de fase de la tensión de alimentación y la que se aplica a lacompuerta

Nota: la diferencia de fase o la fase entre dos señales u ondas se define como el ángulo (diferenciade tiempo) que existe entre los dos orígenes de las mismas.

5.3 Aplicaciones del SCR y del TRIAC.

La aplicación de los triacs, a diferencia de los tiristores, se encuentra básicamente en corrientealterna. Su curva característica refleja un funcionamiento muy parecido al del tiristor apareciendoen el primer y tercer cuadrante del sistema de ejes. Esto es debido a su bidireccionalidad.

La principal utilidad de los triacs es como regulador de potencia entregada a una carga, encorriente alterna. El encapsulado del triac es idéntico al de los tiristores.

APLICACIONES DE SCR

Existen muchas aplicaciones de SCR de las cuales se indican aquí unas pocas.

DISPARO DE UNA ALARMA

El reed switch se cierra en presencia de un campo magnético, ejemplo un imán, a través de R pasa la corrientede compuerta, el SCR entra en conducción y el relé se cierra activando la sirena, aunque el campo magnéticose retire y el reed switch se abra el SCR ya que está en conducción y se mantendrá así hasta que se abra elcircuito usado el pulsador normalmente cerrado (NC).

En la parte de SCR se escoge de forma que soporte la corriente que requiere la bobina del relé, la resistenciase escoge de forma que por ella pase una corriente mayor que IGTmin.

R máx

V / IGTmin

PUENTES RECTIFICADORES CONTROLADOS

Son puentes rectificadores de onda completa (monofásicos o polifásicos) donde la mitad de los diodos sereemplazan por SCR. Aplicando unos milisegundos se retardo (tiempo de disparo) entre el instante en que laseñal alterna pasa por cero para disparar el SCR.



A mayor tiempo de disparo será menor el voltaje medio en la carga, para 60 Hz con un tiempo de disparo de4.16 ms el voltaje habrá bajado a la mitad y con td= 8.33 ms el voltaje habrá llegado a cero.

Puente rectificado trifásico controlado y formas de onda.

APLICACIONES DEL TRIAC

Control de voltaje RMS sobre una carga monofásica. Se usa especialmente para control de iluminación conlámparas incandescentes o control de velocidades de motores universales.

En cada semiciclo al ir aumentando el voltaje pasa una corriente muy pequeña por la carga que no la activapero esa corriente va por el potenciómetro y es suficiente para cargar el condensador, cuando el condensadorse ha cargado a unos 2 o 3 voltios la compuerta entra en conducción descargando el condensador y ésta es lacorriente de compuerta que dispara el Triac y enciende la carga. En el semiciclo positivo el condensador secarga positivo y el Triac dispara en el cuadrante I, en el semiciclo negativo el condensador se carga negativo yel Triac se dispara en el cuadrante III. Modificando el resistencia del potenciómetro se hace más rápida o más



lenta la carga del condensador con lo que se varía el tiempo de disparo el valor RMS de voltaje en la cargavaria.

Algunos Triacs requieren de mayor corriente de compuerta en el cuadrante III que en el I, esto hace que eltiempo de disparo en el semiciclo negativo sea mayor, el voltaje positivo aplicado a la carga resulta mayorque el negativo y en muchos casos inestabilidad en el circuito o variaciones bruscas el voltaje RMS en la

carga. Para solucionar esta situación se agrega en la compuerta un dispositivo llamado DIAC, necesario, en elmercado se consigue el Triac con Diac incluido y se llama Quádrac.

RELÉ DE ESTADO SÓLIDO

Este dispositivo reemplaza a los relés magnéticos, su ventaja es que no tiene elementos móviles por lo que sutiempo de conexión es menor, no sufre desgaste mecánico y no presenta generación de chispas.

Su ventaja es que al no ser un interruptor físico metálico se presenta una caída de tensión entre los terminalesde Triac (Von) que multiplicada por la corriente que pide la carga representa una potencia que se pierde enforma de calor y eleva la temperatura del relé, obliga a tener precauciones sobre disipación de calor.

Sus características básicas son el voltaje de activación en la entrada que normalmente esta entre 3 y 30voltios, algunos modelos pueden trabajar con DC o AC, otra característica es la máxima corriente que puedenconducir hacia la carga que depende de la capacidad del Triac.

5.3.1 Protección contra elevación de voltaje.

Si desea controlar el nivel de iluminación del dormitorio o desea controlar la velocidad de tu taladroo un ventilador (motores de corriente alterna), este es el circuito que busca.

Muchos de estos circuitos reguladores de potencia tienen un punto de encendido y apagado queno coincide (a este fenómeno se le llama histéresis), y es común en los TRIACS. Para corregir estedefecto se ha incluido en el circuito las resistencias R1, R2 y C1.

El conjunto R3 y C3 se utiliza para filtrar picos transitorios de alto voltaje que pudieran aparecer. Elconjunto de elementos P (potenciómetro) y C2 son los necesarios mínimos para que el triac seadisparado.

El triac controla el paso de la corriente alterna a la carga conmutando entre los estados deconducción (pasa corriente) y corte (no pasa corriente) durante los semiciclos negativos y positivosde la señal de alimentación (110 / 220 voltios.), la señal de corriente alterna que viene por eltomacorrientes de nuestras casas

El triac se disipará cuando el voltaje entre el condensador y el potenciómetro (conectado a lacompuerta del TRIAC) sea el adecuado.

Hay que aclarar que el condensador en un circuito de corriente alterna (como este) tiene su voltajeatrasado con respecto a la señal original, y cambiando el valor del potenciómetro, se modifica larazón de carga del condensador, el atraso que tiene y por ende el desfase con la señal alternaoriginal. Esto causa que se pueda tener control sobre la cantidad de corriente que pasa a la cargay por ende la potencia que se le aplica.



Lista de componentes:

Resistencias: 2 de 47 KΩ, (kilohmios), 1 de 100Ω, (ohmios), 1 potenciómetro de 100KΩ (1KΩ= 1Kilohmio)Condensadores: 3 de 0.1 uF, ( uF = microfaradios)

Otros: 1 TRIAC (depende de la carga, uno de 2 Amperios para aplicaciones comunes como estedimmer), 1 enchufe para la carga: de uso general, (110 / 220 Voltios) 5.3.2 Controles simples de velocidad.

Al igual que en el control de iluminacion se presenta el mismo funcionamiento 5.3.3 Control de iluminación.

Una aplicación muy común es el atenuador luminoso de lámparas incandescentes (circuito decontrol de fase).



Donde:- Ven: Voltaje aplicado al circuito (A.C.)- L: lámpara- P: potenciómetro- C: condensador (capacitor)- R: Resistencia- T: Triac- A2: Anodo 2 del Triac- A3: Anodo 3 del Triac- G: Gate, puerta o compuerta del Triac

El triac controla el paso de la corriente alterna a la lámpara (carga), pasando continuamente entrelos estados de conducción (cuando la corriente circula por el triac) y el de corte (cuando la corrienteno circula)

Si se varía el potenciómetro, se varía el tiempo de carga del condensador causando que seincremente o reduzca la diferencia de fase de la tensión de alimentación y la que se aplica a lacompuerta

Nota: la diferencia de fase o la fase entre dos señales u ondas se define como el ángulo (diferencia de tiempo)que existe entre los dos orígenes de las mismas

5.4 El UJT.El transistor UJT o de uni-unión

El transistor de uni-unión (unijunction transistor ) o UJT esta constituido pordos regiones contaminadas con tres terminales externos: dos bases y un emisor.En la figura 12.21.a aparece la estructura física de este dispositivo. El emisor esta

fuertemente dopado con impurezas p y la región n débilmente dopado con n. Porello, la resistencia entre las dos bases, RBB o resistencia interbase , es elevada

(de 5 a 10KΩ estando el emisor abierto).

El modelo equivalente representado en la figura 12.21.b esta constituido porun diodo que excita la unión de dos resistencias internas, R1 y R2, que verificanRBB=R1+R2. Cuando el diodo no conduce, la caída de tensión en R1 (V1) sepuede expresar como

(12.10)

en donde VB2B1 es la diferencia de tensión entre las bases del UJT y ((es el factorde división de tensión conocido como relación intrínseca. El modelo de este dispositivoutilizando transistores se muestra en la figura 12.21.c, cuya estructura es muy similar a undiodo de cuatro capas. Cuando entra en conducción los transistores la caída de tensión enR1 es muy baja. El símbolo del UJT se muestra en la figura 12.21.d.



Figura 12.21. Transistor UJT. a) Estructura física, b) modelo equivalente,c) circuito equivalente y d) símbolo.

Funcionamiento de un UJTEl funcionamiento de un UJT es muy similar al de un SCR. En la grafica de lafigura 12.22 se describe las características eléctricas de este dispositivo a través de larelación de la tensión de emisor (VE) con la corriente de emisor (IE). Se definen dos puntoscríticos: punto de pico o peak-point (VP, IP) y punto de valle o valley-point (VV, IV),ambos verifican la condición de dVE/dIE=0. Estos puntos a su vez definen tres regiones deoperación: región de corte, región de resistencia negativa y región de saturación, que sedetallan a continuación:

Figura 12.22. Características eléctricas de un UJT.

Región de corte. En esta región, la tensión de emisor es baja de forma que latensión intrínseca mantiene polarizado inversamente el diodo emisor. La corrientede emisor es muy baja y se verifica que VE<VP e IE < IP. Esta tensión de pico enel UJT viene definida por la siguiente ecuación

(12.11)

donde la VF varia entre 0.35 V a 0.7 V con un valor típico de 0.5 V. Por ejemplo,para el 2N2646 es de 0.49V a 25ºC. El UJT en esta región se comporta como un

elemento resistivo lineal entre las dos bases de valor RBB.Región de resistencia negativa. Si la tensión de emisor es suficiente parapolarizar el diodo de emisor, es decir, VE=VP entonces el diodo entra enconducción e inyecta huecos a B1 disminuyendo bruscamente la resistencia R1debido a procesos de recombinación. Desde el emisor, se observa como el UJTdisminuye su resistencia interna con un comportamiento similar a la de unaresistencia negativa (dVE/dIE < 0). En esta región, la corriente de emisor estacomprendida entre la corriente de pico y de valle (IP< IE< IV).

Región de saturación. Esta zona es similar a la zona activa de un tiristor con

unas corrientes y tensiones de mantenimiento (punto de valle) y una relación linealde muy baja resistencia entre la tensión y la corriente de emisor. En esta región, lacorriente de emisor es mayor que la corriente de valle (IE > IV). Si no se verificalas condiciones del punto de valle, el UJT entrara de forma natural a la región decorte.

En la figura 12.22 también se observa una curva de tipo exponencial que relacionala VE y la IE cuando la base B2 se encuentra al aire (IB2=0). Esta curva tiene una



forma similar a la característica eléctrica de un diodo y representa elcomportamiento del diodo de emisor.

5.4.1 Aplicaciones.

Se utiliza en circuitos de descarga en generadores de impulso, circuitos de bases de tiempos ycircuitos de control de ángulo de encendido de tiristores

5.6 Dispositivos opteoeléctricos y sus aplicaciones.

5.6.1 Led

diodo led

Es un diodo emisor de luz. Símbolo:

Se basa en:



El negativo de la pila repele a los electrones que pasan de n a p, se encuentran enp con un hueco, se recombina con él y ya no es electrón libre, al bajar de BC a BVpierde una energía E que se desprende en forma de luz (fotón de luz).

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Diferencias entre un diodo normal y un LED:

Diodo normal, E en forma de calor.Diodo LED, E en forma de fotón.(E = h*f, h = cte de Planck, f = frecuenciaque da color a esa luz).

Diodo normal hecho de silicio.Diodo LED hecho de As, P, Ga y aleaciones entre ellas. Para cada material

de estos la distancia de BC y BV es distinta y así hay distintos colores, ymezclándolos se consiguen todos, hasta de luz invisible al ojo humano.

Aplicación:

Lámparas de señalización. Alarmas (fotones no visibles). Etc...

El diodo LED siempre polarizado en directa, y emitirá luz.

Podemos usar esto en una fuente de alimentación que hemos dado.

La intensidad del LED:



Normalmente para el valor de 10 mA se suelen encender (ver en el catálogo). Latensión en el LED:

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Diferencia con el silicio, la tensión es mayor. Cuando no dice nada se coge V LED =2 V.

Aquí el diodo LED es un indicador que nos dice si la fuente de alimentación estáencendida o apagada.



Conclusión: Los circuitos con tensiones grandes y resistencias grandes funcionanbien, por lo tanto, si se pueden tomar valores grandes.

Display de 7 segmentos

Son 7 diodos LED:

Se utiliza en electrónica digital con + 5 V y 0 V.

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5.6.2 Fotodiodo

El fotodiodo se parece mucho a un diodo semiconductor común, pero tiene una característica quelo hace muy especial: es un dispositivo que conduce una cantidad de corriente eléctricaproporcional a la cantidad de luz que lo incide (lo ilumina). Esta corriente eléctrica fluye en sentidoopuesto a la flecha del diodo y se llama corriente de fuga.

Luz incidente

Sentido de la corriente generada

El fotodiodo se puede utilizar como dispositivo detector de luz, pues convierte la luz en electricidady esta variación de electricidad es la que se utiliza para informar que hubo un cambio en el nivel deiluminación sobre el fotodiodo.

Si el fotodiodo quedara conectado, de manera que por él circule la corriente en elsentido de la flecha (polarizado en sentido directo), la luz que lo incide no tendríaefecto sobre él y se comportaría como un diodo semiconductor normal.

La mayoría de los fotodiodos vienen equipados con un lente que concentra la cantidad de luz quelo incide, de manera que su reacción a la luz sea más evidente.

A diferencia del LDR o fotorresistencia, el fotodiodo responde a los cambios de oscuridad ailuminación y viceversa con mucha más velocidad, y puede utilizarse en circuitos con tiempo derespuesta más pequeño.



Si se combina un fotodiodo con una transistor bipolar, colocando el fotodiodo entre el colector y labase del transistor (con el cátodo del diodo apuntado al colector del transistor), se obtiene elcircuito equivalente de un fototransistor.

5.6.3 Optoacopladores

Un optoacoplador combina un dispositivo semiconductor formado por unfotoemisor, un fotoreceptor y entre ambos hay un camino por donde se transmitela luz. Todos estos elementos se encuentran dentro de un encapsulado que por logeneral es del tipo DIP.

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La señal de entrada es aplicada al fotoemisor y la salida es tomada delfotoreceptor. Los optoacopladores son capaces de convertir una señal eléctrica enuna señal luminosa modulada y volver a convertirla en una señal eléctrica. La gran

ventaja de un optoacoplador reside en el aislamiento eléctrico que puedeestablecerse entre los circuitos de entrada y salida.

Los fotoemisores que se emplean en los optoacopladores de potencia son diodosque emiten rayos infrarrojos (IRED) y los fotoreceptores pueden ser tiristores otransistores.

Cuando aparece una tensión sobre los terminales del diodo IRED, este emite unhaz de rayos infrarrojo que transmite a través de una pequeña guia-ondas deplástico o cristal hacia el fotorreceptor. La energía luminosa que incide sobre elfotorreceptor hace que este genere una tensión eléctrica a su salida. Esteresponde a las señales de entrada, que podrían ser pulsos de tensión.



Tipos

Fototransistor : se compone de un optoacoplador con una etapa de salida formadapor un transistor BJT.

Fototriac : se compone de un optoacoplador con una etapa de salida formada porun triac

Fototriac de paso por cero : Optoacoplador en cuya etapa de salida se encuentraun triac de cruce por cero. El circuito interno de cruce por cero conmuta al triacsólo en los cruce por cero de la corriente alterna.

5.6.4. Fototransistor

Un fototransistor es, en esencia, lo mismo que un transistor normal, solo quepuede trabajar de 2 maneras diferentes:

- Como un transistor normal con la corriente de base (IB) (modo común)- Como fototransistor, cuando la luz que incide en este elemento hace las vecesde corriente de base. (IP) (modo de iluminación).

Se pueden utilizar las dos en forma simultánea, aunque el fototransistor se utilizaprincipalmente con la patita de la base sin conectar. (IB = 0)

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La corriente de base total es igual a corriente de base (modo común) + corrientede base (por iluminación): IBT = IB + IP

Si se desea aumentar la sensibilidad del transistor, debido a la baja iluminación, sepuede incrementar la corriente de base (IB ), con ayuda de polarización externa

El circuito equivalente de un fototransistor, es un transistor común con unfotodiodo conectado entre la base y el colector, con el cátodo del fotodiodoconectado al colector del transistor y el ánodo a la base.

El fototransistor es muy utilizado para aplicaciones donde la detección de

iluminación es muy importante. Como el fotodiodo, tiene un tiempo de respuestamuy corto, solo que su entrega de corriente eléctrica es mucho mayor.

En el gráfico siguiente se puede ver el circuito equivalente de un fototransistor. Seobserva que está compuesto por un fotodiodo y un transistor. La corriente queentrega el fotodiodo (circula hacia la base del transistor) se amplifica β veces, y esla corriente que puede entregar el fototransistor.



Nota: β es la ganancia de corriente del fototransistor.



UNIDAD VI.- CONTOLADORES LÓGICOS PROGRAMABLES(PLC)

6.1.- PRINCIPIOS FUNDAMENTALES DE CONTROL

6.2.- COMPONENTES PRINCIPALES DE UN PLC Y SU FUNCIÓN

6.3.- CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DE UN PLC Y SU FUNCIÓN

6.4.- APLICACIONES

6.1 LOS CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMABLESEl desarrollo e introducción de los relés, hace muchos años, fue un paso

gigantesco hacia la automatización e incremento de la producción. La aplicación

de los relés hizo posible añadir una serie de lógica a la operación de las máquinas

y de esa manera reducir la carga de trabajo en el operador, y en algunos casos

eliminar la necesidad de operadores humanos.

Por ejemplo, los relés hicieron posible establecer automáticamente una

secuencia de operaciones, programar tiempos de retardo, conteo de eventos o

hacer un evento dependiente de que ocurrieran otros.

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Los relés con todas sus ventajas, tienen también naturalmente sus

desventajas, tienen sólo un período de vida; su naturaleza electromecánica

dictamina, que después de un tiempo de uso serán inservibles, sus partes

conductores de corriente pueden en un momento quemarse o fundirse,

desbaratando la lógica establecida y requiriendo su reemplazo.



Tal vez la inconveniencia más importante de la lógica con relés es su

naturaleza fija. La lógica de un panel de relés es establecida por los ingenieros de

diseño, se implementa entonces colocando relés en el panel y se alambra como

se prescribe.

Mientras que la máquina dirigida por el panel de relés continua llevando acabo los mismos pasos en la misma secuencia, todo está perfecto, pero cuandoexiste un re diseño en el producto o un cambio de producción en las operacionesde esa máquina o en su secuencia, la lógica del panel debe ser re diseñada. Si elcambio es lo suficientemente grande, una opción más económica puede serdesechar el panel actual y construir uno nuevo.

Este fue el problema encarado por los productores de automóviles a

mediados de los setenta. A lo largo de los años se habían altamente

automatizado las operaciones de producción mediante el uso de los relés, cada

vez que se necesitaba un cambio, se invertía en él una gran cantidad de trabajo,

tiempo y material, sin tomar en cuenta la gran cantidad de tiempo de producción

perdido.

La computadora ya existía en esos tiempos y se le dio la idea a los

fabricantes de que la clase de control que ellos necesitaban podría ser llevado a

cabo con algo similar a la computadora. Las computadoras en sí mismas, no erandeseables para esta aplicación por un buen número de razones. La comunidad

electrónica estaba frente a un gran reto: diseñar un artefacto que, como una

computadora, pudiese efectuar el control y pudiese fácilmente ser re programada,

pero adecuado para el ambiente industrial. El reto fue enfrentado y alrededor de

1969, se entregó el primer controlador programable en las plantas ensambladoras

de automóviles de Detroit, Estados Unidos.

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Controlador Lógico Programable

De acuerdo con la definición de la "Nema" (National Electrical

Manufacturers Association) un controlador programable es: "Un aparato

electrónico operado digitalmente, que usa una memoria programable para el

almacenamiento interno de instrucciones para implementar funciones específicas,

tales como lógica, secuenciación, registro y control de tiempos, conteo y

operaciones aritméticas para controlar, a través de módulos de entrada/salida

digitales (ON/OFF) o analógicos (1 5 VDC, 4 20 mA, etc.), varios tipos de

máquinas o procesos.

Secuencia de Operaciones en un PLC.

a) Al encender el procesador, este efectúa un autochequeo de encendido einhabilita las salidas. Entra en modo de operación normal.

b) Lee el estado de las entradas y las almacena en una zona especial de

memoria llamada tabla de imagen de entradas

c) En base a su programa de control, el PLC modifica una zona especial de

memoria llamada tabla de imagen de salida.

d) El procesador actualiza el estado de las salidas "copiando" hacia los

módulos de salida el estado de la tabla de imagen de salidas (estas controlan el

estado de los módulos de salida del PLC, relay, triacs, etc.).



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A cada ciclo de ejecución de esta lógica se le denomina ciclo de barrido

(scan) que generalmente se divide en:

I/O scan

Program Scan

Funciones Adicionales

1) Autochequeo de Fallas: en cada ciclo de scan, el PLC efectúaun Chequeo del funcionamiento del sistema reportando el resultado en Bits

internos que pueden ser accesados por el programa del usuario.

2) Inicializaciones: cada tipo de partida de un microprocesador también es

reportada en bits internos de la memoria de PLC.

3) Salvaguarda de Estados: Es posible indicar al PLC estado

deseado de algunas salidas o variables internas en caso de falla ofalta de energía en el equipo. Esto es esencial cuando se requiere

proteger algunos externos de salida.

4) Modularidad: Gracias a la utilización de Microprocesadores, es posible

expandir los sistemas a través de módulos de expansión de acuerdo al



crecimiento del sistema. Es posible expandirse en Entradas y Salidas

digitales, análogas, etc., como así también en unidades remotas y de

comunicación.

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DIRECCIONAMIENTOS DE ENTRADAS Y SALIDAS.

Como pueden existir gran cantidad de entradas y salidas, es necesario

indicarle a la CPU la dirección de la entrada o salida a la que el programa usuario

se está refiriendo. El direccionamiento de entradas y salidas en la programación

de un PLC consiste en informar a la CPU, de acuerdo al formato empleado por elfabricante, la dirección lógica de las diferentes entradas y salidas.

El direccionamiento de I/O varía de marca en marca, sin embargo, la

mayoría adopta una nomenclatura dividida en campos que proporciona

información sobre la ubicación física de la entrada o salida, por ejemplo:

Para los PLC pequeños, la especificación de SLOT y RACK no es utilizada.

CLASIFICACIÓN DE PLC.

Debido a la gran variedad de tipos distintos de PLC, tanto en sus funciones,

en su capacidad, en su aspecto físico y otros, es que es posible clasificar los

distintos tipos en varias categorías.

PLC tipo Nano:

Generalmente PLC de tipo compacto ( Fuente, CPU e I/O

integradas ) que puede manejar un conjunto reducido de I/O, generalmente en un

número inferior a 100. Permiten manejar entradas entradas y salidas digitales y

algunos módulos especiales.



PLC tipo Compactos:

Estos PLC tienen incorporado la Fuente de Alimentación, su CPU y

módulos de I/O en un solo módulo principal y permiten manejar desde unas pocas

I/O hasta varios cientos ( alrededor de 500 I/O ) , su tamaño es superior a losNano PLC y soportan una gran variedad de módulos especiales, tales como:

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PRINCIPAL

entradas y salidas analogas

modulos contadores rapidos

modulos de comunicaciones interfaces de operador

expansiones de i/o

PLC tipo Modular:

Estos PLC se componen de un conjunto de elementos que conforman elcontrolador final, estos son:

Rack Fuente de Alimentación

CPU

Módulos de I/O

De estos tipos existen desde los denominados MicroPLC que soportan gran

cantidad de I/O, hasta los PLC de grandes prestaciones que permiten manejar

miles de I/O.

DIRECCIONAMIENTO DE ENTRADAS Y SALIDAS

Como existen gran cantidad de I/O y estas pueden estar alojadas en

diferentes módulos, nace la necesidad de indicarle a la CPU, mediante nuestro

programa, la referencia exacta de la entrada o salida con la que queremos



interactuar. Al mecanismo de identificación de I/O en los PLC se le denomina

direccionamiento de entradas y salidas.

El direccionamiento de I/O varia de marca en marca, inclusive de modelo en

modelo en los PLC, pero generalmente, la mayoría de los fabricantes adopta unaterminología que tiene relación con la ubicación física de la I/O. Veamos algunos

ejemplos:

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Direccionamiento PLC Nano Telemecanique

Direccionamiento PLC TSX-17 Telemecanique

Direccionamiento PLC TSX-37 Telemecanique

Direccionamiento PLC Mitsubishi

Direccionamiento PLC A/B SLC-500

PROGRAMACION EN DIAGRAMA DE ESCALERA ( Ladder ).

Un esquema de escalera o de contactos está constituido por varias líneas

horizontales que contienen símbolos gráficos de prueba ( “ Contactos “) y de

acción ( “ Bobinas “), que representan la secuencia lógica de operaciones que

debe realizar el PLC.

La programación en Ladder de alguna forma se ha ido normalizando y ya

casi la mayoría de los fabricantes presentan y programan sus PLC en formatos

muy parecidos, veamos algunos ejemplos:

Ladder en PLC Mitsubishi

Ladder en PLC Telemecanique

Ladder en PLC A/B



INSTRUCCIONES EN LOS PLC:

Las instrucciones son en realidad una de los elementos que potencian a

estos para su implementación en diferentes aplicaciones. Inicialmente estos solo

disponían de instrucciones a nivel de test de entradas y salidas digitales, sinembargo, esta situación a cambiado muy drásticamente al incorporar a estos

funciones muy avanzadas que amplían su espectro de aplicación. Podemos

mencionar funciones matemáticas avanzadas, aritmética en punto flotante, manejo

eficaz de datos, filtros digitales, funciones avanzadas de control, etc.

Los siguientes listados muestran algunas de las operaciones que se

encuentran el mayoría de los PLC.

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MÓDULOS

Existe gran cantidad de funciones especiales que no son soportadas por los

módulos normales en los PLC, para estas situaciones los fabricantes ofrecen una

gran variedad de elementos adicionales que permiten incorporar funcionesespeciales al PLC para nuestros procesos.

Módulos de I/O Análogos:

Estos módulos permiten manejar entradas y salidas análogas en nuestro

PLC de manera de poder efectuar lecturas y control analógico de variables en

nuestros procesos, estas entradas y salidas analógicas se caracterizan,

generalmente por:

Resolución: Depende de la cantidad de bits del conversor utilizado, generalmente

se requiere una resolución no inferior a 10 bits.



Tiempo de Conversión: Corresponde al tiempo empleado en convertir el valor

analógico en su correspondiente valor discreto. Este es un factor muy importante

ya que define el tipo de aplicación para el cual puede emplearse el modulo.

Generalmente en control de procesos, la velocidad de variación de las variables es

relativamente lenta, sobre 1 segundo, por lo cual las exigencias de velocidad en

los módulos analógicos no son muy exigentes. Generalmente razones de

conversión del orden de los milisegundos es suficiente.

Número de Canales: Corresponde a la cantidad de entradas o salidas que puede

manejar el módulo, generalmente están agrupadas en 4 o más I/O. También

existen agrupaciones de entradas y salidas agrupadas en un solo módulo.

Tipo de Entrada: Corresponde al tipo de entrada que es posible manejar el

módulo, estas pueden ser Entrada o Salida en Corriente, 4-20 mA, 0-20 mA, en

tensión , 0-10v, -10 ->+10 v, termocupla, pt100, etc.

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Los primeros módulos analógicos que se incorporaron a los PLC solo

podían manejar un determinada tipo de entrada, sin embargo hoy en día es

posible encontrar módulos de propósitos generales configurables por Software que

permiten combinar distintos tipos de entrada o de salida.

6.2 COMPONENTES PRINCIPALES DE UN PLC Y SU FUNCIÓN

Las empresas de hoy, que piensan en el futuro, se encuentran provistas demodernos dispositivos electrónicos en sus maquinas y procesos de control. Hoy

las fabricas automatizadas deben proporcionar en sus sistemas, alta confiabilidad,

gran eficiencia y flexibilidad. Una de las bases principales de tales fabricas es un

dispositivo electrónico llamado Controlador Lógico Programable. Este dispositivo

fue inicialmente introducido en 1970 y se ha sido refinando con nuevos



componentes electrónicos, tales como Micro-procesadores de alta velocidad,

agregándole funciones especiales para el control de proceso más complejos. Hoy

los Controladores Programables son diseñados usando lo ultimo en diseño de

Micro-procesadores y circuiteria electrónica lo cual proporciona una mayor

confiabilidad en su operación en aplicaciones industriales donde existen peligro

debido al medio ambiente, alta repetibilidad, altas temperaturas, ruido ambiente o

eléctrico, suministro de potencia eléctrica no confiable, vibraciones mecánicas etc.

Este medio ambiente es el que el Control Lógico Programable se encuentra

en su elemento, ya que fue diseñado y concebido para su uso en el medio

ambiente industrial.

Los Controladores Lógicos Programables, PLC como ellos son

comúnmente llamados, ofrecen muchas ventajas sobre otros dispositivos de

control tales como relevadores, temporizadores electrónicos, contadores y

controles mecánicos como del tipo tambor. El objetivo de este manual es mostrar

el funcionamiento interno y de programación de este tipo de controladores,

además de mostrar algunas de sus aplicaciones en la industria, también realizar

una serie de practicas para que el técnico de la industria pueda iniciarse en este

apasionante rema de la automatización.

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Hemos seleccionado el Controlador Lógico de GE-Fanuc por ser un equipo

de gran aceptación en la industria nacional además de ser un ideal para la

enseñanza debido a su pantalla de cristal de cuarzo la cual consta de 2 líneas

cada línea con una capacidad de 9 contactos y una bobina.

6.3 CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DE UN PLC Y SU FUNCIÓN

Los Controladores Lógicos Programables, (PLC s, Programable Logic Controller),nacieron esencialmente como tales, a finales de la década de los 60s y principios de los70s. Las industrias que propiciaron este desarrollo fueron las automotrices. Ellas usaban



sistemas industriales basadas en reveladores, en sus sistemas de manufactura. Buscandoreducir los costos de los sistemas de control por relevadores, la General Motor preparoen 1968 ciertas especificaciones detallando un "Controlador Lógico Programable", Estasespecificaciones definían un sistema de control por relevadores que podían ser asociadono solamente a la industria automotriz, si no prácticamente a cualquier industria de

manufactura.Estas especificaciones interesaron a ciertas compañías tales como GE-Fanuc, relianceElectric, MODICON, Digital Equipment Co., De tal forma que el resultado de su trabajose convirtió en lo que hoy se conoce como Controlador Lógico Programable. Los PLCssurgen como equipos electrónicos sustitutos de los sistemas de control basados enrelevadores, que se hacían más complejos y esto arrojaba ciertas dificultades en cuanto ala instalación de los mismos, los altos costos de los equipos. Losa altos costos deoperación y mantenimiento y la foca Flexibilidad y confiabilidad de los equipos.

Los primeros PLCs se usaron solamente como reemplazo de relevadores, es decir, sucapacidad se reducía exclusivamente al control On -Off (de dos posiciones) en maquinasy procesos industriales. De echo todavía se siguen usando en muchos casos como tales.La gran diferencia con los controles por relevador fue su facilidad de instalación, ocupanmenor espacio, costo reducido, y proporcionan autodiagnósticos sencillos.

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En la década de los 70s con el avance de la electrónica, la tecnología de losmicroprocesadores agrego facilidad e inteligencia adicional a los PLCs generando ungran avance y permitiendo un notorio incremento en la capacidad de interfase con eloperador, se fue poco a poco mejorando la idea inicial de los PLCs convirtiéndose en loque ahora son, Sistemas Electrónicos Versátiles y Flexibles.

En su creación, los requerimiento sobre los cuales se han desarrollado los PLC s, los

enumero la General Motors de la manera siguiente1.- Dispositivo de control deberá ser fácil y rápidamente programable por el usuario conun mínimo de interrupción.

2.-Todos los componentes del sistema deben ser capaces de operar en plantasindustriales sin un especial equipo de soporte, de hardware o de ambiente.

3.-El sistema debe ser de fácil mantenimiento y reparación. Deberá diseñarse conindicadores de status y modularidad para facilitar las reparaciones y la búsqueda deerrores.

4.-El sistema deberá ocupar menor espacio que los sistemas de relevador y deberáconsumir menor potencia que los sistemas de control por relevadores.

5.-El PLC deberá ser capaz de comunicarse con un sistemas central de datos parapropósitos de monitoreo.

6.- Deberá ser capaz de trabajar con 120 volts de corriente alterna y con elementosestándar de control, con interruptores de presión interruptores de limite, etc.

7.-Las señales de salida deberán ser capaces de manejar arranques de motores y válvulassolenoides que operan a 120 volts de C.A.



8.- Deberá ser expandible desde su mínima configuración hasta su máxima, con unamínima de alteración y de tiempo perdido.

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9.- Deberá ser competitivo en costo de venta e instalación, respecto de los sistemas enbase a relevadores.

10.- La estructura de memoria empleada deberá ser expandible a un mínimo de 4000palabras o elementos de memoria. Los PLC actuales no solamente cumplen estosrequisitos si no que lo superan. El PLC actual es una computadora de propósitoespecifico que proporciona una alternativa más flexible y funcional para los sistemas decontrol industriales. La figura 1 muestra en general las funciones básicas de un PLC.

Debido a la gran aceptación que ha tenido el PLC, se ha dado una definición formal porla NEMA (Nacional electrical Manufacturers Association), descrita como sigue:

EL PLC es un aparato electrónico operado digitalmente que usa una memoriaprogramable para el almacenamiento interno de instrucciones las cuales implementan

funciones especificas tales como lógicas, secuénciales, temporización, conteo yaritméticas, para controlar a través de módulos de entrada /salida digitales y analógicas,varios tipos de maquinas o procesos. Una computadora digital que es usada para ejecutarlas funciones de un controlador programable, se puede considerar bajo este rubro. Seexcluyen los controles secuenciales mecánicos. De una manera general podemos definiral controlador lógico programable a toda maquina electrónica, diseñada para controlaren tiempo real y en medio industrial procesos secuenciales de control. Su programacióny manejo puede ser realizado por personal con conocimientos electrónicos sin previosconocimientos sobre informática.

También se le puede definir como una "caja negra" en la que existen unas terminales deentrada a los que se conectaran pulsadores, finales de carrera, foto celdas, detectores,

etc... unos terminales de salida a los que se le conectaran bobinas de contactores, electroválvulas, lámparas., De tal forma que la actuación de estos ultimo están en función delas señales de entrada que estén activadas en cada momento, según el programaalmacenado.

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Esto quiere decir auxiliares, relees de encallamiento, temporizadores, contadores.. Soninternos. La tarea del usuario se reduce a realizar el "programa que no es mas que larelación entre las señales de entrada que se tienen cumplir para activar cada salida.

6.4 APLICACION DEL PLC

EL PLC por sus especiales características de diseño tiene un campo de aplicación muyextenso. La constante evolución del Hardware y Software amplia continuamente estecampo para poder satisfacer las necesidades que se detectan en el aspecto de susposibilidades reales.



Su utilización se da fundamentalmente en aquellas instalaciones en donde es necesariorealizar procesos de maniobra, control, señalización, etc,.. por tanto, su aplicación abarcadesde procesos de fabricación industrial de cualquier tipo al de transformacionesindustriales, control de instalaciones, etc.

Sus reducidas dimensiones, las extremas facilidades de u montaje, la posibilidad de

almacenar los programas para su posterior y rápida utilización, la modificación oalteración de los mismos, etc., hace que su eficiencia se aprecie fundamentalmente enprocesos en que se reduce necesidades tales como: Espacio reducido. Procesos deproducción periódicamente cambiantes Maquinaria de procesos variables. Instalación deprocesos complejos y amplios. Chequeo de programación centralizada de las partes delproceso

EJEMPLOS DE APLICACIONES DE UN PLC

A).-MANIOBRAS DE MAQUINAS.

Maquinaria industrial del mueble y la madera.

Maquinaria en proceso de grava, arena y cemento.Maquinaria en la industria del plástico.

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Maquinas-herramientas complejas.

Maquinaria de ensamblaje.

Maquinas de transferencia.

B).-MANIOBRA DE INSTALACIONES.

Instalaciones de aire acondicionado y calefacción.Instalaciones de seguridad.

Instalaciones de almacenamiento y transporte.

Instalaciones de plantas embotelladoras.

Instalaciones en la industria automotriz

Instalación de tratamientos térmicos.

Instalaciones de la industria azucarera.

Es interesante hacer notar que aunque el PLC fue originalmente diseñados como un

dispositivo de reemplazo de control industrial cumpla las necesidad de los usuarios. Lasnecesidades de la aplicación pueden ser definidas solamente por un análisis detallado delsistema completo. Esto significa que los exámenes detallados deben ser ejecutados entodas las facetas de la maquina u operación del proceso, De nuevo, como nadaaplicación es diferente, no hay una rutina clara y concisa que evalué las necesidades quetodas las aplicaciones Una ultima consideración importante en la aplicación de un PLCes el futura crecimiento del sistema. Los PLC están diseñados modularmente y por lotanto con posibilidades de poder expandirse para satisfacer las necesidades de la



industria. Es importante que a la aplicación de un PLC se pueda considerar losbeneficios de las Futuras expansiones.

1.- Menor tiempo empleado en la elaboración de proyectos debido a que

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a) No es necesario dibujar el esquema de contactos.

b) No es necesario simplificar las ecuaciones lógicas, ya que, por lo general, la

capacidad de almacenamiento del modulo de memoria es lo suficientemente

grande

c) La lista de materiales queda sensiblemente reducida, al elaborar el presupuesto

correspondiente eliminaremos parte del problema que supone al contactar con

diferentes proveedores, distintos plazos de entrega, etc.

2.- Una vez programado el dispositivo y habiendo probado su operación, esquemapuede imprimirse en alguno de los lenguajes en que fue programado, dependiendodel tipo del PLC seleccionado.

3.- Existen módulos de comunicación para el PLC.

4.- En base al PLC puede construirse esquemas de control tanto superviso rió comodistribuido.



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LISTA DE REQUERIMIENTOS DE MATERIALESPARA CURSO DE OPTO-MECATRÓNICA

INSTRUCTOR: ING. OMAR GARCÍA DE LA ROSAI.T.TOLUCA

No. DESCRIPCION CANTIDAD1 Cable ó terminal tipo Banana corta 402 Cable ó terminal tipo Banana mediana 403 Cable ó terminal tipo Banana larga 404 Cable ó terminal tipo Caimán 155 Multimetro 56 Contactor (120Vca,60Hz) 127 Motor Trifásico, 220 Vca, Didácticos 3

8 Temporizador (Timer On Delay) 120Vca, 60 Hz 6

9 Botoneras Triples 120Vca Didácticas 510 Compresor Campbell Hausfeld , 1 Hp,

125 Psi 120 Vca, 10Amp.1

11 Maleta de equipo Neumático 112 Kit Neumática, Circuito Básico SMC

(Actuador lineal)1

13 Kit Neumática, Circuito Básico SMC(Actuador Basculante)

1

14 Osciloscopio 2

15 Generador de Funciones 116 Fuente de alimentación 12 Vcd 2



LISTA DE EQUIPO Y CONSUMIBLES ELECTRONICOS DE ACUERDO ALNÚMERO DE PARTICIPANTES DEL CURSO:

No. DESCRIPCION CANTIDAD1 Proto-board 12 Cable cal 23 o telefónico o de

comunicaciones de Pc0.5 mt

3 Leds ( 12 Vcd, 20 mA) 64 Resistencias eléctricas 330 Ohms, 470

Ohms, 1KOmh (1/8 W)5 c/u

5 Regulador IC7805 16 Dip switch 17 IC’s

7400,7402,7404,7408,7432,7474,741741 c/u

8 Transistor Bc 548 29 Transistor Bc 549 210 fotorresistencia 211 Relay 5-12 Vcc Contactos(110-

220Vca)2

CURSO DE ELECTRONICA

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