INSTITUTO TECNOLÓGICO DE TOLUCA

INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA

CRESTOMATIA DEELECTRÓNICA

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

AGOSTO 2011

CURSO DE ELECTRÓNICA

UNIDAD I DIODO

UNIDAD II TRANSISTOR BIPOLAR DE UNIÓN

UNIDAD III AMPLIFICADORES OPERACIONALES Y CIRCUITOS DE 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 de señales de corriente alterna en fuentes de poder y en radios AM, reguladores de voltaje, 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 dispositivos conformados 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 definir muchos dispositivos semiconductores que únicamente tienen dos terminales de conexión; esto a pesar de que su formación interna sea de mas de dos secciones de material semiconductor.

A la sección P de un diodo se le conoce con el nombre de ánodo y a la sección N 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 seguidas de un número (que también puede tener alguna letra intermedia).La primera letra indica el material utilizado (A al Germanio, B al Silicio). Las otras letras son relativas a la aplicación.

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

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

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

Si el voltaje de polarización es mas que el de la barrera de potencial, entonces un electrón de la sección N cruzara a través de la unión para recombinarse con un hueco 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 del conductor externo hacia el interior de cristal.

Una vez dentro, los electrones pueden desplazarse también hacia la unión para recombinarse 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 el extremo 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 la polarización directa con el voltaje mayor a la barrera de potencial.

Si el diodo esta polarizado de manera inversa, los huecos de la sección P son atraídos hacia el polo negativo de la batería y los electrones de la sección N son atraídos 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 inverso aplicado a las terminales del diodo. Por tanto, la zona de deplexión deja de aumentar cuando tiene una diferencia de potencial igual al valor de la tensión inversa aplicada con la zona de deplexión aumentada, no circula entonces la corriente eléctrica; la razón es que el positivo, en cierta forma, aumentó el máximo de sus resistencia eléctrica interna.

Aunque de manera practica consideramos que no hay flujo de corriente eléctrica a través del diodo de polarización inversa, realmente si se genera un pequeño flujo de 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 la corriente eléctrica también se ele conoce como “corriente de portadores minoritarios”.

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

1.1 Conducción en semiconductores

Un semiconductor es un componente que no es directamente un conductor de corriente, pero tampoco es un aislante. En un conductor la corriente es debida al movimiento de las cargas negativas (electrones). En los semiconductores se producen corrientes producidas por el movimiento de electrones como de las cargas positivas (huecos). Los semiconductores son aquellos elementos pertenecientes al grupo IV de la tabla Periódica (Silicio, Germanio, etc.).

En los átomos de silicio y germanio, los electrones se mantienen juntos con suficiente fuerza. Los electrones interiores se encuentran a gran profundidad dentro del átomo, mientras que los electrones de valencia son parte del enlace covalente: no pueden desprenderse sin recibir una considerable cantidad de energía. Generalmente a estos se le introducen átomos de otros elementos, denominados impurezas, de forma que la corriente se deba primordialmente a los electrones o a los huecos, dependiendo de la impureza introducida. Otra característica que los diferencia se refiere a su resistividad, estando ésta comprendida entre la de los metales y la de los aislantes.

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

Mas tarde otro semiconductor, el silicio, se hizo mas practico dejando obsoleto al germanio 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 resistencia nula al paso de la corriente en un determinado sentido, y resistencia infinita en el sentido opuesto. La punta de la flecha del símbolo circuital, representada en la figura 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 un diodo 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 corriente entra 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 una corriente de 5mA.

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

2.2.1 Principales características comerciales

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

1. Corriente máxima en directa, IFmax o IFM (DC forward current): Es la corriente continua máxima que puede atravesar el diodo en directa sin que este sufra ningún daño, puesto que una alta corriente puede provocar un calentamiento por efecto Joule excesivo. Los fabricantes suelen distinguir tres 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 pico o 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 el fenómeno 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 se exprese para diferentes valores de la tensión inversa

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

Además, es frecuente que los fabricantes suministren datos adicionales a cerca del 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 considerable cuando se introducen cantidades pequeñas de impurezas específicas en el cristal. Este procedimiento se llama dopado. Si las sustancias contaminantes tienen electrones libres extra, se conoce como donador, y el semiconductor contaminado es de tipo n. Los portadores mayoritarios son electrones y los portadores minoritarios son huecos, pues existen más electrones que huecos. Si la sustancia contaminante tiene huecos extra, se conoce como aceptor o receptor, y el semiconductor contaminado es de tipo p. Los portadores mayoritarios son huecos y los minoritarios son electrones. Los materiales contaminados se conocen como semiconductores extrínsecos, mientras que las sustancias puras son materiales intrínsecos.

2.3 Diodo de unión PN

Actualmente los diodos se fabrican a partir de la unión de dos materiales semiconductores de características opuestas, es decir, uno de tipo N y otro de tipo P. 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 de diodos 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 algunas desviaciones de comportamiento con respecto al diodo ideal. En este apartado se presenta en primer lugar el proceso de formación de los diodos 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 dos zonas con una frontera nítida, definida por un plano. Una zona se dopa con impurezas de tipo P y la otra de tipo N (Figura 1.3). La zona P tiene un exceso de huecos, y se obtiene introduciendo átomos del grupo III en la red cristalina (por ejemplo, boro). La zona N dispone de electrones en exceso, procedentes de átomos del grupo V (fósforo). En ambos casos se tienen también portadores de signo 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 por cada hueco un ion negativo, es decir, no existen distribuciones de carga neta, ni campos eléctricos internos. En el momento mismo de crear dos zonas de diferente concentración 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 las dos 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 la región de la zona P cercana a la unión:

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

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

El mismo razonamiento, aunque con signos opuestos puede realizarse para la zona N. En consecuencia, a ambos lados de la unión se va creando una zona de carga, 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 campo eléctrico desde la zona N a la zona P. Este campo eléctrico se opone al movimiento de portadores según la difusión, y va creciendo conforme pasan más cargas a la zona opuesta. Al final la fuerza de la difusión y la del campo eléctrico se equilibran y cesa el trasiego de portadores. En ese momento está ya formado el diodo 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 bien entre los extremos actúa una barrera de potencial.

Hay que tener en cuenta que este proceso sucede instantáneamente en el momento en el que se ponen en contacto las zonas N y P, y no necesita de ningún aporte 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 permite el establecimiento de una corriente eléctrica entre sus terminales puesto que la zona 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 campo eléctrico que "empujará" los huecos hacia la unión, provocando un estrechamiento de 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 y el 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 zona P 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 N y 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 portadores mayoritarios sea nula (Figura 1.7). Ahora bien, en ambas zonas hay portadores minoritarios. Un diodo polarizado en inversa lo está en directa para los minoritarios, que son atraídos hacia la unión. El movimiento de estos portadores minoritarios crea una corriente, aunque muy inferior que la obtenida en polarización 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 de la zona de deplección, al igual que sucede en un material aislante: el campo eléctrico puede ser tan elevado que arranque electrones que forman los enlaces covalentes entre los átomos de silicio, originando un proceso de rotura por avalancha. (Nota: Sin embargo, ello no conlleva necesariamente la destrucción del diodo, mientras la potencia consumida por el diodo se mantenga en niveles admisibles).

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

Modelos para señales continuasBajo el término señales continuas se engloban en este apartado tanto las señales constantes en el tiempo como aquellas que varían con una frecuencia muy baja.

Modelo DC del diodo real El comportamiento del diodo real se corresponde con el indicado por la siguiente expresión:

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 la magnitud 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 diodo T(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 es la tensión que se está aplicando en la unión PN, siendo I la intensidad que circula por el componente y V la tensión entre terminales externos.

IS, es la corriente inversa de saturación del diodo. Depende de la estructura, 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 en inversa.El modelo puede completarse mediante la adición de nuevos parámetros que incluyan efectos no contemplados en la teoría básica. Por ejemplo, algunos modelos empleados en los programas simulación por ordenador constan de hasta quince parámetros. Sin embargo, a la hora de realizar cálculos sobre el papel resulta poco práctico. Por ello es habitual realizar simplificaciones del modelo para obtener 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 siguientes simplificaciones:

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 la caída de tensión en la unión PN.

Para V<0, el término exponencial es muy pequeño, despreciable frente a la unidad. Entonces la intensidad tiende al valor IS, que como ya se había indicado anteriormente, es la corriente inversa del diodo. Para V>0, la exponencial crece rápidamente 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 su carácter no lineal. El modelo lineal por tramos se obtiene como una aproximación del modelo ideal del diodo de unión PN, considerando las siguientes simplificaciones:

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 esa temperatura es VT=25.7 mV. Tomando como variable independiente la intensidad I, la ecuación ideal del diodo queda:

A partir de esta expresión, se puede calcular la caída de tensión en el diodo para las 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 órdenes de 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 constante de 0.7 V.

Con estas simplificaciones se consigue evitar las expresiones exponenciales que complican los cálculos en la resolución del circuito. Sin embargo, se divide el modelo en dos tramos lineales denominados inversa y directa (o corte y conducción), cada uno de los cuales obedece a ecuaciones diferentes: el diodo queda 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 para

cualquier valor de la corriente. Corte o Polarización Inversa "Off", donde la corriente es nula para cualquier

valor de tensión menor que VON.

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

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

A las impurezas se las clasifica en donadoras y aceptadoras. Si a la estructura del semiconductor 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 de cualquier semiconductor se recurre a un proceso denominado "dopado" o "envenenamiento". El objeto del mencionado proceso es el del aumentar la cantidad de portadores libres en el cristal provocando un aumento en la conductividad del mismo (recordar que la corriente es el flujo de portadores)El dopado del cristal es realizado con átomos trivalentes (con tres electrones en su

última órbita) o pentavalentes (con cinco). Esta elección no es resultado de un proceso azaroso sino que uno u otro tipo de átomo aumentará a su vez la presencia de uno u otro tipo de portador. ¿Cómo es esto?: el silicio, como ya se ha dicho, 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 en dicho cristal, se provocará un aumento o un defecto de electrones que hará aumentar 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 de los átomos de silicio vecinos, pero el quinto queda libre, sin formar parte de ninguna unión, por lo que está débilmente ligado al átomo: este electrón libre, requerirá muy poca energía para "saltar" a la banda de conducción. La energía térmica del ambiente basta para provocar este salto. De esta forma al agregar átomos pentavalentes agregamos electrones en la banda de conducción, es decir, agregamos portadores.

Cabe mencionar que los mencionados átomos pentavalentes se ubican en un nivel de energía mucho más cercano a la banda de conducción que la banda de valencia, denominado "nivel donador" este nivel se ubica a una distancia, energéticamente hablando, de 0,05 electrón-volt, mientras que la distancia entre las 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, ya tres de los cuatro electrones de la última órbita del Silicio se combinan con los tres electrones del anterior átomo. Esto trae como consecuencia la generación de un espacio 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, la cantidad de electrones o huecos que existen en un cristal. A este tipo de cristal se le 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 corriente entre sus terminales en un determinado sentido, mientras que la bloquea en el sentido contrario. En la Figura 1 se muestran el símbolo y la curva característica

tensión-intensidad del funcionamiento del diodo ideal. El sentido permitido para la corriente 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 diodo real.

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

En la gráfica se aprecian claramente diferenciadas las diversas regiones de funcionamiento 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 es instantáneo: a partir de VON la resistencia que ofrece el componente al paso de la corriente disminuye progresivamente, hasta quedar limitada sólo por las resistencias internas de las zonas P y N. La intensidad que circula por la unión aumenta rápidamente. En el caso de los diodos de silicio, VON se sitúa en torno a 0,7 V. Cuando se polariza con tensiones menores de 0 Voltios, la corriente es mucho menor 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 los comportamientos del diodo de unión PN e ideal.

Figura 1.12: Diferencias entre el comportamiento del diodo de unión PN y del diodo 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 valor promedio es cero. El circuito rectificador de media onda que se muestra en la figura 1.13 generará una forma de onda vo, la cual tendrá un valor promedio de

uso particular en el proceso de conversión de ac a dc. Cuando un diodo es usado para el proceso de rectificación, es común que se le llame rectificados. Sus valores nominales de potencia y corriente son normalmente mucho más altos que los de los diodos que se usan en otras aplicaciones, como en computadoras o sistemas 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 la polaridad indicada arriba del diodo. Al proceso de eliminación de la mitad de la señal de entrada para establecer un nivel 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 siguiente figura par región de polarización directa. La señal aplicada debe ser ahora de por lo menos 0.7 antes de que el diodo pueda "encender". Para los niveles de vi menores de 0.7 V el diodo aún está en estado de circuito abierto y v0 = 0 V, como indica la misma figura. Cuando conduce, la diferencia entre v0 y vi se encuentra en 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 natural el nivel resultante de voltaje dc.

Rectificación de onda completa

Puente de diodos El nivel de CD que se obtiene a partir de una entrada senoidal puede mejorar al 100% 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 cuatro diodos en una configuración en forma de puente durante el periodo t = 0 a T/2 la polaridad de la entrada se muestra en la figura 1.15 para mostrar que D2 y D3 están conduciendo, en tanto que D1 y D4 se hallan en estado "apagado". El resultado 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 carga vo = 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 de entrada 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 la rectificación. Lo que se pretende es que sea el condensador el que alimente a la carga 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 sentido de 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 al dispositivo objeto de estudio.

Figura 1.21: Dispositivo en carga.

El condensador va perdiendo su carga al poder cerrarse una corriente a través de RL. 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. Por lo tanto hay un punto en el que D vuelve a conducir (VB=VA), repitiéndose a partir de 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 del esquema anterior. Su valor depende de la rapidez con que se descargue C a través 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. Como contrapartida, si C es muy grande es posible que no tenga tiempo suficiente para cargarse 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 un valor 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 polarizado

Es 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 limitador doble, que esta compuesto por un limitador polarizado positivo y otro limitador polarizado 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 no conducen los diodos.

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

Transformar una Senoidal a Cuadrada; si se mete una onda de pico muy grande a la entrada, aparece una onda prácticamente cuadrada a la salida, que aunque no sea tan parecida se toma como si fuese una onda cuadrada (es imposible hacer una 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 y nosotros queremos transmitir esa onda a la carga, podemos estropear la carga si conectamos directamente la carga a ese circuito.

Figura 1.31

Por eso ponemos un recortador o limitador entre la carga y ese circuito para que no se estropee la carga. Es para protección de la carga (se puede limitar la parte positiva, 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, en particular, 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 diodo normal 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 diseñado para trabajar con voltajes negativos (con respecto a él mismo). Es importante mencionar que la región Zener (en un diodo Zener) se controla o se manipula variando los niveles de dopado. Un incremento en el número de impurezas agregadas, 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 dispositivo el 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 de voltaje 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 libres capaces de establecer la conducción. Su característica es tal que una vez alcanzado el valor de su tensión inversa nominal y superando la corriente a su través un determinado valor mínimo, la tensión en bornes del diodo se mantiene constante 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 contra sobre voltajes, el máximo voltaje que la carga puede soportar es 4.8 volts. Si se elige un diodo Zener cuyo VZ sea 4.8 volts, entonces este se activará cuando el voltaje 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 grandes rasgos 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 tensión zener (Vz nom) lo podemos considerar un circuito abierto. Cuando trabaja en la zona de disrupción se puede considerar como un generador de tensión de valor Vf= -Vz.

El zener se usa principalmente en la estabilidad de tensión trabajando en la zona de 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 de la 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 el voltaje Zener, sin importar cuantos amperios fluyesen a través del diodo. Esto está ilustrado por la curva verde en el grafico inferior. Desgraciadamente, el voltaje Zener crece con corrientes grandes como se muestra abajo en la curva roja. Nota que cuando el diodo Zener está conectado al revés actúa como un diodo normal de silicio conectado correctamente. La conducción comienza a aproximadamente 0,6 voltios. Los Zeners reales se ven como diodos de silicio normales correctamente polarizados. Lo que se llama conducción “directa” para un diodo es llamada 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 las siguientes consideraciones (a partir de las hojas de características suministradas por el fabricante):

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

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

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 la tensión que el zener va a mantener constante.

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

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

Por tanto el Zener es un diodo que al polarizarlo inversamente mantiene constante la tensión en sus bornes a un valor llamado tensión de Zener, pudiendo variar la corriente que lo atraviesa entre el margen de valores comprendidos entre el valor mínimo de funcionamiento y el correspondiente a la potencia de zener máxima que 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 eliminando las fluctuaciones que pueda producir tanto la tensión de línea como las cargas variables.

La regulación de línea es la medida de cuánto cambia la tensión en la carga cuando 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 a medida que cambia la corriente en la carga.

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

Se llama voltaje no regulado aquel que disminuye cuando el circuito conectado a él 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 el consumo 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 entre dos valores y como nuestro objetivo es obtener una tensión constante a la salida tendremos que hacer algo. Para resolver este problema ponemos un regulador de tensión basado en el diodo zener.

Figura 1.37: Circuito con regulador.

El circuito regulador con zener proporciona una tensión de salida casi constante a partir 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 bien entre esos 2 valores (Vs máx. y Vs mín.). En este caso Vs lo pondremos como una pila 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 Thevenin desde 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 tensión sobrante. 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 requiere disminuir más el rizado se pondría otro regulador que disminuiría más el rizado pico 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 de polarización.

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 de un modo rutinario y tiene cierta experiencia con las computadoras personales. Un componente básico de los circuitos integrados que se encuentran en estos productos electrónicos y en las computadoras es el dispositivo activo de tres terminales que se conoce como transistor. Entender este componente es esencial antes de que un ingeniero pueda iniciar el diseño de un circuito electrónico. La figura representa varios tipos de transistores que se consiguen comercialmente .Hay dos tipos básicos de transistores: transistores de unión bipolar (BJT) y transistores de efecto de campo (FET).Aquí solamente consideraremos al BJT que fue el primero de los dos y continúa utilizándose en la actualidad. Nuestro objetivo es presentar al BJT, a fin de que nos permita aplicar las técnicas para analizar los circuitos transistorizados.

2.1 Uniones NPN, PNP

En 1948, los laboratorios Bell desarrollaron un dispositivo semiconductor con tres secciones de materiales semiconductores (una configuración NPN y PNP); nos referimos al transistor. Cada transistor cuenta con dos secciones de material N separadas por una sección de material P; en tanto, cada transistor PNP cuenta con dos secciones de material P y una sección de material N. El nombre de transistor se deriva de la transferencia de resistencia. En su momento, este dispositivo fue el reemplazado directo de la válvula tríodo, que durante esa época dominaba el mundo. Por motivos de claridad, basaremos nuestra explicación en transistores de tipo NPN. Al igual que el diodo el transistor requiere ser polarizado para que realice la función en la que será empleado, para ello se coloca una fuente de alimentación (una batería) entre el colector y el emisor , de tal manera que el polo negativo de la fuente quede conectado al emisor del transistor. En la construcción interna de un transistor, existe una tercer zona llamada base; ésta separa 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 a que la barreras de potencial de las uniones se hacen tan grandes que no permiten el 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 la producción de portadores mayoritarios: es decir, huecos que pueden servir de transporte a los electrones que se encuentran en el emisor. Esto genera el paso de la corriente eléctrica desde el emisor a través de la base, saliendo por la terminal 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 el contrario se aplica un voltaje negativo no se generan portadores mayoritarios; entonces la corriente eléctrica del transistor se interrumpirá, y las barreras de potencial en las uniones se harán mas grandes.

Ahora ya sabemos que la corriente a través de un transistor puede ser controlada mediante la aplicación de un voltaje positivo o negativo en la base del mismo.Existe una característica que hace a los transistores especialmente útiles, sobre todo en los que se refiere a la aplicación de señales electrónicas: El flujo de corriente eléctrica que circula entre el emisor y el colector, puede ser de valores que 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 colector se 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 es el "Emisor". El Emisor está muy impurificado, la Base tiene una impurificación muy baja, mientras que el Colector posee una impurificación intermedia.En este ejemplo concreto el transistor es un dispositivo npn, aunque también podría ser un pnp.

En principio es similar a dos diodos:Un transistor es similar a dos diodos, el transistor tiene dos uniones: una entre el emisor y la base y la otra entre la base y el colector. El emisor y la base forman uno de los diodos, mientras que el colector y la base forman el otro. Estos diodos son denominados: "Diodo de emisor" (el de la izquierda en este caso) y "Diodo de colector" (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 sin polarizar (sin pilas y en circuito abierto) se produce una "Difusión" (como un gas en 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 las zonas n y p se creen iones positivos y negativos.

Figura 2.4

Esta difusión y recombinación se da hasta llegar al equilibrio, hasta conseguir una barrera 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 comporta como una fuente de corriente constante controlada por la intensidad de base (ganancia de corriente).Este parámetro lo suele proporcionar el

fabricante dándonos un máximo y un mínimo para una corriente de colector dada (Ic); además de esto, suele presentar una variación acusada con la temperatura y con la corriente de colector, por lo que en principio no podemos conocer su valor. Algunos polímetros son capaces de medir este parámetro pero esta medida hay que tomarla solamente como una indicación, ya que el polímetro mide este parámetro para un valor de corriente de colector distinta a la que circulará por el BJT una vez en el circuito.

2. SATURACIÓN: En esta zona el transistor es utilizado para aplicaciones de conmutación (potencia, circuitos digitales, etc.), y lo podemos considerar como 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 que lo 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 y corrientes 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 corriente de colector IC y con la temperatura. Podemos apreciar que a una temperatura fija, la ganancia crece hasta un máximo cuando 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 la ganancia 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, para temperaturas de 25 a 125ºC del encapsulado y para distintas corrientes de

colector. Así, cuando la temperatura de la cápsula vale 25ºC, observamos que para 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 una intensidad de base constante. En este caso no se limitan las curvas con la curva de máxima disipación de potencia (en algunas hojas vienen limitadas), así que hay que tenerlo muy en cuenta a la hora de realizar los cálculos, ya que no se debe trabajar por encima de dicha curva.

Curvas características de transferencia

Figura 2.9: Transistor NZT44H8

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

encontramos con una distorsión considerable, consecuencia directa de la alinealidad del transistor.

Curvas VCEsat / IC

Figura 2.10: Transistor BU1506DXNos relacionan la tensión colector-emisor de saturación con la intensidad de colector. Los otros dos parámetros característicos son la temperatura de la cápsula y la ganancia de corriente en continua (IC/IB). Como podemos apreciar, para mayor temperatura habrá mayores valores de tensión 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 las terminales se indican mediante las literales E para el emisor, C para el colector y B para la base. Se desarrollará una apreciación de la elección de esta notación cuando se analice la operación básica del transistor. La abreviatura BJT, de transistor bipolar de unión (del ingles, Bipolar Junction Transistor), suele aplicarse a este dispositivo de tres terminales. El término bipolar refleja el hecho de que los huecos y los electrones participan en el proceso de inyección hacia el material polarizado 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 la figura 2.11a. La operación del transistor npn es exactamente la misma que si intercambiaran 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 espesor de la región de agotamiento se redujo debido a al polarización aplicada, lo que da por resultado un flujo muy considerable de portadores mayoritarios desde el material 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 figura 2.11a, según se muestra en la figura 2.13. Una unión p-n de un transistor tiene polarización inversa, mientras que la otra tiene polarización inversa.

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

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

En otras palabras, tuvo lugar una inyección de portadores minoritarios al material de la región de la base tipo n. A la combinación de esto con el hecho de que todos los portadores minoritarios en la región de agotamiento atravesarán la unión con polarización 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 terminología de 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 terminal más cercana a, o que se encuentra en, el potencial de tierra. A lo largo de este libro todas las direcciones de corriente harán referencia al flujo convencional (huecos) en lugar de hacerlo respecto al flujo de electrones. Para el transistor la flecha en el símbolo gráfico define la dirección de la corriente del emisor (flujo convencional) a través del dispositivo.

Para describir en su totalidad el comportamiento de un dispositivo de tres terminales, como los amplificadores de base común se requiere de dos conjuntos de características, uno para el punto de excitación o parámetros de entrada y el otro 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 la salida o colector tiene tres regiones básicas de interés: la regiones activa, de corte y de saturación. La región activa es la que suele utilizarse para los amplificadores lineales (sin distorsión). En particular:

En la región activa la unión base - colector se polariza inversamente, mientras que la 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 compara con 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 notación que con más frecuencia se utiliza para ICO en los datos y las hojas de especificaciones es, como se indica en la figura 2.16, ICBO.

Debido a las mejoras en las técnicas de fabricación, el nivel de ICBO para los transistores de propósito general (en especial los de silicio) en los rangos de potencia 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 el diodo (ambas corrientes de fuga inversas) son sensibles a la temperatura. A mayores temperaturas, el efecto de ICBO puede convertirse en un factor importante debido a que aumenta muy rápidamente con la temperatura. En la región de corte, tanto la unión base-colector como la unión emisor-base de un transistor tienen polarización inversa. En la región de saturación, tanto la unión como la emisor - base están en polarización 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 transistor de 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 la figura 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 terminales tanto de entrada como de salida (en este caso, es común tanto a la terminal de base como a la de colector). Una vez más, se necesitan dos conjuntos de características para describir por completo el comportamiento de la configuración de emisor común: uno para el circuito de entrada o base-emisor y otro para el circuito de salida o colector-emisor. En la región activa de un amplificador de base común la unión del colector-base se encuentra polarizada inversamente, mientras que la unión base-emisor se encuentra polarizada directamente. Para propósitos de amplificación lineal (la menor distorsión), el corte para la configuración 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 de acoplamiento de impedancia, debido a que tiene una alta impedancia de entrada y una baja impedancia de salida, contrariamente a alas de las configuraciones de base común y de un emisor común.

La figura 2.18 muestra una configuración de circuito de colector común con la resistencia de carga conectada del emisor a la tierra. Obsérvese que el colector se encuentra conectado a la tierra aunque el transistor esté conectado de manera similar a la configuración del emisor común. Desde un punto de vista de diseño, no se requiere de un conjunto de características de colector común para elegir los parámetros del circuito de la figura 2.18. Puede diseñarse utilizando las características de salida para la configuración de colector común son la mismas que 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 rápidamente empleando 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 del símbolo define la dirección del flujo convencional para IC ð IE. Las alimentaciones de cd se insertan entonces con una polaridad que sostendrá la dirección de la comente 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:Reference source not found2.20. Como ya hemos visto, el número de huecos que atraviesan la base vendrá dado fundamentalmente por la facilidad que tengan estos huecos de atravesar la unión emisor–base. Esta barrera está controlada por la tensión emisor–base, VEB, siendo, por tanto, éste el único parámetro externo que controla el valor de la corriente de huecos que atraviesa el transistor. Por ello, la intensidad de colector, IC, está gobernada por VEB.

IE

IB

P Emisor

IC N Base

P Colector

RL

Figura 2.20: El transistor como amplificador

Si conectamos a la salida del colector una resistencia RL, la diferencia de potencial entre los terminales de esta resistencia será: VAD = RL IC. Dado que la resistencia RL es constante, cualquier variación de la intensidad de colector afectará a VAD

según la relación:VAD = RLIC

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

(-IC) = gm VEB

Siendo gm un parámetro denominado transconductancia y que depende del punto de funcionamiento del transistor. Entonces, la variación de la tensión entre los terminales de la resistencia será:

VAD = RL gm VEB

Para un mismo incremento de la tensión emisor–base, el valor de la tensión en bornes de la resistencia dependerá de RL. Cuanto mayor sea RL mayor será VAD, pudiéndose obtener grandes aumentos de tensión respecto a la tensión aplicada VEB.

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

mLEB

AD gRV

V

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

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 nivel superficial utilizando la red de la figura 2.22. La polaridad de corriente directa no aparece en la figura debido a que nuestro interés se limita a la respuesta en corriente alterna. Para la configuración de base común, la resistencia de corriente alterna de entrada determinada por las características de la figura 2.21 es muy pequeña y casi siempre varía entre 10 y 100 . La resistencia de salida, según se determinó en las curvas de la figura 2.15 es muy alta (mientras más horizontales sean las curvas, mayor será la resistencia) y suele variar entre 50 k y 1 M . La diferencia en cuanto a resistencia se debe a la unión con polarización directa en la entrada (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, se encuentra que:

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

IL = Ii +10 mA

VL = ILR

= (10 mA) (5 k )

= 50 V Figura 2.22: Acción básica de amplificador de 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 base común varían entre 50 y 300. La amplificación de corriente (IC / IE) es siempre menor 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 conformando varias 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 que hemos estudiado.Sabemos que Av= ganancia de voltaje de un amplificador es la relación entre el voltaje de salida y el voltaje de entrada.

i

o

V

VAv

Entonces Donde:

iV

VAv 1

1 iVAvV *11

1

22 V

VAv

iVAvAvVAvV *** 12122

23 V

VAv o

31223 **** AvVAvAvVAvV io Por tanto:

321 ** AvAvAvAvV

VT

i

o

Lo que indica que la ganancia de un sistema en cascada es la multiplicación de cada una de las ganancias de cada amplificador y la impedancia de entrada del sistema 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. Para acoplar 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, esto ocasiona que los niveles DC de la etapa anterior se sobrepongan sobre la siguiente etapa, moviendo el punto de trabajo, para compensar los niveles DC que vienen de las otras etapas se deben trabajar con diferentes fuentes de voltaje DC.

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 baja frecuencia, 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 la etapa anterior. El condensador es el elemento que permite que pase la señal alterna y bloquea la señal directa DC. Para que este elemento no afecte el circuito se desea que el condensador se comporte como un corto circuito para todas las frecuencias de trabajo.

Figura 2.25: Ejemplo de acople por condensador.

Acople por transformador

Es usado para trabajar a altas frecuencias tiene como desventaja que los transformadores son mas costosos que los condensadores. Son usados para aumentar 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 de corriente que es el producto de las dos ganancias.

Este tipo de configuración ya viene encapsulada en una solo. Y la hoja de características brinda hfe, VBE, ICmax entre otras. Se caracterizan por tener una alta impedancia de entrada, baja impedancia de salida 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 AMPLIFICADORES OPERACIONALES

3.3 CONFIGURACIONES BÁSICAS DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES

3.4 MULTIVIBRADORES

3.5 ESTRUCTURA Y ESPECIFICACIONES DE LOS CIRCUITOS TEMPORIZADORES INTEGRADOS

3.6CIRCUITOS DE TIEMPO

UNIDAD III

AMPLIFICADORES OPERACIONALES Y CIRCUITOS DE TIEMPO

La introducción de los tubos de vacío a comienzos del siglo XX propició el rápido crecimiento de la electrónica moderna. Con estos dispositivos se hizo posible la manipulación de señales, algo que no podía realizarse en los antiguos circuitos telegráficos y telefónicos, ni con los primeros transmisores que utilizaban chispas de alta tensión para generar ondas de radio. Por ejemplo, con los tubos de vacío pudieron 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 amplia variedad de tubos, diseñados para funciones especializadas, posibilitó el rápido avance de la tecnología de comunicación radial antes de la II Guerra Mundial, y el desarrollo de las primeras computadoras, durante la guerra y poco después de ella. Hoy día, el transistor, inventado en 1948, ha reemplazado casi completamente al tubo de vacío en la mayoría de sus aplicaciones. Al incorporar un conjunto de materiales semiconductores y contactos eléctricos, el transistor permite las mismas funciones que el tubo de vacío, pero con un costo, peso y potencia más bajos, y una mayor fiabilidad. Los progresos subsiguientes en la tecnología de semiconductores, atribuible en parte a la intensidad de las investigaciones asociadas con la iniciativa de exploración del espacio, llevó al desarrollo, en la década de 1970, del circuito integrado. Estos dispositivos pueden contener centenares de miles de transistores en un pequeño trozo de material, permitiendo la construcción de circuitos electrónicos complejos, como los de los microordenadores o microcomputadoras, equipos de sonido y vídeo, y satélites de comunicaciones. El primer circuito Integrado fue creado por Jack Kilby en la empresa Texas Instruments en el año de 1959; poco más de una década después de la invención del transistor en los laboratorios Bell en 1947.

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

3.1 CONSTRUCCIÓN Y TIPOS DE CIRCUITOS INTEGRADOS

QUE SON LOS CIRCUITOS INTEGRADOS

Un circuito integrado o (ci) es aquel en el cual todos los componentes, incluyendo transistores, diodos, resistencias, condensadores y alambres de conexión, se fabrican 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 que contiene los pines de conexión a los circuitos externos.

Los chips digitales más pequeños contienen varios componentes sencillos como compuertas, inversores y flip-tops. Los más grandes contienen circuitos y sistemas completos como contadores, memorias, microprocesadores, etc. La mayoría de los circuitos integrados digitales vienen en presentación tipo dip (dual in-line package) 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 del dispositivo y la fecha de fabricación.

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

La tecnología smt (surface-mount technology) es la que ha permitido obtener calculadoras 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 rápido crecimiento de la electrónica moderna. Con estos dispositivos se hizo posible la manipulación de señales, algo que no podía realizarse en los antiguos circuitos telegráficos y telefónicos, ni con los primeros transmisores que utilizaban chispas de alta tensión para generar ondas de radio. Por ejemplo, con los tubos de vacío pudieron 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 amplia variedad de tubos, diseñados para funciones especializadas, posibilitó el rápido avance de la tecnología de comunicación radial antes de la II Guerra Mundial, y el desarrollo de las primeras computadoras, durante la guerra y poco después de ella.

Hoy día, el transistor, inventado en 1948, ha reemplazado casi completamente al tubo de vacío en la mayoría de sus aplicaciones. Al incorporar un conjunto de materiales semiconductores y contactos eléctricos, el transistor permite las mismas funciones que el tubo de vacío, pero con un costo, peso y potencia más bajos, y una mayor fiabilidad. Los progresos subsiguientes en la tecnología de semiconductores, atribuible en parte a la intensidad de las investigaciones asociadas con la iniciativa de exploración del espacio, llevó al desarrollo, en la década de 1970, del circuito integrado. Estos dispositivos pueden contener centenares de miles de transistores en un pequeño trozo de material, permitiendo la construcción de circuitos electrónicos complejos, como los de los microordenadores o microcomputadoras, equipos de sonido y vídeo, y satélites de comunicaciones.

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

A partir de 1966 los Circuitos Integrados comenzaron a fabricarse por millones y en 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 son fabricados, así como los materiales de los cuales están constituidos; también veremos la clasificación de dichos circuitos de acuerdo a su estructura y la clasificación 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 relativamente complicado.

El silicio utilizado para la fabricación de chips es de una pureza de orden del 99.9999999%. Una vez sintetizado, el silicio se funde en una atmósfera inerte y se cristaliza 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 superficies de estas ultimas se pulen hasta quedar brillantes. Dependiendo de su tamaño, se obtienen varios cientos de circuitos idénticos (chips) sobre ambas superficies mediante un proceso llamado planar, el mismo utilizado para producir transistores en masa.

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

Cada rasgo de forma sobre la pastilla rociando en las regiones seleccionadas un químico protector sensible a la luz llamado photoresist, el cual forma una película muy delgada sobre la superficie 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, que evita que la luz incida sobre puntos específicos de la pastilla, cuando la luz alcanza un área determinada de la pastilla elimina el photoresist presente en esa zona. A este proceso se le denomina fotolitografía.

Mediante un proceso de revelado, el químico se deposita en las regiones descubiertas por la luz e ignora las encubiertas por la mascara. Estas últimas zonas 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 de tamaño. Ahora, los transistores alcanzan tamaños inferiores a una velocidad de respuesta de los dispositivos.

A continuación, la pastilla se calienta a altas temperaturas; esto origina que el silicio 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 delgada película aislante de unas pocas micras de espesor.

De este modo se obtiene el primer nivel de metalización de chips. Para obtener una nueva capa de metalización, el SiO2 se trata nuevamente con "photoresist" y se expone al alineador óptico, repitiéndose el mismo procedimiento seguido con el silicio del primer nivel.

Las diferentes capas van creciendo una sobre otra formando una estructura parecida a un sándwich, con el SiO2 como el pan y el metal o el silicio dopado como la salchicha, la mayoría de Circuitos Integrados no se hacen con mas de tres 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 contienen cientos de estos componentes distribuidos de manera ordenada; esto se logra por medio de la técnica llamada fotolitografía la cual permite ordenar miles de componentes en una pequeña placa de silicio.

CLASIFICACIÓN DE LOS CIRCUITOS INTEGRADOS DE ACUERDO A 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 función propia del chip (llamado Escalas de Integración) como sabemos, las compuertas son los bloques constructivos básicos de todos los circuitos digitales.

Las escalas de Integración son 4: SSI, MSI, LSI, VLSI; a continuación veremos 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 se fabrican empleando tecnologías ttl, cmos y ecl. Los primeros Circuitos Integrados eran SI.

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

LSI.- significa Large-Scale Integration (integración en alta escala) y comprende 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 se fabrican principalmente empleando tecnologías.

VLSI.- Significa Very Large Scale Integration (integración en muy alta escala) y comprende 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 ACUERDO A SU FUNCIÓN.

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

Circuitos Integrados Analógicos.

Los Circuitos Integrados analógicos se fabrican usado gran variedad de tecnologías de semiconductores, como bipolar, efecto de campo, óxidos metálicos y combinaciones de estas tres. En la mayoría de los casos el usuario no esta interesado en este aspecto de los Circuitos Integrados, ya que únicamente puede basar su trabajo en las especificaciones del fabricante. La tecnología empleada en la fabricación de los Circuitos Integrados digitales es importante para el usuario, debido a que estos se emplean en “familias lógicas”, con características eléctricas comunes que garantizan su compatibilidad. Los Circuitos Integrados analógicos se seleccionan normalmente siguiendo criterios individuales, y solo es importante su compatibilidad con los requisitos de alimentación. Incluso en este aspecto, la mayoría de los Circuitos Integrados analógicos están disponibles con amplios márgenes de alimentación, por lo que su empleo no suele estar condicionado por su compatibilidad.

3.2ESTRUCTURA Y ESPECIFICACIONES DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES

Para trabajar con AO reales es necesario tomar en cuenta consideraciones de tipo práctico pues, aunque el modelo ideal se asemeja bastante al real, éste no se comporta exactamente igual al ideal. Es importante conocer esta diferencia, ya que 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 es finita y además disminuye a medida que aumenta la frecuencia en la cual se está trabajando. 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 de voltaje (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. Esta

Versión simplificada de un AO integrado es equivalente a un AO de propósito general, similar al LM101, mA 741, o versiones de AO múltiples. Este circuito permite entender el funcionamiento interno del CI. Le etapa de entrada conformada por Q1 y Q2 forman un par diferencial con carga activaFormada por Q3 y Q4. La salida se toma desde el colector del transistor Q4. Por otro lado Q10 proporciona una polarización adecuada para el par diferencial.En la mayoría de los AO, la etapa intermedia (2ª etapa) proporciona una alta ganancia a través de varios amplificadores, en el circuito de la fig. 2.2, dicha etapa esta formada por Q5 la cual es un circuito en emisor común que proporciona una alta impedancia de entrada a la primera etapa (la que atenúa los efectos de carga). 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 ser sometidos los amplificadores, como también sus características de entrada y salida.Relación de rechazo en modo común (CMRR)Esta es la medida de la habilidad de un AO para rechazar señales en modo común. Si la misma señal alimenta a la entrada inversora como a la no inversora de una configuración diferencial, la salida vo debiera ser cero, sin embargo, debido a la componente en modo común esto no ocurre. La capacidad de atenuar esta componente es lo que se conoce como CMRR y comúnmente se expresa en decibeles (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 caja adecuada, 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 de montaje superficial (SMT), en formato PLCC (Plastic Lead Chip Carriers) o "chip con encapsulado de plástico" indicado en la fig. 2.19c. Los diferentes tipos de montaje 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 desde arriba. 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 que permite sabe quien lo fabrica, que tipo de amplificador es, de que calidad es y que tipo de encapsulado tiene. No todos los fabricantes utilizan el mismo código, pero la mayoría utiliza un código que consta de cuatro partes escritas en el siguiente orden:

Número del Circuito: Se compone de tres a siete números y letras que identifican el 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 que tanto la señal de entrada como la señal amplificada de salida trabajan solamente en la zona lineal de la misma. Ic es siempre saliente (fig.1) Los amplificadores Clase A se emplean siempre que la forma de onda de salida haya de ser la misma, con una distorsión mínima, que la de la señal de entrada. Los amplificadores operacionales y los amplificadores “de pequeña señal”, como por ejemplo amplificadores de radio frecuencia, amplificadores de frecuencia intermedia, 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 punto central de la zona lineal de la curva Ic. Como resultado se ello se tiene que una mitad de la salida será una reproducción lineal de una mitad de la entrada, pero la segunda mitad de la salida estará parcialmente suprimida. Existen dos versiones Clase AB1 y Clase AB2. En Clase AB2 el punto Q esta muy cerca del punto de corte; en Clase AB1 este se sitúa aproximadamente un 20% o 30% por encima del punto de corte. Ambas versiones de usan en circuitos push-pull minimizándose la distorsión de cruce mediante, compensación mutua. Los amplificadores Clase AB1 y AB2 son ampliamente utilizados en la excitación de altavoces y motores de servomecanismos, 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 el punto de corte de la curva del circuito integrado, teniendo esto como resultado la amplificación de solo medio ciclo de la señal sinusoidal de entrada. Los amplificadores Clase B son sistemáticamente empleados en configuraciones complementarias push-pull. En esta configuración, uno de los amplificadores trabaja sobre los semiciclos positivos de la señal de entrada, mientras que el otro lo hace sobre el semiciclo negativo de la señal sinusoidal de entrada. Ampliamente utilizado como amplificadores de audio, amplificadores para servomecanismos y aplicaciones similares en las que es esencial una alta linealidad en la seña sinusoidal de salida, los amplificadores en Clase B gozan de una excelente eficiencia y un buen comportamiento en lo relativo a la presencia de armónicos de segundo y tercer orden. Aparece cierta distorsión en el punto de cruce debido a la ligera linealidad de la curva Ic en este punto. El componente representativo de estos 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 es amplificada a la salida. Los amplificadores Clase C son utilizados usualmente en osciladores de radio frecuencia y, en algunos casos en transmisores de radio frecuencia. En estas aplicaciones el efecto del circuito resonante proporciona la otra mitad del ciclo. Alta eficiencia es la característica esencial para los amplificadores Clase C en circuitos de radio frecuencia adecuadamente diseñados y ajustados.

Los parámetros fundamentales son:

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

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

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

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

AMPLIFICADOR DE CORRIENTE (SEGUIDOR LINEAL).

Los amplificadores de corriente son básicamente amplificadores Clase A que tienen usualmente una ganancia en tensión de 1 y funcionan efectivamente como en transformadores de impedancias*. Su característica principal es su capacidad de manejar importantes corrientes de salida. Algunas veces se denominan seguidores lineales por similitud con los circuitos seguidores de emisor con transistores. Los amplificadores de corriente son frecuentemente utilizados, conjuntamente con amplificadores operacionales, dentro del lazo de realimentación para proporcionar una corriente de salida adicional.

AMPLIFICADOR DIFERENCIAL.

Los amplificadores diferenciales tienen dos terminales de entrada, aislados ambos respecto de masa a través de la misma impedancia como se muestra en la figura 2. Básicamente similar a los amplificadores de tensión Clase A, el amplificador diferencial amplifica solamente la diferencia de tensión entre sus dos terminales de entrada. Las señales que aparecen en ambos terminales no son amplificadas, permitiendo el amplificador diferencial extraer pequeñas señales en presencia de fuertes interferencias electromagnéticas. Esta capacidad de rechazar señales comunes a ambos terminales de entrada se especifica en la relación de rechazo al modo 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 su salida, 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 del amplificador de entrada también debe estar aislada de forma que no exista conexión en bajas frecuencias o en continua entre las secciones de entada y salida del amplificador. El funcionamiento de los amplificadores por aislamiento óptico es similar, sustituyéndose en transformador de RF por un opto-acoplador. Los amplificadores de aislamiento están generalmente encapsulados en una unidad y se emplean en aquellas aplicaciones que requieren muy bajos niveles de conducta en continúa o a través de alimentación. Los amplificadores de aislamiento siempre requieren fuentes de alimentación aisladas así como cables convenientemente aislados entre la fuente alimentación y el amplificador. En algunos casos se emplean baterías para evadir el problema de aislamiento de la fuente de alimentación. El componente representativo es el Análoga Devices AD293.

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AMPLIFICADOR DE POTENCIA DE AUDIO

Estos dispositivos son amplificadores de potencia de baja frecuencia (generalmente desde 40Hz a 20.000Hz). Internamente están diseñados como amplificadores de potencia en clase B y ofrecen una ganancia de potencia razonable (entre 5 y 10 W típicamente), así como bajos niveles de distorsión. Para manejar las potencias digitales, la mayoría de los integrados poseen varios terminales planos y grandes que se conectan a masa y actúan como radiadores térmicos. Estos integrados ofrecen además funciones adicionales, como por ejemplo shut-down térmico, protección contra sobre tensiones y compensaciones en frecuencia. La salida esta diseñada para trabajar sobre bajas impedancias (un altavoz de 4 ohmios es típico).

Parámetros fundamentales

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

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

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

amplificador de potencia. Los puntos de atención prioritaria incluyen los detalles físicos del montaje y los datos de potencia térmica. Los terminales anchos del integrado se emplean para la conducción del calor fuera del integrado y serán muy eficaces si se utilizan con propiedad. El fabricante entrega generalmente información mostrando la disipación de potencia frente a la temperatura indican como debe reducirse la disipación de potencia al aumentar la temperatura ambiente. La disipación de potencia especificada para un integrado lo es para temperatura ambiente (25 grados Celsius).

3.4 MULTIVIBRADORES

Los multivibradores son en realidad osciladores, pero su forma de onda es una señal 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 la necesidad de más excitación exterior que la propia fuente de alimentación.

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

MULTIVIBRADOR ESTABLE.

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

Si dividimos un multivibrador estable en dos verticalmente, se puede observar que es 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 será simétrica, es decir, la duración de ambos niveles de tensión de cada ciclo será idéntica.

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

Las formas de onda de salida Vo1 y Vo2 está desfasadas 180º; mientras una está en su nivel superior la otra está en el inferior. Esto es debido a la situación de T1 en corte y T2 en saturación, y viceversa.

FUNCIONAMIENTO

Si consideramos un instante en el que T2 esté en saturación y T1 en corte, C1 se empezará a cargar a través de T2 y R1, y, como el punto de unión de C1 y R2 está conectado a la base de T2, llegará un momento en que la tensión en la base de T2 es insuficiente para que T2 permanezca saturado, con lo que al conducir menos la tensión Vo2 aumentará, iniciando el proceso descrito anteriormente pero en 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 de esta 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 T2 y 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 había cargado C2, al conectar su terminal positivo a masa a través de T2, al inicio de la descarga, en la base de T1 se reflejan -Vcc voltios, aproximadamente, que es la carga 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 que

C1 = C2 y R1 << R3

Una vez que C2 se ha descargado totalmente empezará a cargarse en sentido contrario, esto es, el punto de unión de C2 y R3 será ligeramente positivo, por lo que también se aplicará polarización directa a la base de T1, que provocará el basculamiento 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 a descargarse a través de R2 y T1.

De forma análoga al proceso anterior, la base de T2 se encuentra en el instante de la conmutación sometida a un potencial negativo próximo a -Vcc que va disminuyendo 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 sentido contrario, que hará de nuevo conmutar al circuito, pasando T2 a saturación y T1 a corte, 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 con facilidad.

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 les aplique una señal exterior que les haga cambiar al estado contrario para, posteriormente, regresar de nuevo al de reposo y permanecer en él hasta la presencia de un nuevo impulso de excitación.

Biestable, que pueden permanecer en cualquiera de los dos estados de forma indefinida, si no se les aplica una señal exterior que les haga cambiar al estado contrario.

El multivibrador monoestable no es estrictamente un oscilador, pero en determinadas circunstancias se puede comportar como tal, aunque siempre controlado 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 el circuito 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 este estado estará un tiempo determinado por R2 y C1, y volverá de nuevo al estado primitivo.

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

Funcionamiento

Si suponemos inicialmente T2 en saturación, debido a la ausencia de tensión en la base 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 circuito permanece en esta situación indefinidamente.

Si aplicamos un impulso de amplitud suficiente en Vd, T1 pasará a saturación, por lo que Vo1 se hará prácticamente 0 y en la base de T2 se reflejará una tensión negativa de valor próximo a -Vcc que hará que T2 pase al corte; por ello Vo2 tomará 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 tiempo

T = 0.69 · R2 · C1

Una vez descargado empezará a cargarse en sentido contrario, esto es, la placa conectada a la base de T2 se hará positiva y una vez alcanzada tensión suficiente en ese punto, T2 pasará a saturación, por lo que Vo2 se hace 0 y, de nuevo, T1 pasa al corte hasta la aparición de un nuevo impulso de disparo en Vd.

3.5 ESTRUCTURA Y ESPECIFICACIONES DE LOS CIRCUITOS TEMPORIZADORES INTEGRADOS

Los sistemas digitales pueden operar en forma sincrónica o asincrónica. En los sistemas asincrónicos las salidas de los circuitos lógicos pueden cambiar de estado en el momento en que una o más de las entradas cambien. En los sistemas sincrónicos los tiempos exactos en que una salida puede cambiar de estado se determinan por medio de una señal que comúnmente se le denomina señal de reloj. Esta señal es una serie de pulsos rectangulares o cuadrados y se distribuye a todas las partes del sistema y algunas de sus salidas cambian de estado sólo cuando la señal de reloj hace una transición. Cuando la señal de reloj 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). El símbolo indica que el MVB tiene dos salidas Q y Q' inversas entre sí. Q recibe el nombre de salida normal del MVB, mientras que Q' es la salida negada o invertida. Siempre que se haga referencia al estado del MVB, éste será el de su estado normal y se entiende que Q' se encontrará en estado opuesto.

Características de los multivibradores sintonizados por reloj:

1. Los multivibradores (MVB) sincronizados por reloj tienen una entrada de reloj designada CLK (Clock-reloj). Esta entrada se dispara por flanco, lo que significa que es activada por una transición de señal; esto se especifica por la presencia de un triángulo en la entrada del reloj. Posteriormente, se explican detalladamente los MVB disparados por flanco.

2. Los MVB sincronizados por reloj también poseen una o más entradas de control que pueden tener varios nombres, lo que depende de su operación; su efecto está sincronizado con la señal aplicada en la entrada CLK. Por esta razón se les llama entradas sincronizadas de reloj.

3. Las entradas de control hacen que las salidas del MVB estén listas para cambiar, mientras que la transición activa en la entrada CLK 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 entradas S 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 x significa que es un término indiferente, es decir, puede tomar el valor de 1 o 0; la ecuación 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 y R=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 las observaciones anteriores:

S R Q+

0011

0101

Q01x

De la misma tabla de estados, se observa que cuando Q=Q+=0, S=0 y R puede ser 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 de excitación 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 pueden determinar qué valores de las variables de entrada, S y R, produjeron dichas salidas. Nuevamente, de la tabla de estados se determina la función canónica para Q+:Q+(S, R, Q)= 3m (1,4,5) + 3x (6,7) Se simplifica por mapas de Karnaugh, como se muestra en la figura adjunta, y se obtiene la ecuación de estados, 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 de multivibrador, cuyo logigrama se presenta en la figura adjunta.

Tabla deESTADOS

S R Q Q+

00001111

00110011

01010101

010011xx

comoMEMORIApuesta aCEROSpuestas aUNOSestadosPROHIBIDOS

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+ presenta estados prohibidos. La tabla característica se obtiene a partir de la tabla de estados, en esta tabla se incluye 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 el valor del estado presente (Q). En las otras combinaciones, cuando CLK=1, se presentan las 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 estados prohibidos (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

0 0 0 x

011

101

10x

010

De tabla de excitación se observa, que dadas las salidas Q y Q+, se pueden determinar qué valores de las variables de entrada, S y R, produjeron dichas salidas. Se observa 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 Para determinar la ecuación de estados, se debe tener una tabla ampliada de la tabla de estados, 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+

0123456789101112131415

0000000011111111

0000111100001111

0011001100110011

0101010101010101

01010101010011xx

Obsérvese que cuando CLK=0, combinaciones 0-7, Q+=Q, por tanto Q+=1 para las combinaciones 1, 3, 5 y 7; para CLK=1, combinaciones 8-15, se tiene que para cuando S=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 las combinaciones 12 y 13. La figura siguiente, muestra la función de conmutación de Q+, el mapa de Karnaugh para 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 por reloj 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 el biestable cambia de estado. En otras palabras, el nombre del MVB se deriva de la habilidad de variar (toggle) o cambiar de estado. Independientemente del estado presente del multivibrador, éste asume el estado de complemento cuando ocurre el 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 de entrada 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 estado presente, Q+=Q, y cuando T=1, el estado siguiente es igual al complemento del estado presente, es decir: Q+=Q'. Finalmente, la tabla de excitación presenta como entradas a las variables de estado presente y siguiente, Q y Q+, y como salida a la variable T que las produce:

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 se observa 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 T sincronizado por reloj con TPP.

MULTIVIBRADOR DISPARADO POR FLANCO

Un 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 de reloj. Cuando el nivel de entrada excede este umbral, se cierran las entradas y el multivibrador se hace inactivo a cambios posteriores en las entradas hasta que el pulso de reloj regresa a cero y ocurre otro pulso. Las figuras siguientes, corresponden al diagrama a bloques de un multivibrador tipo D disparado por flanco positivo y la gráfica de tiempo. El valor de entrada D se transfiere a la salida Q cuando CLK tiene una transición de pendiente positiva (TPP).

La transición de reloj positiva efectiva incluye un tiempo mínimo llamado tiempo de establecimiento, en el cual la entrada D debe permanecer en un valor constante antes de la transición y un tiempo definido llamado tiempo de retención, donde la entrada D no debe cambiar después de la transición positiva. La transición 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 negación enfrente de CLK, indicando que fue disparado por flanco negativo. En este caso el multivibrador 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 es obsoleto, aunque puede encontrarse en equipos viejos, algunos estándares en la familia TTL son 7473, 7476 y 74107; las nuevas tecnologías, tales como 74LS, 74AS, 74ALS y 74HCT, no incluyen ningún multivibrador maestro/esclavo dentro de 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, los niveles presentes de las entradas de control (CLK, S, R) se emplean para determinar 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'. Por

tanto, ambas cambian sólo después de cada TPN del reloj. En conclusión, el multivibrador maestro/esclavo debe mantener estables las entradas de control, mientras que CLK se encuentre en estado ALTO, de lo contrario puede ocurrir una operación no previsible. Las siguientes figuras muestran el diagrama a bloques de un multivibrador maestro/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 salida Y del primer par de compuertas con acoplamiento transversal del elemento maestro es igual que Z, entonces Y=0.La entrada uno pasa a 1 antes de que el pulso 2 del reloj se acople a dicha entrada, de p=0 y después de un retardo de compuerta sigue al borde delantero del pulso 2.Después de un retardo de compuerta adicional, la salida Y del elemento maestro va a 1. Obsérvese que no existe ninguna otra actividad del circuito hasta que el reloj 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 de compuerta, Z=1

Los multivibradores disponibles en CI proporcionan 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 al multivibrador en el nivel negativo de la señal de entrada sin necesidad de un pulso de reloj. Estas entradas son útiles para llevar a los multivibradores a un estado inicial antes de su operación cronometrada.Sincronización de multivibradores. La mayoría de los sistemas digitales son sincrónicos en su operación, pues la generalidad de las señales cambiarán estados de sincronización con las transmisiones del reloj. En algunos casos, existirá una señal interna que no esté sincronizada por el reloj, por lo que será una señal asincrónica. Las señales asincrónicas ocurren a menudo como resultado de una señal interruptora al azar, en relación con la señal de reloj. Esta selección no programada puede producir resultados impredecibles.

1.6 CONVERSIÓN ENTRE MULTIVIBRADORES1. Obtener un multivibrador J-K a partir del multivibrador tipo D, como se muestra en el diagrama de bloques adjunto.Pasos a seguir:a) Obtener la tabla de estados del multivibrador que se desea alcanzar:Tabla de ESTADOSDe 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 logra complementando 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 muestra en 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 excitación del multivibrador tipo T. Así, cuando Q y Q+ tengan el mismo valor de verdad T=0 y 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 valor de verdad, por tanto T=0; para las combinaciones 3, 4, 6 y 7, Q y Q+ tienen distinto valor de verdad, por tanto T=1. Expresando a T en función de J, K y Q, se tiene la siguiente función canónica:T(J,K,Q)=3m(3,4,6,7)Reduciendo por mapas K:

Y realizando el logigrama, se tiene:

Tabla de ESTADOS

DEC J K Q Q+

01234567

00001111

00110011

01010101

01001110

comoMEMORIApuesta aCEROSpuesta aUNOScomplemento de Q

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 desea alcanzar):

Tabla deESTADOS

D Q Q+

0011

0101

0011

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

Tabla deESTADOS

D Q Q+

0011

0101

0011

Se genera una tercera tabla para relacionar a D y Q con J y K. Esto se logra agregando tres columnas a la tabla de estados del MVB tipo D; una a su izquierda que 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 de excitación del multivibrador J-K; es decir, cuando Q=Q+=0, J=0 y K=x; cuando Q=0 y Q+=1, entonces J=1 y K=x y así sucesivamente, como se muestra a continuación:

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

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

Tabla deESTADOS

DEC D Q Q+ J K

0123

0011

0101

0011

0x1x

x1x0

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 CIRCUITOS INTEGRADOS

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, que es el número de símbolos distintos que utiliza, y además es el coeficiente que determina cuál es el valor de cada símbolo dependiendo de la posición que ocupe. El sistema binario es el sistema de numeración que utiliza internamente los circuitos 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 utilizan una 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 a 1000, 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 se manejan sólo 2 dígitos (0 y 1), de tal forma que cuando el resultado excede de los símbolos 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 = 0 0 + 1 = 1

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

Ejercicios: 100100+010010 110110 Resta Binaria Es similar a la decimal, con la diferencia de que se manejan sólo 2 dígitos, y teniendo en cuenta que al realizar las restas parciales entre dos dígitos de idénticas posiciones, uno del minuendo y otro del sustraendo, si el segundo excede al primero, se sustraes una unidad del dígito de más a la izquierda en el minuendo (si existe y vale 1), convirtiéndose este último en 0 y equivaliendo la unidad extraída a 1*2 en el minuendo de resta parcial que estamos realizando. Si es 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 = 0 0 - 1 = no cabe

1 - 0 = 11 - 1 = 0

Multiplicación binaria

1 11 Acarreos

11001 + 10011 101100

Se realiza similar a la multiplicación decimal salvo que la suma final de los productos se hace en binario. Las tablas de multiplicar son:

Tabla del 0 Tabla del 1

0 * 0 = 0 0 * 1 = 0

1 * 0 = 01 * 1 = 1

Ejercicios: 110101 * 001101 110101 000000 110101 110101 1010110001 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 se hacen en binario. Ejemplos: 100010 110

110↓↓

1010 101→ Cociente

110 100 → Resto

111111 * 101010 000000 111111 111111 111111 101001010110

10001000100 101010

101010

110100 11010 → Cociente

101010 101010 101010 00 → 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 derecha quede en la zona superior y el dígito de la izquierda quede en la zona inferior. Se repetirá el siguiente proceso para cada uno de los dígitos comenzando por el inferior: 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 binarios con o sin decimales. Consiste en realizar la multiplicación del dígito binario por la potencia 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 entero decimal a su respectivo número entero en binario. Se trata de dividir sucesivamente el número decimal y los sucesivos cocientes entre 2, hasta que el cociente en una de las divisiones tome el valor de 0. La unión de todos los restos obtenidos, escritos en orden inverso, nos proporciona el número expresado en binario. 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 a su 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 la fracción que buscamos. A continuación, repetimos el mismo proceso con la parte fraccionaria del resultado anterior. Repetiremos de esta forma, hasta que desaparezca la parte fraccionaria de los resultados parciales o hasta que tengamos 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 4 a partir del punto decimal hacia la izquierda y hacia la derecha, sustituyendo cada cuarteto por su correspondiente dígito hexadecimal, de acuerdo a la siguiente tabla. Ejemplo:

0111101110100011.10111100 → 7BA3.BC 0111 1011 1010 0011. 1011 1100 7 B A 3 . B C De hexadecimal a binario Para convertir números hexadecimales a binarios se sustituye cada dígito hexadecimal por su representación binaria con cuatro dígitos de acuerdo a la anterior tabla. Ejemplo: 2BC → 1010111100 2 B C

Dígitohexadecimal

Dígitos binarios

0 0000

1 0001

2 0010

3 0011

4 0100

5 0101

6 0110

7 0111

8 1000

9 1001

A 1010

B 1011

C 1100

D 1101

E 1110

F 1111

0010 1011 1100

De binario a octal Para convertir números binarios a octal, se sigue el método que se usa para convertir de binario a hexadecimal, pero aquí se agrupan los dígitos de 3 en 3 a partir 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 la siguiente tabla.

Dígitooctal

Dígitos binarios

0 000

1 001

2 010

3 011

4 100

5 101

6 110

7 111

Ejemplo: 1010111100 → 1274 1 010 111 1001 2 7 4

4.2 EL TRANSISTOR COMO CONMUTADOR

Aplicar los transistores no se limita únicamente a la amplificación de señales. A través de un diseño adecuado pueden utilizarse como un interruptor para computadora 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 aplicó sobre la base o a la terminal de entrada. También obsérvese la ausencia de una fuente de dc conectada al circuito de la base. La única fuente de dc está conectada al colector o lado de la salida, y para las aplicaciones de computadoras normalmente es igual a la magnitud del nivel "alto" de la señal aplicada, en este caso 5 V.

Figura 4.24. Transistor inversor.

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

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

ICsat = Vcc/ Rc

Transistor en conmutación

Tenemos un interruptor en posición 1, abierto:

IB = 0 IC = 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, por lo 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 en electrónica 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 es exacto, lo exacto es:

Entonces se cogen los márgenes, pero como están muy separados se desprecia y no se le da importancia a ese pequeño error.

Conmutación ideal

La acción de conmutación de los transistores, bien sean bipolares (BJT) o de efecto campo (MOSFET). La conmutación se puede describir de una forma sencilla como la posibilidad de un dispositivo de saltar o cambiar entre dos

posiciones 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 los transistores, ambos estados se identifican con las situaciones de Saturación y Corte.

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 corriente suficiente a la base) el transistor conduce y entra en saturación. En esta situación, el transistor se comporta idealmente como un interruptor cerrado entre el colector y el emisor, como ilustra la figura 1.a. Cuando la base está a menos de 0,7 V por encima del emisor, el transistor no conduce y se comporta como un interruptor abierto 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 en su construcción y en su funcionamiento interno de los transistores bipolares, pero su acción de conmutación es básicamente la misma. Idealmente, funcionan como interruptores abiertos o cerrados, dependiendo de su entrada.

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

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

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.

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

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 conceptos básicos 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 realizar funciones dando un nivel de tensión a la salida que puede ser alto o bajo. Alto significa 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 no son fijos, hay fluctuaciones entre dos márgenes, tanto alto como bajo. En esta tabla comparativa entre las dos tecnologías se observan las diferencias que son capaces de soportar de niveles de tensión. Se dice que zona prohibida es aquella en la que no se puede garantizar un nivel lógico 1 o 0. Este es un concepto importante, pues en electrónica digital lo que pretendemos es enviar información fiable.

TecnologíaZona prohibidaentrada

Zona prohibida salida

Vcc VIH VIL VOH VOL

TTL 0.8 a 2v0.4 a 2.4v

5v 2 a 5.5v 0 a 0.8v 2.4 a 5.5v 0 a 0.4v

CMOS1.5 a 3.5v

0.01 a 4.99v

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 conocer teóricamente el comportamiento de las puertas lógicas, en función de los niveles que se aplican a la entrada. Más adelante veremos como además nos van a servir para diseñar circuitos digitales

PUERTA AND

En las escenas de esta página se muestran las tres puertas lógicas elementales y que son la base de cualquier circuito digital. De hecho con esas puertas bastaría para poder diseñar cualquiera de ellos. En las dos páginas siguientes veremos otras puertas que permiten simplificar el diseño e implementación de los circuitos lógicos más complejos. Cualquiera de estas puertas existen cómo productos comerciales electrónicos. Los símbolos usados en las escenas, para representar las puertas, son los estandares empleados en electrónica digital. Así mismo se representa la notación booleana de la función representada por cada una de las puertas 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 dos entradas (inputs) y una salida (output). Las variables A y B representan dos variables booleanas cualesquiera y, modificando sus valores, podemos ver cómo se modifica el valor de salida. Una puerta "Y" la podemos imaginar como la entrada a un comercio en el que hay una barrera y una puerta a continuación. Si una 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 están abiertas (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 verdadera su conjunción.

SÍMBOLO FUNCIÓN

S = A . B

TABLA DE VERDAD ANIMACION

A B S0 0 00 1 01 0 01 1 1

PUERTA NAND

En las escenas de esta página se presentan dos nuevas puertas lógicas, la puerta NO-Y y la puerta NO-O. Dichas puertas permiten implementar circuitos con un menor número de componentes y, así mismo, ayudan a poder simplificar algunas expresiones que resultarian algo complejas si únicamente dispusieramos de las puertas 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 invierten las salidas de una Y y una O, respectivamente.

En la realidad, las puertas NO-Y , por razones prácticas, se suelen comercializar con 2, 3 o 4 entradas. Igualmente sucede con las puertas NO-O. Estas puertas

tienen la característica que con ellas se puede implementar cualquier expresión booleana sin usar ninguna otra puerta de otro tipo. Por ello están presentes, en gran cantidad, en un sinfín de circuitos integrados (sumadores, flips-flops,...)

SÍMBOLO FUNCIÓN

BAS

TABLA DE VERDAD ANIMACIÓN

A B S0 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 escena anterior, verás cómo varía la salida correspondiente. Un ejemplo físico sencillo que se asemeja al comportamiento de una puerta O sería el de una puerta de doble hoja de una casa. Basta abrir una de las dos hojas para poder entrar o abrir las dos hojas. Hay ejemplos más complejos pero éste resulta suficientemente claro).

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

SIMBOLO FUNCION

BAS

TABLA DE VERDAD ANIMACION

A B S0 0 00 1 11 0 11 1 1

PUERTA NOR

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

SIMBOLO FUNCION

BAS

TABLA DE VERDAD ANIMACION

A B S0 0 10 1 01 0 01 1 0

PUERTA EX-OR

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

SIMBOLO FUNCION

)()( BABABAS

TABLA DE VERDAD ANIMACION

A B S0 0 00 1 11 0 11 1 0

4.4 ÁLGEBRA BOLEANA

Se define como álgebra de Boole a un sistema matemático con un conjunto de elementos B y dos operaciones binarias cerradas (·) y (+) siempre y cuando se cumplan 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·ca+(b·c) = (a+b)·(a+c)

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

a+0 = aa·1 = a

• P4.- para cada elemento, a, del conjunto B, existe otro elemento denominado complemento, 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 de dualidad:Cualquier teorema o identidad algebraica deducible de los postulados anteriores puede transformarse en un segundo teorema o identidad válida sin más que intercambiar 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 conjuntoB.Mientras que una variable es un símbolo que representa un elemento arbitrario del álgebra, 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 o negación 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’ = 1a·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’ = 0y 0’ = 1Demostración.- Si fuese cierto, deberían cumplir el cuarto postulado del álgebra:1 = 0 + 0’0 = 0 · 0’Por ser único l complemento: 0’ = 11 = 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 = aa · 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 que el complemento del complemento de a es a, es decir, (a’)’ = aDemostración.-

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

Teorema 2.6.- (o Teorema de absorción) Para cada par de elementos, a y b, se verifica: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 + ba · (a’ + b) = a · bDemostración.-a + a’ · b = (a + a’)·(a + b) = 1·(a + b) = a + ba · (a’ + b) = a · a’ + a · b = a · b

Teorema 2.8.- (o Leyes de DeMorgan) Para cada par de elementos, a y b, se verifica(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 = 0a · b + (a · b)’ = a · b + a’ + b’ = a · b + a’ + a · b + b’ == a + a’ + b + b’ = 1 + 1 = 1a · 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 de elementos se verifica:(X0 + X1 + … + Xn) = X0 · X1 · … · Xn(X0 · X1 · … · Xn) = X0 + X1 + … + XnTeorema 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 y c, 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 a los operadores binarios (salvo los postulados que deberían cumplir). Si particularizamos para el casode los circuitos digitales, restringimos el conjunto de elementos a los dos dígitos binarios 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 de un álgebra de Boole. La demostración de esta afirmación se realiza mediante la verificación 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 de esta álgebra reciben los siguientes nombres:• Operador + operador OR• Operador · operador AND• Operador ‘operador NOTY los circuitos electrónicos que realizan estas operaciones se denominan puertas (OR, AND y NOT o inversor). Estas puertas tienen unos símbolos especiales, los cuales son mostrados en la figura 2.1. Éstos son los símbolos tradicionales; y aunque existe una simbología internacional también mostrada, usaremos preferentemente estos símbolos:

Aritmética binaria.Una vez visto el álgebra de Boole, y en particular el de conmutación, pasaremos a ver 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. La tabla de combinaciones para la suma de dos entradas es la tabla 2.10, que se encuentra junto a un ejemplo:

Resta.

La resta binaria tiene dos salidas: resta y desbordamiento. La salida resta es el resultado, mientras que el desbordamiento es lo que se le vuelve a restar a la siguiente suboperación, como si fuese un nuevo substraendo. La tabla de combinaciones 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 número negativo, en la resta binaria se puede hacer lo mismo. El número negativo en binario es el denominado complemento a dos de dicho número, representado por 2B. El complemento a dos de un número binario se calcula invirtiendo dicho número 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 la derecha se deja todo igual hasta encontrar el primer 1 (inclusive) y a partir de ahí se invierte la parte restante bit a bit.En el caso de que el resultado sea negativo, tanto con la suma con el complemento a dos como en la resta binaria, el número que se obtiene es el número negativo binario, y por tanto, el complemento a dos del número en cuestión.Desplazamiento.En el caso que queramos realizar operaciones complejas (multiplicación y/o división) con números de potencia de dos (2, 4, 8, 16, 32), éstas resultan muy simples por propia construcción del código binario. La multiplicación (división) por 2n se realiza desplazando el punto decimal n dígitos a la derecha (izquierda). En el caso de que no existan más dígitos, se rellenarán con ceros. Esta forma se puede demostrar por la expresión polinómica de los números binarios.

Multiplicación.La multiplicación de dos números binarios cualesquiera se basa en la tabla 2.12 de 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 de un algoritmo. El algoritmo que vamos a emplear será el siguiente. El divisor se alineará 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 a la derecha y el divisor se desplaza un dígito a la derecha y volvemos a restar. Si el resultado es positivo, al cociente se le añade un 1 a la derecha y al resultado de la resta se le añade el dígito inmediatamente siguiente de la derecha del dividendo, y se 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 OPERACIONES DIGITALES

Un computador digital, como su nombre lo indica, es un sistema digital que realiza diversas operaciones de cómputo. La palabra Digital implica que la información que se representa en el computador por medio de variables que toman un número limitado de valores Discretos o cuantizados. Estos valores son procesados internamente por componentes que pueden mantener un número limitado de estados discretos. Los dígitos decimales por ejemplo, proporcionan 10 valores discretos ( 0 .. 9 ). Como sabemos en la práctica, los computadores funcionan más confiablemente si sólo utilizan dos estados equiprobables. Debido al hecho que los componentes electrónicos atienden a dos estados ( encendido / apagado ) y que la lógica humana tiende a ser binaria ( esto es, cierto o falsa, si o no ) se utiliza el 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 grupos de bits. Utilizando diversas técnicas de codificación los grupos de bits pueden hacerse que representen no solamente números binarios sino también otros símbolos discretos cualesquiera, tales como dígitos decimales o letras de alfabeto. Utilizando arreglos binarios y diversas técnicas de codificación, los dígitos binarios o grupos de bits pueden

utilizarse para desarrollar conjuntos completos de instrucciones para realizar diversos tipos de cálculos.

La información binaria se representa en un sistema digital por cantidades físicas denominadas señales, Las señales eléctricas tales como voltajes existen a través del sistema digital en cualquiera de dos valores reconocibles y representan un a variable binaria igual a 1 o 0. Por ejemplo, un sistema digital particular puede emplear una señal de 3 [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 desviación aceptable del valor nominal. La región intermedia entre las dos regiones permitidas se cruza solamente durante la transición de estado. Los terminales de entrada de un circuito digital aceptan señales binarias dentro de las tolerancias permitidas y los circuitos responden en los terminales de salida con señales binarias que caen dentro de las tolerancias permitidas.

La lógica binaria tiene que ver con variables binarias y con operaciones que toman un sentido lógico. Es utilizada para escribir, en forma algebraica o tabular. La manipulación y. procesamiento de información binaria. La manipulación de información binaria se hace por circuitos lógico que se denominan Compuertas.

Las compuertas son bloques del hardware que producen señales del binario 1 ó 0 cuando se satisfacen los requisitos de entrada lógica. Las diversas compuertas lógicas se encuentran comúnmente en sistemas de computadores digitales. Cada compuerta tiene un símbolo gráfico diferente y su operación puede describirse por medio de una función algebraica. Las relaciones entrada - salida de las variables binarias para cada compuerta pueden representarse en forma tabular en una tabla de verdad.

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

Compuerta ADN:

Cada compuerta tiene una o dos variables de entrada designadas por A 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 la entrada B están ambas en el binario 1: de otra manera, la salida es 0. Estas condiciones también son especificadas en la tabla de verdad para la compuerta AND. La tabla muestra que la salida x es 1 solamente cuando ambas entradas A y B están en 1 . El símbolo de operación algebraico de la función AND es el mismo que el símbolo de la multiplicación de la aritmética ordinaria (*). Podemos utilizar o un punto entre las variables o concatenar las variables sin ningún símbolo de operación entre ellas. Las compuertas AND pueden tener más de dos 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 salida es 1 si la entrada A o la entrada B o ambas entradas son 1; de otra manera, la salida es 0. El símbolo algebraico de la función OR (+), similar a la operación de aritmética de suma. Las compuertas OR pueden tener más de dos entradas y por definición la salida es 1 si cualquier 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 la variable binaria. Si la variable binaria posee un valor 0, la compuerta NOT cambia su estado al valor 1 y viceversa. El círculo pequeño en la salida de un símbolo gráfico de un inversor designa un complemento lógico. Es decir cambia los valores binarios 1 a 0 y viceversa.

Compuerta Separador:

Un símbolo triángulo por sí mismo designa un circuito separador no produce ninguna función lógica particular puesto que el valor binario de la salida es el mismo de la entrada. Este circuito se utiliza simplemente para amplificación de la señal. Por ejemplo, un separador que utiliza i volt para el binario 1 producirá una salida de 3 volt cuando la entrada es 3 volt. Sin embargo, la corriente suministrada en la entrada es mucho más pequeña que la corriente producida en la salida. De ésta manera, un separador puede excitar muchas otras compuertas que requieren una cantidad mayor de corriente que de otra manera no se encontraría en la pequeña cantidad de corriente aplicada a la entrada del separador.

Compuerta NAND:

Es el complemento de la función AND, como se indica por el símbolo gráfico que consiste en un símbolo gráfico AND seguido por un pequeño círculo. La designación NAND se deriva de la abreviación

NOT - 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 un símbolo gráfico OR seguido de un círculo pequeño. Tanto las compuertas NAND como la NOR pueden tener más de dos entradas, y la 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 la compuerta OR excepto por una línea adicional curva en el lado de la entrada. La salida de esta compuerta es 1 si cada entrada es 1 pero excluye la combinación cuando las dos entradas son 1. La función OR exclusivo tiene su propio símbolo gráfico o puede expresarse en términos de operaciones complementarias AND, OR .

Compuerta NOR exclusivo (XOR):

El NOR exclusivo como se indica por el círculo pequeño en el símbolo gráfico. La salida de ésta compuerta es 1 solamente si ambas entradas son tienen el mismo valor binario. Nosotros nos referiremos a la función NOR exclusivo como la función de equivalencia. Puesto que las funciones OR exclusivo y funciones de equivalencia no son siempre el complemento la una de la otra. Un nombre más adecuado para 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 función OR (impar) exclusiva de tres entradas, la salida es 1 si solamente la entrada es 1 o si todas las entradas son 1. La función de equivalencia es una función par; esto es, su salida es 1 si un número par de entradas es 0. Para un función de equivalencia de tres entradas, la salida 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 investigación cuidadosa revelará que el OR exclusivo y las funciones de equivalencia son el complemento la una de la otra cuando las compuertas tienen un número par de entradas, pero las dos funciones son iguales cuando el número de entradas es impar. Estas dos compuertas están comúnmente disponibles con dos entradas y solamente 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 y NAND. Expresa que una compuerta NOR que realiza la función (x + y)' es equivalente a la expresión función xy' . Similarmente, una función NAND puede ser expresada bien sea por (xy)' o por x' + y' por esta razón, las compuertas NOR y NAND tienen dos símbolos gráficos distintos como se muestra en la figura:

En vez de representar una compuerta NOR por el símbolo gráfico OR seguido por un círculo, nosotros podemos representarla por un símbolo gráfico AND precedido por círculos en toda la entrada. El inversor AND para la compuerta NOR proviene M teorema De Morgan y de la convención de que los círculos pequeños denotan complementación. Similarmente la compuerta NAND también posee dos símbolos gráficos.

Para ver cómo se utiliza la manipulación del álgebra Booleana para simplificar circuitos digitales considere el diagrama lógico de la siguiente figura. La salida de la primera compuerta NAND es, por el teorema De Morgan, (AB)' = A' + B' . La salida del circuito es la operación 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 ( para demostrar su utilización ) pero podría ser aplicado solamente una vez de la siguiente manera:

X = [(AB’)*B']' = AB' + B

La expresión para x puede simplificarse por aplicación de las relaciones 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 implementado con una sola compuerta OR como se muestra en la figura parte (b). Uno Puede demostrar que dos circuitos producen relaciones binarias idénticas Entrada - Salida simplemente obteniendo la tabla de verdad para 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 LOS CIRCUITOS INTEGRADOS

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 relativamente complicado. El silicio utilizado para la fabricación de chips es de una pureza de orden del 99.9999999%. Una vez sintetizado, el silicio se funde en una atmósfera inerte y se cristaliza 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 superficies de estas ultimas se pulen hasta quedar brillantes. Dependiendo de su tamaño, se obtienen varios cientos de circuitos idénticos (chips) sobre ambas superficies mediante un proceso llamado planar, el mismo utilizado para producir transistores en masa...

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

Cada rasgo de forma sobre la pastilla rociando en las regiones seleccionadas un químico protector sensible a la luz llamado fotorresistencia, el cual forma una película muy delgada sobre la superficie 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, que evita que la luz incida sobre puntos específicos de la pastilla, cuando la luz alcanza un área determinada de la pastilla elimina el fotorresistencia presente en esa zona. A este proceso se le denomina fotolitografía.

Mediante un proceso de revelado, el químico se deposita en las regiones descubiertas por la luz e ignora las encubiertas por la

mascara. Estas últimas zonas aun permanecen recubiertas de " fotorresistencia".

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 de tamaño. Ahora, los transistores alcanzan tamaños inferiores a una velocidad de respuesta de los dispositivos.

A continuación, la pastilla se calienta a altas temperaturas; esto origina que el silicio 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 delgada película aislante de unas pocas micras de espesor.

De este modo se obtiene el primer nivel de metalización de chips. Para obtener una nueva capa de metalización, el SiO2 se trata nuevamente con "fotorresistencia" y se expone al alineador óptico, repitiéndose el mismo procedimiento seguido con el silicio del primer nivel.

Las diferentes capas van creciendo una sobre otra formando una estructura parecida a un sándwich, con el SiO2 como el pan y el metal o el silicio dopado como la salchicha, la mayoría de Circuitos Integrados 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 estructura puede ser de acuerdo a la cantidad de compuertas utilizadas para implementar la función propia del chip (llamado Escalas de Integración) como sabemos, las compuertas son los bloques constructivos básicos de todos los circuitos digitales.

Las escalas de Integración son 4: SSI, MSI, LSI, VLSI; a continuación veremos 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 se fabrican empleando tecnologías ttl, cmos y ecl. Los primeros Circuitos Integrados eran SSI .

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

LSI.- significa Large-Scale Integration ( integración en alta escala) y comprende 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 se fabrican principalmente empleando tecnologías.

VLSI.- Significa Very Large Scale Integration ( integración en muy alta escala) y comprende 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 acuerdo a su función.

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

Circuitos Integrados Analógicos.

Los Circuitos Integrados analógicos se fabrican usado gran variedad de tecnologías de semiconductores, como bipolar, efecto de campo, óxidos metálicos y combinaciones de estas tres. En la mayoría de los casos el usuario no esta interesado en este aspecto de los Circuitos Integrados, ya que únicamente puede basar su trabajo en las especificaciones del fabricante. La tecnología empleada en la fabricación de los Circuitos Integrados digitales es importante para el usuario, debido a que estos se emplean en “familias lógicas”, con características eléctricas comunes que garantizan su compatibilidad. Los Circuitos Integrados analógicos se seleccionan normalmente siguiendo criterios individuales, y solo es importante su compatibilidad con los requisitos de alimentación. Incluso en este aspecto, la mayoría de los Circuitos Integrados analógicos están disponibles con amplios

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

Características Importantes

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

Las familias TTL estándar.-

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

TTL de baja potencia, serie 74L00:

Tienen menor consumo de energía, al costo de mayores retardos en propagación, esta serie es ideal para aplicaciones en las cuales la disipación de potencia es más crítica que la velocidad. Circuitos de baja frecuencia operados por batería tales como calculadoras son apropiados para la serie TTL.

TTL de alta velocidad, serie 74H00:

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

TTL Schotty, serie 74S00:

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 a menos que estén conectadas con alguna señal lógica.-No todas las entradas en un Circuito Integrado TTL se usan en una aplicación particular.

-Se presentan situaciones en que una entrada TTL debe mantenerse normalmente BAJA y luego hecha pasar a ALTA por la actuación de un swich mecánico.

-Las señales de entrada que manejan circuitos TTL deben tener transiciones relativamente rápidas para una operación confiable. Si los tiempos de subida o de caída son mayores que 1 µs, hay posibilidad de 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 velocidad de acceso y un bajo consumo de electricidad. Pueden resultar dañados fácilmente por la electricidad estática.La lógica CMOS ha emprendido un crecimiento constante en el área MSI, mayormente a expensas de TTL, con la cual es de directa competencia.

El proceso de fabricación del CMOS es más simple que TTL y tiene una 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 la serie TTL de baja potencia (74L00) y es así apropiada idealmente para aplicaciones que usan potencia de batería o potencia con batería de respaldo. La velocidad de operación de CMOS no es comparable aún con las series TTL más rápidas, pero se espera mejorar en este respecto.

La serie 4000A es la línea más usada de Circuitos Integrados digitales CMOS. Contiene algunas funciones disponibles en la serie TTL 7400 y está en expansión constante. Algunas características más importantes de esta familia lógica son:

-La disipación de potencia de estado estático de los circuitos lógicos CMOS 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 V para la serie 4000A, por lo que la regulación de la fuente no es una consideración seria para CMOS. Cuando se usa CMOS con TTL, el voltaje de la fuente se hace 5 V, siendo los niveles de voltaje de las dos familias los mismos.

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

-Todas las entradas CMOS deben estar conectadas a algún nivel de voltaje, preferiblemente tierra o VDD. Entradas no usadas no pueden dejarse flotado (desconectadas), porque estas entradas serían susceptibles al ruido. Estas entradas no usadas pueden también ser conectadas a una de las entradas usadas, siempre y cuando no se exceda 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 y de 3 V a 15 V para los circuitos CMOS.

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

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

FUNCIONES Y TABLAS DE VERDAD

Una función de un Álgebra de Boole es una variable binaria cuyo valor es igual al de una expresión algebraica en la que se relacionan entre sí 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 o suma en la cual aparecen todas las variables en su forma directa o inversa. Al primero de ellos se le llama producto canónico y al segundo suma 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 viene dado por las variaciones con repetición de dos elementos tomados de n 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 se expresa mediante un número decimal equivalente al binario obtenido al sustituir las variables ordenadas con un criterio determinado por un 1 o un 0 según aparezcan en su forma directa o complementada respectivamente.

Los circuitos digitales operan en el sistema numérico binario, que implica que todas las variables de circuito deben ser 1 o 0. El álgebra utilizada para resolver problemas y procesar la información en los sistemas digitales se denomina álgebra de Boole, basada sobre la lógica más que sobre el cálculo de valores numéricos reales. El álgebra booleana considera que las proposiciones lógicas son verdaderas o falsas, según el tipo de operación que describen y si las variables 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 posibles combinaciones de entrada frente a las salidas resultantes.

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

La tabla de verdad de una función lógica es una forma de representación de la misma en la que se indica el valor 1 o 0 que toma la función para cada una de las combinaciones posibles de las variables de las cuales depende. En la siguiente tabla se representa la tabla de verdad de una función de tres variables. La deducción de la forma canónica de la función por medio de la tabla de verdad resulta sencilla.

Si, para una determinada combinación de las entradas, la fusión toma el valor lógico 1, el producto canónico de todos los posibles 2n, que vale 1 para dicha combinación, ha de formar parte de la función. La deducción del producto canónico correspondiente es inmediata asignando 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

No existe actualmente un criterio unico de minimización de la expresión de una función lógica y además se prevé una gran evolución de este concepto debido a la cada día mayor disponibilidad de sistemas funcionales complejos en circuitos integrados que permite realizar cualquier función lógica.

CIRCUITOS BÁSICOS

Los siguientes son pequeños circuitos digitales integrados cuyo funcionamiento se adapta a las operaciones y postulados del álgebra de Boole . Los operadores o puertas lógicas mas importantes aparecen en la siguiente tabla , junto a su nombre , símbolo mas extendido y ecuación.

Simbolo Función Ecuación Lógica

Tipos comerciales

Sumadora O

(Or)S = a+b Se fabrican en

dos entradas

Multiplicadora Y (AND)

S = a.b Se fabrican en dos, tres o cuatro entradas

Inversora No

(NOT)S = ā Se fabrican en

una entrada

Sumadora Negadora No O (NOR)

S = a+b Se fabrican en dos, tres, cuatro o cinco entradas

Multiplicadora Negadora No Y(NAND)

S = ab Se fabrican en dos, tres o cuatro, ocho,

doce o trece entradas

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

CIRCUITO OR

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

Es un circuito que tiene dos o más entradas y su salida es igual a la suma OR de las entradas. La figura siguiente muestra el símbolo correspondiente a una compuerta OR de dos entradas. Las entradas A y B son niveles de voltaje lógico y la salida S es un nivel de voltaje lógico cuyo valor es el resultado de la operación OR de A y B; esto es S = A+B, que debe leerse como "S es igual a o B"o "A o B es igual a S" y no como "S es igual a A más B" En otras palabras, la compuerta OR opera en tal forma que su salida es alta (nivel lógico 1)si la entrada A, B o ambas están en el nivel lógico 1.La salida de la compuerta OR será 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 ejemplo si tuviéramos tres entradas la tabla lógica que se muestra a continuación nos demuestra una vez más que la salida 1 se dará en el caso de que una o más entradas sean 1.Este es el principio general es el mismo que rige para compuertas OR con cualquier número de entradas .

Mediante el uso del lenguaje del álgebra booleana , la salida x puede expresarse como X = A + B + C, donde una vez debe hacerse hincapié en que el signo + representa la operación OR. Por consiguiente la

salida de cualquier compuerta OR se puede expresar como la suma OR de todas sus entradas.

CIRCUITO AND

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

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

Es un circuito con dos o mas entradas, la salida de estas es igual al producto AND de las entradas lógicas es decir S = A.B Es un circuito que opera en tal forma que su salida es alta solamente cuando todas sus entradas son altas . En todos los otros casos la salida de la compuerta AND es baja es decir 0,. Al igual que en el caso del circuito OR también se cumple que esta operación también se cumpla para más de dos entradas . En la figura que se muestra a continuación se

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

encuentra una tabla con tres entradas. Cabe resaltar que la salida de la compuerta es 1 solamente en el caso que A = B = C = 1. La expresión para la salida sería la siguiente X =ABC.

Se debe tener cuidado a la hora de observar los símbolos para operar dado que como son un poco parecidos podría haber una equivocación y obviamente esto sería realmente fatal si lo que se busca es reducir o resolver el circuito.

CIRCUITO NOT

Esta operación se puede efectuar con una sola variable de entrada. En el caso de que la variable fuera B si la sometemos a la operación NOT el resultado sería X = Ā.Existen varias formas de expresar esta operación una de ellas es: X es igual a la inversa de A o X es igual a no A. Lo que indica la negación vendría a ser el simbolito que se encuentra encima de la variable de entrada.

A este circuito también se le conoce con el nombre de inversor o complementador puesto que también pudimos haber dicho Ā es el complemento de A.

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

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

CIRCUITOS NAND Y NOR

Una vez que se ha obtenida la expresión mínima de una función es necesario realizarla en la practica mediante elementos físicos. El diseño de puertas lógicas con transistores en un principio y la posterior aparición de los circuitos ha hecho que las puertas NAND y NOR sean las mas utilizadas en la realización de las funciones lógicas Se ha demostrado que las funciones NAND y NOR pueden realizar cualquiera de las tres funciones elementales suma, producto e inversión.

Par realiza con puertas NAND ( NOR) la expresión mínima de la función obtenida por el método tabular o el método numérico, se aplicaran 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 y si 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 de ellas par convertirla en el inverso del producto (suma).

A X= Ā

0 1

1 0

d. Se continúa realizando esta operación hasta que todas las sumas (producto)hayan llegado convertidas en inversos de productos (sumas).

Las reglas par realizar cualquier expresión con puertas NAND no son iguales a las de la puerta NOR sustituyendo la palabra suma por producto, lo cual se ha indicado incluyendo la palabra suma entre paréntesis en las reglas que acabamos de indicar.

Componentes Digitales

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

La primera compuerta lógica que fabricaremos con componentes discretos 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 decualquier transistor pequeño. R1

es de 10k . VCC es la tensión de alimentación del circuito. Esta compuerta es útil en1k sistemas tanto TTL como CMOS.

El segundo circuito, que es del tipo CMOS, es un poco más complicado, pero su respuesta es casi igual al de una compuerta del tipo CD4XXX. Con lo cual debe ser utilizado en circuitos con grandes exigencias 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, eldiodos son cualquier diodo pequeño y la resistencia es de 10k segundo ofrece características mucho más similares a las de un circuito integrado. Para agregar más entradas a la compuerta, basta sólo colocar tantos diodos en paralelo con D1 y D2 como entradas adicionales se requiera. Aquí se observa una nueva ventaja de la "fabricación" de compuertas: es perfectamente factible realizar una AND ó una OR con 30 ó 40 entradas, algo muy difícil de conseguir en un circuito integrado convencional.

OR:

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

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

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

Si bien, como se explicó arriba, realizar una compuerta con componentes discretos es útil en algunas circunstancias, en otras es necesario crear un componente digital a partir de otros. Por ejemplo: si se dispone de un circuito integrado con 4 compuertas NAND, del que se utilizan 3 y se requiere una compuerta "NOT", no hace falta colocar otro 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 Compact Flash: VPU16550

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

El VPU, que representa Tarjeta UART Versátil para PC, implementa toda la decodificación 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 la conexión 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 Sistemas Operativos 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 del funcionamiento normal del UART, para permitir que se añadan prestaciones propietarias al diseño de la tarjeta, pero sin necesidad de escribir controladores de los dispositivos en el núcleo.

Para apoyar a los distribuidores en el uso y producción de su tarjeta, existe un conjunto 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 mayor velocidad 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). El VPU proporciona señales de control a la EEPROM para permitir que el

software activado “desbloquee” la secuencia antes de la escritura (con el fin de 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 la tarjeta) para aquellos diseños que no pueden usar el modo serie.Soporte del modo FIFO externo hiperacelerado...completamente independiente del puerto serie, le permite escoger la profundidad de FIFO y obtener 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 dar soporte 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 modo de adormecimiento con consumo reducido, a través e la detención del osciladorSeñal 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 decir que 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 circuito impreso para los aparatos serían muy grandes y además estarían llenos de componentes. Este tipo de dispositivos, por su diseño, son capaces de albergar en su interior y de forma casi microscópica gran cantidad de componentes, sobre todo, semiconductores.No todos los componentes electrónicos se pueden integrar con la misma facilidad:

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

Igualmente tanto resistencias como condensadores se pueden integrar pero aumenta 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 y componentes tanto pasivos como activos que disipan una potencia considerable respecto de la que podrían soportar una vez integrados.

El proceso de fabricación de un circuito integrado es como se observa en la figura de 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 pines correspondientes.

f) Terminación del encapsulado.

ESCALAS DE INTEGRACION

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

Escala de integraciónNº componentes

Aplicaciones típicas

SSI: pequeña escala de <100 Puertas lógica y biestables

integraciónMSI: media escala de integración

+100 y -1000Codificadores, sumadores, registros...

LSI: gran escala de integración+1000 y -100000

Circuitos aritméticos complejos, memorias...

VLSI: Muy alta escala de integración

+100000 y -106

Microprocesadores, memorias, microcontroladores...

ULSI: Ultra alta escala de integración

+ 106 Procesadores digitales y microprocesadores avanzados

Encapsulado DIP o DIL (Dual In Line)

Encapsulado flat-packEncapsulado SOIC (Small Outline Integrated Circuit)

Encapsulado PLCC (Plastic Lead Chip Carrier)

Encapsulado LCCC ( Leaded Ceramic Chip Carrier)

Encapsulado SIP

ENCAPSULADOS

ENCAPSULADO DIP o DIL.- Este es el encapsulado más empleado en montaje por taladro pasante en placa. Este puede ser cerámico (marrón) o de plástico (negro). Un dato importante en todos los componentes es la distancia entre patillas que poseen, en los circuitos integrados es de vital importancia este dato, 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 la numeración de las patillas o pines: la patilla número uno se encuentra en un extremo señalada por un punto o una muesca en el encapsulado y se continua la numeración en sentido antihorario (sentido contrario a las agujas del reloj), mirando al integrada desde arriba. Por regla general, en todos los encapsulados aparece la denominación del integrado, así como, los códigos particulares de cada fabricante.

ENCAPSULADO FLAT-PACK.- se diseñan para ser soldados en máquinas automáticas o semiautomáticas, ya que por la disposición de sus patillas se pueden soldar por puntos. El material con el que se fabrican es cerámico. La numeración de sus patillas es exactamente igual al anterior. Sus terminales tienen forma de ala de gaviota. La distancia entre patillas es de 1,27mm, la mitad que en los DIP.

ENCAPSULADO SOIC.- Circuito integrado de pequeño contorno. Son los más populares 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 sueldan directamente sobre las pistas de la placa de circuito impreso, en un área denominada 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 que tienen sus terminales la soldadura es difícil de verificar con garantías. Esto permite su uso en técnicas de montaje convencional. Se fabrican en material plástico. En este caso la numeración de sus patillas varía respecto de los anteriores. El punto de inicio se encuentra en uno de los lados del encapsulado, que coincide con el lado de la cápsula que acaba en chaflán, y siguiendo en sentido antihorario. La distancia entre terminales es de 1,27mm.

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

Los encapsulados que aparecen en este tema son los más importantes y los más utilizados. Como es lógico esta es una pequeña selección de la infinidad de tipos de cápsulas que existen. Si pulsas en el siguiente botón verás una clasificación de circuitos integrados bajo dos criterios que se refieren a la forma física y disposición de patillaje, así como, al montaje en placa de circuito impreso (Montaje convencional 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 primera vez en 1956 por los Bell Telephone Laboratories. Algunas de las áreas más comunes de aplicación de los SCR incluyen controles de relevador, circuitos de retardo de tiempo, fuentes de alimentación reguladas, interruptores estáticos, controles de motores, recortadores, inversores, cicloconversores, cargadores de baterías, circuitos de protección, controles de calefacción y controles de fase.

En años recientes han sido diseñados SCR para controlar potencias tan altas de hasta 10 MW y con valores individuales tan altos como de 2000 A a 1800 V. Su rango de frecuencia de aplicación también ha sido extendido a cerca de 50 kHz, 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 material de silicio con una tercera terminal para efecto de control. Se escogió el silicio debido a sus capacidades de alta temperatura y potencia. La operación básica del SCR es diferente de la del diodo semiconductor de dos capas fundamental, en que una tercera terminal, llamada compuerta, determina cuándo el rectificador conmuta del estado de circuito abierto al de circuito cerrado. No es suficiente sólo la polarización directa del ánodo al cátodo del dispositivo. En la región de conducción la resistencia dinámica el SCR es típicamente de 0.01 a 0.1 . La resistencia inversa es típicamente de 100 k o más.

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

Figura 4.26. Construcción básica del SCR.

Figura 4.27. Símbolo del SCR. MENU

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Características y Valores Nominales del SCR

En la figura 4.28 se proporcionan las características de un SCR para diversos 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 entra a 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 K S = circuito cerrado de G a K

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

2. Corriente de sostenimiento (IH) es el valor de corriente por abajo del cual el SCR 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 la condición de circuito abierto para el rectificador controlado que bloquean el flujo de carga (corriente) del ánodo al cátodo.

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4. Voltaje de ruptura inverso es equivalente al voltaje Zener o a la región de avalancha 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 de media onda. Si el interruptor está cerrado, como se presenta en la figura 4.29b, la corriente de compuerta fluirá durante la parte positiva de la señal de entrada, encendiendo al SCR. La resistencia R1 limita la magnitud de la corriente de compuerta.

Cuando el SCR se enciende, el voltaje ánodo a cátodo (VF) caerá al valor de conducción, dando como resultado una corriente de compuerta muy reducida y muy poca pérdida en el circuito de compuerta. Para la región negativa de la señal de 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 de compuerta.

Las formas de onda para la corriente y voltaje de carga resultantes se muestran 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 se puede cerrar en cualquier desplazamiento de fase durante la parte positiva de la señal 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 similar al de la figura 4.29a, con excepción de la resistencia variable y la eliminación del interruptor. La combinación de las resistencias R y R1 limitará la corriente de compuerta durante la parte positiva de la señal de entrada. Si R1 está en su valor máximo, la corriente de compuerta nunca llegará a alcanzar la magnitud de ence4ndido. Conforme R1 disminuye desde el máximo, la corriente de compuerta se incrementará 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 figura 4.30b. Si R1es bajo, el SCR se disparará de inmediato y resultará la misma acción que la obtenida del circuito de la figura 4.30b, el control no puede extenderse más allá de un desplazamiento de fase de 90º, debido a que la entrada está a su valor máximo en este punto. Si falla para disparar a éste y a menores valores del voltaje de entrada en la pendiente positiva de la entrada, se debe esperar la misma respuesta para la parte de pendiente negativa de la forma de onda de la señal. A esta operación se le menciona normalmente en términos técnicos como control de fase de media onda por resistencia variable. Es un método efectivo para controlar la 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 de corriente promedio a una carga, con la particularidad de que conduce en ambos sentidos y puede ser bloqueado por inversión de la tensión o al disminuir la corriente por debajo del valor de mantenimiento. El triac puede ser disparado independientemente de la polarización de puerta, es decir, 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 una terminal 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 fluye de MT1 a MT2. En ambos casos el triac se comporta como un interruptor cerrado. Cuando el triac deja de conducir no puede fluir corriente entre las terminales principales sin importar la polaridad del 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 sin conducción previa, el triac puede entrar en conducción directa.

Construcción básica, símbolo, diagrama equivalente

FIG. 1 FIG. 2

La estructura contiene seis capas como se indica en la FIG. 1, aunque funciona siempre como un tiristor 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. La complicación de su estructura lo hace mas delicado que un tiristor en cuanto a di/dt y dv/dt y capacidad para soportar sobre intensidades. Se fabrican para intensidades de algunos amperios hasta unos 200 A eficaces y desde 400 a 1000 V de tensión de pico repetitivo. Los triac son fabricados para funcionar a frecuencias bajas, los fabricados para trabajar a frecuencias medias son denominados alternistores En la FIG. 2 se muestra el símbolo esquemático e identificación de las terminales de un triac, la nomenclatura Ánodo 2 (A2) y Ánodo 1 (A1) pueden ser reemplazados por Terminal Principal 2 (MT2) y Terminal Principal 1 (MT1) respectivamente.

El Triac actúa como dos rectificadores controlados de silicio (SCR) en paralelo Fig. 3, este dispositivo 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 del Triac 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 alta a una resistencia baja y la corriente, a través del Triac, crece con un pequeño cambio en la tensión entre los ánodos.

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

El mismo proceso ocurre con respecto al tercer cuadrante, cuando la tensión en el ánodo MT2 es negativa con respecto al ánodo MT1 y obtenemos la característica invertida. Por esto es un componente simétrico en cuanto a conducción y estado de bloqueo se refiere, pues la característica 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 entre los terminales de compuerta G y MT1 de un impulso positivo o negativo. Esto le da una facilidad de empleo grande y simplifica mucho el circuito de disparo. Veamos cuáles son los fenómenos internos 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 ánodo MT2 y la tensión de la compuerta son positivas con respecto al ánodo MT1 y este es el modo mas común (Intensidad de compuerta entrante).

La corriente de compuerta circula internamente hasta MT1, en parte por la union P2N2 y en parte a través de la zona P2. Se produce la natural inyección de electrones de N2 a P2, que es favorecida en el área próxima a la compuerta por la caída de tensión que produce en P2 la circulación lateral de 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 potencial exterior 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 del ánodo MT2 y la tensión de la compuerta son negativos con respecto al ánodo MT1 (Intensidad de compuerta 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 positiva de 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 hacen pasar a conducción.

3 – El tercer modo del cuarto cuadrante, y designado por I(-) es aquel en que la tensión del ánodo MT2 es positiva con respecto al ánodo MT1 y la tensión de disparo de la compuerta es negativa con respecto al ánodo MT1( Intensidad de compuerta saliente).

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

El disparo de la primera se produce como en un tiristor normal actuando T1 de puerta y P de cátodo. Toda la estructura auxiliar se pone a la tensión positiva de T2 y polariza fuertemente la unión P2N2 que inyecta electrones hacia el área de potencial positivo. La unión P2N1 de la estructura principal, que soporta la tensión exterior, es invadida por electrones en la vecindad de la estructura auxiliar, entrando en conducción.

4 – El cuarto modo del Segundo cuadrante y designado por III(+) es aquel en que la tensión del ánodo T2 es negativa con respecto al ánodo MT1, y la tensión de disparo de la compuerta es positiva con respecto al ánodo MT1(Intensidad de compuerta entrante).

El disparo tiene lugar por el procedimiento llamado de puerta remota. Entra en conducción la estructura P2N1P1N4.

La inyección de N2 a P2 es igual a la descrita en el modo I(+). Los que alcanzan por difusión la unión P2N1 son absorbidos por su potencial de unión, haciéndose más conductora. El potencial positivo de puerta polariza más positivamente el área de unión P2N1 próxima a ella que la próxima a T1, provocándose una inyección de huecos desde P2 a N1 que alcanza en parte la unión N1P1 encargada 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 disparo es 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 disparo en 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. La corriente promedio entregada a la carga puede variarse alterando la cantidad de tiempo por ciclo que el triac permanece en el estado encendido. Si permanece una parte pequeña del tiempo en el estado encendido, el flujo de corriente promedio a través de muchos ciclos será pequeño, en cambio si permanece durante una parte grande del ciclo de tiempo encendido, la corriente promedio 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 de onda 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 excepción de que pueden dispararse durante el semiciclo negativo. En la FIG.8 se muestran las formas de onda tanto para el voltaje de carga como para el voltaje del triac ( a través de los terminales principales) para dos condiciones diferentes.

En la FIG.8 (a), las formas de onda muestran apagado el triac durante los primeros 30 de cada semiciclo, durante estos 30 el triac se comporta como un interruptor abierto, durante este tiempo el voltaje completo de línea se cae a través de las terminales principales del triac, sin aplicar ningún voltaje 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 y comienza a conducir corriente a la carga, esto lo realiza durante el resto del semiciclo. La parte del semiciclo 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.

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 RF

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 el circuito secundario y el primario, para este caso aísla el circuito de potencia ca del circuito de disparo.

La onda senoidal de ca del secundario de T1 es aplicada a un rectificador en puente y la salida de este a una combinación de resistor y diodo zener que suministran una forma de onda de 24 v sincronizada con la línea de ca. Esta forma de onda es mostrada en la FIG. 6 (a).

Cuando la alimentación de 24 v se establece, C1 comienza a cargarse hasta la Vp del UJT, el cual se dispara y crea un pulso de corriente en el devanado primario del transformador T2. Este se acopla 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( Vc1), corriente del secundario 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 RF 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 pequeño en relación a R1, entonces R1 recibirá una gran parte de la fuente de 24 v , esto origina que el transistor pnp Q1 conduzca, con una circulación grande de corriente por el colector pues el voltaje de R1 es aplicado al circuito de base, por lo tanto C1 se carga con rapidez. Bajo estas condiciones el 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 que en el caso anterior, esto provoca la aparición de un voltaje menor a través del circuito base-emisor de Q1 con la cual disminuye su corriente de colector y por consiguiente la razón de carga de C1 se reduce, por lo que le lleva mayor tiempo acumular el Vp del UJT. Por lo tanto el UJT y el triac se disparan 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 control por tiristores. El triac es en esencia la conexión de dos tiristores en paralelo pero conectados en sentido opuesto y compartiendo la misma compuerta.

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 otra negativa.

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La parte positiva de la onda (semiciclo positivo) pasará por el triac siempre y cuando haya habido una 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 habido una 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 el tiempo que cada tiristor estará en conducción. (recordar que un trisitor solo conduce cuando ha sido disparada (activada) la compuerta y entre sus terminales hay un voltaje positivo de un valor mínimo para cada tiristor)

Entonces, si se controla el tiempo que cada tiristor está en conducción, se puede controlar la corriente 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 entre los estados de conducción (cuando la corriente circula por el triac) y el de corte (cuando la corriente no circula)

Si se varía el potenciómetro, se varía el tiempo de carga del condensador causando que se incremente o reduzca la diferencia de fase de la tensión de alimentación y la que se aplica a la compuerta

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.

5.3 Aplicaciones del SCR y del TRIAC.

La aplicación de los triacs, a diferencia de los tiristores, se encuentra básicamente en corriente alterna. Su curva característica refleja un funcionamiento muy parecido al del tiristor apareciendo en 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, en corriente 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 corriente de compuerta, el SCR entra en conducción y el relé se cierra activando la sirena, aunque el campo magnético se retire y el reed switch se abra el SCR ya que está en conducción y se mantendrá así hasta que se abra el circuito 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 resistencia se 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 se reemplazan por SCR. Aplicando unos milisegundos se retardo (tiempo de disparo) entre el instante en que la señal 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 de 4.16 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 con lámparas 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 activa pero esa corriente va por el potenciómetro y es suficiente para cargar el condensador, cuando el condensador se ha cargado a unos 2 o 3 voltios la compuerta entra en conducción descargando el condensador y ésta es la corriente de compuerta que dispara el Triac y enciende la carga. En el semiciclo positivo el condensador se carga positivo y el Triac dispara en el cuadrante I, en el semiciclo negativo el condensador se carga negativo y el 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 carga varia.

Algunos Triacs requieren de mayor corriente de compuerta en el cuadrante III que en el I, esto hace que el tiempo de disparo en el semiciclo negativo sea mayor, el voltaje positivo aplicado a la carga resulta mayor que 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 el mercado 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 su tiempo 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 terminales de Triac (Von) que multiplicada por la corriente que pide la carga representa una potencia que se pierde en forma 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 30 voltios, algunos modelos pueden trabajar con DC o AC, otra característica es la máxima corriente que pueden conducir 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 taladro o 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 que no coincide (a este fenómeno se le llama histéresis), y es común en los TRIACS. Para corregir este defecto 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. El conjunto de elementos P (potenciómetro) y C2 son los necesarios mínimos para que el triac sea disparado.

El triac controla el paso de la corriente alterna a la carga conmutando entre los estados de conducción (pasa corriente) y corte (no pasa corriente) durante los semiciclos negativos y positivos de la señal de alimentación (110 / 220 voltios.), la señal de corriente alterna que viene por el tomacorrientes de nuestras casas

El triac se disipará cuando el voltaje entre el condensador y el potenciómetro (conectado a la compuerta del TRIAC) sea el adecuado.

Hay que aclarar que el condensador en un circuito de corriente alterna (como este) tiene su voltaje atrasado con respecto a la señal original, y cambiando el valor del potenciómetro, se modifica la razón de carga del condensador, el atraso que tiene y por ende el desfase con la señal alterna original. Esto causa que se pueda tener control sobre la cantidad de corriente que pasa a la carga y 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 = 1 Kilohmio)Condensadores: 3 de 0.1 uF, ( uF = microfaradios)Otros: 1 TRIAC (depende de la carga, uno de 2 Amperios para aplicaciones comunes como este dimmer), 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 funcionamiento5.3.3 Control de iluminación.

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

El triac controla el paso de la corriente alterna a la lámpara (carga), pasando continuamente entre los estados de conducción (cuando la corriente circula por el triac) y el de corte (cuando la corriente no circula)

Si se varía el potenciómetro, se varía el tiempo de carga del condensador causando que se incremente o reduzca la diferencia de fase de la tensión de alimentación y la que se aplica a la compuerta

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 por

dos 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. Por ello, la resistencia entre las dos bases, RBB o resistencia interbase, es elevada (de 5 a 10KΩestando el emisor abierto).

El modelo equivalente representado en la figura 12.21.b esta constituido por un diodo que excita la unión de dos resistencias internas, R1 y R2, que verifican RBB=R1+R2. Cuando el diodo no conduce, la caída de tensión en R1 (V1) se puede expresar como

(12.10) en donde VB2B1 es la diferencia de tensión entre las bases del UJT y ((es el factor de división de tensión conocido como relación intrínseca. El modelo de este dispositivo utilizando transistores se muestra en la figura 12.21.c, cuya estructura es muy similar a un diodo de cuatro capas. Cuando entra en conducción los transistores la caída de tensión en R1 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 UJT

El funcionamiento de un UJT es muy similar al de un SCR. En la grafica de la figura 12.22 se describe las características eléctricas de este dispositivo a través de la relación de la tensión de emisor (VE) con la corriente de emisor (IE). Se definen dos puntos críticos: 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 de operación: región de corte, región de resistencia negativa y región de saturación, que se detallan 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 la tensión intrínseca mantiene polarizado inversamente el diodo emisor. La corriente de emisor es muy baja y se verifica que VE<VP e IE < IP. Esta tensión de pico en el 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 para polarizar el diodo de emisor, es decir, VE=VP entonces el diodo entra en conducción e inyecta huecos a B1 disminuyendo bruscamente la resistencia R1 debido a procesos de recombinación. Desde el emisor, se observa como el UJT disminuye su resistencia interna con un comportamiento similar a la de una resistencia negativa (dVE/dIE < 0). En esta región, la corriente de emisor esta comprendida 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 lineal de muy baja resistencia entre la tensión y la corriente de emisor. En esta región, la corriente de emisor es mayor que la corriente de valle (IE > IV). Si no se verifica las condiciones del punto de valle, el UJT entrara de forma natural a la región de corte. En la figura 12.22 también se observa una curva de tipo exponencial que relaciona la 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 el comportamiento del diodo de emisor.

5.4.1 Aplicaciones.

Se utiliza en circuitos de descarga en generadores de impulso, circuitos de bases de tiempos y circuitos 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 en p con un hueco, se recombina con él y ya no es electrón libre, al bajar de BC a BV pierde 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 = frecuencia que 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, y mezclándolos 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). La tensión en el LED:

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Diferencia con el silicio, la tensión es mayor. Cuando no dice nada se coge VLED = 2 V.

Aquí el diodo LED es un indicador que nos dice si la fuente de alimentación está encendida o apagada.

Conclusión: Los circuitos con tensiones grandes y resistencias grandes funcionan bien, 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 que lo hace muy especial: es un dispositivo que conduce una cantidad de corriente eléctrica proporcional a la cantidad de luz que lo incide (lo ilumina). Esta corriente eléctrica fluye en sentido opuesto 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 electricidad y esta variación de electricidad es la que se utiliza para informar que hubo un cambio en el nivel de iluminación sobre el fotodiodo.

Si el fotodiodo quedara conectado, de manera que por él circule la corriente en el sentido de la flecha (polarizado en sentido directo), la luz que lo incide no tendría efecto 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 que lo 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 a iluminación y viceversa con mucha más velocidad, y puede utilizarse en circuitos con tiempo de respuesta más pequeño.

Si se combina un fotodiodo con una transistor bipolar, colocando el fotodiodo entre el colector y la base del transistor (con el cátodo del diodo apuntado al colector del transistor), se obtiene el circuito equivalente de un fototransistor.

5.6.3 Optoacopladores

Un optoacoplador combina un dispositivo semiconductor formado por un fotoemisor, un fotoreceptor y entre ambos hay un camino por donde se transmite la luz. Todos estos elementos se encuentran dentro de un encapsulado que por lo general es del tipo DIP.

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La señal de entrada es aplicada al fotoemisor y la salida es tomada del fotoreceptor. Los optoacopladores son capaces de convertir una señal eléctrica en una señal luminosa modulada y volver a convertirla en una señal eléctrica. La gran ventaja de un optoacoplador reside en el aislamiento eléctrico que puede establecerse entre los circuitos de entrada y salida.

Los fotoemisores que se emplean en los optoacopladores de potencia son diodos que emiten rayos infrarrojos (IRED) y los fotoreceptores pueden ser tiristores o transistores.

Cuando aparece una tensión sobre los terminales del diodo IRED, este emite un haz de rayos infrarrojo que transmite a través de una pequeña guia-ondas de plástico o cristal hacia el fotorreceptor. La energía luminosa que incide sobre el fotorreceptor hace que este genere una tensión eléctrica a su salida. Este responde a las señales de entrada, que podrían ser pulsos de tensión.

Tipos

Fototransistor: se compone de un optoacoplador con una etapa de salida formada por un transistor BJT.

Fototriac: se compone de un optoacoplador con una etapa de salida formada por un triac

Fototriac de paso por cero: Optoacoplador en cuya etapa de salida se encuentra un triac de cruce por cero. El circuito interno de cruce por cero conmuta al triac sólo 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 que puede 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 veces de corriente de base. (IP) (modo de iluminación).

Se pueden utilizar las dos en forma simultánea, aunque el fototransistor se utiliza principalmente 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) + corriente de base (por iluminación): IBT = IB + IP

Si se desea aumentar la sensibilidad del transistor, debido a la baja iluminación, se puede incrementar la corriente de base (IB ), con ayuda de polarización externa

El circuito equivalente de un fototransistor, es un transistor común con un fotodiodo conectado entre la base y el colector, con el cátodo del fotodiodo conectado 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 respuesta muy corto, solo que su entrega de corriente eléctrica es mucho mayor.

En el gráfico siguiente se puede ver el circuito equivalente de un fototransistor. Se observa que está compuesto por un fotodiodo y un transistor. La corriente que entrega el fotodiodo (circula hacia la base del transistor) se amplifica β veces, y es la 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 PROGRAMABLES

El 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 a cabo los mismos pasos en la misma secuencia, todo está perfecto, pero cuando existe un re diseño en el producto o un cambio de producción en las operaciones de esa máquina o en su secuencia, la lógica del panel debe ser re diseñada. Si el cambio es lo suficientemente grande, una opción más económica puede ser desechar 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 eran

deseables 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 e

inhabilita 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 efectúa

un 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 o

falta 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 el

fabricante, 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 los

Nano PLC y soportan una gran variedad de módulos especiales, tales como:

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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 el controlador 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 una

terminología 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, sin

embargo, 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 funciones

especiales 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 de

modernos 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 los 70s. Las industrias que propiciaron este desarrollo fueron las automotrices. Ellas usaban sistemas industriales basadas en reveladores, en sus sistemas de manufactura. Buscando reducir los costos de los sistemas de control por relevadores, la General Motor preparo en 1968 ciertas especificaciones detallando un "Controlador Lógico Programable", Estas especificaciones definían un sistema de control por relevadores que podían ser asociado no solamente a la industria automotriz, si no prácticamente a cualquier industria de manufactura.

Estas especificaciones interesaron a ciertas compañías tales como GE-Fanuc, reliance Electric, MODICON, Digital Equipment Co., De tal forma que el resultado de su trabajo

se convirtió en lo que hoy se conoce como Controlador Lógico Programable. Los PLCs surgen como equipos electrónicos sustitutos de los sistemas de control basados en relevadores, que se hacían más complejos y esto arrojaba ciertas dificultades en cuanto a la instalación de los mismos, los altos costos de los equipos. Losa altos costos de operación y mantenimiento y la foca Flexibilidad y confiabilidad de los equipos.

Los primeros PLCs se usaron solamente como reemplazo de relevadores, es decir, su capacidad se reducía exclusivamente al control On -Off (de dos posiciones) en maquinas y 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, ocupan menor 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 los microprocesadores agrego facilidad e inteligencia adicional a los PLCs generando un gran avance y permitiendo un notorio incremento en la capacidad de interfase con el operador, se fue poco a poco mejorando la idea inicial de los PLCs convirtiéndose en lo que 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 siguiente

1.- Dispositivo de control deberá ser fácil y rápidamente programable por el usuario con un mínimo de interrupción.

2.-Todos los componentes del sistema deben ser capaces de operar en plantas industriales sin un especial equipo de soporte, de hardware o de ambiente.

3.-El sistema debe ser de fácil mantenimiento y reparación. Deberá diseñarse con indicadores de status y modularidad para facilitar las reparaciones y la búsqueda de errores.

4.-El sistema deberá ocupar menor espacio que los sistemas de relevador y deberá consumir menor potencia que los sistemas de control por relevadores.

5.-El PLC deberá ser capaz de comunicarse con un sistemas central de datos para propósitos de monitoreo.

6.- Deberá ser capaz de trabajar con 120 volts de corriente alterna y con elementos estándar de control, con interruptores de presión interruptores de limite, etc.

7.-Las señales de salida deberán ser capaces de manejar arranques de motores y válvulas solenoides que operan a 120 volts de C.A.

8.- Deberá ser expandible desde su mínima configuración hasta su máxima, con una mínima de alteración y de tiempo perdido.

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9.- Deberá ser competitivo en costo de venta e instalación, respecto de los sistemas en base a relevadores.

10.- La estructura de memoria empleada deberá ser expandible a un mínimo de 4000 palabras o elementos de memoria. Los PLC actuales no solamente cumplen estos

requisitos si no que lo superan. El PLC actual es una computadora de propósito especifico que proporciona una alternativa más flexible y funcional para los sistemas de control 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 por la NEMA (Nacional electrical Manufacturers Association), descrita como sigue:

EL PLC es un aparato electrónico operado digitalmente que usa una memoria programable para el almacenamiento interno de instrucciones las cuales implementan funciones especificas tales como lógicas, secuénciales, temporización, conteo y aritméticas, 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 ejecutar las funciones de un controlador programable, se puede considerar bajo este rubro. Se excluyen los controles secuenciales mecánicos. De una manera general podemos definir al controlador lógico programable a toda maquina electrónica, diseñada para controlar en tiempo real y en medio industrial procesos secuenciales de control. Su programación y manejo puede ser realizado por personal con conocimientos electrónicos sin previos conocimientos sobre informática.

También se le puede definir como una "caja negra" en la que existen unas terminales de entrada 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, electro válvulas, lámparas., De tal forma que la actuación de estos ultimo están en función de las señales de entrada que estén activadas en cada momento, según el programa almacenado.

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Esto quiere decir auxiliares, relees de encallamiento, temporizadores, contadores.. Son internos. La tarea del usuario se reduce a realizar el "programa que no es mas que la relación 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 muy extenso. La constante evolución del Hardware y Software amplia continuamente este campo para poder satisfacer las necesidades que se detectan en el aspecto de sus posibilidades reales.

Su utilización se da fundamentalmente en aquellas instalaciones en donde es necesario realizar procesos de maniobra, control, señalización, etc,.. por tanto, su aplicación abarca desde procesos de fabricación industrial de cualquier tipo al de transformaciones industriales, 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 o alteración de los mismos, etc., hace que su eficiencia se aprecie fundamentalmente en procesos en que se reduce necesidades tales como: Espacio reducido. Procesos de

producción periódicamente cambiantes Maquinaria de procesos variables. Instalación de procesos complejos y amplios. Chequeo de programación centralizada de las partes del proceso

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. Las necesidades de la aplicación pueden ser definidas solamente por un análisis detallado del sistema completo. Esto significa que los exámenes detallados deben ser ejecutados en todas las facetas de la maquina u operación del proceso, De nuevo, como nada aplicación es diferente, no hay una rutina clara y concisa que evalué las necesidades que todas las aplicaciones Una ultima consideración importante en la aplicación de un PLC es el futura crecimiento del sistema. Los PLC están diseñados modularmente y por lo tanto con posibilidades de poder expandirse para satisfacer las necesidades de la industria. Es importante que a la aplicación de un PLC se pueda considerar los beneficios 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, esquema puede imprimirse en alguno de los lenguajes en que fue programado, dependiendo del 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 como distribuido.

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