ELECTRNICA APLICADA

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ELECTRNICA APLICADA

UNIDAD IComponentes bsicos electrnicos

Introduccin:

En los ltimos aos la investigacin de la fsica del estado slido de la materia, ha provisto a los cientficos de los conocimientos necesarios para producir nuevos dispositivos electrnicos, los semiconductores que ocupan hoy da un lugar de prominencia en el mundo de la electrnica.

Componentes prcticamente desconocidos hace treinta aos, surgen hoy, desplazando a las vlvulas de vaco (tubos) de funciones que hasta hace poco se crean de su exclusiva propiedad.

Para el estudio y comprensin de los fenmenos que ocurren en dispositivos semiconductores, es necesario conocer algunos detalles del mundo atmico, como por ejemplo:

Su estructura Propiedades de las partculas que lo IntegranEl ATOMO

Modelo atmico de BOHN

NUCLEOKLMNOPQ

Fig.1

El componente fundamental de la materia, es decir, de todo lo que nos rodea, es el tomo que se le asigna una estructura como lo indica la Fig. (1), compuesto de un ncleo, el que contiene partculas llamadas:

Protones: Carga elctrica positiva (+) de masa mayor que el neutrn.

Neutrones: Sin carga elctrica, menor masa y ms inestable

Alrededor del ncleo giran partculas llamadas electrones, de carga elctrica negativa (-), constituyen el elemento fundamental de la electricidad.

Propiedades del tomo1) Los protones que poseen carga elctrica positiva de igual magnitud que la del electrn, son aproximadamente 1800 veces ms pesado.

2) Un tomo normal, el nmero de electrones que giran alrededor del ncleo, es igual al nmero de protones, y por ello se dice que un tomo es elctricamente neutro.

3) Debido al movimiento de rotacin de los electrones alrededor del ncleo a, acta sobre l una fuerza centrfuga que trata de alejarlos del ncleo. Esta fuerza se equilibra con la fuerza de atraccin del ncleo lo que mantiene al electrn en una rbita estable.(Fig. 2)

v

Fc

e-

Fig. 2

4) Todo lo que nos rodea, es decir, todos los materiales que forman nuestro mundo diario, estn formados por aproximadamente 100 sustancias bsicas o elementos.

Ejemplo:

H , Ca , N , O , K , Cl , Cu, Na, etcO bien una combinacin de dos o ms elementos bsicos

Ejemplo:

Agua, Sal, Acero, Bronce, etc.

5) Cada elemento bsico posee una cantidad diferente de electrones girando alrededor del ncleo, en diferentes rbitas que se designan con las letras:

K, L, M, N, O, P, Q

La rbita ms cercana al ncleo es la capa K; y la mas alejada del ncleo se designa con la letra Q.

La ltima capa u orbital de un tomo se denomina capa de valencia.

Un tomo que posee en su ltima capa un nmero mximo de 8 e-, este elemento se comporta como un aislador.

Ejemplo:

Gases Nobles como el Nen, Argn,. Kriptn, etc.

Aquellos tomos que poseen 1, 2 o 3 electrones en el ltimo orbital son buenos conductores.

Ejemplo:

Oro, Plata, Cobre, etc.

Los tomos que poseen 4 electrones en su ultimo orbital se denominan semi conductores.

Ejemplo:

Germanio, Silicio, etc.

6) Los electrones ubicados en la ltima capa, son los que determinan las propiedades qumicas y elctricas de un elemento y se denominan electrones de valencia y la capa que los contiene capa de valencia.

7) Sobre la capa de valencia existen niveles vacantes en las que se denominan niveles de excitacin.

Banda de valencia: Es la zona en que los electrones se encuentran semilibres.

Banda de conduccin: Es la zona donde los electrones se encuentran con la suficiente energa como para moverse libremente en una estructura cristalina.

Banda prohibida: Zona cerrada al paso libre de los electrones entre las bandas de conduccin y de valencia.

(NIVELES DE EXCITACIN)

EBANDA DE CONDUCCION

N

E

R

BANDA PROHIBIDA

G

I

A(NIVELES DE VALENCIA)

BANDA DE VALENCIA

Fig. 3

Para que los electrones de la banda de valencia puedan servir como portadores deben pasar a la banda de conduccin, ello implica entregarles una cierta cantidad de energa, que puede tener la forma de calor, luz, radiaciones, etc. La magnitud de dicha energa es igual a la altura de la banda prohibida. Se mide en eV. (1 eV = 1,6 1019 Joules)

BANDA DE CODUCCION

BANDA DE VALENCIA

Fig. 4

Conductores: El cobre es un buen conductor elctrico, la razn es evidente si se tiene en cuenta su estructura atmica. El ncleo o centro del tomo contiene 29 protones (cargas positivas). Cuando un tomo de cobre tiene una carga neutra, 29 electrones (cargas negativas) se disponen alrededor del ncleo, los electrones en distintos orbitales, llamados capas o niveles de energa

tomo de cobre (Cu)

Z = 29

e=e=8e=2 e=8 e=18 e=1

Fig. 5

La parte interna: En la electrnica, lo nico que importa es el orbital exterior, el cual se denomina orbital de valencia. Es este orbital exterior el que determina las propiedades elctricas del tomo.

Electrn libre: Como el electrn de valencia es atrado muy dbilmente por la parte interna del tomo, una fuerza externa puede arrancar fcilmente este electrn, al que se conoce como electrn libre y por eso mismo, el cobre es un buen conductor. Incluso la tensin o fuerza mas dbil puede hacer que los electrones libres de un conductor se muevan de un tomo al siguiente.

Los mejores conductores son: El Oro, la Plata, el Cobre, el Eridio, etc.

tomo de cobre (Cu)

(Fig. 6)Diagrama de la

parte interna

de un tomo

de cobre

Ejercicio: Supongamos que una fuerza exterior arranca el electrn de valencia de un tomo de cobre.

Cul es la carga resultante del tomo de cobre?

Y si un electrn exterior entra en la orbital de valencia, cual es la carga resultante del tomo de cobre de la figura anterior (Fig. 6)?

Solucin:

Cuando un electrn de valencia se va, la carga resultante del tomo es de +1. Si un tomo neutro pierde uno o mas electrones se convierte en un tomo cargado positivamente, que recibe el nombre de Ion positivo.

Cuando un electrn exterior entra dentro del orbital de valencia, la carga resultante del tomo es igual a 1. Si un tomo tiene un electrn extra en la orbital de valencia, llamamos al tomo que cargado negativamente, Ion negativo.

Semiconductores: Los mejores conductores (Plata, Cobre, Oro) tienen un electrn de valencia mientras que los mejores aislantes poseen ocho electrones de valencia. Un semiconductor es un elemento con propiedades elctricas entre las de un conductor y las de un aislante (Germanio Silicio)

Ejemplo:

tomo de Silicio

Z = 14

Fig.7

Un tomo de Silicio tiene 14 protones y 14 electrones. En el primer orbital posee 2 electrones y el segundo 8 electrones. Los 4 electrones restantes se encuentran en el orbital de valencia, como lo indica la figura 5, la parte interna tiene una carga resultante de + 4 porque contiene 14 protones en el ncleo y 10 electrones en los dos primeros orbitales.

Los 4 electrones de valencia nos indica que el silicio es un semiconductor.

Ejercicio:

Cul es la carga resultante del tomo de silicio si pierde uno de los electrones de valencia?

Y si gana un electrn extra en el orbital de valencia?

Solucin:

Si pierde un electrn de valencia, se convierte en un Ion positivo, con carga +1.

Si el tomo de silicio gana un electrn de valencia extra, se transforma en un Ion negativo 1.

Cristales de silicio: Cuando los tomos de silicio se combinan para formar un slido, lo hacen en una estructura ordenada llamada cristal. Cada tomo de silicio (Si) comparte sus electrones de valencia con los tomos de silicio vecinos de tal manera que suman 8 electrones en el orbital de valencia.

Fig.8 a

Fig.8 b

Un tomo de cristal tiene 4 electrones

Enlaces covalentes

Enlaces covalentes: Cada tomo vecino comparte un electrn con el tomo central, de esta forma el tomo central parece tener cuatro electrones adicionales, sumando un total de ocho electrones en su orbital de valencia. En realidad, los electrones dejan de pertenecer a un solo tomo, ya que cada tomo central y sus vecinos comparten electrones y as sucesivamente dentro de la estructura cristalina.

Saturacin de valencia: Cada tomo en un cristal de silicio tiene ocho electrones en su orbital de valencia. Estos ocho electrones producen una estabilidad qumica que da como resultado un cuerpo compacto de material de silicio. Nadie esta seguro porqu el orbital exterior de todos los elementos tiene una predisposicin a tener ocho electrones. Cuando no existen ocho electrones de forma natural en un elemento este tiende a combinarse y compartir electrones con otros tomos vecinos con el fin de obtener ocho electrones en el orbital exterior, estableciendo con ello una estructura compacta.

Establecimos como ley:

Dicho de otro modo, el orbital de valencia no puede soportar mas de ocho electrones. Un cristal de silicio es casi un aislante perfecto a temperatura ambiente

(aprox. 25 C )

Semiconductores Intrnsecos: Un semiconductor intrnseco es un semiconductor puro. Un cristal de Si o Ge es un semiconductor intrnseco si cada tomo del cristal es un tomo de la misma especie. A temperatura ambiente, un cristal puro de Si o Ge se comporta mas o menos como un aislante ya que tiene solamente unos cuantos electrones libres y sus huecos correspondientes, producidos por la energa trmica que posee dicho cristal.

Dos tipos de semiconductores extrnsecos: Un semiconductor se puede dopar para que tenga un exceso de electrones libres o un exceso de huecos. Debido a ello existen dos tipos de semiconductores dopados.

Semiconductor extrnseco del tipo N: Al silicio o germanio que ha sido dopado con una impureza pentavalente se llama semiconductor extrnseco tipo N, donde N hace referencia a negativo. En un semiconductor extrnseco del tipo N como los electrones superan a los huecos reciben estos el nombre de portadores mayoritarios, mientras que los huecos reciben el nombre de portadores minoritarios.(Fig. 9)

Electrn

Fig. 9

Dador de electrones, queda cargado negativamente

Semiconductor extrnseco del tipo P: El silicio o germanio que ha sido dopado con impurezas trivalentes se llama semiconductor extrnseco tipo P, donde P hace referencia a positivo. Como el numero de huecos supera a los electrones libres, los huecos reciben el nombre de portadores mayoritarios y los electrones se les denomina portadores minoritarios.(Fig. 10 )

Hueco o espacio

Fig. 10

Receptor de electrones, queda cargado positivamente

Caractersticas de la unin pn: (El diodo no polarizado) Por si mismo un cristal semiconductor del tipo P o N tiene la misma utilidad que una resistencia de carbn; Pero ocurre algo nuevo cuando un fabricante dopa un cristal de la forma que una parte sea tipo P y la otra sea tipo N. La separacin o frontera fsica de esta se llama unin pn. La unin pn tiene propiedades tan tiles que ha propiciado toda clase de inventos, entre los que se encuentran los diodos, transistores y circuitos integrados.(Fig.11)

Comprender la unin pn permite entender toda clase de dispositivos fabricados con

semiconductores.

Zona de contacto (unin)

Fig. 11

En el cristal pn se va a producir una difusin de portadores mayoritarios en ambas zonas. Los electrones de la zona N pasaran a la zona p y los huecos de la zona P pasaran a la zona n cruzando la unin. Esta difusin de produce debido a que los electrones tienden a llenar los huecos adyacentes a la unin, dejando a su vez una zona de huecos en la posicin original, la difusin se manifiesta en los lados adyacentes de la frontera y se denomina zona de transicin.(Fig. 12)

Zona de transicin o deplexin

Fig. 12

Debido al proceso de difusin, se produce una concentracin de cargas opuestas a ambos lados de la unin, cargas negativas en la zona P y cargas positivas en la zona N, siendo cerca de la unin, mayor la concentracin de cargas opuestas.

Por la concentracin de cargas opuestas se genera un campo elctrico y una diferencia de potencial que se conoce como barrera de potencial.

La barrera de potencial detiene el proceso de difusin de portadores. La carga negativa concentrada rechazar a los electrones que intenten pasar, los cuales no tendrn la suficiente energa para saltar la barrera.(Fig. 13)

El campo elctrico entre los iones es equivalente a una diferencia de potencial llamada barrera de potencial. La barrera de potencial es del orden de los (mV) y depender de los valores de temperatura y de la naturaleza del cristal.

La barrera de potencial es aproximadamente de 0,3 V para diodos de Germanio y de 0,7 V para diodos de Silicio.

Fig. 13

-+

Polarizacin directa: Se ve una fuente de corriente continua conectada a un diodo. El terminal negativo de la fuente esta conectado al material tipo n y el terminal positivo al material tipo p. Esta conexin se llama polarizacin directa. En este caso existe una inyeccin de portadores mayoritarios por la diferencia de potencial aplicada, con lo cual se reduce la barrera de potencial y se produce la conduccin. (flujo de electrones) (Fig. 14)

Fig. 14

La barrera de potencial disminuye

Polarizacin inversa: Si se invierte la polaridad de la fuente de continua, entonces el diodo quedara polarizado en inversa. Al revs de la situacin anterior, los portadores mayoritarios son atrados por el potencial contrario aplicado en sus extremos, lo cual hace que aumente la barrera de potencial; por lo tanto, los electrones no tendrn la suficiente energa para atravesar la barrera y la corriente ser prcticamente nula. Esta conexin se denomina polarizacin inversa.(Fig. 15)

Fig. 15

La barrera de potencial aumenta

Los fenmenos anteriormente mencionados corresponden al funcionamiento de un diodo de unin cuyo smbolo se muestra a continuacin:(Fig. 16)

Fig. 16

La barrera de potencial y la temperatura: La temperatura de la unin es la temperatura dentro del diodo, exactamente en la unin pn. La temperatura ambiente es diferente, es la temperatura del aire fuera del diodo. Cuando el diodo esta conduciendo, la temperatura de la unin es mas alta que la temperatura ambiente a causa del calor creado en la recombinacin. La barrera de potencial depende de la temperatura creada en la unin. Un incremento en la temperatura de la unin crea mas electrones libres y huecos, que se difunden en la zona de deplexion. Esta se estrecha lo que significa que hay menos barrera de potencial a temperaturas altas en la unin.

Matemticamente definimos:

La variacin de tensin por el cambio de temperatura.

Ahora podemos establecer una regla para estimar el cambio en la barrera de potencial, como una derivacin:

(- 2 mV / C)

Con esto podemos calcular la barrera de potencial a cualquier temperatura de la unin.

Ejercicio: Suponiendo una barrera de potencial es de 0,7 V a una temperatura de 25 C

Cul es la barrera de potencial en un diodo de silicio cuando la temperatura de la unin es de 100 C?

Cul es la barrera de potencial en un diodo de silicio cuando la temperatura de la unin es de 0 C?

Solucin:

Cuando la temperatura de la unin es de 100 C, el cambio en la barrera de potencial es:

V= (-2mV/C)T= (-2mV/C)(100 C 25 C) = 150 mV

Esto nos dice que la barrera de potencial decrece 150 mV desde su valor de temperatura ambiente, por lo tanto:

VB =0,7 V 0,15 V =0,55 V

Cuando la temperatura de la unin es de 0 C, el cambio en la barrera de potencial es:

V= (-2mV/C)T= (-2mV/C)(0 C 25 C) = 50 mV

Lo que quiere decir que la barrera de potencial crece 50 mV desde su valor a temperatura ambiente, por lo tanto.

VB =0,7 V +0,05 V =0,75 V

Grfica de un diodo: Una resistencia es un dispositivo lineal ya que su grafica de la corriente en funcin de su tensin es una lnea recta. Un diodo es diferente, es un dispositivo no lineal ya que su grafica de trabajo no es una recta. Esto se debe a su barrera de potencial, cuando la tensin del diodo es menor al valor de la barrera de potencial la corriente de diodo es pequea; si la tensin del diodo incrementa el valor por sobre el valor de la barrera de potencial, la corriente de trabajo del diodo se incrementa rpidamente.(Fig. 17)

En la zona directa la tensin en la cual la corriente empieza a incrementarse rapidamente se denomina tensin de umbral (Vk) es igual al valor de la barrera de potencial. Definimos la tensin de umbral del diodo de silicio de la siguiente forma:

Fig. 17

I mA Corriente directa

Voltaje de ruptura

Polarizacin

directa

KV0,30,7

V

Corriente de fuga

Corriente inversa

Polarizacin

inversa

A

Nota: El diodo es un dispositivo no lineal, cuya corriente de trabajo quedar solo limitada por la resistencia de carga. Si se polariza inverso, el diodo no conduce. Existiendo una pequea corriente de fuga del orden de los micro-amperes. Si el voltaje inverso supera el valor especificado por el fabricante, el diodo se deteriora seriamente.

Para tensiones mayores que la tensin de umbral, la corriente crece rpidamente, al aumento pequeo de tensin, el diodo origina un alto incremento de corriente, esto se debe a que una vez superado el valor de la barrera de potencial, solamente se opone al flujo de la corriente la resistencia de las zonas p y n.

La suma de las resistencias ohmicas se le llama resistencia interna del diodo y se define mediante la siguiente formula:

Los diodos tienen diversas aplicaciones, entre las que se destacan:

a) Rectificadores: La funcin del rectificador es transformar la corriente alterna en continua, la mayora de los dispositivos electrnicos, televisores, equipos estereos y computadores necesitan de una corriente continua. Dentro de las fuentes de potencia hay circuitos que permiten que la corriente fluya en un solo sentido, estos son los llamados rectificadores, que estudiaremos a continuacin: Rectificadores de media onda: El siguiente circuito nos muestra un rectificador de media onda (Fig. 18).

Fig. 18

RL

Grficos

V

+

+VRMSVPEAKVoltaje alterno

t

T = Periodo

T

VRL

Voltaje rectificado

+

+

0,3 0,7 V

t

ONOFFON

id

Corriente rectificada

t

Donde:

Ip = Corriente Peak

Vp = Voltaje efectivo o real

Im = Corriente media

Vm = Voltaje medio o VccVRMS= Voltaje promedio o efectivo

= Constante

Ejercicio: Cules son las tensiones de pico en la carga y la tensin continua en la carga?. El transformador tiene una relacin de espiras de 5:1. (Esto significa que la tensin r.m.s. del secundario es un quinto de la tensin del primario),VP=120 V.

Solucin:

Y la tensin de pico en el secundario es:

Con un diodo ideal, la tensin de pico en la carga es:

La tensin continua en la carga es:

La tensin de pico en la carga es:

La tensin continua en la carga es:

Rectificador de onda completa: En este tipo de rectificadores la corriente de carga rectificada circula durante ambas mitades de los ciclos, a continuacin veremos un puente rectificador de onda completa:(Fig.19)

Fig. 19

D4

D1

D2

D3

RL

Sistema rectificador

GRAFICOS

V

tVoltaje alterno

VD

Vdc

Voltaje rectificado

t

D1-D3D2-D4

Valor de continua o valor medio en un rectificador de onda completa, esta seal tiene el doble de ciclos positivos, como lo visto en la grafica, por lo tanto el valor del voltaje rectificado es (VD):

El valor de la corriente media en rectificador de onda completa es:

A la salida de un rectificador se obtiene una tensin continua pulsante, para mejorar esta seal y dejarla lo ms cercano a una seal continua pura, se utilizan los filtros.

Existen diferentes tipos de filtros, como son:

Filtros capacitivos (condensadores)

Filtros inductivos (bobinas)

Filtros inductivos - capacitivos, ambos o una mezcla de ambos.Uno de los mas usados es el filtro capacitivo, que a continuacin daremos a conocer brevemente:

El filtro de condensador en la entrada: Este filtro genera una tensin de salida continua igual al valor de pico de la tensin rectificada. Este tipo de filtros es muy usado en fuentes de alimentacin y alternadores.

La siguiente figura nos muestra la forma de conectar el condensador: (Fig. 20)

C

Fig. 20

En los filtros de onda completa el rizado de pico a pico se corta por la mitad, como se observa en la figura.(Fig. 21 a-b) Cuando una tensin de onda completa se aplica a un circuito RC, el condensador solo descarga la mitad del tiempo. Por lo tanto, el rizado de pico a pico tiene la mitad de tamao que tendra con un rectificador de media onda, la seal con el condensador mejora notablemente. El funcionamiento del condensador consiste en lo siguiente:

Este se carga a travs de la tensin continua pulsante que entrega el rectificador, (diodo abierto) una vez que el condensador almacena el valor mximo de tensin comienza su descarga, hasta que nuevamente la tensin continua pulsante alcanza el valor del condensador comenzando nuevamente su descarga.

Fig. 21 a

V

Seal rectificada

t

Fig. 21 b

Se puede calcular el voltaje de rizado de pico a pico de cualquier filtro con condensador a la entrada:

Donde:

Vr= Tensin de rizado pico a pico (V)

I= Corriente por la carga en continua (A)

f= Frecuencia de rizado (Hz)

C= Capacidad (F)

El diodo adems de rectificar, se puede utilizar como elemento de proteccin como por ejemplo para asegurar el paso de corriente en un solo sentido en un alternador o batera:(Fig. 22)

Fig. 22

Proteccin

Batera

El diodo adems puede proteger de errores de polaridad.

Otros tipos de diodosDiodo Zener: Es un diodo de fabricacin especial de silicio que se ha diseado para que funcione en la zona de ruptura, llamado a veces diodo de avalancha, el diodo zener es la parte esencial de los reguladores de tensin. Estos son circuitos que mantienen la tensin casi constante con independencia de que se presenten grandes variaciones de la tensin en la red y la resistencia de carga.

A continuacin veremos su smbolo y grafica de trabajo: (Fig.23)

I (ma)

Polarizacin

directa

Zona de Ruptura

VZ max.

VZ nom.

VZ min.

V

Iz minimo

IZ nominal

IZ mximo

Polarizacin

indirecta

Fig. 23

Regulador zener: El diodo zener es un elemento estabilizador de tensin (regulador de tensin) porque para pequeos mrgenes de variacin de tensin, trabaja con variaciones importantes de corriente. Para asegurar que el diodo zener trabaje como estabilizador de tensin se deben cumplir las siguientes condiciones:

Este diodo debe ser alimentado por una corriente inversa no inferior a Iz. Mnimo (Iz min.), dato entregado por el fabricante.

No se debe sobrepasar en ningn caso la corriente del zener mxima (Iz max.) ya que puede producir daos en el componente.

Ahora la potencia del zener se calcula por:

Por lo tanto:

El Iz min. se calcula y es igual al 10% de Iz max.

Por lo tanto:

Rs

+

Vz

Vs-

Circuito bsico de regulacin

Fig. 24

Rs

+

+

Vs

Vz

_

_

La fuente de alimentacin excitacin al regulador

Fig. 25

La corriente en la resistencia es:

Diodo Led (emisor de luz): En un LED con polarizacin directa los electrones libres atraviesan la unin y caen en los huecos. Como caen de niveles energticos altos a niveles bajos, emiten energa. En diodos normales esta energa se disipa en forma de calor, pero un LED lo hace en forma de luz. Los LED necesitan muy poca tensin, tienen una larga vida y conmutan mas rpido.

Su smbolo es:

Fig. 26

El diodo LED posee el mismo funcionamiento que el diodo comn, sin embargo cuando se produce la difusin de portadores mayoritarios a travs de la unin, estos entregan energa en forma de luz.

Estos elementos necesitan de un voltaje de polarizacin de entre 1,5 a 2 (V) y una corriente de trabajo entre 15 a 20 (mA) y pueden ser de color rojo, verde, amarillo, naranjo, etc. Este tipo de diodo se construye con materiales semiconductores semitransparentes a la energa luminosa, como por ejemplo de Arsnico y Galio.

Rs

+

Vs

-VD

Fig. 27

Fotodiodos: (Receptor de luz), este componente recibe luz con lo cual los electrones Libres tienen la energa suficiente para poder traspasar la unin y conducir. Cuanto mayor intensidad de luz incida sobre la unin, mayor ser la corriente inversa en el diodo. Un foto diodo es un diodo cuya sensibilidad a la luz es mxima. Se debe polarizar en forma inversa y en los fotodiodos tpicos la corriente inversa es del orden de decenas de microamperios.

Se pueden utilizar para captar seales en sensores pticos o medir velocidades angulares en motores.

Su smbolo es:

Fig. 28

R

V

Fig. 29

La luz incidente incrementa la corriente inversa en el fotodiodoTransistores: En 1951 William Schockley invento el primer transistor de unin, un dispositivo semiconductor que permite amplificar seales electrnicas tales como seales de radio y de televisin. El transistor ha llevado a crear muchas otras invenciones basadas en semiconductores, incluyendo el circuito integrado (CI), un pequeo dispositivo que contiene miles de transistores miniaturizados. Existen dos familias de transistores:

Transistores unipolares

Transistores bipolaresEsta clasificacin se basa en el tipo de portadores de carga (electrones y huecos) que intervienen en su proceso de conduccin.

Transistor bipolar: El transistor tiene tres zonas de dopaje, como se muestra en la siguiente figura (Fig. 30). La zona inferior se denomina emisor, la zona central base y la zona superior es el colector.

JCBJBEJCBJBE

TRANSISTOR NPNTRANSISTOR PNP

Fig. 30

Los smbolos son:

++

VCB

COLECTOR

VCB

COLECTOR

BASE

BASE

VCE+

VCE

+

VBE

EMISOR

VBE

EMISOR

++

TRANSITOR NPN

TRANSISTOR PNP

Fig. 31

Este componente es de estructura simple y debe cumplir con ciertos requisitos de dopado y de dimensiones caractersticas que hacen que el dispositivo no se comporte simplemente como dos diodos.

Su funcin es que el emisor emite captadores de carga, el colector los recoge y la base controla el paso de esos portadores de cargas.

El emisor esta fuertemente dopado. Por otro lado, la base esta ligeramente dopada. El nivel de dopado del colector es intermedio, entre los dos anteriores. Fsicamente el colector es la zona mas grande de las tres.

Modo de funcionamiento:

Unin BEUnin BCModos de funcionamiento

DirectaDirectaSaturacin

InversaInversaCorte

DirectaInversaActiva

Operacin normal de un transistor:

JBE = DIRECTA

JCB = INVERSA

Principio de funcionamiento del transistor: En la Fig. 32 se muestra el funcionamiento de un transistor NPN en zona activa:

MATERIAL NMATERIAL PMATERIAL N

EMISOR

BASE

COLECTOR

Altamente ImpurificadoMedianamente Impurificado

Ie

Ic

HuecoElectrn

IB

ReRc

VccFig. 32Vcc

Los datos de inicio, para explicar la Fig. 32 son los siguientes:

Emisor: Muy contaminado. (muchos portadores mayoritarios, electrones)

Base: Poco contaminado (pocos portadores mayoritarios, huecos) estrecho tamao.

Colector: Medianamente contaminado de tamao amplio.

Con la polarizacin directa de la unin base emisor, muchos electrones del emisor irn a la base a recombinarse con los huecos de la base y viceversa. Aqu se encuentran con la primera dificultad y es que la base est poco impurificada (dopada) y existen pocos huecos para que se puedan recombinar, los que lo logran forman una pequea corriente denominada corriente de base.

Los electrones llegados del emisor y no recombinados saturan a la base (tamao estrecho) lo que produce una corriente de difusin entre base y colector. Como esta unin est polarizada en forma inversa, los electrones son extrados por el campo elctrico. Por lo tanto la unin base colector rene los portadores que emite la unin base emisor comportndose como un generador de corriente entre emisor y colector. Aproximadamente solo un 5% de la corriente emitida va a la base y un 95% al colector.

En resumen, el emisor emite portadores, el colector los recoge y la base controla el paso de esos portadores de carga.

La poca corriente de base es controlada por la tensin base - emisor.

Configuraciones de un transistor: Estas configuraciones dependen del terminal que se elija comn a la entrada y a la salida del transistor:

Emisor comn

Base comn

Colector comn

CE

EC

B

BV0

V0 Vi

V0

Vi

VI

E

B

C

Fig. 33

Donde:

Vi = Voltaje de entrada

Vo = Voltaje de salida

Relaciones de corriente en un transistor: Recurdese que la ley de la corrientes de Kirchhoff. Establece que la suma de todas las corrientes que ingresan a un nudo o unin es igual a la suma de todas las corrientes que salen de ese nudo:

Ahora la relacin se conoce como la ganancia de corriente de un transistor porque una pequea corriente de base produce una corriente mucho mayor de colector:

Ejercicio: Un transistor tiene una corriente de colector de 10 mA y una corriente de base de 40 A. Cual es la ganancia de corriente del transistor?

Solucin:

Funciones principales de un transistor: En lo que respecta al automvil se destaca la importancia del transistor en la utilizacin como rele y amplificador.

Como rele: Para que funcione de esta forma basta con polarizar la base del transistor, a travs de una dbil tensin o polarizacin para conseguir el paso de una alta corriente entre emisor y colector. La gran ventaja en este caso con respecto a un rele mecnico, es que el transistor no posee contactos ni resortes o mecanismos que se deterioren con el tiempo producto de los movimientos la temperatura y que fcilmente pierden sus cualidades iniciales.

Basado en ste principio, el transistor tiene un amplio campo de aplicacin en el automvil y un ejemplo de ello es la Fig.34 que nos muestra un sistema de encendido transistorizado:

P

C

R

B

E

A

R

B

Fig. 34

Funcionamiento: La corriente principal proviene de la batera (A) y pasa al transistor (T), si los contactos del ruptor (platinos) se encuentran abiertos, por lo cual se produce una interrupcin en el paso de la corriente de base, de modo que el transistor queda bloqueado. Cuando los contactos (P) se unen, polarizan a masa (corriente negativa), la base del transistor y entonces ste se vuelve conductor, dando paso a la corriente al primario de la bobina de encendido (B). El primario de la bobina se alimenta y cuando se produzca la nueva separacin de los contactos, el transistor se bloquea y se induce una corriente de alta tensin en el arrollamiento secundario de la bobina, lo que produce la chispa en la buja.

En el caso de la figura dibujada se observa que el transistor trabaja como un rele, porque una pequea corriente de base permite el paso de una corriente mayor entre emisor y colector.

Como Amplificador: stos se utilizan cuando se trata de recibir seales procedentes de sensores o captadores, las cuales trabajan con seales muy bajas. Para que stas seales puedan ser incorporadas a dispositivos electrnicos tales como cajas de encendido, microprocesadores de las unidades electrnicas de control de inyeccin de gasolina, deben ser amplificadas.En resumen un amplificador ese un dispositivo por medio de el cual una dbil corriente producida por una fuente hace provocar una fuerte corriente en la salida.

La siguiente Figura (Fig. 35) nos muestra un ejemplo simplificado de cmo un transistor puede realizar las funciones de un amplificador.

La entrada amplificada que proviene de la base del transistor y circula entre emisor y colector y que puede llegar a ser 100 veces superior. Si se desea amplificar aun mas se puede aplicar una segunda etapa amplificadora que puede llegar a ser 10.000 veces aumentada la seal de salida:

R3R1

C2

C1

R4R2

+

Fig. 35Existen variadas construcciones de transistores, los estudiados con anterioridad se denominan transistores bipolares. Existen otra familia denominada transistores unipolares o por efecto de campo (FET), es un dispositivo de estado slido en el que el campo elctrico controla el flujo de los portadores en un canal de conduccin.

Al igual que los bipolares los unipolares se utilizan como reles, amplificadores e interruptores controlados.

A continuacin se realiza una clasificacin general de tipos de transistores:

Fig. 36

Tiristores: Son dispositivos semiconductores que tienen tres terminales (conectores), una corriente dbil en una de sus terminales (compuerta) permite que una corriente mucho mayor fluya a travs de los otros dos conductores. La corriente controlada est encendida o apagada; estos no amplifican seales como los transistores, sino que actan como interruptores de estado slido.

Existen dos familias:

Rectificador controlado de Silicio (S.C.R.): ste es similar a un transistor bipolar con una cuarta capa, como lo muestra el dibujo siguiente (configuracin interna)

ANODO

SIMBOLO

ANODOCATODO

COMPUERTA

(GATE)

CATODOCOMPUERTA

Fig. 37

Funcionamiento de un SCR: Si el nodo se hace ms positivo que el ctodo en un tiristor, las uniones externas (dos) se polarizan, sin embargo la unin P-N del centro se polariza de forma inversa y la corriente no puede fluir. Una corriente pequea en la compuerta polariza la unin P-N del centro permitiendo que una corriente mucho mayor fluya a travs del dispositivo.

Alta corriente de

salida

RL

R

Pequea corriente de

control

Fig. 38

La ampolleta solo funciona cuando el interruptor se cierra y circula una pequea corriente, que es limitada por esta resistencia,(R).

La grfica siguiente nos muestra el comportamiento de un SCR, para profundizar el funcionamiento del SCR es conveniente observar su curva caracterstica:

I

POLARIZACION

DIRECTA

EB

(C)IH

A

V(+)

VXVBO

POLARIZACION

INDIRECTA

Fig. 39

De acuerdo a la grfica y observando se ve que existe una caracterstica de bloqueo en el momento que pasa la corriente (polarizacin directa), que viene presentado por la letra A, aqu existe un crecimiento de la tensin directa sin que el SCR permita el paso de la corriente; pero cuando este alcanza un punto determinado conocido con el nombre de tensin de operacin (VBo), el tiristor SCR permite el paso de la corriente representado por la letra B, con una lnea ascendente.

Cuando la corriente directa desciende su valor bajo el punto C, llamado o conocido como corriente de mantenimiento o de retencin (IH), el SCR se bloquea y por consiguiente deja de conducir.

En el sentido inverso el SCR se comporta como un diodo normal.

La forma ms efectiva para apagar un SCR es reducir la corriente de nodo bajo el valor de (IH) o bajar el voltaje bajo el valor (VX), la primera con una resistencia y la segunda con una fuente variable.

A continuacin se muestra un diagrama en bloque de un circuito SCR:

SCR

GK

R

Vi

Fig. 40

Valores tpicos:

Posee una corriente de mantenimiento :

6 mAUna corriente de disparo de :10 mAUna tensin de bloqueo directa de:50 VUna tensin de disparo tpica de :0.75 V

Estos valores indican que la fuente que alimenta al SCR tiene que ser capaz de suministrar al menos 10 mA a 0,75 V. para que el SCR se mantenga cerrado. Con respecto a la corriente de mantenimiento, si disminuye a menos de 6 mA el SCR se convertir en un circuito abierto.

La tensin de bloqueo de 50 V, nos indica que a menos de este valor el SCR no puede cerrarse y la nica forma de hacerlo sera aplicando un pulso a la compuerta.

Triacs: Este dispositivo es equivalente a 2 SCR conectados en paralelo en oposicin como lo muestran las siguientes figuras:

SCR

mt2

mt1

SCR

Compuerta (gate)

mt1mt2

Smbolo:

Compuerta

mt2mt1

Fig. 41

Estos dispositivos trabajan de forma bilateral tanto en el semiciclo positivo como en el semiciclo negativo y pueden controlar tanto motores como otros dispositivos elctricos.

UNIDAD II

Fundamentos de electrnica integrada

Carga y descarga de condensadores:

1. Se tiene un circuito con un conmutador que varia su posicin de a b

2. Se asume un condensador totalmente descargado

R

a

b

CVO

3. t1 = Tiempo inicial en que el switch se conecta al punto a

4. Al conectar el circuito la corriente es mxima y posteriormente decrece

5. El voltaje en el condensador comienza desde cero hasta que iguala el voltaje de la fuente

6. Cuando el voltaje del condensador se iguala al voltaje de la fuente, el voltaje en la resistencia se hace cero

7. En t2 se cambia al conectar a la posicin b

Grficos de comportamiento:

4,6 = Tiempo de carga de un condensador

VO

t1

t2t

i

VR

VC

Tiempo de carga y descarga de un condensador:

T = 4,6 = R C

= Constante de tiempo, tiempo que demora el condensador en cargarse a un 63% de su valor mximo, se mide en segundos.

Ejemplo: Cunto demora un condensador de100 F en cargarse y que esta conectado a una resistencia de 10 K?

10 K

100 F

12 V

T = 4,6RC

T = 4,61010310010-6T = 4,6 Seg

Se puede observar prcticamente de dos formas:

Colocar un ampermetro en serie y observar el momento donde la corriente deja de circular. (segn el grafico cuando la corriente deja de circular, es porque el condensador ya se cargo)

Se puede colocar un voltmetro en paralelo con la resistencia y observar cuando el voltaje llegue a cero.

Al hacerlo de esa forma se observara que jams llegara a cero, pues siempre habr una pequea corriente de fuga que pasa por el voltmetro.

Es recomendable hacerlo con un ampermetro y mas aun con un ampermetro anlogo.

Conclusin:

Podemos controlar el tiempo de carga y descarga de un condensador controlando el valor de resistencia y capacidad del condensador.

INTEGRADO 555

8

5

6

2

7

4

1

3

Es un integrado que posee ocho conexiones, las cuales son:

1. Tierra

2. Entrada de trigger (Seal de inicio o disparo)

3. Salida

4. Reset

5. Control de voltaje

6. Entrada de umbral

7. Descarga

8. Vcc (Voltaje de entrada)

La tres resistencias en serie son un divisor de tensin donde el Vcc se divide en tres partes iguales: 1/3 Vcc; 2/3 Vcc; 3/3 Vcc.

Se establecen estos voltajes como voltajes de referencia, para los comparadores A y B.

FF RS es un elemento que se denomina Flip - Flop.

El flip-flop para que pueda depender de la seal entregada por los comparadores, debe recibir del reset un voltaje de seal alto (sobre 1 Volt).

El transistor, trabaja como un conmutador y su base esta controlado por la salida del flip flop (el flip flop controla la corriente de base).

La salida del integrado va precedida de un amplificador que tiene las caractersticas de inversor.

Esto es:

Si llega un nivel bajo al amplificador, sale un nivel alto.

Si llega un nivel alto al amplificador, sale un nivel bajo.

Funcionamiento:

Cuando la seal de trigger cae bajo 1/3Vcc la salida del comparador A ser alta. Esto provoca que la salida Q del flip flop sea baja cortando la corriente de base del transistor de descarga.

La salida del integrado ser alta debido a la accin del inversor (se fija un 1 lgico)

Cuando la seal de entrada de umbral supera 2/3Vcc, la salida del comparador B se pone alta. La salida Q del flip flop ahora es alta permitiendo que el transistor de descarga se active.

La salida del integrado ser baja por la accin del inversor (cero lgico).

La accin del comparador B es borrar la salida del temporizador

OPERACION DEL TIMER 555 COMO MONOESTABLE

TriggerSeal de disparo o de

partida

1/3Vcc

2/3Vcc

Umbral 0

VCC

Salida 0T

T=1,1RC

Funcionamiento:

Cuando la seal que pasa por trigger baja de 1/3 Vcc, el condensador comienza su proceso de carga puesto que el transistor interno esta con su base desenergizada. Salida alta. El condensador esta conectado al pin 6 (umbral) y cuando este alcanza un valor de 2/3 Vcc, internamente se activa el comparador B, se descarga el condensador y la salida del timer es cero. El tiempo en que la salida es alta depende del tiempo de carga del condensador.T = 1,1RC

Conexin:VCC

R

Trigger

Salida

0,01fC

Posee una sola posicin estable en la salida y es cero (0 Volts)

OPERACIN DEL TIMER 555 COMO ASTABLE (BIESTABLE)

Posee 2 estados de estabilidad. El objetivo es determinar los tiempos de cada estado de estabilidad en funcin de la carga y descarga de un condensador. El ejemplo de un 555 como astable es el funcionamiento de un reloj.

2/3Vcc

Tensin

del 1/3Vcc

condensador

t1t

Tensin

det2

salida

Tt

CONEXIN:VCC

RA

SALIDA

RB

0,01f

C

El funcionamiento interno del integrado sigue siendo el mismo, lo que cambia son las conexiones externas.

La conexin de trigger y umbral estn unidas y dependen solo del voltaje y del condensador.

Cuando el condensador se esta cargando y llega a un voltaje 2/3 Vcc, la salida del integrado se hace cero, la base del transistor interno se energiza y el condensador se descarga a travs de RB por el pin 7.

Una vez que el voltaje del condensador llegue a 1/3 Vcc, se activa el comparador A pues la seal de trigger baja de 1/3 Vcc. La base del transistor se desenergiza por lo que el condensador ahora comienza a cargarse pero a travs de las resistencias RA y RB.

En este caso la salida del integrado es Vcc.

Clculos de tiempo de carga y descarga:

t1= Tiempo de carga del condensador por medio de RA y RB.

t2= Tiempo de descarga del condensador a travs de RB.

CICLO DE TRABAJO D(%)

Cuociente entre el tiempo durante el cual la salida esta en nivel alto (t1) y el periodo (T)

UNIDAD IIIFundamentos de la electrnica digitalExisten dos familias que trabajan dentro de los circuitos integrados, dos tecnologas ampliamente utilizadas:

TTL: Corresponde a la familia 7400, fue introducida por la Texas Instruments en el ao 1964. Estos circuitos han ido evolucionando, conduciendo a nuevas subfamilias las cuales estn disponibles en la National Semiconductor.

Lgica TTL standard

7404

Lgica TTL baja potencia

74L04

Lgica TTL Schohky

74504

Lgica TTL Schohky baja potencia

74L504

Lgica TTL Schohky avanzada

74A504

Lgica TTL Schohky avanzada baja potencia74AL04Las caractersticas de tensin en todas las subfamilias TTL son las mismas (Vcc +5V), sin embargo cambian sus caractersticas de velocidad y de potencia.

Las marcas en los circuitos integrados TTL varan segn el fabricante, a continuacin se muestra una figura de ejemplo:

Logotipo de

fabrica

CI: Circuito Integrado

Fig. 42

DM 74 08 N

Cdigo del

Fabricante para

Encapsulado de doble lnea

Funcin del

CI

Familia

TTL

Cdigo del

fabricante

Una caracterstica importante de las entradas TTL es que si no se conectan (flotante), el dispositivo asume un nivel alto designado con un 1.

Circuitos integrados CMOS (Metal xido complementario): Fue introducido por la RCA en el ao 1968, su popularidad deriva a que tienen un extremado bajo consumo de potencia, alta inmunidad al ruido y pueden funcionar con una fuente econmica no regulada.

Los fabricantes producen 3 familias de circuitos integrados CMOS, que incluyen la antigua serie o familia 4000, la familia 74C00 y la familia 74HC00.

A continuacin se muestra un ejemplo para un cdigo usado para un CMOS:

CD 4028 B E

Cdigo del fabricante

Disp. plstico

Funcin del

dispositivo

Cdigo del

Fabricante para CMOS digital

Los fabricantes sugieren que al trabajar con dispositivos CMOS, se consideren los siguientes datos; para evitar daos provenientes de descargas estticas y tensiones transitorias, se debe seguir el siguiente procedimiento:

1) Almacenar los circuitos integrados CMOS en espumas conductoras especiales.

2) Desconectar la alimentacin cuando se vayan a quitar los CI o se cambien las conexiones en un circuito impreso.

3) Asegurar que las seales de entrada no excedan la tensiones de la fuente de alimentacin.

4) Desconectar las seales de entrada antes de desconectar la alimentacin del circuito

5) Conectar todas las entradas no utilizadas al polo positivo o tierra de la fuente de alimentacin

6) No manipular el dispositivo, slo usando los elementos correspondientes (guantes)

Circuitos integrados digitales

(Compuertas lgicas)

La compuerta lgica es un elemento bsico en los sistemas digitales. Las compuertas lgicas operan con nmeros binarios.

Todos los volts usados en las compuertas sern altos o bajos.

Un alto volt significara un 1 binario y un bajo vot significara un 0 binario.

No importa lo complicado que sean los circuitos integrados digitales todos ellos estn hechos a partir de bloques de construccin sencillos, llamados compuertas. Todos los sistemas digitales se construyen a partir de tres compuertas lgicas bsicas, que son:

1. La compuerta AND

2. La compuerta OR

3. La compuerta NOT

1.- Compuerta AND: La compuerta AND llamada Todo o nada en los esquemas se muestran su smbolo y el circuito AND usando conmutadores:

AB

AS

BS.

ABS

000

010

100

111

La expresin Booleana que define una compuerta o condicin AND, es la siguiente:

2.- Compuerta OR: La compuerta OR llamada Cualquiera a todo en los esquemas se muestran su smbolo y el circuito OR usando conmutadores:

A

B

AS

BS

ABS

000

011

101

111

La expresin Booleana que define una compuerta o condicin lgica OR, es la siguiente:

3.- Compuerta NOT: La compuerta NOT se conoce tambin como un inversor. La compuerta NOT tiene solamente una entrada y una salida, en los esquemas se muestran su smbolo y el circuito NOT usando conmutadores:

AS

AS

01

10

La expresin Booleana que define una compuerta o condicin lgica NOT es la siguiente:

Las leyes que condicionan una compuerta lgica NOT son las que se definen:

Si A = 1, entonces

Si A = 0, entonces

Combinaciones de compuertas:

AA

B

S

B

LA EXPRESIN BOOLEANA ES:

TABLA DE VERDAD

ABS

001

011

100

110

A

B

C

S

LA EXPRESIN BOOLEANA

LA TABLA DE VERDAD

ABCS

0000

0010

0100

0111

1000

1010

1101

1110

Dada las siguientes expresiones Booleanas:

Realizar:

Los circuitos lgicos combinacionales

La tabla de verdad

Otras compuertas lgicas: Se pueden hacer otras cuatro compuertas lgicas a partir de las fundamentales y son:

a) Compuerta NANDb) Compuerta NORc) Compuerta OR EXCLUSIVAd) Compuerta NOR EXCLUSIVAa) Compuerta NAND: Esta se puede alterar a travs de una compuerta AND y una compuerta NOT, como se ve en el esquema:

NAND

El smbolo de la compuerta NAND es:

A

S

B

Su expresin Booleana es:

Su tabla de verdad es:

ABS

001

011

101

110

b) Compuerta NOR: Dicha compuerta se obtiene a travs de una compuerta OR y una compuerta NOT, como se ve en la siguiente figura:

NOR

El smbolo de la compuerta NOR es:

A

S

B

Su expresin Booleana es:

Su tabla de verdad:

ABS

001

010

100

110

Compuerta OR exclusiva:La compuerta OR exclusiva se conoce como la compuerta alguno para no todos, el termino OR exclusivo se abrevia X OR.

La siguiente figura muestra el circuito lgico que realiza la funcin X OR:

Circuito lgico que realiza la funcin X OR

Su smbolo de la compuerta OR Exclusiva:

A

S

B

Su expresin Booleana es:

Su tabla de verdad:

ABS

000

011

101

110

Compuerta NOR Exclusiva: Tambin se llama X NOR la compuerta NOR produce la expresin . Al invertir esta, se forma la expresin Booleana:

Correspondiente para dos entradas:

AS

B

Su smbolo de la compuerta NOR exclusiva es:

AS

B

Su expresin Booleana es:

Su tabla de verdad es:

ABS

001

010

100

111

Las compuertas que se han nombrado se denominan circuitos lgicos ya que toman decisiones lgicas, las compuertas tienen con frecuencia mas de dos entradas; un aumento de ellas (N de entradas) implica un mayor poder de toma de decisiones.

Las compuertas se utilizan individualmente o conectadas para formar una red.

Circuitos lgicos combinacionales: Estos responden a los datos que entran y pueden ser

(0 1)

Circuitos lgicos secuenciales:La salida de estos circuitos est determinado por el estado previo de la entrada, es decir, los BIT de datos, se mueven a travs de los circuitos, 8 canales cuando reciben un pulso de reloj.

Flip-Flop RSLos Flip-Flop por reloj Los datos en S y R hasta que le llegue un pulso de reloj entonces cambia su estado.

Existen otro tipo de Flip-Flop como son el Flip-Flop tipo D, el tipo T y el tipo JK.

Sistema lgico y secuencial: Un ejemplo de este sistema se muestra a travs del siguiente diagrama en bloques:

Unidades Electrnicas de Control.

Estas tienen la funcin de ser el cerebro, para comandar los diferentes elementos en el automvil. Estos elementos reciben informacin de sensores y luego pueden calcular y elegir en el mnimo de tiempo, la decisin ms conveniente.

Esquema del principio de mando de una unidad electrnica de control: Todo aquello que deba controlarse en cuyo funcionamiento pueden producirse alternativas puede ser regulado con gran facilidad por una unidad electrnica de control.

El procedimiento externo se muestra a continuacin:

Con el tiempo se pretende llegar a construir un automvil capaz de conseguir una centralizacin total de las rdenes cursadas al automvil. Dentro del campo de la electrnica existen los dispositivos para lograr estos fines sin mayores problemas.

La pregunta o inquietud que resalta es Cmo una mquina con dispositivos electrnicos puede tomar decisiones?, la respuesta no es simple, sin embargo se puede hacer una analoga con el pensamiento humano:

De acuerdo a las figuras el sensor representa a los sentidos del hombre; esta informacin la traspasa a una memoria la cual lleva incorporado un programa previamente almacenado que le indica que acciones debe ejecutar una vez enviada la seal elctrica del sensor. La unidad electrnica de control dispone de un nmero muy grande de elementos electrnicos y posee una reaccin prcticamente instantnea.

La siguiente figura pertenece a una Unidad Electrnica Lgica para un equipo de inyeccin de gasolina:

CIGUEAL

ES

TEMPERATURAN

A

DEL

TL

AIRE

R

I

ADBOMBA

CAUDAL DE

D

A

AIRE

A

UNIDAD ARITMETICAD

DLOGICAEBOBINA

TEMPERATURAE(UAL)

O

D

RINYECTOR

AD

APERTURA DE

TE

LA

O

N

MARIPOSASE

S

Se observa que el sistema posee varios sensores cuyos datos pasan a la unidad electrnica de control y dentro de ella a una unidad aritmtica lgica, que en combinacin con dos memorias (ROM RAM) determinan la presin de la bomba, en el momento de interrumpir el paso de la corriente por el primario de la bobina (salto de la chispa entre los electrodos de la buja) y la fraccin de tiempo en que han de permanecer abierto los inyectores.

La siguiente figura, nos muestra en forma detallada a travs de un diagrama en bloques de una caja electrnica de una inyeccin a gasolina:

477REGIMEN DE GIROBUS

IMPULSO DE C.I.

TENSION

SITUACIN DELCIGUEAL

IMPULSO DETENSION

CAUDAL DE AIRE

ALUUNIDAD

TENSION

CA

ON

ELECTROBOMBA

TEMPERATURA DELNA

AIRE

VL

TENSIN

E

O

R

G

TEMPERATURA DELTOBOBINA

MOTORI

TENSION

DD

OI

SITUACIN DE

RG

CARGA

IINYECTOR

TENSIN

T

AENTRADA

RED DEL VEHICULOL

TENSIN

SALIDA

a) Conformacin de impulsos (C.I.): Acta para recibir los impulsos de tensin de los rganos de informacin del encendido. Estos impulsos son modificados en magnitud y en forma para dejarlos en condiciones que puedan ser procesados por el microprocesador.

b) Convertidor anlogo digital (A/D): Es el encargado de recibir las seales que se producen por variaciones de tensin y que corresponden a las entregadas por los sensores.

c) Bus: Est formado por un conjunto de lneas de transmisin permitiendo el acceso a todas las unidades que lo requieran y puede ser unidireccionales o bidireccionales.

d) Microprocesadores (C.P.U): Es la unidad central de proceso, contiene en su interior tres dispositivos fundamentales que son:

d.1.- Unidad aritmtica lgica (A.L.U.): Realiza operaciones aritmticas y lgicas. Los programas y datos que se precisa saber, los obtiene de la memoria: ROM mientras que los datos que ha de procesar vienen de la memoria RAM.

d.2.- Acumulador: Es la memoria intermedia que le permite a la ALU guardar datos mientras trabaja con otros datos que est procesando, es decir, es una unidad de espera.d.3.- Unidad de control: Es el elemento activo que solicita los datos, controla las entradas y las salidas y el desarrollo de las operaciones.

e) Memoria ROM: Esta memoria mantiene grabados los programas de fbrica y es una memoria de solo lectura la cual no puede borrarse.

f) Memoria RAM: Es una memoria de acceso aleatorio en la que se acumulan los datos de funcionamiento, Aqu estn almacenados los datos proporcionados por los sensores hasta el momento en que son requeridos por la CPU y pueden ser sobre grabados con nuevos datos que reciben los sensores. Este trabajo se hace de forma constante durante el funcionamiento del equipo y todo se borra al desconectar la alimentacin.

Existen otros tipos de memorias programables como lo son la PROM que es una ROM programable, la EPROM que tambin es una memoria programable, sin embargo esta memoria posee una ventana de cuarzo en la cual si se inyecta luz ultravioleta se borrar su programa.

CONCEPTOS BSICOS DE CONTROL.Sistema de lazo abierto: Es aquel en que la entrada no tiene relacin con la salida

Sistema de lazo cerrado: Es un sistema retroalimentado en que la salida tiene relacin con la entrada.

UNIDAD V

Sistema de encendido electrnicoFunciones del sistema de encendido:

a) La generacin de un impulso de alta tensin (aprox. 30.000 V) por conversin de la batera.

b) La distribucin de la alta tensin a las bujas de encendido.

c) La produccin de una chispa de encendido, en los electrodos de la buja para inflamar la mezcla de combustible y aire.

d) Es funcin del sistema de encendido la interrupcin momentnea del funcionamiento del motor, a voluntad del conductor.

Clasificacin:a) Sistema de encendido por bobinab) Sistema de encendido transistorizado (TSZ)

c) Sistema de encendido por condensador de alta tensin (HKZ)d) Sistema de encendido por magneto:

Encendido por magneto

Encendido por volante-dnamo-magneto

Encendido por condensador y magneto de alta tensin (MHKZ)

Aplicaciones:1. TSZ : Motores de alto nmero de revoluciones

2. HKZ

: Se utilizan cuando las bujas ofrecen resistencia desfavorable por carbonilla, por ejemplo en motores de pistn rotativo

3. MHKZ: Se utilizan en motores pequeos con alto nmero de revoluciones ejemplo en motosierras.

Nomenclatura

T = Transistor

S = Sistema

Z = Zundung (encendido en alemn)

Sistema de encendido convencional SZ (con platino)Esquema de conexiones:

151

4

M15

301

+

D

_

Z

NOMENCLATURA:30: Polo positivo de la batera

M : Interruptor de marcha

D : Ruptor o platino

15: Arrollamiento primario

4 : Arrollamiento secundario

Z : Bujas

B: Distribuidor

Seales:

SEK.

2

AB

4

3

5

6

PRIM.

abc

1

6

100%

A: Tiempo de apertura

B: Tiempo de cierre

a: Duracin de la chispa

b: Tiempo de apertura

c Tiempo de cierre

1 : Contactos abiertos

2: Tensin de encendido

3: Tensin de ignicin

4: Aguja de encendido

5: Lnea de tensin de ignicin

6: Contactos cerrados

En un motor (ciclo Otto) con sistema de encendido convencional, la buja necesita de una tensin (voltaje) que est entre los 8000 Volts hasta los 15000 Volts (8 a 15 KV) para que se produzca la chispa.

Esa tensin depende de muchos factores como:

Desgaste de las bujas (apertura de los electrodos) Resistencia de los cables de encendido

Resistencia del rotor del distribuidor

Distancia entre la salida de alta tensin del rotor y los terminales de la tapa del distribuidor

Punto de encendido (tiempo del motor)

Compresin de los cilindros

Mezcla aire combustible

Temperatura del motorNOTA: Existe entre la mayora de los mecnicos una cierta confusin en lo que se refiere a la tensin generada por la bobina.

Muchos piensan que mientras ms potente es la bobina, mejor ser la chispa (error).

En realidad no es la bobina la que manda la energa que quiere, sino el sistema de encendido el que la solicita (necesita).

Esa solicitud de energa, llamada demanda de tensin de encendido, depende de los tem mencionados anteriormente.

El sistema de encendido se compone de:

Batera

Llave de encendido, interruptor de encendido, chapa de contacto

Bobina

Distribuidor

Cables de encendido

Bujas de encendido

Como sabemos la tensin de 12 Volts suministrada por la batera no es suficiente para producir la chispa en la buja de encendido, por lo tanto esa tensin debe ser aumentada hasta que alcance un valor suficiente para el salto de la chispa entre los electrodos.

Ese aumento de la tensin se consigue a travs de la bobina de encendido, la cual eleva la tensin por la autoinduccin que se genera en las bobinas primaria y secundaria. Este recibe de la batera una baja tensin y la transforma en alta tensin necesaria para la produccin de la chispa.

BOBINA DE ENCENDIDO:

4

ARROLLAMIENTO

SECUNDARIO

115

ARROLLAMIENTO

PRIMARIO

NCLEO DE HIERRO

ARROLLAMIENTO PRIMARIO: Se haya dispuesto exteriormente para una buena disipacin de calor

N de espiras de 150.......200 vueltas

Dimetro del alambre de 0,4 .....0,6 mm

Corriente de reposo, hasta 5 A

ARROLLAMIENTO SECUNDARIO:

N de espiras, aprox. 20.000 vueltas

Dimetro del alambre, de 0,06....0,08 mm

Voltaje sin carga 20 Kv.......35 Kv

N mximo de chispas por minuto:

Bobina de 6 V= 13000

Bobina de 12 V= 18000

Relacin de transmisin Primario-Secundario

Bobina normal

1:100

Bobina de alto rendimiento1:200

Temperatura de servicio, mximo 90 C

DISTRIBUIDOR DE ENCENDIDO

1

3

42

Funcin y funcionamiento:

El distribuidor de encendido distribuye la tensin de encendido a los distintos cilindros segn sea el orden de encendido. La alta tensin de encendido se conduce al motor por medio del distribuidor desde el borne 4, por medio de una escobilla de carbn rozante, salta a los contactos del distribuidor y llega a las bujas por medio del cable de encendido.

El distribuidor se ventila para eliminar los xidos de nitrgeno y el ozono, formado debido a las chispas.

El distribuidor lleva incorporado el ruptor (d), el regulador centrfugo (n) y el regulador por vaco (p)

Orden de encendido:

Motor en lnea 4 cilindros:

1-3-4-2

1-2-4-3

Motor de 4 cilindros opuestos

1-4-3-2

Motor de 6 cilindros en lnea

1-5-3-6-2-4

1-2-4-6-5-3

1-4-2-6-3-5

Distancia entre rotor y los contactos del distribuidor

0,3 a 0,7 mm

N de RPM del rbol del distribuidor en:

Motor de 4 tiempos n del cigeal

Motor de 2 tiempos

n del cigeal

Platinos y dispositivos de avance / Retraso del encendido (SZ)

Angulo de cierre

AbrirCerrar

Avance por fuerza centrifuga

PLATINOS:

La apertura de los contactos comienza cuando la leva toca la pieza de fibra de la palanca del platino alojada aisladamente.

Cuando vara la separacin de los contactos se regula el punto de encendido.

Ejemplo:

Un aumento de la distancia origina un encendido adelantadoDescripcin:La apertura de los contactos va de :0.3 a 0.5 mmTensin de contactos :4 a 6,5

N

Capa de tungsteno :0,5 a 0,8 mmCarga de corriente hasta :5 (A)ngulo de cierre:

Se define como el ngulo de giro de la leva mientras los contactos estn cerrados. Una mayor separacin entre contactos produce un menor ngulo de cierre y viceversa. Los contactos se ajustan mediante la medicin del ngulo de cierre.

ngulo de cierre en platinos simples:

Motor de 4 cilindros 50 ( 352% a 59%

Motor de 6 cilindros 40 ( 362% a 71%

Variacin (avance) por fuerza centrfuga:

Se define como la adaptacin del punto de encendido con respecto al N de RPM del motor. Los contrapesos centrfugos se abren y hacen girar a la leva rotativa en sentido de rotacin producindose un adelanto de encendido.

Regulacin por vaco (depresin):

Se define como la adaptacin del punto de encendido con respecto a la carga del motor.

Carga parcial (I):

La depresin es mxima cuando la vlvula de mariposa est parcialmente abierta. La placa porta platinos se gira en sentido contrario al de rotacin de la leva; el encendido ha sido adelantado.

Sin carga (II):

La depresin es mxima cuando la vlvula de mariposa est cerrada, variacin en sentido de retraso.

La velocidad del pistn aumenta con el nmero de RPM del motor, por lo tanto es necesario un encendido adelantado, ya que de otro modo la presin de combustin acta demasiado tarde.

El campo de variacin vara hasta aproximadamente 45 del cigeal.En la zona de carga parcial es necesario el encendido adelantado, porque la mezcla de combustible y aire abre mas lentamente.

El campo de variacin vara aprox. 20 del cigeal, mediante un encendido retrasado, estando cerrada la vlvula de mariposa de aceleracin, se disminuye la cantidad de gases txicos en los gases de escape al retener.

El retraso es de aprox. 10 del cigeal.

BUJAS DE ENCENDIDO:

La capacidad trmica de una buja de encendido viene dado por su valor trmico (N comparativo, no es un valor de temperatura) cuanto ms alto sea el valor trmico, tanto ms podr cargarse trmicamente la buja de encendido.

Los motores con alta temperatura de la cmara de combustin a plena carga necesitan bujas de encendido de alto valor trmico.

Cuando las bujas de encendido tienen un grado trmico demasiado bajo, se sobrecalientan los electrodos y el extremo del aislador y se produce autoencendido por incandescencia.

Cuando el valor trmico de la buja es demasiado alto no se alcanza la temperatura de auto limpieza y se ensucian las bujas.

Encendido transistorizado (TZ): El encendido transistorizado, con bobinas y contactos es muy apropiado para montaje, posteriormente en los sistemas convencionales de encendido por bobinas (SZ). Como sistema original el encendido por bobina transistorizado con mandos por contactos ya no se instalan.

Encendido transistorizado con mando sin contacto: En este encendido en vez del ruptor accionado por levas hay un generador de impulsos de encendido, que activa el sistema electrnico por medio de impulsos de tensin y de corriente generadas sin contacto produciendo as el impulso de encendido de alta tensin. El generador de impulso esta colocado en el distribuidor del encendido.

Generador de impulso de encendido, segn el principio de la induccin: Este genera corriente alterna permanentemente excitado, compuesto de rotor y estator. El numero de dientes corresponde al nmero de cilindros del motor. La frecuencia y la amplitud de la tensin alterna generada dependen del numero de R.P.M. del motor. Esta tensin alterna se transforma en aparato conmutador y se utiliza para la variacin del punto de encendido.

Imn permanente

Entre hierro variable

Bobina de induccin con ncleo

T

E

N

S

I 0

O

N

TIEMPO

Rueda generadora de impulsos

Generador de impulsos de encendido, segn el principio Hall: Estos generadores utilizan el efecto Hall es una capa de semiconductores, atravesada por la corriente se obtiene impulsos de tensin por medio de un campo magntico, dependiendo del numero de revoluciones que el aparato conmutador origina la conexin y desconexin de la corriente en el primario.

P

T

DISPOSITIVO DE

CONTROL

P N P

N

N P N

-

-

ELECTRONES: POSEEN CARGA ELECTRICA NEGATIVA (-), GIRAN ALREDEDOR DEL NUCLEO

NEUTRONES: NO POSEEN CARGA, SON ELCTRICAMENTE NEUTROS

PROTONES: POSEEN CARGA ELCTRICA POSITIVA (+)

P

Fn

NUCLEO

+ 1

Protones (29)

Neutrones

(29)

El conductor no tiene cada de tensin, el diodo tiene una pequea cada de tensin de 0,7 (V)

INTERRUPTOR

P

N

P

N

CANAL P

CANAL N

CANAL P

CANAL N

CANAL P

CANAL N

DEFLEXIN EMPOBRECIMIENTO

ENRIQUECIMIENTO

IFET

MESFET

DISPOSITIVO DE PUERTA DE UNION

DISPOSITIVO DE FUERZA INSTALADA

MOSFET

TRANSISTORES BIPOLARES

TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO

TRANSISTORES

2 N 4 4 4 1

2/3 VCC

1/3 VCC

5K

5K

5K

R S

Control

Q

FF FS

+ -

A

+ -

B

Captadores

Tratamiento de la informacin

Cursado de rdenes

UNIDAD DE CONTROL LOGICO

- Inyeccin de gasolina

- Encendido

- Caja de velocidades

- Suspensin

- Direccin asistida

- Regimen del motor

- Velocidad del automvil

- Temperatura de refrigeracin

- Sonda de suspensin

- Carga del motor

Aceleracin de frenado y giro del vehculo

Sealizacin de control del panel

Climatizacin

Alarmas antirobo

ENTRADA

MEMORIA

ANALISIS

CEREBRO

ORDEN

CURSADA

Entrada

Control

Procesador

Programa

almacenado

Salida

Memoria

Orden

cursada

Entrada

Procesamiento

Salida

Salida

Procesamiento

Entrada

N

-1

+ 4

Saturacin de valencia: n = 8

Si

Si

Si

Si

As

Si

Al

Si

Si

Si

P N

+

+

+

+

-

-

+

+

-

-

-

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

P N

P N

P N

Vk = 0,7 V

Rb = RP + RN

C.A

C.A.

Transformador + diodos + carga

C.A.

Alternador

FUENTE RECTIFICADORA

CON FILTRO CON CONDENSADOR A LA ENTRADA

FUENTE DE ALIMENTACION

CA

CIRCUITO

DE

CONTROL

N

P

N

P

N

N

DM 7408 N

8

7

6

5

1

48

3 7

6

1 2

A

B

S

PORTADOR

BCD

MODIFICADOR

DE BCA

A 7 SEGMENTOS

DISPLAY

ROM

RAM

R

O

M

R

A

M

RELOJ

MICROPROCESADOR

CPU

ACUMULADOR

DE

CONTROL

B

11

D

n

n

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