En la presentación que se inicia a continuación solamente están recogidas las ideas principales, por lo que deberías de complementarla con los apuntes y tener presentes las explicaciones de clase.

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Electrónica

Fundamentos

y

Dispositivos básicos

Electricidad y electrónica se basan en el movimiento de electrones.

Y se diferencian en que:

LA ELECTRICIDAD precisa de un uso masivo de electrones

LA ELECTRÓNICA maneja y controla el flujo de electrones

El movimiento de electrones constituye la corriente eléctrica que puede ser de dos tipos :

- Corriente continua - Corriente alterna

Corriente continuaCuando los electrones se mueven siempre en el mismo sentido

Puede presentar intensidad constante

t

I

Cumple siempre la Ley de Ohm: V = I.R

Puede circular a través de las resistencias (desprende calor)

Puede circular a través de las bobinas (las convierte en un imán)

No puede circular a través de un condensador

La potencia disponible se puede calcular como:

P = V.I = I2.R = V2/ R

Corriente alternaLos electrones cambian de sentido de movimiento cada cierto tiempo

La intensidad no es constante y en el caso mas frecuente y sencillo varía como indica la gráfica

I

tT

Al tiempo que tarda en repetir la señal se llama PERIODO (T)

Al número de veces que la señal se repite cada segundo se llama FRECUENCIA (f) y se mide en Hertzios (Hz)En nuestro país la frecuencia de la corriente alterna es de 50 Hz

La tensión también varía con el tiempo como la intensidad y cuando dichas variaciones siguen secuencias paralelas se dice que están en fase

I

tT

V

Cuando en el circuito sólo hay resistencias la intensidad y la tensión están en fase

Las resistencias se comportan de la misma manera con la corriente alterna que con la corriente continua

Cuando la intensidad y la tensión no siguen secuencias paralelas decimos que existe un desfase entre ellas

I y VDESFASADAS

I y VEN OPOSICIÓN

Los desfases están ocasionados por la presencia de bobinas o de condensadores en el circuito

I

tT

V

I

tT

V

En las bobinas se origina campo magnético de intensidad variable que, a su vez, induce una corriente que se opone a la principal, ocasionando un desfase con la tensión

I

tT

V

Cuando hay una bobina decimos que la intensidad está retrasada respecto al potencial porque cuando la tensión llega al máximo, la intensidad aun no es máxima y llega a su máximo mas tarde y lo mismo ocurre cuando la tensión se hace cero, cambia de sentido, etc, que la intensidad pasa por esos valores mas tarde.

En el caso de los condensadores, se produce una continua carga y descarga que ocasiona una corriente suplementaria, lo que origina también un desfase con la tensión

I

tT

V

En este caso, la intensidad está adelantada respecto de la tensión, lo que quiere decir que cuando la tensión llega al máximo, la intensidad ya había pasado antes por su valor máximo y ocurre lo mismo con el paso por el valor cero o el cambio de sentido: antes la intensidad y mas tarde la tensión.

Conductores, aislantes y semiconductores

Los electrones mas externos de un átomo se llaman “electrones de valencia” y determinan diferentes tipos de materiales cuyo comportamiento es distinto frente a la corriente eléctrica.

La facilidad con que un material deja pasar la corriente eléctrica se mide con una magnitud llamada conductividad.

Según el valor de la conductividad se pueden distinguir tres tipos de materiales:

* Conductores* Aislantes* Semiconductores

Conductores

En los conductores, los electrones de valencia se liberan fácilmente y se pueden mover, con lo que se conduce bien la corriente eléctrica ( y el calor)

Un conductor es algo similar a una tubería por la que puede fluir agua libremente

Ejemplos de conductores son todos los metales y sus aleaciones

Aislantes

En un aislante es dificilísimo el movimiento de los electrones, impidiendo, por ello, el paso de corriente.

Es como si en nuestra tubería pusiéramos un tapón en la entrada

Ejemplos de aislantes son la madera, el vidrio, los plásticos, etc

SemiconductoresUn semiconductor es un caso intermedio a los dos anteriores: es posible el paso de electrones, pero no tan fácilmente como en el caso de los conductores

Sería como el caso de la tubería con una rejilla de goma que pudiésemos cerrar o abrir a voluntad.

Esa posibilidad de control hace que sean los materiales idóneos para fabricar los dispositivos electrónicos

Los ejemplos típicos de semiconductores son el germanio y el silicio

Los semiconductores son materiales moderadamente estables.Si nada les perturba, no conducen la corriente eléctrica. Pero basta que les “molestemos” un poco para que algunos de los electrones de valencia que contiene cada átomo salten y “se vayan a la aventura” formando una corriente eléctrica.

Hay dos formas de “molestar” a los electrones de los átomos

La primera es aportándole una cierta cantidad de energía

por ejemplo, por calentamiento (o iluminación)

Un aumento de temperatura hace que los electrones tengan mas energía y algunos pueden saltar del átomo quedando libres. Pero, al hacerlo, dejan un hueco.

Y el átomo, que antes era neutro, ahora tiene exceso de carga positiva, lo que le lleva a buscar un electrón para volver a ser estable. Ese electrón se lo roba a un átomo vecino, con lo que le traslada el hueco... Y vuelta a empezar: de nuevo hay un hueco buscando un electrón.

Este movimiento de electrones y huecos constituye corriente eléctrica.

La segunda forma es “añadiendo un extraño”, lo cual se conoce con el nombre de “dopaje”.

Consiste en añadir , sin modificar significativamente la estructura interna del material, una pequeña cantidad de átomos de otro elemento similar en tamaño pero con mas o con menos electrones de valencia.

El efecto es similar a lo que ocurre cuando a un montón de harina le añadimos un pellizquito de levadura, lo mezclamos bien y lo metemos al horno. A simple vista no se nota el añadido, pero sus efectos son bien visibles en el resultado final: el bollo resulta mas esponjoso

En nuestro caso, el efecto es un aumento en la conductividad

Cuando al dopar introducimos átomos con tres electrones de valencia (los semiconductores tienen cuatro electrones de valencia), estos átomos se combinan con el resto pero nos queda un “hueco” libre y a través del movimiento de estos huecos se conduce corriente.

SEMICONDUCTOR INTRÍNSECO

SEMICONDUCTOR EXTRÍNSECO (P)

El semiconductor así formado es un semiconductor extrínseco y se llama “semiconductor de tipo P” (A pesar del nombre, es neutro, pues también el átomo dopante tiene un protón menos en el núcleo)

Cuando los átomos añadidos tienen cinco electrones, al recombinarse con los demás les queda un electrón que no comparten con ningún átomo y queda libre. Precisamente a través de estos electrones se produce la conducción de corriente

SEMICONDUCTOR INTRÍNSECO

SEMICONDUCTOR EXTRÍNSECO (N)

El semiconductor extrínseco así obtenido se conoce como “semiconductor de tipo N” (y también es neutro pues el átomo dopante tiene también un protón mas en el núcleo)

Según hemos visto, cuando existe corriente en un material es debido al movimiento de electrones hacia un lado y de huecos en sentido contrario. Los electrones y los huecos son los llamados portadores y las cantidades de ambos no tienen que ser iguales siempre.

A los portadores que contribuyen en mayor cantidad a la corriente se les llama portadores mayoritarios.

En los semiconductores extrínsecos tipo N los portadores mayoritarios son los electrones

En los semiconductores extrínsecos tipo P, los portadores mayoritarios son los huecos

La unión PN o diodo¿Qué ocurriría si se juntase un trozo de material tipo P con un trozo de material tipo N?

Algunos electrones de la zona fronteriza del material tipo N pasan a la zona fronteriza del material tipo P y rellenan sus huecos

Los electrones se van con los huecos debido a la atracción propia de cargas opuestas, pero entonces...

¿por qué sólo unos pocos?

Una vez que se han pasado cierta cantidad de electrones al otro bando comienza a haber una concentración de electrones mayor de lo normal, lo que provoca que estos empiecen a repelerse entre ellos. Por tanto, se llega a un equilibrio al haberse ido los suficientes electrones para apaciguar la atracción hueco-electrón inicial pero no tantos como para llegar a repelerse entre ellos. Una vez alcanzado este equilibrio se dice que se ha creado una barrera de potencial.

Esta situación permanecerá inalterable mientras no hagamos nada externo para modificarla.

Podemos compensar el efecto de esa barrera de potencial con otro potencial aportado externamente, por ejemplo, por medio de una batería

Existen dos formas de conectar una batería a una unión PN

1 POLARIZACIÓN

DIRECTA

El polo negativo de la batería inyecta electrones en la zona N y el polo positivo recibe electrones de la zona P, con lo que se origina una corriente eléctrica.

Hemos conseguido disminuir o vencer la barrera de potencial

2 POLARIZACIÓN

INVERSA

En este caso no hay corriente en ningún sentido porque los huecos libres de la zona P se recombinan con los electrones procedentes del polo negativo de la batería y los electrones libres de la zona N son absorbidos por el polo positivo de la batería, alejándose tanto huecos como electrones de la zona de unión

El efecto ha sido el de aumentar la barrera de potencial

En realidad en la polarización inversa si que hay una pequeña corriente y una gráfica real de la intensidad según la polarización es de la forma

El símbolo y polaridad del diodo en forma directa es

+ -I GRANDE I pequeña

(+)(-)

EL TRANSISTORLa ampliación mas sencilla que se puede hacer de la unión PN es añadirle otra nueva zona N o P. Resulta así el transistor, que puede ser de dos tipos:

EMISOR COLECTORBASE

En el transistor hay dos uniones PN que se pueden polarizar de formas distintas mediante una batería.

Según tengamos polarizadas estas uniones el transistor se comporta de forma diferente.

Diremos entonces que está trabajando en una u otra “zona” y las posibilidades son tres:

ON

OF

Con el transistor en la zona de SATURACIÓN los electrones circulan a través de las dos uniones PN en el sentido indicado y a través de la base hay corriente

Con el transistor en la zona de CORTE, las dos uniones PN están polarizadas de forma inversa y no hay paso de electrones a través de ninguna de las dos, por lo que no hay corriente

El transistor ha funcionado como un interruptor (ON-OF)

Si sólo tenemos conectada la batería A en la forma indicada, los electrones (portadores mayoritarios) pasan del emisor (N) a la base (P) originando una corriente bastante intensa.

¿Cómo es el funcionamiento en la ZONA ACTIVA?

Si desconectamos la batería A y conectamos la B en la forma indicada, la unión PN base-colector está polarizada de forma inversa y no se produce paso de corriente.

Equivale a decir que la resistencia en la unión PN es pequeña

Equivale a decir que la resistencia en la unión PN es GRANDE

Pero, ¿qué ocurre al conectar las dos baterías a la vez?

En la unión BE polarizada de forma directa, la barrera de potencial es pequeña, pero en la BC, polarizada de forma inversa, la barrera de potencial es grande.

Los electrones empiezan a desplazarse desde el emisor (de tipo N) a la base (de tipo P) aproximándose al colector (de tipo N) y consiguen atravesar la unión base-colector gracias a la gran atracción que ejerce el el borne muy positivo de la batería B al que está conectado el colector.

¿Por qué no se recombinan los electrones y los huecos de la base?

La base es mucho más estrecha que el emisor y el colector y también está mucho menos " dopada ", por lo que los huecos libres (portadores mayoritarios) son muy escasos.

Así que es muy difícil que un electrón encuentre un hueco para recombinarse, por lo que seguirá su camino atraído por el potencial.

La corriente de base va ser pequeña al haber pocos electrones y huecos que se recombinen, la del emisor y el colector será más grandes al producirse electrones en el borne negativo de la batería unida con el emisor, que van a atravesar a éste, para pasar después por la base y acabarán atravesando al colector para ir a parar al borne positivo de la otra batería.

Si el potencial de la base aumenta, el paso de electrones aumenta y la corriente del colector también.

Si el potencial de la base disminuye o se hace (-), pasan menos electrones (o ninguno) y la corriente del colector disminuye (o desaparece).

La base, pues, actúa como elemento de control para la corriente de colector

La polarización de la base permite que los electrones pasen del emisor a la base y el mayor potencial del colector los obliga a pasar hacia él, favorecido por las dimensiones y características de la base.

En el comportamiento descrito, el transistor ha funcionado como si la unión EB tuviese una gran resistencia y la unión BC una resistencia pequeña.

¡Justamente lo contrario que cabría esperar!

Luego ha habido una transferencia de resistencia de la Salida a la Entrada del mismo.

N NP

E B C

R pequeña

R GRANDE

R grande

R PEQUEÑA

De esta transferencia le viene, precisamente, el nombre:

TRANS fer res ISTOR

TRANSISTOR

El funcionamiento de los transistores PNP es igual al de los anteriores pero los que se mueven en este caso son los huecos y las polaridades son de signo contrario al de los NPN

Resumiendo:En un transistor existen dos uniones PN agrupada como:

* N-P-N* P-N-P

Puede funcionar como un interruptor:- zona de corte = interruptor abierto- zona de saturación = interruptor cerrado

Funcionando en la zona activa se consigue amplificar una corriente pequeña en la base, obteniendo una corriente grande en el colector

Transistores MOSPartiendo de una lámina de semiconductor (p.ej. Silicio) de tipo P, pobremente dopado, que llamaremos SUSTRATO, se oxida fuertemente para formar sobre ella una capa de óxido de silicio

Por técnicas químicas se abren en la capa de óxido unas “ventanas” a través de las cuales se introducen impurezas de tipo N en el sustrato formando dos “islas” de semicon- ductor tipo N fuertemente dopado a las que se llama FUENTE y DRENADOR.

Sobre las ventanas de fuente y drenador se depositan contactos metálicos.

Sobre el óxido y encima del espacio que separa fuente y drenador se deposita un contacto metálico que denominamos como PUERTA.

De esta forma se tiene un dispositivo formado por tres capas sucesivas, una de las cuales es de Metal, debajo una de Oxido y debajo una de Semiconductor: un transistor MOS.

Pero ... ¿cómo funciona?

Al darle un potencial positivo a la puerta, los electrones de la FUENTE son atraídos y, como no pueden llegar a ella pues se lo impide la capa de óxido, se quedan debajo, de modo que si el DRENADOR es también positivo pueden pasar hacia él estableciéndose una corriente de la fuente al drenador.

Es como si se hubiese formado un canal de tipo N entre la fuente y el drenador

Por este motivo a este transistor se le llama “transistor Mos de canal N de incremento”

Si la puerta no tiene potencial o es negativa, evidentemente, no se forma el canal anterior y no hay corriente de fuente a drenador.

También se puede tener un transistor formado a partir de un sustrato de tipo N en el que se forman dos islas de tipo P.Los portadores mayoritarios serán ahora los huecos y las polaridades de funcionamiento contrarias al caso anterior.

Este transistor recibe el nombre de transistor MOS de canal P de incremento.

Los transistores MOS de canal N y de canal P son complementarios porque el mismo potencial pone a uno en estado de conducción y al otro en estado de corte.

Existe una evidente analogía en cuanto al funcionamiento entre los transistores MOS y los que hemos explicado inicialmente (bipolares):

EMISOR FUENTE

BASE

PUERTA

COLECTOR

DRENADOR

PROPORCIONA LOS e-

CONTROLA LOS e-

RECIBE LOS e-

BIPOLAR MOS

Una aplicación sencilla: LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN

La forma en que está disponible la energía eléctrica de nuestros hogares no es la adecuada para los aparatos que todos conocemos, ya que la mayor parte de estos aparatos necesitan corriente continua para funcionar, mientras que de la que disponemos en nuestros enchufes es de corriente alterna .

Tenemos dos soluciones, la primera es usar pilas o baterías, pero esto nos saldría muy caro y la segunda es transformar la corriente alterna en continua.

Esta transformación recibe el nombre técnico de "rectificación".

Una fuente de alimentación se encarga de rectificar la corriente y mejorar las características de la corriente rectificada hasta aproximarla lo mas posible a una corriente continua estable y uniforme. Para ello se basa en el comportamiento de los diodos y de algunos otros componentes como los condensadores y, ocasionalmente las bobinas.

En una fuente de alimentación, la primera etapa consiste en reducir el potencial de la corriente alterna de entrada que, generalmente, es demasiado elevado para su empleo en los dispositivos que se pretende alimentar. Esta reducción de tensión se lleva a cabo por medio de un aparato llamado transformador.

Símbolo de un transformador

El rectificador mas elemental es el rectificador de media onda:

Entrada SalidaCarga

Tiene el inconveniente de que desaprovecha la mitad de la corriente de entrada

El aprovechamiento de la onda completa se logra añadiendo un segundo diodo

De una forma mas completa se lleva a cabo usando un puente de cuatro diodos

La tensión que entrega un rectificador no es del todo útil debido a su constante variación a lo largo del tiempo. Además, sus oscilaciones van desde un valor tope, o máximo, hasta "cero " y este es otro inconveniente ya que en el momento en que la tensión es cero, no se entrega energía alguna.

Pero aun existe un problema:

Gracias al uso de un filtro conseguiremos "alisar" esas ondulaciones en la tensión, a fin de obtener una tensión lo más parecida a una constante; además el valor mínimo no será cero sino que tendrá un valor algo positivo.

El filtro mas sencillo consiste en añadir un condensador

El efecto logrado con el condensador es debido a que el condensador cuando se carga almacena energía que luego le entrega al circuito en el momento adecuado y se consigue así que la corriente no sea cero en ningún momento.

Añadiendo otros componentes se logra estabilizar de una forma casi total la tensión de salida.

En resumen: