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Dispositivos Electrónicos

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CARRERAS PROFESIONALES CIBERTEC

DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS 3

CIBERTEC CARRERAS PROFESIONALES

ÍNDICE

Presentación 5

Red de contenidos 6

Sesiones de aprendizaje

SEMANA 1 : Conceptos básicos de Electrónica 7

SEMANA 2 : Los diodos semiconductores 21

SEMANA 3 : Desarrollo de aplicaciones de diodos 37

SEMANA 4 : El transistor bipolar BJT 47

SEMANA 5 : Aplicación de los transistores 63

SEMANA 6 : Sesión integradora 75

SEMANA 7 : Examen parcial

SEMANA 8 : Transistores de efecto de campo 81

SEMANA 9 : Tiristores 91

SEMANA 10 : Tiristores y sus aplicaciones 103

SEMANA 11 : Amplificador operacional parte 1 111

SEMANA 12 : Amplificador operacional parte2 123

SEMANA 13 : Temporizador 555 parte 1 129

SEMANA 14 : Temporizador 555 parte 2 139

SEMANA 15 : Circuitos de aplicación 149

SEMANA 16 : Sesión integradora 153

SEMANA 17 : Examen final

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PRESENTACIÓN

Dispositivos Electrónicos pertenece a la línea de tecnología y se dicta en la carrera de Electrónica. El curso brinda un conjunto de conocimientos y estrategias técnicas que permiten a los alumnos estar capacitados para implementar, a través de circuitos analógicos y digitales, aplicaciones importantes para su carrera. El manual para el curso ha sido diseñado bajo la modalidad de unidades de aprendizaje, las que se desarrollan durante semanas determinadas. En cada una de ellas, hallará los logros que debe alcanzar al final de la unidad; el tema tratado, el cual será ampliamente explorado; y los contenidos que debe examinar, es decir, los subtemas. Por último, encontrará las actividades que deberá desarrollar en cada sesión, las cuales le permitirán reforzar lo aprendido en la clase. El curso aplica la metodología de taller. En ese sentido, recurre a técnicas de metodología activa y trabajo cooperativo. Por esa razón, las actividades se complementan con presentación de diapositivas, muestra de componentes o de equipos completos para un mejor entendimiento. De este modo, se propicia la activa participación del alumno y la constante práctica con el objetivo de lograr una mejor interpretación del funcionamiento de los circuitos de aplicación. Inmediatamente después de la presentación de cada tema, el alumno debe transferir lo aprendido mediante ejercicios dirigidos, dinámicas individuales o grupales, y tareas que se encuentran en el material de estudios desarrollado para el curso.

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RED DE CONTENIDOS



DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS DISCRETOS LOGRO DE LA UNIDAD DE APRENDIZAJE

• Al término de la unidad, los alumnos, trabajando en grupo y en forma individual, diseñarán e implementarán circuitos de aplicación haciendo uso de dispositivos electrónicos discretos (diferentes tipos de diodos, transistores y SCR´s). Además, podrán emplear las herramientas de medición y comprobación del funcionamiento de dichos circuitos.

TEMARIO

• Introducción a los dispositivos electrónicos

• Algunos conceptos de la materia

• Conceptos básicos de electricidad

• Corriente alterna, frecuencia, período

• Explicación de la ley de Ohm

• Resistencias en serie y paralelo

ACTIVIDADES PROPUESTAS

• Aprenden conceptos básicos de electricidad. • Convierten y calculan diferentes tipos de parámetros por medio de la

aplicación de las leyes de electricidad.

UNIDAD DE

APRENDIZAJE

1

SEMANA

1

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1. INTRODUCCIÓN A LOS DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS Para poder desarrollar sistemas electrónicos con el objeto de implementar diversas aplicaciones, se necesita conocer los componentes electrónicos. Si queremos amplificar una señal, lo podemos lograr mediante la implementación de amplificadores sobre la base de transistores, aunque hay, en la actualidad, circuitos especializados que lo hacen mucho mejor; estos son los amplificadores operacionales. Si queremos recortar una señal, esto es posible mediante recortadores, implementados con diodos y otros dispositivos semiconductores. Para poner un ejemplo de aplicación, examinaremos, rápidamente, el uso de un amplificador, en el cual vemos que la señal, en la salida, tiene mayor amplitud que en la entrada.

Como la Electrónica está asociada a los semiconductores, es necesario tener algunos conocimientos previos que permitan entender el funcionamiento de los componentes electrónicos a estudiar.

1.1 Algunos conceptos sobre la materia

1.1.1 La Materia .- Sabemos que toda materia está formada por moléculas, las cuales, a su vez, se dividen en átomos. Los materiales se diferencian por que tienen diferentes tipos de moléculas y diferentes tipos de átomos. Por su parte, los átomos se dividen en dos partes: • El núcleo en el centro • Los electrones que rodean al núcleo El núcleo del átomo está formado por • Los protones los cuales tienen carga eléctrica positiva • Los neutrones que no tienen carga eléctrica o sea son neutros Al rededor del núcleo se encuentran • Los electrones con carga eléctrica negativa

1.1.2 El átomo de Bohr Para poder explicar el funcionamiento de átomo, el físico danés Niels Bohr , creo un modelo, al cual después se le llamó modelo de Bohr, en el que se puede apreciar la estructura del átomo. Este modelo se grafica en la siguiente figura:



En los átomos, el número de electrones (en el borde) es igual al número de protones (en la parte interna), por lo que se dice que el átomo es eléctricamente neutro. Esto significa que tiene la misma cantidad de cargas positivas y negativas.

Número de protones = Número de electrones

Hay algunos electrones que se encuentran en las órbitas más alejadas del núcleo, por lo que podrían liberarse fácilmente. Estos electrones son los llamados electrones de valencia. Para entender mejor, examinemos el caso del átomo de cobre, el cual tiene 29 protones y 29 electrones. De estos 29 electrones, 28 viajan en órbitas cercanas al núcleo y 1 viaja en una órbita lejana. A este electrón se le llama electrón libre (electrón de valencia). Si un material tiene muchos electrones libres en su estructura, se le llama conductor y si tiene pocos electrones libres, se le llama aislador o aislante. Ejemplos de materiales conductores son el oro, la plata, el aluminio, el cobre, etc., y ejemplos de aislantes son la cerámica, el vidrio, la madera, el papel, etc. Cuando a un átomo de cualquier material le falta un electrón o más se le llama Ión positivo , pero, cuando al átomo de cualquier material le sobra un electrón o más se le denomina Ión negativo .

1.2 Conceptos básicos de Electricidad

1.2.1 La electricidad es la acumulación o movimiento de electrones que han sido sacados de sus órbitas. Dicho de otra manera, es el movimiento de los electrones libres o, también, su acumulación. Los electrones libres, procedentes de las órbitas externas del átomo se pueden mover con facilidad por los materiales conductores. A este movimiento o flujo de electrones se le llama corriente eléctrica. 1.2.2 La corriente eléctrica es un flujo de electrones que atraviesa un material. Algunos materiales como los "conductores" tienen electrones libres que pasan con facilidad de un átomo a otro. El movimiento de estos electrones libres constituye una corriente eléctrica si se mueven en una misma dirección saltando de un átomo a otro. Para lograr que este movimiento de electrones se dé en un sentido o dirección, es necesario que una fuente de energía externa los impulse a fin de obligarlos a desplazarse. Cuando se coloca un material eléctricamente neutro entre dos cuerpos cargados con diferente potencial (es decir, que tienen diferente carga), los electrones se moverán desde el cuerpo con potencial más negativo hacia el cuerpo con potencial más positivo, tal como se observa en la siguiente figura:

Cuerpo negativo

(-)

Cuerpo positivo

(+)

>>>> Los electrones van de izquierda a derecha >>>>

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Los electrones viajan del potencial negativo al potencial positivo. Sin embargo, se toma, por convención, que el sentido de la corriente eléctrica va desde el potencial positivo al potencial negativo. Esto se puede visualizar como el espacio (hueco ) que deja el electrón al moverse de un potencial negativo a un positivo. Este hueco es positivo (ya que implica la ausencia de un electrón) y circula en sentido opuesto al electrón. La intensidad de corriente eléctrica (I) se mide en amperios. En Electrónica, los valores de la corriente son pequeños. Esta puede tomar valores como:

• 1 mili amperio = (1 / 1000) amperios = 10-3 amperios • 1 micro amperio = (1 / 1000 000) amperios = 10-6 amperios • 1 nano amperio = (1 / 1000 000 000) amperios = 10-9 amperios • 1 pico amperio = (1 / 1000 000 000 000) amperios = 10-12 amperios

Hasta aquí, se ha supuesto un flujo de corriente que va de un terminal a otro en forma continua. A este flujo de corriente se le llama corriente continua o corriente directa y se le identifica con la sigla DC. Hay otro caso en que el flujo de corriente circula en forma alternada: primero, en un sentido y, después, en el opuesto. A este tipo de corriente se le llama corriente alterna, la cual es identificada por las siglas AC, ya que la frase está en inglés.

1.2.3 Voltaje o Tensión eléctrica El voltaje o tensión es la diferencia de potencial eléctrico provocada por la acumulación de cargas en un punto o en un material. Si a un material se le quitan electrones, su carga eléctrica total será positiva, puesto que se le está quitando a un átomo neutro (que no tiene carga) electrones que poseen carga negativa. Esto causa que el átomo ya no sea neutro sino que tenga carga positiva, como el caso del siguiente ejemplo, en el que el átomo tiene 6 protones (carga positiva) y 4 electrones (carga negativa). En conclusión, la carga total es positiva.

Al material se le quitan electrones y su carga total será positiva.

Si ahora al material se le aumentan electrones (tiene ahora más de los que tiene cuando el átomo es neutro), su carga total será negativa. En este caso, hay, en el átomo, 6 protones (carga positiva) y 8 electrones (carga negativa). En síntesis, la carga total es negativa.

Al material se le agregan electrones y su carga total será negativa.



Si se tienen dos materiales con diferentes niveles o tipos de carga, se dice que hay una diferencia de potencial entre ellos. Para poder lograr cargar, de alguna manera, los materiales, es necesario aplicar energía al átomo. Para ello, existen varios métodos para conseguirlo:

• Por frotamiento • Por presión • Por calor • Por magnetismo • Por una acción química

La unidad en que se mide la diferencia de potencial es el voltio (V) . En Electrónica, los voltajes son pequeños, mientras que en Electricidad se puede manejar miles de voltios y, para ello, se usa el factor Kilo , el cual representa a mil o 103.

1.3 La Resistencia Eléctrica, Conductores, Aislante s y Dieléctricos La Resistencia es la oposición que ofrece un material al paso de la corriente eléctrica. Cuando el material tiene muchos electrones libres, como los metales, permite el paso de los electrones con facilidad. Esto implica que su resistencia es muy baja y, en muchos casos, la consideramos nula. A este tipo de material, como, por ejemplo, el cobre, se le llama conductor . Si, por el contrario, el material tiene pocos electrones libres, éste no permitirá el paso de la corriente. A esta clase se le llama aislante o dieléctrico . Uno de los materiales que se usa como aislante de los cables de cobre es el plástico. Este material ofrece un valor muy alto de resistencia y, en general, se lo considera infinita, ya que se llega a afirmar que no deja pasar ningún electrón. Los factores principales que determinan la resistencia eléctrica de un material son los siguientes:

• Tipo de material • Longitud del cable • Sección transversal del cable • Temperatura a la que está sometido el material

Como vemos, los materiales aislantes y conductores dependen de su configuración atómica. Algunos pueden ser más o menos aislantes y otros más o menos conductores. Características Si utilizamos un material y por él hacemos que circule una corriente eléctrica,

este ofrecerá mayor resistencia si tiene mayor longitud. En la figura siguiente, se puede apreciar que la longitud L2 es mayor que L1, por lo que el material de longitud L2 ofrece una resistencia R2 mayor que la R1.

L2 > L1 ===> R2 > R1

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Un material con mayor sección transversal tiene menor resistencia. Como vemos en la siguiente figura, el primer material tiene un sección transversal S1 menor que el otro material de sección S2, por lo que la resistencia R1 es menor que R2.

Los materiales que se encuentran a mayor temperatura tienen mayor resistencia.

La unidad de medida de la resistencia eléctrica es el ohmio . Este se representa por la letra griega Omega (Ω) y se expresa con la letra "R". Aquí, también se hace uso de factores, porque hay resistencias muy grandes. Así, se suele usar valores como o 10 ohmios = 10Ω o 54 kilo ohmios = 54KΩ o 200 mega ohmios = 200MΩ

Como la resistencia se opone al paso de la corriente, se utiliza para controlar el flujo de electrones. Para ello, se han creado resistencias de diferentes valores para poder implementar diversos circuitos. Para establecer los valores de las resistencias, se usa un código de colores de acuerdo a la siguiente tabla:



1.4 Corriente continua (CC) La corriente continua, CC en forma abreviada (aunque es más usado DC que procede de la frase “corriente directa” en inglés), se produce cuando el flujo de electrones, en un circuito, mantiene siempre el mismo sentido. El circuito puede estar formado por una batería que provee la energía, un foco por el cual va a pasar la corriente y los cables de cobre para unir los dos componentes anteriores, tal como se muestra en la siguiente figura:

El borne positivo de la pila está a mayor potencial que su borne negativo, por lo que se genera una intensidad de corriente I, la cual siempre mantiene el mismo sentido, o sea se genera una corriente directa. Téngase en cuenta que la corriente I está considerada como un movimiento de cargas positivas, aunque realmente se genera una corriente de electrones en sentido contrario. Si queremos graficar la evolución, en el tiempo, de esta corriente I, la gráfica sería la siguiente:

La corriente eléctrica se mide en (A) amperios y, para circuitos electrónicos, generalmente, se mide en mili amperios o en micro amperios. Véase las siguientes conversiones: 1 mili amperio = 1 m Amp = 0.001 Amp

1 micro amperio = 1 μμμμ Amp = 0,000001 Amp 1.5 Corriente Alterna, Frecuencia, Período La diferencia de la corriente alterna con la corriente continua consiste en que la continua circula sólo en un sentido. Este tipo de corriente, como su nombre lo indica, no circula en un solo sentido si no que va alternando los mismos, primero en un sentido y luego en el opuesto. Este proceso se repite en forma constante. La corriente alterna es la que llega a nuestras casas y la usamos para alimentar la TV, el equipo de sonido, la lavadora, la refrigeradora, etc. Es el tipo de

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corriente que se utiliza para poder distribuir la energía eléctrica y es apropiada para viajar grandes distancias a través de los cables de distribución. La corriente cambia de un sentido a otro porque el voltaje va cambiando de positivo a negativo. De esta manera, en un determinado instante, por el cable, envía el flujo de electrones en un sentido y, luego, al cambiar a negativo, lo envía en sentido contrario. En el siguiente gráfico, se muestra el voltaje AC. En la imagen se observa que su amplitud parte de cero y va aumentando hasta llegar a un valor máximo para luego caer hasta llegar a cero y cambiar de signo. A partir de este momento es negativo y cambiará el sentido de la corriente. En la parte negativa, también llega hasta un mínimo y vuelve a retornar a cero. Finalmente, notamos que su variación responde en forma senoidal.

El voltaje varía continuamente y, para saber qué voltaje tenemos en un momento específico, utilizamos la siguiente fórmula:

V = Vp. Seno ΦΦΦΦ Donde Vp = V pico V pico a pico = Vpp

• Vp es el valor máximo que obtiene la onda y Φ es el ángulo, el cual se mide en grados

La variación del voltaje responde a una función senoidal periódica, de período T.

El ángulo ΦΦΦΦ es igual a 2 2 2 2 ππππ FFFF....tttt , , , , siendo FFFF la frecuencia que es la inversa del período T.

F = 1F = 1F = 1F = 1 //// TTTT

• FRECUENCIA (F): Es la cantidad de ciclos que hay en un segundo. La unidad de la frecuencia es el Hertz.

• PERIODO (T): Es el tiempo que demora un ciclo. Un ciclo comprende

entre dos picos positivos de la onda senoidal.



• VOLTAJE PICO-PICO (Vpp): Analizando el gráfico se ve que hay un voltaje máximo y un voltaje mínimo. La diferencia entre estos dos voltajes es el llamado voltaje pico-pico (Vpp) y es igual al doble del Voltaje Pico (Vp).

• VOLTAJE RMS (V rms ): Se le llama valor eficaz y es un voltaje equivalente

al voltaje continuo. Es un valor que se mide mediante un multímetro y lo podemos calcular mediante la siguiente fórmula:

Vrms = 0.707 x Vp Un ejemplo de esta medición es el de 220 V AC, que es medido con un multímetro en los tomacorrientes de nuestras casas.

1.6 Potencia en circuitos de Corriente Alterna (C.A .) Cuando se calcula la potencia en corriente continua, el cálculo es sencillo. Simplemente, es el producto del voltaje por la corriente:

P = V x I Lo anterior también es cierto en el caso de que se utilice corriente alterna en una resistencia o resistor, porque, en estos casos, la corriente y el voltaje están en "fase". Esto significa que la corriente y el voltaje tienen sus valores máximos y mínimos simultáneamente. (Las formas de onda son iguales. Sólo podrían diferenciarse en su amplitud). En el caso de que el voltaje se aplique a una reactancia, la corriente se adelantaría o atrasaría con respecto al voltaje, y sus valores máximos y mínimos ya no coincidirían. La potencia que se obtiene de la multiplicación del voltaje con la corriente (P = I x V) es lo que se llama una potencia aparente. La verdadera potencia consumida dependerá, en este caso, de la diferencia de ángulo entre el voltaje y la corriente. Este ángulo se representa como Θ. Un circuito que tenga como carga una reactancia significa que tiene un condensador, una bobina o ambos.

1.6.1 Si el circuito tiene un condensador… - Cuando la tensión de la fuente va de 0 voltios a un valor máximo, la fuente entrega energía al condensador y la tensión entre los terminales de éste, aumenta hasta un máximo. La energía se almacena en el condensador en forma de campo eléctrico. - Cuando la tensión de la fuente va de su valor máximo a 0 voltios, es el condensador el que entrega energía de regreso a la fuente. 1.6.2 Si el circuito tiene una bobina… - Cuando la corriente va de cero amperios a un valor máximo, la fuente entrega energía a la bobina. Esta energía se almacena en forma de campo magnético. - Cuando la corriente va de su valor máximo a cero amperios, es la bobina la que entrega energía de regreso a la fuente. Se puede ver que la fuente, en estos casos, tiene un consumo de energía igual a "0", pues la energía que entrega la fuente después regresa a ella. La potencia que regresa a la fuente es la llamada "potencia reactiva". Por lo tanto, en un circuito totalmente resistivo, no hay regreso de energía a la

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fuente; en cambio, en un circuito totalmente reactivo, toda la energía regresa a ella. Ahora, se supone que, en un circuito que tenga los dos tipos de elementos (reactivo y resistivo), parte de la potencia se consumirá (en la resistencia) y parte se regresará a la fuente (por las bobinas y condensadores). En el siguiente gráfico, se muestran las variaciones en el tiempo, del voltaje o tensión, de la corriente y de la potencia.

La potencia que se obtiene de la multiplicación de la corriente y el voltaje en cualquier momento es la potencia instantánea en ese momento. - Cuando el voltaje y la corriente son positivos, la fuente está entregando energía al circuito. - Cuando el voltaje y la corriente son opuestos (uno es positivo y el otro es negativo), la potencia es negativa y, en este caso, el circuito le está entregando energía a la fuente. Se puede ver que la potencia real consumida por el circuito será la potencia total que se obtiene con la fórmula P = I x V (potencia entregada por la fuente, llamada potencia aparente) menos la potencia que el circuito le devuelve (potencia reactiva). La potencia real se puede calcular con la siguiente fórmula: P = I2R donde P es el valor de la potencia real en watts (vatios). I es la corriente que atraviesa la resistencia en amperios. R es el valor de la resistencia en ohmios.

1.7 Explicación de la ley de Ohm La ley de Ohm se puede entender con facilidad si se analiza un circuito donde están, en serie, una fuente de voltaje (una batería de 9 voltios) y una resistencia de 10 ohmios. Se puede establecer una relación entre la tensión de la batería, el valor de la resistencia y la corriente que entrega la batería y que circula a través de dicha resistencia. Esta relación es: V = I . R y se conoce como la ley de Ohm Entonces, la corriente que circula por el circuito se determina como V/R y es I = 9 voltios / 10 ohmios = 0.9 amperios. Al igual que en el caso anterior, si se despeja la resistencia en función del voltaje y la corriente, y se obtiene R = V / I. Entonces, si se conoce la tensión en la resistencia y la corriente que pasa por ella se obtiene que R = 9 voltios / 0.9 amperios = 10 ohmios.



Es interesante ver que el voltaje se relaciona en forma directa con la corriente. La relación depende de la resistencia que hace el papel de la pendiente en la ecuación de la recta. A mayor resistencia, mayor pendiente.

Para recordar las tres expresiones de la ley de Ohm se utiliza el siguiente triángulo que tiene mucha similitud con las fórmulas analizadas anteriormente.

Triángulo de la ley de Ohm

V = I x R I = V / R R = V / I

1.8 Resistencias en serie y paralelo

1.8.1 Resistencias en serie Para implementar un circuito en serie, se colocan las resistencias conectadas una después de otra.

El valor de la resistencia equivalente a las resistencias conectadas en serie es igual a la suma de los valores de cada una de ellas. En este caso, la corriente que fluye por las resistencias es la misma en todas. Entonces,

Rs (resistencia en serie) = R1 + R2 + R3

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El valor de la corriente en el circuito equivalente es el mismo que en el circuito original y se calcula con la ley de Ohm. Una vez que se tiene el valor de la corriente por el circuito, se pueden obtener las caídas de tensión a través de cada uno de los resistores utilizando la ley de Ohm. • En R1 la caída de tensión es V1 = I x R1 • En R2 la caída de tensión es V2 = I x R2 • En R3 la caída de tensión es V3 = I x R3

1.8.2 Resistencias en paralelo En el circuito de resistencias en serie, la corriente tiene un sólo camino para circular; en el circuito de resistencias en paralelo, la corriente se divide y circula por varios caminos. En este caso, se tienen 2 ó más resistencias. Estas resistencias están unidas por sus dos extremos como se muestra en la siguiente figura:

La corriente I, que suministra la fuente de tensión V, es la misma en el circuito original (con R1, R2 y R3) y en el circuito equivalente (con Req). En el circuito original, la corriente se divide y pasa por cada una de las resistencias, pero el total de la suma de las corrientes de cada resistencia es siempre igual.

La resistencia equivalente de un circuito de resistencias en paralelo es igual al recíproco de la suma de las resistencias individuales; así, la fórmula para un caso de 3 resistencias es:

Rp (resistencia en paralelo) = 1 / (1/R1 + 1/R2 + 1 /R3)



Autoevaluación

• ¿Cuáles son los componentes del átomo? ¿Cómo se relacionan con la electricidad?

• Diferencias entre electrones y huecos.

• Indica el código de colores que tienen las resistencias con los siguientes

valores: 37KΩ, 45Ω, 12MΩ.

• Si la frecuencia es de 20 KHz, indique cuál es el período. Además, dé un

ejemplo de una onda senoidal de esta frecuencia y especifique su Vrms si el Vpp es 2.

• En un circuito con tres resistencias en serie, cuyos valores son 12KΩ, 25KΩ y

48KΩ, determine los voltajes en serie si es que se utiliza una batería de 12 voltios. Además, determine el voltaje en cada resistencia y su potencia.

• Sobre la base de los datos del problema anterior, considere que las

resistencias están en paralelo y determine, para cada resistencia, su voltaje, su corriente y su potencia.

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Resumen

La corriente eléctrica es un flujo de electrones que atraviesa un material. La resistencia es la oposición que ofrece un material al paso de la corriente

eléctrica. La potencia real se puede calcular con la siguiente fórmula: P = I2R o P = V x I La ley de Ohm: V = I x R

Rs (resistencia en serie) = R1 + R2 + R3 Rp (resistencia en paralelo) = 1 / (1/R1 + 1/R2 + 1/R3) Se debe recordar el uso de los siguientes factores:

Mili = 10-3 = m

Micro = 10-6 = μ Nano = 10-9 = n Pico = 10-12 = p Kilo = 10 3 = K Mega = 10 6 = M Giga = 10 9 = G

Si desea saber más acerca de estos temas, puede consultar las siguientes

páginas:

http://www.unicrom.com

Aquí, hallará conceptos relacionados al tema.

http://www.electronicafacil.net/

Aquí, hallará información sobre circuitos eléctricos.




• Al término de la unidad, los alumnos, trabajando en grupo y en forma individual, diseñarán e implementarán circuitos de aplicación haciendo uso de dispositivos electrónicos discretos (diferentes tipos de diodos, transistores y SCR´s). Asimismo, harán uso de herramientas de medición y comprobación del funcionamiento de dichos circuitos.

TEMARIO

• Los diodos semiconductores

• Los portadores de carga: electrones y huecos

• Semiconductores N y P

• La unión P N: el diodo

• Tipos de diodos


• Los alumnos realizan una dinámica para comparar los tipos de diodos. • Los alumnos realizan una comparación entre huecos y electrones.

UNIDAD DE

APRENDIZAJE

1

SEMANA

2

22


1. LOS DIODOS SEMICONDUCTORES

Referencia: Principios de electricidad y electrónica. Tomo III. Hermosa Donate, Antonio.

Al material semiconductor natural (tal como se obtiene de la naturaleza) se le denomina semiconductor intrínseco. Para que resulte útil para fabricar los componentes electrónicos, tiene que pasar por un proceso, que fundamentalmente consiste en añadirle otros materiales diferentes (Boro, Fósforo, Arsénico, etc.) a fin de modificar su grado de conductividad. En su forma natural, los materiales semiconductores se caracterizan porque sus átomos tienen 4 electrones en la última capa, que es un intermedio entre lo que tienen los buenos conductores y los buenos aislantes. Recuérdese que la corriente eléctrica es la circulación de un flujo de electrones en un determinado sentido, porque estos abandonan sus átomos debido a ciertas fuerzas de atracción. Los electrones que dan lugar a ello son los que se encuentran en la última capa del átomo. Se puede decir que los átomos tienen tendencia a llegar a tener completa su última capa (2 n2) o bien conseguir, de alguna manera, que en ésta haya 8 electrones, porque ello les da una estructura estable. Ejemplo de átomos con estructura estable son el neón, que tiene 8 electrones en su última capa, y el helio que, como su número atómico es Z = 2, sólo tiene una capa que está al completo con 2 electrones. En los átomos con estructura estable, difícilmente, se desprenden electrones (es preciso mucha energía), por lo cual tienen el carácter de aislantes (no conducen la electricidad). Los átomos que no son así (estructura inestable) tienden a adquirir una estructura estable, ya que captan electrones de otro sitio o porque dejan escapar alguno de sus electrones de la última capa. Esto se suele hacer siempre por la "ley del mínimo esfuerzo" (es decir, utilizándose la mínima energía). Por ejemplo, el átomo de cobre, puesto que tiene un solo electrón en la última capa, es un átomo de tipo inestable (buen conductor de la electricidad). Su estructura estable la consigue, simplemente, al desprenderse de dicho electrón, que es lo que dará lugar a un elemento portador de carga (y esto puede hacer que exista una corriente eléctrica). También, podría adquirir la estructura estable adquiriendo 7 electrones exteriores, pero esto no lo hace porque requiere más energía (le cuesta más trabajo). Los materiales normalmente utilizados en electrónica son el Silicio (Si), el Germanio (Ge) y el Arseniuro de galio (Ga As). De ellos, el más utilizado es el Silicio, el cual se encuentra abundantemente en la arena de playa. Por su parte, el Germanio fue utilizado en los principios de la electrónica, pero después fue sustituido por el Silicio debido a sus mejores características (en especial, frente a la temperatura). El Arseniuro de galio es el material normalmente utilizado para la fabricación de componentes emisores de luz (diodos LED), y también se emplea en la fabricación de modernos circuitos integrados (microelectrónica). En la siguiente figura, se muestra la estructura electrónica de los átomos de Silicio y de Germanio, donde se puede observar que poseen 4 electrones en la última capa.



A nivel eléctrico, como ya se sabe, en la estructura atómica de los materiales debe prestarse especial atención a los electrones que hay en la última capa, ya que son los que determinan el grado de conductividad del material. Por ello, muchas veces, se utiliza una representación simplificada del átomo de Silicio, en la que sólo se muestran los 4 electrones de la última capa, como se muestra en la siguiente figura:

El Silicio, en su estado intrínseco, es un material de elevado valor resistivo, con la peculiaridad de que su resistencia disminuye cuando aumenta la temperatura. Dependiendo de las condiciones, puede pasar de ser más o menos aislante a más o menos conductor. A temperaturas cercanas al cero absoluto (-273 ºC), se puede considerar como aislante y a la temperatura ambiente (unos 20º C), permite ya una cierta circulación de corriente, pero sin llegar a ser buen conductor. De dichas peculiaridades viene la denominación de semiconductor.

1.1 Portadores de carga: electrones y huecos Como se sabe, para que se genere una corriente eléctrica es necesario que hayan elementos portadores de carga, que normalmente son electrones. Para que exista conducción eléctrica a través de un semiconductor intrínseco, es necesario, pues, que se rompan dichos enlaces, para que aparezcan así los elementos portadores de carga, para lo cual se requiere la aplicación de algún tipo de energía (temperatura, voltaje, etc.). Por ejemplo, a la temperatura ambiente se pueden romper algunos de los enlaces y algunos electrones dejan el lugar que ocupan. En este caso, aparece un elemento portador de carga, que es el electrón. Esto da lugar, también, a otro tipo de portador de carga nuevo que se denomina hueco , el cual es de polaridad contraria a la del electrón; o sea, positiva. Esto se representa en la siguiente figura:

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El hueco, físicamente, es la ausencia de un electrón en un enlace, pero este "vacío" representa una fuerza positiva que puede atraer a un electrón. Si algún electrón libre se encuentra por las cercanías se puede encontrar atraído y ocupar ese vacío. Pero hay que tener en cuenta que los átomos que no forman parte de ningún enlace (átomos aislados) y que, por alguna circunstancia, pueden perder electrones, no generan huecos (se convierten en iones positivos). No hay que olvidar este importante concepto: Hueco, es la ausencia de un electrón en un enlace.

Aunque el hueco no constituye una partícula física como el electrón, se reconoce su existencia porque da lugar a una corriente de cargas (positivas), huecos, que va en sentido contrario al de la corriente de electrones. O sea, a una corriente eléctrica de electrones le corresponde otra corriente en sentido contrario debido a los huecos que van dejando los electrones en la estructura del silicio, como se representa en la siguiente figura:

Como se sabe, aunque el sentido verdadero de la corriente eléctrica es de negativo a positivo (los electrones se mueven hacia el polo positivo), existe lo que se llama sentido convencional de la corriente, que es en sentido contrario (de positivo a negativo), siendo el que normalmente es utilizado en la práctica.

1.2 Semiconductores N y P Para que el silicio sea de utilidad para formar componentes electrónicos (por ejemplo, diodos), este es tratado mediante unos procesos físico-químicos. Esto se realiza introduciendo, de forma controlada, en la estructura del semiconductor



intrínseco (denominado dopado), materiales de diferente estructura atómica, lo cual permite obtener materiales semiconductores de diferentes grados de conductividad. Así, se obtienen semiconductores que se denominan N y P, que son los que luego son utilizados para fabricar los componentes electrónicos (diodos, transistores, tiristores, circuitos integrados, etc.). En los semiconductores N y P la conductividad es mucho mayor que en el silicio intrínseco. La corriente puede circular con cierta facilidad porque, de alguna manera, se ha logrado un aumento de los elementos portadores de carga (que es lo que se necesita para que exista una corriente eléctrica).

1.2.1 Semiconductor N En el caso del semiconductor N, dicho aumento de conductividad se logra al añadir al semiconductor intrínseco un material con átomos de los denominados pentavalentes (tienen 5 electrones en la última capa), por ejemplo, Fósforo. Al combinarse el átomo de Fósforo con los de Silicio, 4 de los electrones del átomo de Fósforo se pueden enlazar con otros 4 electrones de los átomos del Silicio, pero uno de los electrones del átomo de fósforo no se puede enlazar y queda libre. Cualquier aplicación de energía exterior (luz, temperatura, tensión) puede hacer que dicho electrón abandone su lugar, pudiendo haber así una corriente eléctrica. Por esta razón, en el semiconductor N la conductividad es mayor que en el semiconductor intrínseco, el cual se caracteriza por ser abundante en portadores de carga negativa. En el material semiconductor N, la circulación de corriente se basa, por tanto, en electrones. La denominación de N viene de negativo, que es la naturaleza del portador de carga negativa. De una forma más simplificada, el material semiconductor de tipo N se puede representar como se muestra en la siguiente figura. Nótese que es abundante en electrones libres.

En esta figura, se tiene una representación simplificada del semiconductor N, que se caracteriza por ser abundante en electrones libres (portadores de carga negativa). 1.2.2 Semiconductor P En el caso del semiconductor P, el aumento de la conductividad se consigue añadiendo al semiconductor intrínseco material con átomos que tengan 3 electrones en la última capa (trivalentes), por ejemplo, Boro (B). Si se combinan el Boro con los átomos de Silicio, como el Boro tiene 3 electrones periféricos y el silicio 4, en uno de los enlaces covalentes faltará un electrón, lo cual da lugar a un hueco que, como se sabe, representa una carga positiva.

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A los materiales de dopado de este tipo (que causan huecos) se denominan impurezas aceptadoras porque el material resultante es aceptante de electrones.

Así, pues, el material semiconductor P se caracteriza por ser abundante en elementos portadores de carga positiva (de ahí lo de semiconductor P), que son los huecos, cuya representación simplificada se muestra en la figura siguiente:

En esta figura, se tiene una representación simplificada del semiconductor P, que se caracteriza por ser abundante en huecos (portadores de carga positiva).

1.3 La unión PN: el diodo Cuando un material semiconductor P se junta con otro de tipo N (a esto se llama unión PN), aparece un efecto que da lugar a uno de los componentes más importantes de la electrónica: el diodo. Sobre este aspecto se apoya la estructura de la electrónica de los semiconductores.

En esta figura, se observa la unión de una material P con un material N, lo que da lugar al diodo.

En principio, hay que saber que, aunque en los materiales semiconductores N y P sean abundantes en portadores de carga, dichos materiales, en conjunto, son de carácter electrónico neutro, ya que todos sus átomos tienen tanto electrones como protones. Debido al dopado (añadido de otros materiales), en el N, hay electrones sin enlazar (libres); en el P, enlaces a los que les falta un electrón (huecos); pero, en conjunto, la estructura eléctrica del conjunto es neutra (en el bloque de materia, sigue habiendo el mismo número de electrones como de protones). Sin embargo, al poner en contacto el material N con el P se producen unos efectos interesantes. En principio, los electrones del material N más próximos a la unión son atraídos por los huecos del material P, de manera que atraviesan la unión para llegar a ellos y poder ocupar los huecos. Esto da lugar a que, en la zona de la unión N, aparezca, entonces, una carga positiva (debido a los electrones que han salido) y,



en la zona P, una carga negativa (debido a los electrones que ha recibido). Al salir electrones de N para llenar los huecos de P, aparece una carga eléctrica en los límites de la unión.

Conforme van llegando más electrones, aumenta la carga eléctrica hasta que se llega a un punto de estabilización.

En la unión, aparece una carga eléctrica, que para el caso del Silicio tendrá 0.6 voltios. Se puede decir que, en esta primera fase del contacto, se completan enlaces covalentes (parte de electrones sobrantes de la zona N pasan a llenar parte de huecos de la zona P). En dicho estado, pues, aparece una diferencia de potencial entre los extremos de la unión que se denomina barrera de potencial. Conforme van saliendo electrones de la zona N, atraídos por los huecos de la zona P, se va ampliando la barrera de potencial, de manera que llega un momento en el que los electrones se ven frenados por la fuerza de repulsión de la carga negativa que se forma en la zona P (que tienen que atravesar para seguir la recombinación) y, entonces, culmina la recombinación. Esta acumulación de cargas actúa, por consiguiente, como una especie de barrera (eléctrica) que impide que las cargas atraviesen la unión para seguir recombinándose; de ahí la denominación de barrera de potencial. La barrera de potencial alcanza un valor de tensión eléctrica que está alrededor de 0,65 voltios (en el Silicio). Este valor puede variar entre un componente y otro, y también por la temperatura; asimismo, está directamente relacionado con el valor de 0,7 voltios típico que tanto aparece en los diodos. Esta tensión típica, como se ha dicho, varía con la temperatura y lo hace disminuyendo unos 2,5 mili voltios por cada ºC de aumento de la temperatura. Es por ello que los diodos, a veces, también son utilizados como sensores de temperatura en algunas aplicaciones.

1.4 Polarización de la unión PN (diodo) La polarización de la unión PN, que es un diodo, consiste en aplicar un voltaje o tensión externa. Según la polaridad con que se aplique dicha tensión, puede

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ocurrir que los portadores de carga adquieran más energía y puedan atravesar la unión para seguir recombinándose. Esto da lugar o a una intensidad por el circuito externo o a que se refuerce más la barrera de potencial y no exista circulación de corriente.

1.4.1 Polarización directa Cuando se aplica el polo positivo al material P y polo negativo al N, se dice que la unión está en polarización directa. En este caso, el diodo se comporta como un conductor y se produce una circulación de corriente por el circuito en el sentido que ya sugiere el símbolo del diodo. Para que esto suceda, la tensión aplicada debe ser de unos 0,7 voltios, y a partir de este valor la intensidad aumenta rápidamente. Para que no se deteriore el diodo tiene que haber siempre alguna resistencia en serie con la cual se busca que la intensidad no supere un valor máximo, valor que debe ser indicado por el fabricante.

Un razonamiento con rigor científico de su funcionamiento puede resultar complicado de entender pero, al nivel técnico que nos interesa, esto se puede interpretar de la manera siguiente: Suponiendo que la fuente de tensión (VB) tenga el valor apropiado (unos 0,7 voltios), el polo negativo hará que los electrones del material N adquieran más energía, debido a la fuerza de repulsión que ejerce sobre ellos (polos iguales se repelen). Entonces, pueden atravesar la barrera de potencial y seguir llenando huecos. Por otra parte, como el polo positivo está conectado al material P, los huecos (cargas +), también se encuentran con una fuerza de repulsión que les empuja a combinarse con los electrones que le llegan del material N. A su vez, los electrones que van saliendo del material N y atravesando la unión van dejando iones positivos (átomos que han perdido un electrón), los cuales atraen electrones del polo negativo de la fuente de tensión externa y, tras atravesar la unión PN, entran en el polo positivo de la fuente. Esto hace que circule una intensidad por el circuito.

De una forma más resumida, se puede decir que el polo negativo de la pila hace que los electrones de la zona N se recombinen con los huecos de la zona P. Además, inyecta electrones que entran por la zona N, atraviesan la unión y salen por la zona P al ser absorbidos por el polo positivo de la fuente. De esta manera se produce una circulación de corriente por el circuito. En, síntesis, cuando la unión PN, un diodo, se polariza de esta manera (forma directa) se comporta como un conductor, como lo indica la siguiente figura:



1.4.2 Polarización inversa Cuando se aplica el polo positivo al material N y el polo negativo al P, se dice que la unión está en polarización inversa. En este caso, el diodo no permite el paso de la corriente. Pero hay que saber que si se supera un cierto valor de tensión (que el fabricante indica), entonces se produce un efecto de conducción que puede deteriorar el diodo.

En esta figura, se puede apreciar a un diodo en polarización inversa que se comporta como un aislante, por lo que no hay circulación de corriente. En polarización inversa, se puede decir que el polo positivo de la fuente absorbe electrones del material N y el polo negativo hace lo mismo con los huecos del material P, de manera que la barrera de potencial se ensancha y esto hace que no sea posible una circulación de corriente. En estas condiciones, la unión PN se comporta como una resistencia de muy alto valor. No obstante, por efectos de temperatura, sí puede haber una mínima corriente, que se denomina corriente de fugas, pero que es de un valor tan bajo (nano amperios en el Silicio) que no se tiene en cuenta. La tensión inversa casi no afecta al valor de dicha corriente, pero la temperatura sí. Aproximadamente, la corriente de fugas dobla su valor por cada aumento de 10ºC de la temperatura. Y si la tensión inversa supera ciertos valores, puede aportar la suficiente energía de campo eléctrico como para que se rompan los enlaces covalentes del material y esto dé lugar a un valor de corriente que provoque la destrucción de la unión PN. A este valor de tensión se denomina tensión de ruptura.

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En resumen, el diodo se comporta como un interruptor que puede estar abierto o cerrado según la polarización: • Polarización directa (conduce) ===> Interruptor cerrado • Polarización inversa (no conduce) ===> Interruptor abierto

1.5 Tipos de diodos Existen diversos tipos de diodos para diferentes aplicaciones. De ellos, indicaremos algunas características para conocer sus aplicaciones principales:

1.5.1 Diodos de uso general : Estos se utilizan, principalmente, como rectificadores o como sistema de protección en aparatos que funcionan a baterías, previniendo su deterioro cuando se conecte con polaridad inversa. Generalmente, no se les utiliza en alterna para frecuencias superiores a los 100 ciclos (100 Hertz). Este problema se llama “tiempo de recuperación” y es el tiempo que tarda el diodo en absorber el cambio de polaridad para bloquear la circulación de corriente. Si se hace trabajar un diodo a una frecuencia más alta que la estimada por el fabricante, el diodo comenzará a recalentarse hasta producirse un embalamiento térmico que causará su destrucción. Es por ello que los diodos de señal, usados en alta frecuencia, son de baja potencia. Los diodos de potencia son de baja frecuencia y vienen con encapsulado metálico, generalmente de grandes dimensiones. Se utilizan, por ejemplo, en cargadores de baterías y alternadores de automotores. Un ejemplo de diodo rectificador muy utilizado es el 1N 4004, como aparece en la figura siguiente:



1.5.2 Diodo Zener y sus características

Referencia: Unicrom.com.

El diodo Zener es un tipo especial de diodo, que a diferencia del funcionamiento de los diodos comunes como el diodo rectificador (en donde se aprovechan sus características de polarización directa y polarización inversa), siempre se utiliza polarizado inversamente. En este caso, la corriente circula en sentido contrario a la dirección que conduce el diodo. Por lo tanto, para poder usarlo como un diodo Zener se debe polarizarlo en forma inversa. Si el diodo Zener se polariza en sentido directo se comporta como un diodo común. Cuando el diodo Zener funciona polarizado inversamente mantiene entre sus terminales una tensión de valor constante.

En el gráfico anterior, se ve el símbolo de diodo Zener. A uno de los terminales se le llama ánodo (A) y corresponde al material P; al otro se le denomina cátodo (K) y corresponde al material N. Si analizamos al diodo Zener, no como un elemento ideal, sino como un elemento real, se debe tomar en cuenta que cuando éste es polarizado en modo inverso, sí existe una corriente que circula en sentido contrario a la flecha del diodo, pero es de muy poco valor. Si analizamos la curva del diodo Zener se ve que, conforme se va aumentando negativamente la tensión aplicada al diodo, la corriente que pasa por él aumenta muy poco. Pero, una vez que se llega a una tensión, llamada la tensión de Zener (Vz), el aumento de la tensión (siempre negativamente) es muy pequeño, pudiendo considerarse constante. Para esta tensión, la corriente que atraviesa el diodo, puede variar en un gran rango de valores. A esta región, se le llama la zona operativa.

Esta es la característica del diodo Zener que se aprovecha para que funcione como regulador de voltaje, pues la tensión se mantiene prácticamente constante para una gran variación de corriente. Un regulador con diodo

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Zener ideal mantiene una tensión fija predeterminada a su salida sin importar las variaciones de tensión en la fuente de alimentación y en la carga.

1.5.3 Diodos Schottky Estos diodos están diseñados para cumplir la misma función que los de uso general, pero a altas frecuencias. Se utilizan, por ejemplo, en fuentes de alimentación de computadoras, donde la frecuencia de la corriente alterna puede llegar a los 100KHz (100000 ciclos por segundo). 1.5.4 Diodos LED ( Light Emitting Diode ) Los LED son los diodos emisores de luz. Tienen la propiedad de emitir luz cuando se le aplica una corriente directa. Existen de muchos tipos. Pueden ser destellantes y de varios colores. La intensidad luminosa que emite el LED aumenta en función de la intensidad directa que circula por el diodo. Pero, si se supera cierto límite, se produce una saturación: la luz empieza a cambiar de color y se avería. Se obtienen valores normales de luz con una intensidad entre unos 5 a 20 mili amperios, siendo la tensión (caída directa) de unos 1,8 voltios. Este es el componente que se utiliza normalmente (en sustitución de las lamparitas de filamento) para indicar la puesta en marcha de los aparatos de electrónica (radio, TV, amplificadores de sonido, etc.), así como para la emisión de la luz de control en los mandos a distancia.

1.5.5 Displays de 7 segmentos Asimismo, como aplicación de los LED´s se tiene al display. En su versión básica, son una especie de pantallitas en las cuales pueden aparecer dígitos. Estas se conocen como displays de 7 segmentos. Este tipo de visualizadores se aplican para representar valores numéricos en sistemas digitales como relojes, voltímetros, termómetros, aparatos de medida, etc. Obsérvese la siguiente figura:

Otras versiones de visualizadores basados en diversos elementos LED dispuestos en forma matricial dan lugar pantallas de información como las



que se ven en el metro, autopistas, tiendas, etc. Todos estos componentes semiconductores relacionados con la luz son muy utilizados, por ejemplo, en los mandos a distancia, circuitos de control automático de iluminación, barreras de luz (sistemas de alarma), indicadores ópticos, letreros luminosos, etc.

1.5.6 Fotodiodo Es un tipo de diodo con una especie de ventana-lente que sirve para recibir la luz. Cuando recibe luz, aparece una corriente (inversa) que aumenta en función de la luminosidad. Estos componentes son especialmente utilizados para detectar la luz de control de los mandos a distancia en los aparatos de TV, vídeo, etc.

Referencias de la información empleada:

• Hermosa Donate, Antonio. Principios de electricidad y electrónica. Tomo III.

• www.unicrom.com

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Autoevaluación

• Indique qué características tienen los materiales semiconductores.

• Indique las diferencias entre el átomo de Silicio y el de Germanio.

• Establezca dos diferencias entre los semiconductores N y P.

• Explique qué es la barrera de potencial en un diodo.

• Indique qué ocurre cuando los diodos están polarizados en directa y en inversa.

• Determine dos diferencias y similitudes entre un diodo de uso general y un

diodo Zener.



Resumen

Los materiales normalmente utilizados en electrónica son el Silicio (Si), el

Germanio (Ge) y el Arseniuro de galio. De ellos, el más utilizado es el Silicio, el cual se encuentra abundantemente en la arena de playa.

En los semiconductores N y P, la conductividad es mucho mayor que en el Silicio

intrínseco. Un semiconductor intrínseco es un material no dopado, que mantiene la misma

cantidad de huecos y electrones producidos sólo por agitación térmica. Cuando se aplica el polo positivo al material P y el polo negativo al N, se dice que

la unión está en polarización directa. Cuando se aplica el polo positivo al material N y el polo negativo al P, se dice que

la unión está en polarización inversa. El diodo comenzará a recalentarse hasta producirse un embalamiento térmico si

se produce una saturación. El diodo Zener es un tipo especial de diodo que siempre se utiliza polarizado

inversamente. El fotodiodo es un tipo de diodo que posee una especie de ventana-lente para

recibir la luz. Si desea saber más acerca de estos temas, puede consultar las siguientes

páginas:

http://www.electronica2000.com/temas/diodostipos.htm

Aquí, encontrará información sobre los semiconductores.

http://www.electronicafacil.net/tutoriales/

Aquí, hallará información sobre diodos.

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• Al término de la unidad, los alumnos, trabajando en grupo y en forma individual, diseñarán e implementarán circuitos de aplicación haciendo uso de dispositivos electrónicos discretos (diferentes tipos de diodos, transistores y SCR´s). Además, harán uso de herramientas de medición y comprobación del funcionamiento de dichos circuitos.

TEMARIO

• Desarrollo de aplicaciones de diodos

• Rectificador de media onda y de onda completa

• Circuitos limitadores

• Dobladores de tensión

• Regulador de tensión


• Los alumnos implementan circuitos rectificadores para fuentes de

alimentación. • Los alumnos implementan circuitos dobladores y reguladores de tensión.

UNIDAD DE

APRENDIZAJE

1

SEMANA

3

38


1. DESARROLLO DE APLICACIONES DE DIODOS

Existen diversas aplicaciones con diodos. En especial, tenemos los circuitos rectificadores para las fuentes de tensión, que pueden ser de media onda y de onda completa. Cada uno de ellos posee sus propias características.

1.1 Rectificador de media onda El primero de los rectificadores que vamos a estudiar es el llamado rectificador de media onda. Es el más sencillo de todos los rectificadores y también el más barato. Pero, como nada es perfecto, el rectificador de media onda tiene numerosas desventajas que luego enumeraremos. Es uno de los menos usados cuando se requiere eficacia y buen rendimiento, pero el más utilizado si lo que se requiere es un bajo costo.

Este circuito rectificador está formado por un solo diodo. La tensión de entrada al circuito es tensión de corriente alterna y, como sabemos, esta tensión viene representada por una onda senoidal con dos ciclos: uno positivo y otro negativo. Durante el ciclo positivo el ánodo del diodo es más positivo que el cátodo y la corriente puede circular a través del diodo. Pero, cuando estamos en el ciclo negativo, el ánodo va a ser más negativo que el cátodo y no va a estar permitido el paso de corriente por el diodo. La tensión de salida va a ser igual que la de entrada en el primer caso, es decir, un ciclo positivo; mientras que en el segundo caso, cuando la tensión de entrada es negativa, la de salida va a ser nula. La onda de salida ha quedado reducida a la mitad y de ahí viene el nombre de rectificador de media onda. Una tensión de corriente alterna tiene dos "mitades", una positiva y otra negativa. En el caso anterior, hemos usado el rectificador para anular la parte negativa y nos hemos "quedado" con la positiva. Sin embargo, también, podemos "quedarnos" con la negativa, simplemente, al cambiar el sentido del diodo dentro del circuito rectificador. Como hemos visto, la tensión de salida de un circuito rectificador de media onda se compone de un ciclo con un valor positivo igual al de la tensión de entrada (en el caso más normal) y un ciclo con un valor nulo. Esto es la causa de que este tipo de rectificadores casi no se usen, ya que, durante un tiempo, no fluye corriente alguna en la salida. El voltaje que se produce no es muy útil para hacer funcionar nuestros aparatos, de ahí la necesidad de filtrarlo primero, aunque no es muy fácil hacerlo.

1.2 Rectificador de onda completa con transformador de punto medio Es el rectificador más usado. La gran diferencia con el rectificador de onda media es que, en este caso, obtenemos a la salida tensión en todo instante y no tenemos intervalos de tiempo con una tensión nula como ocurría con el otro rectificador. Es un poco más caro, ya que está constituido por un número mayor de componentes pero merece la pena dada su mayor eficacia.



Estos rectificadores están constituidos principalmente por dos diodos y un transformador con punto medio. Para explicar su funcionamiento, tenemos que recordar que un diodo sólo permite el paso de la corriente en un sentido. En este circuito, se encuentran dos diodos y cada uno de ellos va a permitir el paso a la corriente en un caso opuesto. Así, uno circulará cuando la tensión de corriente alterna de entrada se encuentre en el ciclo positivo y, el otro, cuando se encuentre en el negativo. Pero si no tuviéramos la toma central, el circuito estaría cortado siempre, ya que cuando uno puede conducir, el otro no, y viceversa, puesto que están colocados en sentidos opuestos. Por eso, tenemos que darle una "ruta alternativa" a la corriente para que se produzca tensión de salida en los dos ciclos de entrada. La tensión de entrada a los circuitos de onda completa no es aprovechada en su totalidad, ya que cada uno de los diodos trabaja con la mitad de tensión al estar la toma central en la mitad de la bobina. Es por ello que, aunque vamos a obtener una tensión de corriente continua a la salida, en todo instante, su valor va a ser la mitad del de la tensión de entrada.

1.3 Rectificador de onda completa en puente de Grae tz Con este tipo de rectificadores, vamos a conseguir una tensión de salida de corriente continua en todo instante, al igual que en el rectificador de onda completa. La ventaja de los rectificadores tipo puente es que la tensión de salida es de la misma magnitud que la de entrada. En este caso, no perdemos la mitad como ocurría en los anteriores. La desventaja es que aquí necesitamos cuatro diodos, por lo que el costo de este tipo de circuitos es superior a los vistos anteriormente.

El rectificador tipo puente está formado por cuatro diodos que forman un puente entre la entrada y la salida. Estos diodos están conectados en paralelo con el transformador y no tienen ninguna toma central, como ocurría en los de onda completa, según podemos ver en el dibujo. Si el ciclo de tensión de la corriente alterna es el positivo, circula corriente por los diodos 1 y 2, con lo que se obtiene, en la salida, una tensión igual que la de entrada. Si el ciclo de entrada es negativo circula corriente por los diodos 3 y 4, y obtenemos, a la salida, una tensión igual en amplitud que la de entrada pero positiva en vez de negativa. Por tanto, en cada ciclo, estamos obteniendo en la salida una tensión de corriente continua positiva y de igual amplitud que la de entrada. Con estos rectificadores, aprovechamos toda la tensión de entrada y conseguimos una rectificación de onda completa, aunque su precio es el más elevado de todos.

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Es posible generar una tensión o voltaje continuo y constante a partir de un voltaje alterno. Para ello, primero, se tiene que rectificar la señal mediante los diodos. Luego, se debe filtrar la señal para eliminar las variaciones generadas en la rectificación. Finalmente, se obtiene un voltaje continuo pero aún no constante. Para lograr que el voltaje se mantenga más o menos constante, usamos el diodo Zener, que hace las veces de regulador de voltaje, sólo dentro de un rango de corriente.

1.4 Filtros Bajo este escueto nombre se engloban un buen número de circuitos que tienden a adecuar una tensión alterna rectificada para, por ejemplo, utilizarla como alimentación continua de cualquier circuito. Los filtros de las fuentes de alimentación son sólo una de sus aplicaciones. Los filtros se basan en la propiedad de almacenamiento de energía que ofrecen los componentes reactivos (los condensadores y las bobinas). Los tipos más sencillos y utilizados son los siguientes:

1.4.1 Filtro con condensador : Este tipo de filtro tan solo precisa de la colocación de un condensador de gran capacidad entre el diodo o diodos encargados de rectificar la corriente alterna y la salida de la misma hacia la carga a alimentar (Rc). En el gráfico siguiente, podemos ver cómo se conecta este condensador C.

Debido a las constantes de tiempo asociadas a las resistencias, a través de las que se realizan las secuencias sucesivas de carga y descarga del condensador, se obtiene una salida de forma bastante más "plana" que la señal que obtenemos en la salida de una etapa rectificadora.

1.4.2 Filtro en ππππ: En la ilustración correspondiente, podemos observar cómo se configura, en la práctica, un filtro de este tipo. Como vemos, la denominación "pi" se debe a la forma que se obtiene en el esquema que representa el citado filtro. La resistencia, junto al par de condensadores,

muestra la mencionada "π".



Su funcionamiento intenta proteger al diodo D de los posibles picos de intensidad que pueden originarse debido a una carga excesivamente brusca. Ahora, se vuelve a filtrar la resistencia R y el condensador C2 (la señal obtenida ya en el tipo de filtro anterior), con lo que conseguimos atenuar aún más las oscilaciones de la tensión que llega a la carga (Rc).

Factor de rizado La calidad de la señal (o tensión) continua que obtenemos después de hacer pasar una señal alterna rectificada por un circuito de filtro dependerá de la complejidad de éste. Podemos, por ejemplo, encadenar circuitos de filtro para conseguir mejores señales de salida, que lleven menos "rizado" sobre el componente de continua. El valor que determina esta calidad se conoce como factor de rizado o, simplemente, rizado. Si tenemos una tensión continua (cuyo valor llamamos VDC), a la que se incorpora sobre ella una tensión de rizado a cuyo valor pico a pico llamamos VAC (así denominamos la medida de una tensión sinusoidal cuando nos referimos a la máxima distancia entre el pico superior y el inferior de la misma), el valor del factor de rizado (Fr) será

1.5 Circuitos limitadores Los circuitos limitadores o recortadores hacen uso de los diodos pero de un modo distinto al que hemos estudiado desde el punto de vista de la rectificación. Desde una óptica práctica, podemos dividir a los recortadores en recortador serie, recortador paralelo y recortadores polarizados.

• Recortador serie : La posibilidad de colocar el diodo serie en uno u otro sentido posibilita que "recortemos" semiciclos positivos o negativos.

• Recortador paralelo : Este tipo de recortador varía la posición del diodo pero se basa en los mismos principios.

• Recortador polarizado : Esta clase de recortador utiliza una segunda polarización en serie con el diodo paralelo recortador. Esto se traduce en que el límite de conducción se ve incrementado, mientras que el valor absoluto de VP (segunda polarización) será mayor que el valor absoluto de la tensión alterna de entrada (VAC). En la ilustración correspondiente, vemos un recortador polarizado negativo y un recortador doble que utiliza dos polarizaciones contrarias sobre dos diodos (Va y Vb).

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1.6 El diodo Zener como regulador de tensión Al colocar un diodo tipo Zener paralelo a la carga Rc y el condensador de filtro (Cf), se origina una regulación real de tensión en la alimentación de la carga. Esto se debe a que los diodos Zener se fabrican de manera específica, para que se comporten como un diodo normal si no se alcanza la tensión Zener, cuando alcanzan este voltaje, se mantienen en ese valor (regular) y responden variando su corriente para compensar las variaciones de entrada. El valor de la tensión regulada depende del valor de la tensión de Zener dada por el fabricante. Es importante considerar una resistencia que limite la corriente para proteger al Zener. El cálculo de dicha resistencia es sencillo si aplicamos la fórmula siguiente:

RZ = (V –VZ) / (IC + IZ) Donde V: Tensión en la salida del filtro (Cf) VZ: Tensión Zener o tensión de salida IC: Corriente que circula por la carga IZ: Corriente que circula por el Zener

Por ejemplo, si deseamos estabilizar a 12 voltios una tensión de entrada de 18 voltios y si la carga consume 100 mili amperios tenemos que

Si aplicamos la ley de Ohm podemos deducir que la potencia de la resistencia y del diodo Zener deberán ser de

1.7 Dobladores de tensión Existe un método, que hace uso de los diodos y del efecto capacitivo de los condensadores, a fin de duplicar (o triplicar, cuadriplicar, etc.) una tensión dada, pero con el inconveniente de no poder manejar una intensidad elevada. En otras palabras, se eleva la tensión pero solo se puede utilizar ésta para consumos pequeños.

En el gráfico, podemos apreciar al circuito doblador de tensión, el cual tiene la propiedad de almacenar energía en los condensadores circulando la corriente en un solo sentido por acción de los diodos. Su funcionamiento comienza con la carga de C1 a la tensión Ve cuando D1 se polariza directamente debido al semiciclo negativo de entrada. En el ciclo siguiente, D1 se polariza inversamente, D2 lo hace de forma directa y así se obtiene la carga de C2; pero esta vez la carga



se hace a una tensión que es la suma de la almacenada en C1 y la proporcionada por Ve, es decir, C2 se carga a una tensión 2 x Ve ó, lo que es igual, en bornes de C2 se obtiene una tensión doble a la de la entrada del circuito. Este tipo de circuitos se puede encadenar en cascada y lograr así multiplicadores de tensión.

1.8 Regulador de tensión LM317 Para las aplicaciones en las que se requiere diseñar específicamente una fuente regulable de amplio margen de salida es altamente recomendable utilizar el regulador LM317. En principio, sus características son similares a cualquier 78XX, es decir, a un regulador positivo. Sin embargo, posee una diferencia fundamental que lo hace ideal para fuentes regulables: su tensión de referencia es de sólo 1,25V, con lo que ofrece la posibilidad de un amplio rango de tensiones de salida. Con este regulador, podemos implementar una fuente de laboratorio, con las excelentes características de regulación y rechazo de rizado, capaz de proveer una tensión de salida entre 1,25 voltios y 25 voltios. El circuito para controlar el voltaje de salida es el siguiente:

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El siguiente circuito es el de una fuente de voltaje regulable sobre la base del regulador LM 317 donde se observa que fueron agregados dos diodos y un condensador. Tanto D2 como D3 evitan que se descargue el condensador C4 incluido a través del integrado. A su vez, dicho condensador mejora el rechazo al rizado elevándolo hasta los 80dB. Para obtener el rango de salida entre 1.25 voltios y 21 voltios, R1 debe ser de 220Ω, R2 un potenciómetro de 5kΩ, y D1 y D2 cualquier diodo pequeño como, por ejemplo, 1N4001. En cuanto a la corriente de salida, esta es de 1.5 amperios. Si se utiliza un disipador adecuado, el circuito resultante es el siguiente:



Autoevaluación

• Implemente un rectificador de media onda y otro de onda completa. Asimismo, indique las características de cada uno de los componentes y establezca cuáles son los parámetros de entrada y salida.

• Dibuje las formas de onda de los dos rectificadores del problema anterior,

considerando una carga resistiva de 10KΩ.

• Indique la función del filtro π.

• Dibuje una señal que tenga un factor de rizado de 3.

• Determine las características de un diodo Zener para tener una fuente regulada de 12 voltios DC y de 0.5 amperios.

• Dibuje el circuito de una fuente de alimentación regulable sobre la base del

LM317. Las variaciones deben ser desde 3 a 12 voltios.

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Resumen

El rectificador de media onda está formado por un solo diodo. El rectificador de onda completa es el rectificador más usado. Se utilizan algunos

con transformador de punto medio y otros con rectificador tipo puente. Los filtros se basan en la propiedad de almacenamiento de energía que ofrecen

los componentes reactivos (los condensadores y las bobinas). Al colocar un diodo tipo Zener paralelo a la carga Rc y el condensador de filtro (Cf),

se origina una regulación real de tensión en la alimentación de la carga. Si desea saber más acerca de estos temas, puede consultar las siguientes

páginas:


Aquí, hallará conceptos relacionados al tema.

http://www.electronicafacil.net/






TEMARIO

• El transistor bipolar BJT

• Tipos de transistores

• Regiones de trabajo del transistor

• Polarización de transistores bipolares discretos

• Generadores de corriente

• El transistor como interruptor


. • Los alumnos reconocen las características de los transistores BJT.

• Aprenden a calcular los voltajes y corrientes usados en los circuitos con transistores.

• Polarizan a los transistores en las diferentes zonas de trabajo.

UNIDAD DE

APRENDIZAJE

1

SEMANA

4

48


1. EL TRANSISTOR BIPOLAR BJT

Los transistores son dispositivos semiconductores de estado sólido. Generalmente, son fabricados a base de Silicio, al que se le agregan impurezas. Los transistores tienen distintas denominaciones. Estas varían sobre la base de su tipo de construcción. El transistor es un elemento de tres terminales, que tiene la propiedad de variar la corriente que circula a través de él mediante una polarización muy pequeña. Es decir, se puede manejar grandes corrientes mediante la inyección apropiada de una corriente de control muy pequeña. Este es el principio por el cual los transistores son muy utilizados como elementos amplificadores de potencia.

1.1 Tipos de transistores El transistor bipolar tiene 3 terminales que se denominan emisor (E), base (B) y colector (C). En la siguiente figura, en la que se muestra su simbología, podemos ver que existen dos modelos: NPN y PNP y que ambos transistores pueden ser equivalentes a dos diodos.

Las denominaciones NPN y PNP corresponden al tipo de material con el que están dopados los bloques de Silicio. Estos bloques, en realidad, son uno solo. El secreto consiste en que, al agregarle impurezas en lugares precisos, se producen zonas dentro del bloque que están delimitadas por junturas. Esto permite que tenga propiedades semiconductoras.



El transistor es utilizado como amplificador de corriente. Una débil corriente aplicada en la base permite obtener en el colector mucha más intensidad, lo cual permite aplicaciones tales como amplificador de audio, amplificadores de señales de radio y TV, circuitos de control de relés, etc. El aspecto práctico de algunos de los modelos más utilizados (NPN) se representa en la siguiente figura:

El BC 547 es un modelo de baja potencia que, en la actualidad, se sigue utilizando mucho. El BD137 es un NPN de mediana potencia, también muy utilizado. El transistor es un amplificador de corriente, esto quiere decir que si le introducimos una cantidad de corriente por la base, él entregará por el emisor una cantidad mayor a ésta en un factor que se llama amplificación. Este factor se llama β (Beta) y es un dato propio de cada transistor. Entonces:

• IC (corriente que pasa por la patilla colector) es igual a b (factor de amplificación) por Ib (corriente que pasa por la patilla base).

• IC = β x IB • IE (corriente que pasa por la patilla emisor) es del mismo valor que Ic, sólo

que la corriente, en un caso, entra al transistor y, en el otro caso, sale de él o viceversa.

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Según las fórmulas anteriores, las corrientes no dependen del voltaje VCE, pero, en la realidad, sí lo hacen y la corriente Ib cambia ligeramente cuando se cambia VCE. Estos cambios se pueden apreciar en la siguiente gráfica:

1.2 Regiones de trabajo del transistor El transistor tiene tres zonas de trabajo cuando es polarizado en directa. Estas son cuatro: zona de corte, activa o lineal y de saturación. Además, está la zona de ruptura donde el transistor corre el peligro de ser destruido. Esto debe evitarse.



1.2.1 Región de corte: Un transistor está en corte cuando: corriente de colector = corriente de emisor = 0, (IC = IE = 0)

IB = 0 VCE = VCC

En este caso, el voltaje entre el colector y el emisor del transistor es el voltaje de alimentación del circuito. (Como no hay corriente circulando, no hay caída de voltaje. Véase la ley de Ohm). Este caso normalmente se presenta cuando la corriente de base es igual a 0 (IB =0). Además, el voltaje colector-emisor es igual al voltaje de la fuente.

1.2.2 Región de saturación : Un transistor está saturado cuando: corriente de colector = corriente de emisor = corriente máxima, (IC = IE = I máxima)

β x IB >> IC

En este caso, la magnitud de la corriente depende del voltaje de alimentación del circuito y de las resistencias conectadas en el colector o el emisor, o en ambos (véase la ley de Ohm). Este caso normalmente se presenta cuando la corriente de base es lo suficientemente grande como para inducir una corriente de colector β veces más grande. (Recuérdese que IC = β x IB).

1.2.3 Región activa : Cuando un transistor no está ni en su región de saturación ni en la región de corte, entonces está en una región intermedia: la región activa. En esta región, la corriente de colector (IC) depende principalmente de la corriente de base (IB), de β (ganancia de corriente de un amplificador, que es un dato del fabricante) y de las resistencias que se encuentran conectadas en el colector y emisor). Esta región es la más importante si lo que se desea es utilizar el transistor como un amplificador.

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En el gráfico, se puede apreciar las tres zonas marcadas con los tres puntos. Se les puede ubicar en el cruce con la recta llamada recta de carga. Por un lado, la zona de corte se encuentra en el cruce de la recta de carga con la recta VCE. Por otro lado, la zona de saturación está en el cruce de la recta de carga con la recta IC. Finalmente, la zona activa está entre ambas zonas anteriores y el punto de trabajo dependerá del cruce de la recta de carga y la curva de IC para una determinada IB. En el gráfico, hemos elegido el cruce con IB = 100 micro amperios.

1.3 Polarización de transistores bipolares discreto s Generalmente, por polarizar un transistor se entiende el hecho de que queden fijadas su tensión colector-emisor VCE y su corriente de colector (IC), es decir, lo que se suele llamar el punto de trabajo. Debido a la dispersión de los valores de los parámetros que se da para cada tipo de transistor, en general, se trata de que el punto de trabajo (VCE, IC) quede fijado del modo más independiente posible del transistor particular utilizado o de las posibles variaciones de las características de dicho transistor con la temperatura o la potencia disipada. Para polarizar al transistor en la zona activa, la corriente de colector es controlada por la corriente de base. Para polarizar en la zona de corte, la unión base-emisor debe quedar polarizada en inverso, o con tensión directa muy baja (teóricamente 0 voltios), de modo que Ic = 0 y VCE =Vcc. El circuito típico para establecer la polarización es el siguiente, en el se puede determinar las siguientes relaciones:



IE = Ic + Ib = Ic (1 + 1/ββββ)

Vcc = Ic. Rc + V CE + IE. Re

Si ββββ >> 1, entonces IE = Ic y quedaría así la anterior expresión:

VCE = Vcc - Ic. (Rc + Re)

Es decir, si se logra hacer IE independiente del transistor y ββββ >> 1, es posible fijar el punto de trabajo elegido (Vceq, Icq), de forma que no varíe frente a cambios de temperatura, sustitución de un transistor por otro, etc.

Para hacer que Ie sea fija hay que hacer que Ve sea constante (pues Ve = Ie . Re) Una forma de hacerlo sería fijar la tensión de base, pues Vb = Vbe + Ve = Vbe + Ie . Re Si la variación de Vbe es pequeña frente al valor de Vb conseguiremos que Ve sea constante. (Las variaciones de Vbe pueden deberse a los efectos mencionados anteriormente).

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Para un transistor típico de silicio de pequeña potencia, que trabaje con corrientes de colector habituales, Vbe puede variar entre 0.5 y 0.7 voltios, es decir Vbe = 0,6 ± 0,l voltios.

Por lo tanto: Ve = Vb – (0.6 ±±±± 0.1) voltios Si Vb es mucho mayor que 0,1 voltios (p.e. > 2 voltios) resulta que las posibles fluctuaciones de Vbe afectarán poco a Ve, o lo que es lo mismo, a Ie. La forma más sencilla de fijar Vb es utilizar un divisor resistivo de la tensión de la fuente (R1 y R2). Se puede comprobar que dicho divisor fija una tensión:

Vb = Vcc . R2 / (R1 + R2)

siempre y cuando la corriente de base Ib sea mucho menor que la que atraviesa las resistencias R1 y R2, es decir:

Ib = Ie / (ββββ + 1) << Vb / R2 Cuando el transistor opera en la región activa, tiene unas características eléctricas lineales que son utilizadas para amplificación. En estos circuitos, las señales de entrada son amplificadas a la salida y, por consiguiente, hay un aporte de energía realizado a través de fuentes de tensión externas denominadas fuentes de alimentación o fuentes de polarización. Las fuentes de alimentación cubren dos objetivos: proporcionar las corrientes y tensiones en continua, que son necesarias para que el transistor opere en la región lineal, y suministrar energía al transistor de la que parte de ella va a ser convertida en potencia (amplificación). Los valores de corrientes y tensiones en continua en los terminales de un transistor se denomina punto de trabajo y se suele expresar por la letra Q (Quiescent operating point). Veamos cómo se calcula el punto de trabajo en el circuito de la siguiente figura, el cual está polarizado con dos resistencias y una fuente de tensión VCC:

En este circuito se verifica que:

IBBBB = (VCCCCCCCC – VBEBEBEBE) / RBBBB Si suponemos que el transistor se encuentra en la región directa lineal; entonces, se puede relacionar las intensidades de base y colector a través de la hFE y asignar una tensión base-emisor típica de 0.7 voltios. El cálculo de las tensiones e



intensidades del transistor proporciona su punto de trabajo Q. Para este circuito, Q viene definido por las siguientes ecuaciones:

IBQBQBQBQ = (VCCCCCCCC – 0.7 voltios) / R BBBB ICQCQCQCQ = hFEFEFEFE. IBQBQBQBQ VCEQCEQCEQCEQ = VCCCCCCCC – ICQ CQ CQ CQ . RCCCC

En la figura anterior, se muestra la representación grafica del punto de trabajo Q del transistor, el cual está especificado a través de tres parámetros: ICQCQCQCQ, IBQBQBQBQ y la VCEQCEQCEQCEQ. Este punto se encuentra localizado dentro de una recta denominada recta de carga estática: si Q se encuentra en el límite superior de la recta, el transistor estará saturado en el límite inferior en corte y en los puntos intermedios en la región lineal. La tercera ecuación define la recta de carga obtenida del circuito de polarización, de forma que se tiene

VCCCCCCCC = VCECECECE + IC C C C . RCCCC

Para dibujar esta recta de una manera sencilla en el plano (VCE, IC) del transistor se selecciona dos puntos: a) VCECECECE = 0, entonces IC C C C = VCCCCCCCC / RCCCC b) IC C C C =0, entonces VCECECECE = VCCCCCCCC Estos puntos se pueden identificar en la figura anterior y representan los cortes de la recta de carga estática con los ejes de coordenadas. Una de las primeras decisiones relacionadas con la polarización de un transistor es seleccionar la situación del punto Q. La selección más práctica es situarla en la mitad de la recta de carga estática para que la corriente de colector sea la mitad de su valor máximo, condición conocida como excursión máxima simétrica. Evidentemente, esta es una condición de diseño que asegurará el máximo margen del punto Q ante el incremento de cualquier signo de la intensidad de colector. Sin embargo, hay muchas otras condiciones de operación del transistor que exige un desplazamiento de Q en uno u otro sentido. En estos casos, la situación del punto Q estará definida por las diferentes restricciones.

El transistor tiene unas tensiones y corrientes en sus terminales que le hacen disipar energía. Esta potencia de disipación se puede obtener aplicando la definición de potencia absorbida por un elemento tri-terminal que, en caso del transistor, se expresa como: PC = IB . VBE + IC . VCE Debido a que, generalmente, la IB <<< IC y la VBE << VCE, el primer término de esta ecuación es despreciable frente al segundo, lo que da como resultado que: PC ≈ IC . VCE Esta ecuación representa a una hipérbola en el plano (VCE, IC) de las curvas características del transistor. El fabricante proporciona como dato la potencia de disipación máxima de un transistor, por ejemplo, el BC547 tiene una PCMAX = 500 mili watts. En la figura anterior, se representa la hipérbola de potencia máxima de un transistor. Es preciso que el punto del trabajo Q esté por debajo de esa curva, sino el transistor se dañaría por efecto del calentamiento.

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1.4 Generadores de corriente Como se ha podido observar en el apartado anterior, la corriente de colector de un transistor no depende de Vc, siempre y cuando el transistor no entre en saturación (Vce < 0,4 V ó Vcb < 0). El transistor se comporta, por tanto, como un generador de corriente. Lo anterior permite, una vez polarizado un transistor, utilizar el colector del mismo como fuente de corriente (transistor pnp) o sumidero de la misma (transistor npn) cuyo valor es:

Ic = (Vcc . R2 / (R1 + R2) - 0.6) / Re Nótese que la corriente resultante (Ic) es constante, porque depende de valores constantes: del valor de la fuente (Vcc) y de las resistencias (R1, R2 y Re).

Ejemplo . En el circuito simplificado, debemos calcular VBE, VBC y VCE, así como las corrientes IB, IC e IE. Cuando EB = 5 voltios y cuando EB = 7 voltios, la ganancia de corriente del transistor es β = 100. Para los cálculos, hemos reemplazamos al transistor por su modelo, en el cual consideramos a IC como una fuente de corriente igual a β.IB y, por el lado de la base, consideramos entre base y emisor una fuente de tensión igual a 0.7 voltios. Estamos usando el terminal emisor conectado a tierra o cero voltios.

SOLUCIÓN: Al aplicar una diferencia de potencial positiva (> 0,7) a la base, se polariza la unión BE en directa. Además, si EB es inferior a la de la fuente conectada al colector, la tensión de colector será superior a la de la base, con lo que la unión BC estará polarizada en inversa. Se dan, por lo tanto, las condiciones necesarias para la operación en zona activa, con lo que se verifica aproximadamente que:

VBE = 0.7 voltios I C = ββββ . IB



El análisis del circuito permite añadir dos ecuaciones nuevas para el cálculo de IB, IC y VCE:

EBBBB = RBBBB . IBBBB + VBEBEBEBE ECCCC = RCCCC . ICCCC + VCECECECE

De la primera expresión se obtiene IBBBB: IBBBB = (EBBBB – VBEBEBEBE) / RBBBB

Teniendo en cuenta que IC = ββββ . IB:

IC = ββββ (EBBBB – VBEBEBEBE) / RBBBB Finalmente:

VCECECECE = ECCCC – RCCCC. ββββ (EBBBB – VBEBEBEBE) / RBBBB

VBCBCBCBC = VBEBEBEBE – VCECECECE = 0.7 – ECCCC + RCCCC. ββββ (EBBBB – VBEBEBEBE) / RBBBB En la tabla siguiente, se adjuntan los resultados numéricos de los dos casos requeridos en el enunciado:

IB IC IE VBE VCE VBC

EB = 5 V 43 μμμμA 4,3 mA 4,343 mA 0,7 V 5,7 V -5 V

EB = 7 V 63 μμμμA 6,3 mA 6,363 mA 0,7 V 3,7 V -3 V

Los resultados obtenidos en el ejemplo sugieren los siguientes comentarios:

• La tensión VBC obtenida en ambos casos es negativa, lo que significa que la polarización de la unión BC es inversa. Además, como la corriente de la base es positiva, queda comprobado que el transistor está operando en la zona activa.

• La corriente IE tiene un valor muy cercano al de IC. En la práctica, sería difícil detectar la diferencia entre ambas mediante aparatos de medida convencionales. Por ello, en ocasiones, se realiza la aproximación IC = IE.

• Una variación de corriente en la base de tan sólo 20 μA provoca una variación en la tensión VCE de 2 voltios. Este es el principio de la amplificación analógica de señales.

Centremos ahora la atención en la evolución de VCE. Cuando el transistor está en corte VCE = 0 voltios. En la zona activa, a medida que aumenta EB disminuye VCE. Este resultado es lógico, puesto que IC es directamente proporcional a EB. Como VCE = EC - RCIC, al aumentar el término negativo disminuye el valor de la resta. Gráficamente, puede representarse este hecho como sigue:

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Si RC fuera una lámpara, en el caso A, estaría apagada; mientras que, en los casos B y C, proporcionaría luz. Evidentemente, en el caso C la intensidad de la luz será mayor que en el B, puesto que la tensión aplicada es mayor. Aquí, se pone de manifiesto claramente el funcionamiento del transistor como resistencia variable, ya que el comportamiento entre C y E es similar al de un potenciómetro: modificando la señal de control convenientemente podemos variar la tensión de alimentación de la bombilla entre 0 y 10 voltios.

1.5 El transistor como interruptor La función del transistor como interruptor es exactamente igual que la de un dispositivo mecánico: o bien deja pasar la corriente o bien la corta. La diferencia está en que, mientras en el primero es necesario que haya algún tipo de control mecánico, en el transistor, la señal de control es electrónica. En la siguiente figura, se muestra la aplicación al encendido de una lámpara o foco.

En el primer caso, bajo la señal de control de “corte”, ingresada a la base, el transistor se comporta como un circuito abierto. Entre el emisor y el colector no existirá corriente y la bombilla estará apagada. En el segundo caso, cambiando la señal de control a “conducción”, se cierra el circuito entre C y E, y los 12 voltios se aplican a la bombilla, la cual se enciende. Este funcionamiento entre los estados de corte y conducción se denomina operación en conmutación. Las aplicaciones típicas de este modo de operación son la electrónica de potencia y la electrónica digital, en la que los circuitos operan con dos niveles de tensión fijos equivalentes al UNO y CERO lógicos.

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Autoevaluación

• Indique cuáles son los parámetros de un transistor bipolar.

• Determine cuáles son las regiones de trabajo de un transistor y qué características tienen cada una de ellas.

• Imagine un circuito con un transistor 2N2222, el cual está polarizado mediante

dos resistencias, Rc para el colector y Rb para la base. Además, considere que usa una fuente de 10 voltios y que el emisor está conectado a tierra. A partir de ello, determine los valores de las resistencias para que trabaje: a.- En zona de corte b.- En zona activa c.- En saturación

• Sobre la base del ejemplo anterior, calcule la potencia del transistor para cada

uno de los tres casos.

• Diseñe un circuito sobre la base de un transistor 2N2222 que haga la función de generador de corriente de 10 miliamperios.

62


Resumen

El transistor es un elemento de tres terminales que tiene la propiedad de variar la

corriente que circula a través de él mediante una polarización muy pequeña. El transistor es un amplificador de corriente, el valor de la amplificación está dado

por el parámetro β (beta), el cual es un dato propio de cada transistor. Un transistor está en corte cuando la corriente de colector es igual a la corriente

de emisor y estas son iguales a cero. Un transistor está saturado cuando la corriente de colector es igual a la corriente

de emisor y toman el valor máximo. Si desea saber más acerca de estos temas, puede consultar las siguientes

páginas:


Aquí, hallará conceptos relacionados al transistor.



http://www.alldatasheet.com/

Aquí, hallará información sobre datos técnicos de cada componente, en

particular de transistores.

64




TEMARIO

• Aplicaciones del transistor como amplificador

• Polarización del transistor a través de la base

• Ganancia y resistencia de entrada de un amplificador

• Estudio del transistor en AC


• Los alumnos determinan los componentes de un amplificador basado en

transistores.

• Los alumnos analizan las características de los amplificadores.

UNIDAD DE

APRENDIZAJE

1

SEMANA

5



1. APLICACIONES DEL TRANSISTOR COMO AMPLIFICADOR

El mundo está lleno de pequeñas señales que necesitan amplificarse para procesar la información que contienen, por ejemplo, piénsese en el caso de una guitarra eléctrica. El movimiento de una cuerda metálica en el interior de un campo magnético (creado por los captadores o pastillas) provoca una pequeña variación de tensión entre dos terminales de una bobina. Para que esa débil señal pueda llegar a los oídos de todo un auditorio, es evidente que se necesita una amplificación. La señal producida por la pastilla de la guitarra viaja por un par de terminales hasta el amplificador. Aquí se produce la transformación de la pequeña señal, que es capaz ahora de excitar la membrana de un altavoz con la potencia que se desee. Para que se pueda oír lo que se toca realmente, la amplificación debe cumplir ciertas condiciones:

• Debe respetar la forma de onda de la tensión de entrada. Si no lo hace así, se produce una distorsión, aportando una pérdida de la información.

• La energía absorbida de la fuente que emite la onda que se desea amplificar debe ser mínima. El circuito amplificador necesita una fuente de alimentación propia.

1.1 El transistor bipolar como amplificador de seña l El esquema más sencillo de amplificador de señales es el propio transistor bipolar y lo vemos en el siguiente circuito:

Si el transistor se encuentra en la región activa, hay una relación lineal entre e

:

Como es reflejo de la entrada e lo es de la salida, este esquema proporciona una ganancia en corriente. Sin embargo, presenta dos limitaciones muy importantes:

• Sólo amplifica la parte positiva de la señal: cuando es menor que 0,7

voltios pasa al estado de corte, con lo que . • Requiere señales de tensión grandes, por lo menos mayores que 0,7

voltios, ya que la señal de entrada ha de polarizar en directa la unión BE y llevar el transistor a la región activa.

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Con este dispositivo sólo se puede trabajar con señales positivas mayores de 0,7 voltios. Por lo tanto, no es capaz de amplificar señales de alterna. La figura siguiente representa, aproximadamente, la respuesta que se obtendría al tratar señales de alterna:

1.2 Polarización del transistor a través de la base

Este esquema presenta la novedad de la resistencia RB. Gracias a ella, la base se

polariza mediante la fuente de alimentación EC y no mediante . La corriente que llega a la base proviene de dos fuentes:

• : Es la señal que queremos amplificar, por lo tanto, será variable en el tiempo.



• : Esta corriente es la suministrada por EC, que es una fuente de continua, para la polarización del transistor.

La intensidad de colector será, si Q está en la RAN:

Finalmente, puede calcularse la tensión de salida :

La siguiente figura ayuda a comprender mejor estos conceptos.

Tensiones y corrientes en el circuito de la figura anterior

La onda de salida es, efectivamente, proporcional a la entrada, pero está desplazada en el eje de las "Y", es decir, tiene un componente de voltaje continuo que ha sido introducida por la fuente de polarización del transistor. LOGROS DEL ESQUEMA:

1. El transistor es también capaz de amplificar la parte negativa de la señal. 2. La tensión de entrada puede ser pequeña, ya que ahora el transistor se

polariza a través de una fuente de alimentación ajena a la entrada.

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3. En la salida, se dispone de una señal de tensión, gracias a RC, que cumple dos misiones:

o Transforma en una tensión . o Junto con RB lleva el transistor a la región activa.

INCONVENIENTES: • Al conectar directamente el generador de señal a la entrada, IB iría a tierra a

través de él. Esto podría dañar el generador (en el ejemplo de la introducción, las pastillas o captadores de la guitarra eléctrica).

• Al conectar directamente la salida a la carga (altavoz), IC iría a tierra a través

de ella, dañándola.

Los inconvenientes de este esquema están introducidos por la corriente continua de polarización. Estas corrientes deben quedar limitadas al interior del dispositivo amplificador.

1.3 El condensador de acoplamiento El condensador es un componente que se comporta como un circuito abierto para la corriente continua. Por medio de él, se aísla tanto la entrada como la salida de los componentes de voltaje continuo. Si elegimos correctamente el valor de la capacidad de acuerdo con la frecuencia a la que se espera que trabaje el dispositivo, se logra, además, que estos condensadores se comporten como un cortocircuito para las señales de alterna que se quieren amplificar. En cualquier caso, la respuesta en frecuencia del amplificador queda limitada por los valores de C1 y C2.

Esquema amplificador con condensadores de acoplamiento.

Una vez visto el esquema básico de un amplificador, se enuncian los parámetros más importantes de éste:

• : Señal de entrada (pequeña señal AC).

• : Corriente de entrada que se absorbe del generador de señal de entrada (AC).

• : Señal de salida (AC).

• , : Corrientes de polarización del transistor (DC).



• , : Resistencias de polarización.

• : Carga sobre la que se aplica la tensión de salida.

• : Aísla la entrada del circuito de la polarización en continua.

• : Aísla la salida del circuito de la polarización continua. 1.4 Ganancia y resistencia de entrada de un amplifi cador El esquema presentado es sólo una de las posibles soluciones válidas para la amplificación de señales. Para comparar las características de todos ellos, se definen dos parámetros de AC: la ganancia en tensión y la resistencia de entrada :

1.4.1 Ganancia en tensión: Es el cociente entre la señal de salida y la aplicada al dispositivo.

Normalmente, la ganancia depende de la carga que se conecte ( ).

Nótese que, en este parámetro, se relacionan las amplitudes de las señales alternas de entrada y de salida, y no los valores instantáneos. Se da por supuesto que el circuito va a mantener, en gran medida, la similitud de las formas de onda, ya que de lo que se trata es de cuantificar la magnitud de la amplificación.

1.4.2 Resistencia de entrada: La resistencia de entrada da una idea de la cantidad de corriente que absorbe la fuente de señal que se desea amplificar. Dado que interesa absorber poca energía de la fuente de señal, el amplificador será tanto mejor cuanto mayor sea su resistencia de entrada.

Puesto que la señal de entrada es alterna, estamos de nuevo ante un parámetro que relaciona las amplitudes de las oscilaciones de las magnitudes eléctricas implicadas.

1.5 Método de cálculo Cuando todos los componentes de un circuito responden a ecuaciones lineales, se puede aplicar el principio de superposición. En este caso, los transistores no son componentes lineales. Sin embargo, teniendo en cuenta que las señales aplicadas son de baja amplitud, el transistor opera soportando pequeñas oscilaciones con respecto a unas magnitudes continuas. De esta forma, es posible aplicar la superposición teniendo en cuenta el punto de operación:

• Cálculo del punto de operación DC : Se sustituyen los condensadores por circuito abierto. A continuación, se introduce el modelo DC del transistor en la región activa y se calculan los valores de las corrientes y tensiones de polarización.

• Determinación del modelo AC del transistor : Ha de emplearse el

modelo de pequeñas señales, teniendo en cuenta los resultados del cálculo del punto de operación.

70


• Estudio del circuito en AC . En este estudio, los componentes de voltaje

continuo no afectan a la relación de las amplitudes de las ondas AC. Por consiguiente, pueden cortocircuitarse las fuentes de tensión continua. Si el diseño del circuito es correcto, los condensadores pasan a comportarse como cortocircuitos.

1.6 Ejemplo de cálculo

A continuación, se aplica este procedimiento al cálculo de y en el último esquema presentado en su funcionamiento en vacío.

• Punto de operación DC

Circuito de polarización y su esquema equivalente en DC

Según el circuito equivalente DC:

• Parámetros del modelo equivalente AC

Los parámetros del modelo AC son la resistencia de entrada y la ganancia

dinámica de corriente .

;



• Estudio del transistor en AC La siguiente figura muestra el esquema equivalente del circuito para las señales de alterna.

Circuito equivalente AC

La resistencia RB está conectada por un Terminal a la fuente de señales y a la base y, por el otro, a la fuente de alimentación EC. Idealmente, esta fuente no ofrece ningún obstáculo para las señales de alterna. Considerando que su resistencia interna sea nula, se comporta como un cortocircuito que conecta RB con tierra. En el lado derecho del esquema, RC se une, por una parte, con el colector del transistor y, por la otra, con tierra a través de la fuente de alimentación. Es de vital importancia que se tenga en cuenta que, en este esquema, sólo se relacionan las amplitudes de las ondas y no sus valores instantáneos. Los valores de Rin y AV pueden obtenerse a partir del gráfico anterior.

Como :

Nótese que para el cálculo de los parámetros rIN y AV no es necesario definir el valor de vIN, ya que, en ambos casos, se calcula variaciones de una magnitud con respecto a esa tensión de entrada.

Referencia de la información empleada:

• http://www.inele.ufro.cl/bmonteci/semic/apuntes/electronbasic/6.htm

72


Autoevaluación

• ¿Cuál es la relación que existe entre la corriente de base y de colector cuando

se está trabajando en la zona activa?

• En el circuito amplificador de la figura: Calcular el punto de operación DC del transistor. Determinar el modelo AC para pequeñas señales. Calcular la ganancia y la resistencia de entrada del dispositivo.

• En el circuito de la siguiente figura: Hallar el punto de operación DC del transistor. Determinar el modelo AC de pequeñas señales equivalente para ese punto

de operación. Hallar el valor de la impedancia de entrada y la ganancia en tensión. Establecer la tensión de salida del circuito si la entrada es una onda

sinusoidal de 20 mili voltios de tensión entre pico y pico.

• Para el amplificador de la siguiente figura calcular: Punto de operación DC. Circuito equivalente AC. Ganancia y resistencia de entrada.

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Resumen

Los amplificadores deben respetar la forma de onda de la tensión de entrada. Si

no lo hace así, se produce una distorsión, lo que genera una pérdida de la información.

Si el transistor se encuentra en la región activa, hay una relación lineal entre e

:

El condensador es un componente que se comporta como un circuito abierto para

la corriente continua. La ganancia en tensión es el cociente entre la señal de salida y la aplicada al

dispositivo. La ganancia depende de la resistencia de carga. Si desea saber más acerca de estos temas, puede consultar las siguientes

páginas:

http://grupos.unican.es/dyvci/ruizrg/postscript/LibroEcaBasica/Tema1.pdf

Aquí, hallará circuitos de amplificadores con transistores.


Aquí, hallará información sobre transistores.

http://www.inele.ufro.cl/bmonteci/semic/apuntes/electronbasic/6.htm

Aquí, hallará información sobre cómo trabajar un amplificador con transistores

bipolares.

76




TEMARIO

• Sesión de integración

• Aplicación de diodos y transistores

• Circuitos con transistores y diodos en polarización.

• Circuitos con transistores y diodos en alterna.


• Diferencian a los tipos de rectificadores.

• Calculan los voltajes y corrientes de los circuitos.

• Calculan la ganancia del amplificador.

UNIDAD DE

APRENDIZAJE

1

SEMANA

6



1. Sesión Integradora

1.1 Revisión de conceptos: Se inicia solicitando algunos conceptos que no hayan quedado claros, para luego en base a los circuitos explicar el funcionamiento de los mismos. Para el análisis de los circuitos, se ha elegido algunos de ellos para su explicación por parte del profesor. 1.2 Circuitos de diodos: Circuito rectificador de media onda:

Circuito rectificador de onda completa con transformador de punto medio:

Circuito rectificador de onda completa sin transformador de punto medio:

Explicar las etapas necesarias para convertir un voltaje alterno en voltaje continuo, en las etapas resaltar el uso de los rectificadores, filtros y reguladores.

78


Explicar el funcionamiento del regulador positivo variable, LM317, el cual nos permite tener una fuente de voltaje variable para nuestros experimentos.

1.3 Circuitos de transistores: Explicar el funcionamiento del transistor trabajando polarizado y se debe determinar la recta de carga y el punto de trabajo.

Las fórmulas a tener en cuenta para el circuito de polarización son: IBBBB = (VCCCCCCCC – VBEBEBEBE) / RBBBB IBQBQBQBQ = (VCCCCCCCC – 0.7 voltios) / R BBBB ICQCQCQCQ = hFEFEFEFE. IBQBQBQBQ VCEQCEQCEQCEQ = VCCCCCCCC – ICQ CQ CQ CQ . RCCCC

Una forma simplificada del circuito de polarización es el siguiente circuito, donde se considera constante el voltaje entre base y emisor y se lo reemplaza por una fuente de voltaje de 0,7 voltios, por otro lado, la relación entre la corriente de colector se lo considera como una fuente de corriente dependiente de la corriente de base.



Explicar en que condiciones el transistor trabaja como un interruptor y que aplicaciones se le puede dar.

Explicar la aplicación del transistor como amplificador y la importancia de los condensadores de acoplamiento, sin ellos se afectaría la polarización del circuito amplificador.

Para analizar la ganancia del amplificador es necesario cambiar del circuito de polarización al circuito equivalente en señales. Usando los parámetros hie y hfe se

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puede simplificar el cálculo de las corrientes y voltajes y consecuentemente la ganancia del amplificador.





TEMARIO

• Transistores de efecto de campo

• Ventajas y desventajas del FET

• Zonas de trabajo

• Transistores MOSFET

• Polarización de los FET


• Reconocen las características de los transistores de efecto de campo.

• Aprenden a calcular los voltajes y corrientes usados en los circuitos con transistores JFET y MOSFET.

• Polarizan a los transistores en las diferentes zonas de trabajo.

UNIDAD DE

APRENDIZAJE

1

SEMANA

8

82


1. TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO Referencia: Electrónica básica para ingenieros

Los transistores de efecto de campo o FET (Field Electric Transistor) son particularmente interesantes en circuitos integrados y pueden ser de dos tipos: transistor de efecto de campo de unión o JFET y transistor de efecto de campo metal-oxido semiconductor (MOSFET). Estos son dispositivos controlados por tensión y tienen alta impedancia de entrada (1012Ω). Ambos dispositivos se utilizan en circuitos digitales y analógicos como amplificadores o como conmutadores. Sus características eléctricas son similares aunque su tecnología y estructura físicas son totalmente diferentes.

1.1 Ventajas del FET:

• Son dispositivos controlados por tensión con una impedancia de entrada muy elevada (107 a 1012Ω).

• Los FET generan un nivel de ruido menor que los BJT. • Los FET son más estables con la temperatura que los BJT. • Los FET son más fáciles de fabricar que los BJT, pues precisan menos pasos

y permiten integrar más dispositivos en un circuito integrado. • Los FET se comportan como resistencias controladas por tensión para

valores pequeños de tensión drenaje-fuente. • La alta impedancia de entrada de los FET les permite retener carga el tiempo

suficiente para permitir su utilización como elementos de almacenamiento. • Los FET de potencia pueden disipar una potencia mayor y conmutar

corrientes grandes.

1.2 Desventajas que limitan la utilización de los F ET:

• Los FET presentan una respuesta en frecuencia pobre debido a la alta capacidad de entrada.

• Los FET presentan una linealidad muy pobre y, en general, son menos lineales que los BJT.

• Los FET se pueden dañar debido a la electricidad estática. En este apartado, se estudiarán las características de ambos dispositivos orientadas, principalmente, a sus aplicaciones analógicas.

1.3 Características eléctricas del JFET El JFET de canal N está constituido por una barra de Silicio de material semiconductor de tipo N con dos regiones de material tipo P situadas a ambos lados. Es un elemento de tres terminales, los cuales se denominan drenador (drain), fuente (source) y puerta (gate). En la siguiente figura, se describe un esquema de un JFET de canal N, su símbolo y el símbolo de un JFET de canal P.



La polarización de un JFET exige que las uniones P-N estén inversamente polarizadas. En un JFET de canal N, o NJFET, la tensión de drenador debe ser mayor que la de la fuente para que exista un flujo de corriente a través de canal. Además, la puerta debe tener una tensión más negativa que la fuente para que la unión P-N se encuentre polarizada inversamente. Ambas polarizaciones se indican en la siguiente figura:

Las curvas de características eléctricas de un JFET son muy similares a las curvas de los transistores bipolares. Sin embargo, los JFET son dispositivos controlados por tensión, a diferencia de los bipolares que son dispositivos controlados por corriente. Por ello, en el JFET intervienen como parámetros: ID (intensidad drain o drenador a source o fuente), VGS (tensión gate o puerta a source o fuente) y VDS (tensión drain o drenador a source o fuente). Se definen cuatro regiones básicas de operación: corte, lineal, saturación y ruptura. A continuación, se realiza una descripción breve de cada una de estas regiones para el caso de un NJFET.

1.3.1 Región de corte En esta región, la intensidad entre drenador y fuente es nula (ID = 0). En este caso, la tensión entre puerta y fuente es lo suficientemente negativa, ya que las zonas de inversión bloquean y estrangulan el canal cortando la corriente entre drenador y fuente. En las hojas técnicas, se denomina a esta tensión como de estrangulamiento o pinch-off y se representa por VGS(off) o Vp. Por ejemplo, el BF245A tiene una VGS(off) = -2 voltios.

1.3.2 Región lineal En esta región, el JFET se comporta como una resistencia no lineal que es utilizada en muchas aplicaciones donde se precise una resistencia variable controlada por tensión. El fabricante proporciona curvas de resistencia drenador-fuente (Rds(on)) para diferentes valores de VGS.

1.3.3 Región de saturación En esta región, de similares características que un BJT en la región lineal, el JFET tiene unas características lineales que son utilizadas en amplificación. Se comporta como una fuente de intensidad controlada por la tensión VGS, cuya ID es prácticamente independiente de la tensión VDS. La ecuación que

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relaciona la ID con la VGS se conoce como ecuación cuadrática o ecuación de Schockley que viene dada por

donde Vp es la tensión de estrangulamiento y la IDSS es la corriente de saturación. Esta corriente se define como el valor de ID cuando VGS = 0, y esta característica es utilizada con frecuencia para obtener una fuente de corriente de valor constante (IDSS). La ecuación anterior en el plano ID y VGS representa una parábola desplazada en Vp. Esta relación junto a las características del NJFET mostrados en la figura anterior permiten obtener gráficamente el punto de trabajo Q del transistor en la región de saturación. La siguiente figura muestra la representación gráfica de este punto Q y la relación existente en ambas curvas, las cuales permiten determinar el punto de polarización de un transistor utilizando métodos gráficos.

1.3.4 Región de ruptura Una tensión alta en los terminales del JFET puede producir ruptura por avalancha a través de la unión de puerta. Las especificaciones de los fabricantes indican la tensión de ruptura entre drenaje y fuente con la puerta cortocircuitada con la fuente. Esta tensión se designa por BVDSS y su valor está comprendido entre 20 y 50 voltios. Las tensiones de polarización nunca deben superar estos valores para evitar que el dispositivo se deteriore. Por último, debemos comentar las diferencias existentes entre un NJFET y PJFET. Las ecuaciones desarrolladas anteriormente para el JFET son válidas para el PJFET, si consideramos el convenio de signos indicados en la siguiente tabla:



1.4 Transistores MOSFET Los transistores MOSFET o Metal-Oxido-Semiconductor (MOS) son dispositivos de efecto de campo que utilizan un campo eléctrico para crear un canal de conducción. Son dispositivos más importantes que los JFET, ya que la mayor parte de los circuitos integrados digitales se construyen con la tecnología MOS. Existen dos tipos de transistores MOS: MOSFET de canal N o NMOS y MOSFET de canal P o PMOS. A su vez, estos transistores pueden ser de acumulación (enhancement) o deflexión (deplexion). En la actualidad, los segundos están prácticamente en desuso y aquí, únicamente, serán descritos los MOS de acumulación (también conocidos como de enriquecimiento). En la figura siguiente, se indica los diferentes símbolos utilizados para describir los transistores MOS.

En el gráfico que aparece a continuación, se describe la estructura física de un MOSFET de canal N con sus cuatro terminales: puerta, drenador fuente y substrato. Normalmente, el sustrato se encuentra conectado a la fuente. La puerta, cuya dimensión es (W x L), está separada del substrato por un dieléctrico (Si02) y forma una estructura similar a las placas de un condensador. Al aplicar una tensión positiva en la puerta se induce cargas negativas (capa de inversión) en la superficie del substrato y se crea un camino de conducción entre los terminales drenador y fuente.

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La tensión mínima para crear esa capa de inversión se denomina tensión umbral o tensión de threshold (VT) y es un parámetro característico del transistor. Si la VGS

< VT, la corriente de drenador-fuente es nula. Valores típicos de esta tensión son de 0.5 voltios a 3 voltios. Los transistores JFET y MOSFET tienen una estructura física muy diferente pero sus ecuaciones analíticas son muy similares. Por ello, en los transistores MOS se definen las mismas regiones de operación: corte, lineal, saturación y ruptura. En la siguiente figura, se muestran las curvas de características eléctricas de un transistor NMOS con las diferentes regiones de operación que son descritas brevemente a continuación.



• Región de corte Se verifica que VGS < VT y la corriente ID es nula.

• Región lineal El transistor se comporta como un elemento resistivo no lineal controlado por tensión.

• Región saturación El transistor se comporta como una fuente de corriente controlada por la tensión VGS.

1.4 Polarización de los FET Los circuitos básicos que se utilizan para polarizar los BJT se pueden emplear para los MOSFET. EL JFET tiene el inconveniente de que la tensión VGS debe ser negativa en un NJFET (positiva en un PJFET) que exige unos circuitos de polarización característicos para este tipo de dispositivos. En este apartado, únicamente se presentan dos de los circuitos más utilizados: el de polarización simple:

el cual utiliza una fuente de tensión externa para generar una VGS < 0, y el de auto polarización :

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donde la caída de tensión en la resistencia RS debida a ID permite generar una VGS<0. Referencias de la información empleada:

• Electrónica Básica para Ingenieros de Gustavo A. Ruiz Robredo

• http://grupos.unican.es/dyvci/ruizrg/postscript/LibroEcaBasica/

• http://grupos.unican.es/dyvci/ruizrg/postscript/LibroEcaBasica/Tema1.pdf



Autoevaluación

• Indique los tipos de transistores JFET y qué características lo diferencian.

• Determine cómo podemos hacer para que un JFET trabaje en zona de corte y también en la zona de saturación.

• Resuma las características importantes del transistor MOSFET.

• Implemente un circuito con un transistor JFET que trabaje en la región lineal.

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Resumen

Los transistores de efecto de campo o FET (Field Electric Transistor) son de dos

tipos: transistor de efecto de campo de unión o JFET y transistor de efecto de campo metal-oxido semiconductor (MOSFET).

El JFET de canal n es un elemento de tres terminales los cuales se denominan

drenador (drain), fuente (source) y puerta (gate). Los transistores MOSFET o Metal-Oxido-Semiconductor (MOS) son dispositivos

de efecto de campo que utilizan un campo eléctrico para crear una canal de conducción.

Los transistores JFET y MOSFET tienen una estructura física muy diferente pero

sus ecuaciones analíticas son muy similares. Si desea saber más acerca de estos temas, puede consultar las siguientes

páginas:



Aquí, hallará información de circuitos e información de transistores.

http://www.alldatasheet.com/

Aquí, hallará información sobre datos técnicos de cada componente, en particular

de transistores.





TEMARIO

• Introducción a los tiristores

• Zonas de trabajo: directa e inversa

• Funcionamiento básico del SCR

• El tiristor en corriente continua y corriente alterna


• Los alumnos reconocen las características de los tiristores.

• Los alumnos calculan los voltajes y corrientes usados en los circuitos con tiristores.

UNIDAD DE

APRENDIZAJE

1

SEMANA

9

92


1. INTRODUCCIÓN A LOS TIRISTORES

La electrónica de potencia concierne a los circuitos con tiristores, a su diseño y a su función en el control de potencia en un sistema. Existe gran variedad de tiristores, pero todos ellos tienen ciertas propiedades en común: son dispositivos de estado sólido que se “disparan” bajo ciertas condiciones y que pasan de un estado de alta impedancia a uno de baja, que se mantiene mientras que la corriente y la tensión sean superiores a un valor mínimo (denominado nivel de mantenimiento). Estructuralmente, todos los tiristores consisten en varias capas alternadas de silicio dopado con impurezas p y n. El disparo de un tiristor se realiza inyectando corrientes en esas uniones de forma que, mediante una reacción regenerativa, conmuta a conducción y lo mantiene en este estado, aunque la señal de disparo sea retirada, siempre que se verifiquen unos requerimientos mínimos de tensión y corriente. Estas características hacen que los tiristores sean mucho más útiles que los conmutadores mecánicos en términos de flexibilidad, duración y velocidad. Estos dispositivos se utilizan en control de potencia, convertidores DC-DC o DC-AC o AC-DC o AC-AC, motores, luz incandescente, etc. En la siguiente figura, se muestran los símbolos de los dispositivos pertenecientes a la familia de los tiristores. El rectificador controlado de silicio o Silicon Controlled Rectifiers (SCR) es el tiristor de mayor interés en la actualidad. El control de estos dispositivos se realiza a través de transistores, compuertas lógicas y luz como en los triacs opto electrónicos. También, se tiene transistores de uniunion (UJTs ), transistores de uniunion programables (PUTs), conmutadores bidireccionales de Silicio (SBSs ), etc.

1.1 Diodo de cuatro capas El diodo de cuatro capas o diodo Shockley es un dispositivo compuesto por cuatro capas semiconductores npnp , cuya estructura y símbolo se describen en el gráfico siguiente. Esencialmente, es un dispositivo interruptor. Al aplicar una tensión positiva entre ánodo y cátodo se puede observar que la unión J1 y J3 está polarizada en directa, y la unión J2 está polarizada en inversa. En estas condiciones, únicamente, circula una corriente muy baja (despreciable) y el dispositivo se encuentra cortado. Si se aumenta esta tensión positiva se llega a una tensión VBO de ruptura o avalancha donde la corriente crece de forma abrupta



y la caída de tensión decrece de la misma manera. En este momento, el diodo ha conmutado desde el estado de bloqueo a conducción.

Una manera sencilla de entender el funcionamiento de este diodo consiste en separar su estructura física en dos mitades. La mitad izquierda es un transistor NPN y la mitad derecha PNP, lo que da como resultado el circuito equivalente indicado como modelo de conducción en la figura anterior.

Las características eléctricas de un diodo de cuatro capas se muestran en el gráfico de la figura anterior. En este gráfico, se pueden identificar dos zonas y cuatro regiones de operación.

1.2 Zonas de trabajo: directa e inversa

1.2.1 Zona directa (V > 0)

• Región de corte. El diodo se encuentra en corte con unas corrientes muy bajas. En esta región, se puede modelar como una resistencia ROFF de valor

ROFF = VBO / IBO

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• Región de resistencia negativa. Cuando la tensión entre ánodo y cátodo es suficientemente alta se produce la ruptura de la unión con un incremento muy elevado en corriente comportándose el diodo como si fuera una resistencia negativa debido a la realimentación positiva de su estructura.

• Región de saturación o conducción. En esta región, la caída de tensión

entre ánodo y cátodo está comprendida entre 0.5 voltios y 1.5 voltios, prácticamente independiente de la corriente. Se mantendrá en este estado siempre que la tensión y corriente alcancen unos valores mínimos conocidos como niveles de mantenimiento definidos por VH e IH.

1.2.2 Zona inversa (V <0)

• Región de ruptura. El diodo puede soportar una tensión máxima inversa VRSM. Una vez superado ese valor entra en conducción debido a fenómenos de ruptura por avalancha.

1.3 SIDAC El SIDAC es un dispositivo bilateral de disparo de alta tensión y corriente. Es, básicamente, un diodo de cuatro capas con unas características eléctricas simétricas. En la siguiente figura, se describe su estructura física, el símbolo de este dispositivo y sus características eléctricas simétricas. El SIDAC se utiliza en aquellas aplicaciones en las que se necesita una tensión de disparo VBO cuyos valores están comprendidos entre 120 voltios y 270 voltios (típicos).

1.4 El SCR El Silicon Controled Rectifier es un dispositivo triterminal (A o ánodo, C o cátodo y G o gate o puerta de control) muy similar al diodo de cuatro capas descrito en la anterior sección, pero que posee una entrada adicional (G) que permite disparar el dispositivo antes de alcanzar la VBO. En la figura siguiente, se muestra el símbolo del SCR y su modelo mediante transistores. En el modelo a nivel de transistor, se observa claramente que, al introducir una corriente por la línea G, se produce la conducción de los transistores, es decir, el disparo del dispositivo sin ser necesario alcanzar la VBO.



La siguiente figura permite ver claramente cómo las características del SCR varían con la corriente de su puerta, cuyos valores son del orden de miliamperios o inferiores.

A continuación, se detallan algunos parámetros característicos de los SCR.

• Tiempo de conducción (Turn-on Time). Tiempo de duración mínima de la tensión de disparo para pasar el SCR de bloqueo a conducción. Este tiempo tiene dos componentes: TON = td+tr, siendo td el tiempo de retraso (delay time) y tr el tiempo de subida (rise time). Por ejemplo, el 2N5060 tiene el TON = td + tr = 3µs + 0.2µs = 3.2µs.

• Tiempo de corte (Turn-off Time). Tiempo que el SCR puede permanecer por

debajo de las condiciones de mantenimiento. El 2N5060 tiene un TOFF = tq de 10µs.

• Máxima corriente de conducción. Máxima corriente eficaz que puede circular

por el SCR durante el estado de conducción. Para el 2N5060, la IT(rms) = 0.8A.

• Velocidad crítica de elevación . Variaciones muy rápidas de tensión entre el ánodo y cátodo en un SCR pueden originar un disparo indeseado. Para evitar este problema, la variación de tensión ánodo-cátodo no debe superar un valor conocido como velocidad critica de elevación (dv/dt). Si se supera este valor, además de producir el disparo, se puede llegar a deteriorar el dispositivo. El 2N5060 tiene un dv/dt = 30voltios/µs. A veces, transitorios en las líneas de

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alimentación pueden originar problemas de comportamiento del SCR al ser superada su velocidad crítica de elevación. Los circuitos de protección contra transitorios de corriente y transitorios de tensión evitan este indeseado disparo. Básicamente, son filtros basados en RC o inducciones que eliminan esas señales espurias, tal como lo muestra la siguiente figura:

El SCR es un dispositivo semiconductor de 4 capas que funciona como un conmutador casi ideal.

1.4.1 Funcionamiento básico del SCR El gráfico muestra un circuito equivalente del SCR que permite comprender su funcionamiento. Al aplicarse una corriente IG al terminal G (base de Q2 y colector de Q1), se producen dos corrientes: IC2 = IB1. IB1 es la corriente base del transistor Q1 y hace que exista una corriente de colector de Q1 (IC1) que, a su vez, alimenta la base del transistor Q2 (IB2). Este, por su parte, causa más corriente en IC2, que es lo mismo que IB1 en la base de Q1. Así, sucesivamente, este proceso regenerativo se repite hasta saturar Q1 y Q2 causando el encendido del SCR. Los parámetros del SCR son

• VRDM: Máximo voltaje inverso de cebado (VG = 0) • VFOM: Máximo voltaje directo sin cebado (VG = 0) • IF: Máxima corriente directa permitida • PG: Máxima disipación de potencia entre compuerta y cátodo • VGT-IGT: Máximo voltaje o corriente requerida en la compuerta (G)

para el cebado • IH: Mínima corriente de ánodo requerida para mantener cebado el

SCR • dv/dt: Máxima variación de voltaje sin producir cebado • di/dt: Máxima variación de corriente aceptada antes de destruir el

SCR



Para analizar la curva característica del SCR usemos la siguiente figura, donde se muestra la dependencia entre el voltaje de conmutación y la corriente de compuerta. Cuando el SCR está polarizado en inversa se comporta como un diodo común (ver la corriente de fuga característica que se muestra en el gráfico).

En la región de polarización en directo, el SCR se comporta también como un diodo común, siempre que el SCR ya haya sido activado (On). Ver los puntos D y E, en dicha zona el SCR está conduciendo. Para valores altos de corriente de compuerta (IG), como en el punto C, el voltaje del ánodo a cátodo es menor, tomando el valor de VC. Si la IG disminuye, el voltaje ánodo-cátodo aumenta, tomando valores como VB hasta llegar a VA, donde IG es igual a cero. En conclusión, al disminuir la corriente de compuerta IG, el voltaje ánodo-cátodo tenderá a aumentar antes de que el SCR conduzca, o sea, se active.

1.4.2 El funcionamiento de un tiristor en corriente continua Normalmente, el tiristor trabaja con polarización directa entre ánodo (A) y cátodo (C o K). La corriente circulará en el sentido de la flecha del tiristor. Bajo esta condición, sólo es necesario aplicar un pulso en la compuerta (G) para activarlo. Este pulso debe tener una amplitud mínima para que la corriente de compuerta (IG) provoque la conducción. Una vez que entró en conducción se mantiene en ese estado.

En este gráfico, se ve una aplicación sencilla del tiristor en corriente continua. El SCR se comporta como un circuito abierto hasta que activa su compuerta (GATE) con un pulso de tensión que causa una pequeña corriente, para ello cerramos momentáneamente el interruptor S. El tiristor conduce y se mantiene conduciendo, y no necesita de ninguna señal adicional para

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mantener la conducción; sin embargo, también nos damos cuenta de que no es posible desactivar el tiristor, ya que no podremos ordenar que deje de conducir.

La duración del pulso aplicado a la compuerta G debe ser lo suficientemente largo para asegurar que la corriente de ánodo se eleve hasta el valor de retención. Otro aspecto importante a tomar en cuenta es la amplitud del pulso que influye en la duración de éste.

1.4.3 Desactivación de un tiristor El tiristor, una vez activado, se mantiene conduciendo, mientras la corriente de ánodo (IA) sea mayor que la corriente de mantenimiento (IH). Normalmente, la compuerta (G) no tiene control sobre el tiristor una vez que este está conduciendo. Opciones para desactivar un tiristor:

• Se abre el circuitos del ánodo para eliminar la corriente (IA = 0). • Se polariza inversamente el circuito ánodo-cátodo. De esta manera, el

cátodo tendrá un nivel de tensión mayor que el del ánodo. • Se deriva la corriente del ánodo IA, de manera que esta corriente se

reduzca y sea menor a la corriente de mantenimiento IH. Si se disminuye lentamente el voltaje, el tiristor seguirá conduciendo hasta que por él pase una cantidad de corriente menor a la llamada "corriente de mantenimiento o de retención (I H)", lo que causará que el SCR deje de conducir, aunque la tensión VG (voltaje de la compuerta con respecto a tierra) no sea cero. Como se puede ver, el SCR tiene dos estados:

• Estado de conducción, en el que la resistencia entre ánodo y cátodo es muy baja.

• Estado de corte, en el que la resistencia es muy elevada.

1.4.4 El Tiristor con carga inductiva Cuando la carga del SCR no es totalmente resistiva, como se muestra en el gráfico anterior, sino una carga inductiva, mediante una bobina, se debe tener en cuenta el tiempo que tarda la corriente en aumentar en una bobina. El pulso que se aplica a la compuerta debe ser lo suficientemente duradero para que la corriente de la carga iguale a la corriente de enganche y así el tiristor se mantenga en conducción.



1.4.5 El tiristor y la corriente alterna. Control de fase con tiristor Se usa principalmente para controlar la potencia que se entrega a una carga, como en el caso del siguiente circuito de control de un foco:

La fuente de voltaje puede ser de 220V AC. La potencia suministrada a la carga se controla variando el ángulo de conducción. Para ello, el circuito RC produce un corrimiento de la fase entre la tensión de entrada y la tensión en el condensador que es la que suministra la corriente a la compuerta del SCR. Como R es un potenciómetro, el valor resistivo puede variar y así producir un corrimiento de fase ajustable, que causará que la entrega de potencia al foco sea variable. Con esto se logra que la intensidad de la luz en el foco varíe. El diodo en la compuerta del SCR se usa para bloquear la tensión de compuerta durante el ciclo negativo (de 180° a 360°).

Formas de onda de la señales en la entrada y en la carga.

• El primer diagrama muestra la onda de entrada (Ven). Esta es una onda senoidal que varía desde cero y va aumentando hasta 90°, luego va reduciéndose hasta llegar a ser cero en 180° y, así, va cambiando como lo vemos en la figura.

• El segundo diagrama muestra la señal aplicada a la carga cuando el disparo es a los 45°.

• El tercer diagrama muestra la señal aplicada a la carga cuando el disparo es a los 150°.

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En el segundo y tercer diagramas se ve que la semionda negativa ha desaparecido. Esto se debe a que el tiristor se comporta, cuando está conduciendo, como un diodo. El área bajo la curva en el segundo y tercer diagramas representa la energía transferida a la carga. El segundo diagrama tiene un área mayor bajo la curva. Esto indica que, en este caso, hay más energía entregada al foco que en el tercer diagrama. El máximo corrimiento de fase se logra cuando el potenciómetro tiene su mayor valor y el mínimo cuando este tiene su valor más pequeño. Nótese que cuando R = 0 (valor mínimo del potenciómetro), el condensador está en paralelo con el tiristor y éste se comporta prácticamente como un diodo, pues se dispara casi inmediatamente después que la señal de entrada pasa los 0°.

1.4.6 Protección del Tiristor El tiristor puede dañarse si no se toman algunas precauciones.

• Protección contra incrementos bruscos de corriente. Este problema aparece cuando se tiene una carga capacitiva (un condensador). En dicho caso, al inicio, los condensadores se comportan como un corto circuito demandando gran cantidad de corriente a través del tiristor. Para evitar este problema, se pone en serie con la carga una inductancia de poco valor, para retardar el incremento de la corriente a un valor aceptable. Esto se logra ya que las inductancias se oponen a cambios bruscos de corriente.

• Protección contra cambios bruscos de tensión entre el ánodo y el

cátodo pueden producir cambios no deseados, causando que el tiristor se dispare y empiece a conducir. Para evitar este inconveniente, se utiliza un circuito RC en paralelo con el tiristor como se muestra en el gráfico siguiente. Este circuito limita la velocidad de subida de la tensión en los terminales del tiristor. Recuerde que el condensador se opone a cambios bruscos de tensión.


• Página de Gustavo A. Ruiz Robredo. Universidad de Cantabria http://grupos.unican.es/dyvci/ruizrg/postscript/LibroEcaBasica/Tema12.pdf



Autoevaluación

• Indique las características de un diodo de cuatro capas, encuentre un modelo

comercial para usarlo como referencia.

• Indique los parámetros de un SCR.

• Determine el circuito de un tiristor disparado con un circuito R, C y un diodo.

• ¿De qué manera se debe proteger a un tiristor?

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Resumen

Estructuralmente, todos los tiristores consisten en varias capas alternadas de

Silicio dopado con impurezas p y n. El rectificador controlado de Silicio o Silicon Controlled Rectifiers (SCR) es el

tiristor de mayor importancia por sus variadas aplicaciones. El SCR es un dispositivo semiconductor de cuatro capas que funciona como un

conmutador casi ideal. El SIDAC es un dispositivo bilateral de disparo de alta tensión y corriente. El SCR tiene dos estados: estado de conducción, en donde la resistencia entre

ánodo y cátodo es muy baja, y el estado de corte, donde la resistencia es muy elevada.


páginas:

http://www.dte.uvigo.es/recursos/potencia/dc-ac/tiristor.htm

Aquí, hallará información de circuitos de tiristores, tipos y características.

http://www.electronica2000.com/temas/tiristor.htm

Aquí, hallará información que describe a los tiristores.

http://www.inele.ufro.cl/bmonteci/semic/applets/

Aquí, hallará información de applets que muestran las gráficas de tiristores y

TRIACs.





TEMARIO

• Aplicaciones del TRIAC

• Aplicaciones del DIAC (Diode Alternative Current)


• Los alumnos determinan las características de un TRIAC para controlar la intensidad de encendido de un foco o el funcionamiento del motor.

• Los alumnos determinan las diferencias entre un DIAC y un SBS.

UNIDAD DE

APRENDIZAJE

1

SEMANA

10

104


1. Aplicaciones de los tiristores 1.1 Aplicaciones del TRIAC

El TRIAC es, en esencia, la conexión de dos tiristores en paralelo, pero que están conectados en sentido opuesto y que comparten la misma compuerta. Observa las siguientes imágenes:

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. 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 forma, la parte negativa de la onda (semiciclo negativo) pasará por el TRIAC siempre y cuando haya habido una señal de disparo en la compuerta. En esta perspectiva, la corriente circulará de abajo hacia arriba (pasará por el tiristor que apunta hacia arriba). Para ambos semiciclos, la señal de disparo se obtiene del mismo terminal (compuerta). Lo interesante es que se puede controlar el momento de disparo desde este terminal y, así, controlar el tiempo que cada tiristor estará en conducción. Por lo tanto, si se controla el tiempo que cada tiristor está en conducción, se puede controlar la corriente que entrega a una carga y, por consiguiente, la potencia que consume.

Una de las aplicaciones más típicas de uso doméstico es el regulador de luz. La siguiente figura muestra un esquema de este circuito basado en el TRIAC MAC218A de Motorola y cuyo control de disparo se realiza a través de un SBS (Silicon Bilateral Switch).

La resistencia R1+ R2 carga el condensador C1 a través de la propia tensión de alimentación en alterna y, cuando se alcanza la tensión de ruptura del SBS, este dispara el TRIAC haciendo circular la corriente por la carga, o sea, por el foco. El uso de TRIAC y SBS permite el control de potencia en semiperiodos positivos y negativos.



El ángulo de conducción se controla a través de la resistencia variable R1. Mientras más pequeño sea su valor, el ángulo de conducción será mayor, y viceversa. Las ecuaciones de funcionamiento del circuito son difíciles de extraer pero, en la figura anterior, se indican los valores típicos de los diferentes componentes. Los diodos, la resistencia de R4 y el condensador C2 actúan como elementos de protección.

1.2 Aplicaciones del DIAC ( Diode Alternative Current ) DIAC es un diodo de disparo bidireccional, especialmente diseñado para disparar TRIACs y tiristores. Es un dispositivo disparado por tensión. Tiene dos terminales: MT1 y MT2. Véase el diagrama:

El DIAC se comporta como dos diodos Zener conectados en serie, pero orientados en forma opuesta. La conducción se da cuando se ha superado el valor de tensión del Zener que está conectado en sentido opuesto. El DIAC, normalmente, no conduce, sino que tiene una pequeña corriente de fuga. La conducción aparece cuando la tensión de disparo se alcanza. Cuando esto sucede, la tensión en el DIAC se reduce y entra en conducción dejando pasar la corriente necesaria para el disparo del SCR o TRIAC. Se utiliza principalmente en aplicaciones de control de potencia mediante control de fase. La curva característica del DIAC se muestra a continuación:

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En la curva característica se observa que cuando: • +V o - V es menor que la tensión de disparo, el DIAC se comporta como

un circuito abierto. • +V o - V es mayor que la tensión de disparo, el DIAC se comporta como

un cortocircuito. Sus principales características son las siguientes:

• Tensión de disparo • Corriente de disparo • Tensión de simetría • Tensión de recuperación • Disipación de potencia (Los DIACs se fabrican con capacidad de disipar

potencia de 0.5 a 1 watt.) Analicemos el siguiente circuito, el cual permite controlar el nivel de iluminación de un foco o controlar la velocidad de un taladro o un ventilador (motores de corriente alterna). 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 y corte durante los semiciclos negativos y positivos de la señal de alimentación (220 voltios). El TRIAC se dispara cuando el voltaje entre el condensador y el potenciómetro, conectado a la compuerta del TRIAC es el adecuado. Hay que aclarar que el condensador, en un circuito de corriente alterna, tiene su voltaje atrasado con respecto a la señal original, y si se cambia 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 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).

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Un circuito aplicativo es el siguiente:


• Página de Gustavo A. Ruiz Robredo. Universidad de Cantabria http://grupos.unican.es/dyvci/ruizrg/postscript/LibroEcaBasica/Tema12.pdf



Autoevaluación

• Diferencias entre el TRIAC y el DIAC.

• Indique cómo se dispara un TRIAC.

• Características de un TRIAC comercial. Dibuje la curva del TRIAC en los cuatro cuadrantes.

• Determine las aplicaciones del DIAC.

• Determine las aplicaciones del TRIAC.

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Resumen

El TRIAC es, en esencia, la conexión de dos tiristores en paralelo, pero que están

conectados en sentido opuesto y que comparten la misma compuerta. Una de las aplicaciones mas típicas de los TRIACs, en el uso domestico, es el

regulador de luz. EL DIAC es un diodo de disparo bidireccional especialmente diseñado para

disparar TRIACs y Tiristores. El DIAC se comporta como dos diodos Zener conectados en serie, pero orientados

en formas opuestas. Si desea saber más acerca de estos temas, puede consultar las siguientes

páginas:

http://www.dte.uvigo.es/recursos/potencia/dc-ac/tiristor.htm

Aquí, hallará Información sobre circuitos de tiristores, tipos y características.

http://www.unicrom.com/Tut_triac.asp

Aquí, hallará información que describe a los tiristores.

http://www.inele.ufro.cl/bmonteci/semic/applets/

Aquí, hallará información de applets que muestran las gráficas de tiristores y

TRIACs.



DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS INTEGRADOS LOGRO DE LA UNIDAD DE APRENDIZAJE

• Al término de la unidad, los alumnos, trabajando en grupo y en forma individual, diseñarán e implementarán circuitos de aplicación haciendo uso de dispositivos electrónicos integrados como el amplificador operacional y el Timer 555. Asimismo, harán uso de herramientas de medición y comprobación del funcionamiento de dichos circuitos.

TEMARIO

• El amplificador operacional

• El amplificador operacional ideal

• Configuraciones básicas del amplificador operacional

• El amplificador operacional como comparador y la familia 311


• Los alumnos implementan circuitos diversos sobre la base del Amplificador 741.

• Los alumnos determinan las diferencias entre amplificadores y comparadores.

UNIDAD DE

APRENDIZAJE

2

SEMANA

11

112


1. EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL Referencia: El amplificador operacional de Javier Diaz Ruiz

El término de amplificador operacional (operational amplifier o OA o op amp) fue asignado alrededor de 1940 para designar una clase de amplificadores que permiten realizar una serie de operaciones tales como suma, resta, multiplicación, integración, diferenciación, etc., que eran importantes dentro de la computación analógica de esa época. La aparición y desarrollo de la tecnología integrada, que permitía fabricar, sobre un único substrato monolítico de Silicio, gran cantidad de dispositivos, dio lugar al surgimiento de amplificadores operacionales integrados que desembocaron en una revolución dentro de las aplicaciones analógicas. El primer OA fue desarrollado por R.J. Widlar en Fairchild. En 1968, se introdujo el famoso OA 741 que desbancó a sus rivales de la época con una técnica de compensación interna muy relevante y de interés incluso en nuestros días. Los amplificadores basados en tecnología CMOS han surgido como parte de circuitos VLSI, de mayor complejidad, aunque sus características eléctricas no pueden competir con los de la tecnología bipolar. Si bien su campo de aplicación es más restrictivo, su estructura es sencilla. Ello sumado a su relativa baja área de ocupación, los hace idóneos en aplicaciones donde no se necesitan altas prestaciones como en el caso de los circuitos de capacidades conmutadas (switched-capacitor). Combinando las ventajas de los dispositivos CMOS y bipolares, la tecnología Bi-CMOS permite el diseño de excelentes OAs.

Los OAs integrados están constituidos por muy diversas y complejas configuraciones que dependen de sus prestaciones, y de la habilidad del diseñador a la hora de combinarlas. Tradicionalmente, un OA está formado por cuatro bloques bien diferenciados que están conectados en cascada: amplificador diferencial de entrada, etapa amplificadora, adaptador y desplazamiento de nivel y etapa de salida. Podemos ver estas etapas en el gráfico anterior. Estos bloques están polarizados con fuentes de corrientes, circuitos estabilizadores, adaptadores y desplazadores de nivel. La etapa diferencial presenta las siguientes características: tiene dos entradas (inversora y no inversora), su relación de rechazo en modo común es muy alto, las señales van directamente acopladas a las entradas y presentan una deriva de tensión de salida muy pequeña. El amplificador intermedio proporciona la ganancia de tensión suplementaria. Suele ser un emisor común con carga activa y está acoplada al amplificador diferencial a través de un seguidor de emisor de muy alta impedancia de entrada, a fin de minimizar su efecto de carga. El adaptador permite acoplar la etapa intermedia con la etapa de salida que generalmente es una clase AB. La siguiente figura describe el esquema del OA 741. Este OA mantiene la filosofía del diseño de circuitos integrados: gran número de transistores, pocas resistencias



y un condensador para compensación interna. Esta filosofía es el resultado de la economía de fabricación de dispositivos integrados donde se combina el área de Silicio, la sencillez de fabricación y la calidad de los componentes. El 741 requiere dos tensiones de alimentación que normalmente son de ±15 voltios. La masa del circuito es el nudo común a las dos fuentes de alimentación.

La figura siguiente describe la versión simplificada con los elementos circuitales más importantes. En este circuito, se observa la etapa diferencial constituida por los transistores Q1 y Q2, la etapa amplificadora intermedia compuesta por Q16, Q17 y Q23, y la etapa de salida push-pull conformada por Q14 y Q20.

114


El OA es un amplificador de extraordinaria ganancia. Por ejemplo, el µA741 tiene una ganancia de 200.000 y el OP-77 (Precision Monolithics) de 12.000.000. En el gráfico, se muestra el símbolo de un OA. Aunque no se indica explícitamente, los OA son alimentados con tensiones simétricas de valor ±Vcc. Recientemente, han sido puestos en el mercado OA de polarización simple (single supply).

Las entradas, identificadas por signos positivos y negativos, son denominadas entradas invertidas y no invertidas. Si denominamos Vp y Vn a las tensiones aplicadas a la entrada de un OA, se define la tensión de entrada en modo diferencial (Vd) y modo común (Vc) como: Vd = Vp – Vn Vc = (Vp + Vn) / 2 La tensión de salida se expresa como: Vo = Ad.Vd + Ac.Vc Ad es la ganancia en modo diferencial. Viene reflejada en las hojas de características del OA como Large Signal Voltage Gain o Open Loop Voltage Gain. Ac es la ganancia en modo común. No se indica directamente, sino a través del parámetro de relación de rechazo en modo común o CMRR (Common-Mode Rejection Ratio). CMRR = Ad / Ac

1.1 El OA ideal Un OA ideal, indicado esquemáticamente en la siguiente figura, presenta las siguientes características:

1. Resistencia de entrada ∞.

2. Resistencia de salida 0.

3. Ganancia en tensión en modo diferencial ∞.

4. Ganancia en tensión en modo común 0 (CMRR = ∞).

5. Corrientes de entrada nulas (Ip = In = 0).

6. Ancho de banda ∞.

7. Ausencia de desviación en las características con la temperatura.



Las características 1) y 2) definen, desde el punto de vista de impedancias, a un amplificador de tensión ideal que no está afectado por el valor de la carga que se conecta a su salida. Por otra parte, las características 4) y 5) aplicadas a la ecuación de Vo, crean una indeterminación, ya que, al ser Ad =∞, resultaría que el producto Ad.Vd debería ser infinito. Sin embargo, esa indeterminación se resuelve cuando Vd = 0; por lo tanto, el producto Ad.Vd da como resultado un valor finito. Por ello, las entradas del OA ideal tienen corrientes nulas (Ip=In=0) y verifican que Vp=Vn (en el caso de realimentación negativa). Este modelo simplifica mucho el análisis de circuitos basados en el OA. El modelo del OA ideal sólo es un concepto idealizado del OA real que, sin embargo, resulta muy práctico y se acerca con mucha exactitud al comportamiento real de estos circuitos.

1.2 Configuraciones básicas del OA

1.2.1 Amplificador inversor . La ganancia en tensión del amplificador inversor se obtiene analizando el circuito y aplicando las características del OA ideal.

Si las corrientes a través de las líneas de entrada son nulas, se cumple que:

(Vi – Vn) / R1 = (Vn – Vo) / R2 En el OA ideal, Vn = Vp. Pero, en este caso, Vp = 0; por lo tanto, Vn = 0 y, por ello, a este nudo se le denomina masa virtual, ya que tiene una tensión igual a 0. Al sustituir Vn = 0 en la ecuación anterior resulta que la ganancia vale:

A = Vo / Vi = – R 2 / R1 El término inversor es debido al signo negativo de esta expresión que indica un desfase de 180º entre la entrada y salida. La impedancia de entrada de este circuito es R1.

116


1.2.2 Amplificador no-inversor . La ganancia en tensión del amplificador no-inversor se resuelve de manera similar al caso anterior a partir de las siguientes ecuaciones:

Vn / R1 = Vo / (R2 + R1) Vn = Vp = Vi A = Vo / Vi = 1 + R 2 / R1

La impedancia de entrada es ∞.

1.2.3 Seguidor . Por último, la configuración del amplificador como seguidor tiene una ganancia AV=1, pero la impedancia de entrada y salida de este

circuito valen Zi ≅ Ad.Ri y Zo ≅ Ro/Ad, siendo Ri y Ro las impedencias de entrada y salida del OA. Por ejemplo, el 741 tiene las siguientes características: Ad=200.000, Ri=1MΩ y Ro=75Ω. Aplicando las anteriores relaciones, se obtiene que las impedancias de entrada y salida del seguidor valen Zi=2 10e10Ω y Zo=3.7 10e-4 Ω.

1.3 Otras configuraciones básicas del OA

• Amplificador sumador . El siguiente circuito permite sumar algebraicamente varias señales analógicas. La tensión de salida se expresa en términos de la tensión de entrada de la siguiente manera:



• Amplificador restador . Este circuito permite restar las señales de entrada cumpliéndose las siguientes expresiones:

1.4 El OA como comparador Los comparadores son circuitos no lineales que, como su nombre indica, sirven para comparar dos señales (una de las cuales generalmente es una tensión de referencia) y determinar cuál de ellas es mayor o menor. La tensión de salida tiene dos estados (binaria) y se comporta como un convertidor analógico-digital de 1 bit. Su utilización en las aplicaciones de generación de señal, detección, modulación de señal, etc., es muy importante. Además, constituye un bloque analógico básico en muchos circuitos.

La función del comparador es comparar dos tensiones obteniéndose como resultado una tensión alta (VOH) o baja (VOL). En el gráfico anterior, se presenta el símbolo para representar comparadores, que es el mismo que el utilizado para amplificadores operacionales. La tensión de salida Vo cambia dependiendo de las tensiones de entrada. Así, tenemos que: Vo = VOH si Vp < Vn Vo = VOL si Vp > Vn En el caso de que la tensión Vn esté fijada a 0, entonces, la tensión de salida Vo=VOL o Vo=VOH en función de si Vp<0 o Vp>0, respectivamente. El comparador acepta señales analógicas a la entrada y proporciona señales binarias a la salida. Este elemento constituye un nexo de unión entre el mundo analógico y digital. Los OAs pueden actuar como comparadores cuando la ganancia diferencial en lazo abierto sea alta (>10.000) y la velocidad no sea un factor crítico. Como ejemplo, el OA 741 se comporta como un elemento de entrada lineal si la tensión de entrada, en modo diferencial, está comprendida entre los siguientes valores:

118


–65µV<Vd<+65µV. Fuera de ese rango la etapa de salida del amplificador entra en saturación y puede comportarse como comparador.

En estos gráficos, se muestra una aplicación sencilla del OA 741 como comparador. El amplificador carece de realimentación y la gráfica de Vo versus Vi indica que siempre que Vi > VT; entonces, la salida es baja (-15 voltios) y si Vi<VT la salida es alta (+15 voltios). Los límites alto y bajo de Vo son establecidos por las tensiones de alimentación. En este caso, ±15 voltios, los cuales son los voltajes de la fuente. La figura también muestra un ejemplo del comportamiento de este circuito a una entrada Vi analógica. Aunque los OAs, funcionalmente, pueden actuar como comparadores, sus limitaciones hacen que sean inservibles para muchas aplicaciones. Tienen una limitación importante en alta frecuencia, ya que generan retrasos tan elevados que únicamente son válidas sus aplicaciones a frecuencias bajas. Además, los OAs están pensados para actuar como amplificadores e incluyen técnicas de compensación en frecuencia que no son necesarias cuando operan como comparadores. A veces, es necesario añadir una circuitería adicional cuando los niveles de tensión tienen que ser compatibles con TTL, ECL o CMOS. Por estas limitaciones, se han desarrollado comparadores monolíticos especialmente concebidos para aplicaciones de comparación.

1.5 Comparadores de tensión monolíticos Los comparadores monolíticos tienen una estructura similar a los OAs, excepto que utilizan unas técnicas circuitales especiales que mejoran la velocidad y facilitan la interfase de salida para hacerlo compatible con otros circuitos. Un parámetro importante de un comparador es su respuesta temporal, la cual está definida como el tiempo necesario en alcanzar el 50% del nivel de salida cuando se aplica un escalón a la entrada. Los comparadores típicos tienen tiempos que varían entre 50 y 200ns. Sin embargo, los convertidores A/D, como por ejemplo los convertidores flash, precisan de comparadores de muy alta velocidad con tiempos de respuesta del orden de 10ns. Tales circuitos se pueden lograr usando configuraciones basadas en las familias lógicas ECL y Schottky TTL. Ejemplos de este tipo de comparadores son el LM361 (14ns) de National Semiconductor, ME521 (12ns max) de Signetics, el LT1016 (10ns) de Linear Technology y el Am-685 (6.5ns) de Avanced Micro-Devices. Por último, ciertos comparadores monolíticos tienen incorporados líneas de strobing a la entrada para habilitar/deshabilitar el dispositivo y biestables a la salida para retener el resultado de la última comparación. Estas aplicaciones son muy útiles en determinados convertidores A/D y en interfases con microcomputadores.



1.6 Familia 311 La serie 311 de National Semiconductor es una de las familias más populares en comparadores integrados. Puede operar con tensiones duales de ±15 voltios o con tensión simple de +5V. La salida es en colector abierto (open-colector) con tensiones de alimentación independientes para seleccionar los niveles de tensión de salida. Posee, además, un circuito de protección que limita la intensidad máxima de salida a 50mA. Las correcciones de offset se pueden realizar mediante un potenciómetro variable conectado a las entradas 5 y 6, que es similar a la técnica utilizada en amplificadores operacionales.

Las formas más sencillas de utilizar este comparador se muestran en las siguientes figuras:

En el gráfico, vemos que el transistor de salida tiene conectado una resistencia RL en el colector y dos tensiones de polarización independientes. Los niveles de tensión de salida son

Vo = VOH ≅ VEE si Vp < Vn (Transistor en saturación) Vo = VOH = VCC si Vp > Vn (Transistor en corte)

En la otra parte del gráfico, el amplificador de salida, se implementa con el transistor que está en configuración de seguidor de emisor, el cual es muy útil cuando se precisa de interfases a masa tal como sucede en los SRC. Los niveles de tensión de salida son:

120


Vo = VOL ≅ VCC si Vp < Vn (Transistor en saturación) Vo = VOH = VEE si Vp > Vn (Transistor en corte)

El seguidor de emisor presenta una polaridad contraria a la de resistencia de colector y su rango de tensiones de entrada en modo diferencial es mucho mayor.


• El amplificador operacional de Javier Diaz Ruiz http://grupos.unican.es/dyvci/ruizrg/postscript/LibroEcaBasica/Tema8.pdf http://grupos.unican.es/dyvci/ruizrg/postscript/LibroEcaBasica/Tema9.pdf



Autoevaluación

• Para el circuito de la siguiente figura, se pide: Obtener la expresión de la tensión de salida Vo en términos de las

tensiones de entrada V1 y V2. Calcular y representar gráficamente el valor de Vo si V1=0.3 voltios

sen wt y V2=1 voltio. Si el OA es capaz de proporcionar una intensidad de salida máxima

de 50 mili amperios, determinar el rango de valores permitidos de RL.

• En los dos circuitos de la siguiente figura, determinar la tensión de salida Vo en términos de las tensiones de entrada.

122


Resumen

Los amplificadores operacionales permiten realizar una serie de operaciones tales

como suma, resta, multiplicación, integración, diferenciación, etc., importantes dentro de la computación analógica.

Tradicionalmente, un amplificador operacional está formado por los siguientes

bloques: amplificador diferencial de entrada, etapa amplificadora, adaptador y desplazamiento de nivel, y etapa de salida.

El amplificador operacional es un amplificador de extraordinaria ganancia. Por

ejemplo, el µA741 tiene una ganancia de 200.000 y el OP-77 (Precision Monolithics) de 12.000.000.

Los comparadores son circuitos no lineales que, como su nombre indica, sirven

para comparar dos señales (una de las cuales generalmente es una tensión de referencia) y determinar cuál de ellas es mayor o menor.

La serie 311 de National Semiconductor es una de las familias más populares en

comparadores integrados. Si desea saber más acerca de estos temas, puede consultar las siguientes

páginas:

http://grupos.unican.es/dyvci/ruizrg/postscript/LibroEcaBasica/

Aquí, hallará información de amplificadores operacionales y comparadores.

http://www.ifent.org/temas/amplificadores_operacionales.asp

Aquí, hallará información sobre amplificadores operacionales.





TEMARIO

• Aplicaciones de los amplificadores operacionales


• Los alumnos analizan el funcionamiento de los circuitos de aplicación y lo implementan.

• Los alumnos proponen otros circuitos de aplicación.

UNIDAD DE

APRENDIZAJE

2

SEMANA

12

124


1. APLICACIONES DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL Referencia: Introducción a la electrónica de Carlos de la Rosa

1.1 Indicador de temperatura En el circuito de la siguiente figura, el operacional LM741 compara una tensión de referencia con otra proveniente de un divisor de tensión formado por una NTC y una resistencia. Como el valor óhmico de la NTC disminuye con la temperatura, la tensión en el pin 2 del integrado también lo hará. En el momento en que la tensión del pin 2 sea menor que la del 3, el terminal 6 pasará de tener una tensión nula a una tensión máxima que encenderá el LED, lo que indicará que se ha superado la temperatura programada. Mediante el potenciómetro de 10K, podemos variar la tensión de 3 y, por tanto, la temperatura necesaria para que se encienda el diodo. El circuito, se ha diseñado para usar una NTC de 10K. En caso de usar una NTC de otro valor, tendremos que cerciorarnos de que con el potenciómetro se pueda conseguir una resistencia igual a la que presenta el termistor, el valor del termistor a la temperatura a la que queremos que actúe el circuito.

1.2 Controlador de temperatura El siguiente circuito está basado en el anterior, pero se ha sustituido el LED por un transistor que gobierna un relé con un contacto conmutado. Cuando la temperatura de la NTC es inferior a la programada, el relé alimenta una resistencia de calefacción y cuando la temperatura supera el valor estipulado, se activa un ventilador. Como se puede observar, siempre estará funcionado uno de los dos elementos y la temperatura controlada oscilará alrededor del valor programado mediante el ajustable.



En este caso, debemos tener en cuenta que el amplificador operacional 741 no tiene la fuerza suficiente para controlar al relé, por lo que debemos usar un transistor NPN para usarlo como un interruptor que conectará o desconectará el relé. El diodo está como medida de protección, ya que el relé se comporta como una carga inductiva.

1.3 Voltímetro a LED El circuito de la siguiente figura, utiliza cinco amplificadores operacionales que trabajan como comparadores con sus entradas inversoras conectadas a un divisor de tensión, el cual está formado por cinco resistencias iguales alimentadas por una tensión fija de 5 voltios.

El primer operacional, contando desde abajo, tiene 1 voltio en su entrada inversora; el segundo, dos; el tercero, tres; el cuarto, cuatro; y el último, cinco. Esto es factible ya que los comparadores tienen una impedancia de entrada muy grande. Además, con el objeto de mejorar el circuito, debemos precisar que la fuente de tensión de 5 voltios debe ser generada por un diodo Zener de 5 voltios o por un regulador de tensión de 5 voltios (7805).

126


Las entradas no inversoras de todos los comparadores están unidas al terminal donde se aplica la tensión a medir, que ha de estar comprendida entre 0 y 5 voltios. Como los comparadores dan salida cuando la tensión de la entrada inversora supera a la de la entrada no inversora, por cada voltio que se incremente, la tensión a medir se encenderá un LED más. Por ejemplo, si aplicamos 3.2 voltios, se encenderán los 3 primeros LED, ya que, en los comparadores que los alimentan, la tensión de la entrada no inversora es mayor que la de la entrada inversora. Esto lo podría usar también como un vúmeter para indicar el nivel de salida, tal como aparecen en los equipos de salida, donde a mayor volumen mayor será la cantidad de LEDs encendidos. 1.4 Circuitos a implementar Presentar dos circuitos que utilicen amplificadores operacionales e indicar su funcionamiento. Nombre del circuito:

Explicación del funcionamiento: .................................................................................................................................... .................................................................................................................................... .................................................................................................................................... .................................................................................................................................... ....................................................................................................................................



.................................................................................................................................... Nombre del circuito:

Explicación del funcionamiento: .................................................................................................................................... .................................................................................................................................... .................................................................................................................................... .................................................................................................................................... .................................................................................................................................... ....................................................................................................................................

Referencia de la información empleada: Introducción a la electrónica de Carlos de la Rosa http://www.tecnologiaseso.es/pdf/electronicapdf/electronicadigital.pdf

128


Resumen

Hay diversos circuitos implementados con los amplificadores operacionales, los

cuales permiten realizar una serie de operaciones tales como suma, resta, multiplicación, integración, amplificación, comparación, etc. Este circuito integrado se puede usar como amplificador y como comparador. En este último caso, se recomienda que para la comparación se usen los chips comparadores de la familia 311 u otros.


páginas:

http://focus.ti.com/lit/an/sboa092a/sboa092a.pdf

Aquí, hallará información de amplificadores operacionales de Texas

Instruments (Handbook).

http://www.electronicafacil.net/tutoriales/Sumador-Inversor.html

Aquí, hallará información sobre algunas aplicaciones de los amplificadores

operacionales.





TEMARIO

• El circuito temporizador • El temporizador 555

• Diagrama de bloques del IC555

• Operación como monoestable y estable


• Los alumnos determinan las características del timer 555 identificando cada etapa.

• Los alumnos establecen las diferencias entre monoestable y astable.

UNIDAD DE

APRENDIZAJE

2

SEMANA

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1. EL CIRCUITO TEMPORIZADOR Referencia: Técnicas Experimentales en Electrónica Dpto. de Electrónica y Electromagnetismo

Los circuitos temporizadores son muy utilizados en la industria y en aplicaciones caseras. Podemos implementar diversos circuitos temporizadores pero el más sencillo y menos preciso está conformado por una resistencia y un condensador. A partir de aquí se puede contar con un sinfín de opciones y posibilidades. Cuando necesitamos un temporizador, lo primero que debemos considerar es la necesidad de precisión en el tiempo, base importante para determinar los elementos que vamos a utilizar en su concepción y diseño. Un temporizador, básicamente, consiste en un elemento que se activa o desactiva después de un tiempo más o menos preestablecido. De esta manera, podemos determinar el parámetro relacionado con el tiempo que ha de transcurrir para que el circuito susceptible de temporizarse se detenga o empiece a funcionar o simplemente cierre un contacto o lo abra.

1.1 EL TEMPORIZADOR 555 Es un circuito relativamente complejo. Contiene un total de 27 transistores bipolares y 10 resistencias, que sirven para constituir un par de comparadores, un biestable RS y un circuito de descarga, tal como se aprecia en el diagrama en bloques de este temporizador o timer.

Todos estos componentes vienen contenidos en un circuito integrado de 8 terminales, cuatro a cada lado, tal como podemos apreciar en el siguiente gráfico, donde se indica la función de cada terminal.



Para comprender el funcionamiento básico del circuito es imprescindible comprender, primero, la operación que realiza el biestable o flip-flop RS.

1.1.1 Flip-flops RS Básicamente, éste es un circuito digital cuya salida depende no sólo de las entradas actuales, sino del estado anterior. Sus entradas son R y S y la salida Q y /Q, las cuales cambian de la siguiente manera: • Si se aplica una entrada alta en S y baja en R podremos setear a la salida Q, por lo que ésta se pone en nivel alto, mientras que en /Q tendremos un nivel bajo. • Por otro lado, con una entrada alta en R y una entrada baja en S, lograremos resetear la salida Q, por lo que su nivel se mantendrá bajo y /Q en nivel alto. • Ninguna de las otras dos combinaciones de entrada posibles produce cambio alguno de la salida.

1.1.2 Funcionamiento básico de la temporización La siguiente figura permite analizar el funcionamiento de la temporización. Para ello supongamos que Q está a “0” en el estado inicial. En ese caso, el transistor T estará en corte y el condensador C se cargará a través de R2. Observe que la configuración del circuito hace que la tensión control sea:

132


Vcontrol = 2 . VCC / 3

mientras que la tensión threshold irá creciendo con el tiempo. En teoría, tal crecimiento podría llevar esta tensión hasta VCC; sin embargo, cuando la tensión de threshold cruza el valor de control , la salida del comparador se hace igual a “1” , el transistor entra en su zona de alta conducción y descarga, casi de manera inmediata, el condensador. Si se aplica un pulso, de corta duración, en la entrada RESET del biestable, esto provoca un reseteo del mismo, que fuerza la salida Q a “0” . El transistor se apaga y el condensador empieza a cargarse de acuerdo con la expresión:

V threshold = VCC (1 – e – t / ƬƬƬƬ) ƬƬƬƬ = R2 . C de manera que evolucionaría desde V threshold = 0 hacia V threshold = VCC. Sin embargo, para V threshold > 2 . VCC / 3, el comparador cambia su salida, SET cambia a “1” y obliga a que Q tome el valor igual a “1” , con lo que se descarga el condensador. El tiempo que ha estado en bajo la señal Q es, claramente, el tiempo que ha tardado V threshold en alcanzar el valor (2/ 3)xVCC partiendo desde 0. Esto es:

TD ≅≅≅≅ ƬƬƬƬ. ln (3) = 1.1 ƬƬƬƬ que, como podemos ver, resulta independiente de la duración del pulso en el terminal de R del biestable RS.

1.2 Diagrama de bloques del IC555 El siguiente gráfico muestra el diagrama en bloques simplificado. Observe que el comparador Z1 tiene sus dos entradas accesibles, mientras que el comparador Z2 sólo nos muestra (al exterior) su entrada negativa.



En la mayoría de las aplicaciones prácticas, el nudo control se deja “flotante”, por lo que la tensión de control viene dada por

Vcontrol = (VCC – VEE) . 2 / 3 En el símbolo del flip-flop RS, podemos observar la aparición de un terminal nuevo llamado RESET (no confundir con R). Este terminal bloquea la operación del flip-flop cuando la tensión aplicada es baja. Esta opción es útil en algunas aplicaciones. Por último, los terminales VCC y VEE son las alimentaciones, positivas y negativas, respectivamente, del circuito. Por lo general, los 555 trabajan con cualquier diferencia VCC - VEE entre 4.5 y 16 voltios.

1.3 Operación como monoestable El siguiente circuito muestra la configuración monoestable más elemental para el IC555.

El funcionamiento del circuito puede comprenderse fácilmente en virtud de lo explicado anteriormente. Cuando la entrada de TRIGGER del circuito es ligeramente inferior a VCC / 3, el comparador Z2 proporciona una salida alta “1” , lo que produce un RESET en el Flip-Flop. El transistor de descarga T se apaga y el nudo threshold —cortocircuitado con discharge con este propósito— comienza a cargarse según la ley exponencial anteriormente citada:

V threshold = VCC (1 – e – t / ƬƬƬƬ) ƬƬƬƬ = R2 . C Cuando el proceso de carga hace que la tensión threshold suba por encima de 2 . VCC / 3, el comparador Z1 proporcionará un valor alto “1”, mientras que Z2 dará un valor bajo “0” . Esto crea una condición de SET en el flip-flop de manera que Q = “1” , con lo que el condensador será descargado muy rápidamente debido a que el transistor T habrá entrado en la zona de alta conducción. El ancho del pulso de salida puede calcularse tal como hicimos anteriormente y resulta ser:

TD ≅≅≅≅ ƬƬƬƬ. ln (3) = 1.1 ƬƬƬƬ

Observe que el terminal de control quedó libre, de manera que el umbral de duración del pulso queda fijado a 2 VCC / 3. El condensador de 10 nF añadido sólo se incluye para filtrar ruido en la tensión de control.

134


1.4 Operación como astable El circuito de la siguiente figura muestra al 555 en la configuración de oscilador o astable.

La operación es fácil de entender. Cuando la salida Q del flip-flop RS está en bajo , el transistor T está cortado y la tensión threshold crecerá de acuerdo a la expresión.

V threshold = VCC (1 – e – t / ƬƬƬƬ) ƬƬƬƬ = (Ra + Rb) . C con lo que la condición de V threshold = (2 / 3) VCC se alcanza en un tiempo,

TR = (Ra + Rb) . C. ln (3) Una vez alcanzado este valor, el comparador Z1 da una salida alta que produce una condición de SET en el flip-flop, de manera que el transistor T entra en la zona de alta conducción y empieza a descargar el condensador C. Observe que esa descarga se produce a través de Rb. Por tanto, la constante de tiempo durante esta segunda parte de la evolución temporal estará dada por

ƬƬƬƬ = Rb.C. En concreto, la evolución de la tensión de threshold es:

V threshold = (2 / 3) VCC e – t / ƬƬƬƬ

de manera que el nudo threshold y el nudo TRIGGER —que están cortocircuitados— se van descargando. Cuando la tensión en el nudo trigger alcanza un valor ligeramente inferior a VCC / 3, el comparador Z2 produce una salida en alto —una condición de RESET del flip-flop RS—; el transistor T entrará en corte; y el nudo threshold empezará a cargarse de nuevo. De este modo, se vuelve a las condiciones del principio. Así, el circuito proporcionará una salida oscilante, cuyo periodo será la suma del tiempo de carga TR y el tiempo de descarga TF. Este último viene dado por el



tiempo que tarda la expresión anterior en alcanzar un valor V threshold = VCC / 3, partiendo desde V threshold = (2 / 3) VCC.

TF = (Rb.C) . ln (2)

de manera que, sustituyendo, se puede llegar a una expresión aproximada para la frecuencia de oscilación de salida

fosc = 1 / (TR + TF) para TR debe considerarse la carga desde VCC /3 y no desde 0, por lo tanto

TF = ((Ra + Rb) . C ). ln (2)

Finalmente, obtenemos la frecuencia de oscilación así:

fosc = 1.44 / [( Ra + 2 Rb ). C] Por último, hemos de hacer hincapié en el hecho de que este oscilador no proporciona una salida que dura el mismo tiempo en el estado alto y en el estado bajo (TR ≠ TF). Al cociente entre el tiempo en alto y el periodo se le conoce como duty cycle o ciclo de trabajo. Ajustando los valores de Ra y Rb podremos obtener duty cycles de algo más del 50% hasta valores cercanos al 100%.

Referencia de la información empleada: Técnicas Experimentales en Electrónica Dpto. de Electrónica y Electromagnetismo http://www.imse.cnm.es/tec_exp/downloads/CURSO_0708/TEMPORIZADOR_555_0708.pdf

136


Autoevaluación

• En la siguiente figura, se tiene un astable implementado con un 555. • Si Ra = 4.7KΩ, Rb = 2.2KΩ y C = 2.2 µF, determine T1, T2 y la frecuencia

de la señal de salida.

• Determine los valores de R y C, en el siguiente circuito del monoestable, para que TD sea igual a 10 segundos.



Resumen

El 555 es un circuito relativamente complejo. Contiene un total de 27 transistores

bipolares y 10 resistencias que sirven para constituir un par de comparadores, un biestable RS y un circuito de descarga.

Los circuitos temporizadores son muy utilizados en la industria y en aplicaciones

caseras.

Si desea saber más acerca de estos temas, puede consultar las siguientes páginas:

http://focus.ti.com/lit/an/sboa092a/sboa092a.pdf

Aquí, hallará información de amplificadores operacionales de Texas

Instruments (Handbook).

http://www.imse.cnm.es/tec_exp/downloads/datasheets/LM555.pdf

Aquí, hallará información del 555, su hoja de datos (Data Sheet).

138





• Al término de la unidad, los alumnos, trabajando en grupo y en forma individual diseñarán e implementarán circuitos de aplicación haciendo uso de dispositivos electrónicos integrados como el amplificador operacional y el Timer 555. Asimismo, harán uso de herramientas de medición y comprobación del funcionamiento de dichos circuitos.

TEMARIO

• Aplicaciones del Timer 555 • Oscilador controlado por tensión

• Oscilador Astable

• Circuito Monostable y Biestable

• Activación de una lámpara fluorescente


• Los alumnos analizan las diversas aplicaciones del timer 555. • Los alumnos proponen otros circuitos de aplicación.

UNIDAD DE

APRENDIZAJE

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SEMANA

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1. APLICACIONES DEL TIMER 555

1.1 Oscilador controlado por tensión Un oscilador controlado por tensión, VCO (Voltage Controlled Oscillator), es un dispositivo tal que proporciona una salida oscilante, siendo su frecuencia una función de la tensión de entrada aplicada al mismo. Normalmente, se desean dependencias lineales con esta tensión de control; sin embargo, relaciones no lineales son también de gran interés práctico, puesto que pueden permitir un mayor rango de variabilidad de la frecuencia de oscilación.

La figura muestra una configuración como VCO del 555. En ella, se destaca, como novedad con respecto a la configuración astable, el hecho de que el terminal de control aparece conectado a un potenciómetro, de manera que la tensión que pongamos aquí, Vctrl , fijará las entradas a los comparadores Z1 y Z2 a los valores Vctrl y Vctrl / 2, respectivamente (ver diagrama en bloques de la sesión anterior). Así pues, usando la formula genérica para evoluciones exponenciales,

las evoluciones temporales durante estos tiempos vendrán dadas por:

de manera que el periodo de oscilación puede expresarse como T = TR + TF, siendo:



1.2 Oscilador Astable Referencia: http://www.neoteo.com/ne555.neo

Uno de los usos más frecuentes del timer 555 es como oscilador astable. En esta configuración, el circuito produce, en su salida, una onda cuadrada, con una amplitud igual a la tensión de alimentación. La duración de los periodos alto y bajo de la señal de salida pueden ser diferentes. El nombre de “astable” proviene de la característica de esta configuración, en la que la salida no permanece fija en ninguno de los dos estados lógicos, si no que fluctúa entre ambos en un tiempo que llamaremos T. El período de tiempo T de la señal de salida es igual a la suma de los tiempos en estado alto Tm (por Mark time en ingles) y bajo Ts (por Space time). En general, en lugar de utilizar el tiempo T como parámetro, utilizaremos la frecuencia F de la señal de salida, igual a 1/T. En la siguiente figura, podemos ver el esquema del 555 para ser utilizado como oscilador astable. Solamente tres componentes adicionales bastan para determinar el periodo T de la señal de salida y la relación de tiempos Tm y Ts. Un cuarto componente, el capacitor de 0.01 µF, solamente se utiliza para evitar el ruido en el terminal de control.

Los valores de R1, R2 y C1 son los responsables de determinar el timming de la señal, de acuerdo con las siguientes formulas:

T = 0.7 × (R1 + 2R2) × C1 F = 1.4 / ((R1 + 2R2) × C1)

Donde el periodo T se expresa en segundos, la frecuencia F en Hertz, los valores de R1 y R2 en ohmios y la capacidad de C1 en faradios. La relación marca-espacio (Tm y Ts), también conocida como duty cycle (y que es muy utilizada a la hora de controlar la velocidad de motores de corriente continua, el brillo de una lámpara, etc.), se calcula mediante las tres formulas siguientes:

T = Tm + Ts Tm = 0.7 × (R1 + R2) × C1

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Ts = 0.7 × R2 × C1

Como se deduce de ellas, en los casos que Tm y Ts necesiten ser iguales (duty cycle del 50%) R2 deberá ser mucho mayor que R1. Al momento de diseñar nuestro propio oscilador astable, utilizando NE555, debemos elegir, primero, el valor de C1, que es el que determinara el rango de frecuencias a utilizar, tal como vemos en la siguiente tabla, luego, el valor de R2, considerando que:

R2 = 0.7 / F x C1

Y, por ultimo, R1, generalmente de un 10% del valor de R2, salvo que necesitemos tiempos Tm y Ts muy diferentes entre sí. En aquellos casos en los que queramos hacer la frecuencia de salida variable, la mejor opción es reemplazar a R2 por un potenciómetro del valor adecuado y una resistencia de, al menos, 1000 ohms en serie con él (para evitar que en un extremo del potenciómetro el valor de R2 sea cero).

Duty Cycle El 555, utilizado como oscilador astable, permite el control de dispositivos como motores o lámparas mediante una técnica conocida como Modulación de ancho de pulso (PWM: Pulse Wide Modulation). La señal de salida presente en el pin 3 se repite continuamente, a menos que se fuerce la salida a 0 voltios mediante el terminal RESET (conectándolo a una tensión menor a 0.7 voltios). Una baja frecuencia de oscilación puede ser utilizada para hacer destellar un LED y una frecuencia un poco más alta (mayor a 20 Hz. aunque menor a los 20KHz.). También, se puede emplear para hacer sonar un parlante o buzzer conectado al pin 3 y, de esta manera, construir una alarma audible fácilmente. Volviendo al control PWM, la relación entre Tm y Ts, generalmente, se expresa como un porcentaje. Si este porcentaje debe ser, es igual o mayor al 50%, utilizamos el circuito de la figura anterior, como vimos antes, y las fórmulas de la siguiente figura nos permiten calcular exactamente su porcentaje.



En el caso de que la relación deba ser menor al 50%, se debe agregar un diodo tipo 1N4148 en paralelo con R2, como se ve en el siguiente gráfico, para permitir la circulación de corriente durante el periodo Tm. En este caso, el valor de Tm y Ts dependen únicamente de R1 y C1 como se ve a continuación:

Tm = 0.7 × R1 × C1 Ts = 0.7 × R2 × C1 Duty Cycle (con diodo) = Tm / (Tm + Ts) o R1 / (R1 + R2)

1.3 Circuito Monostable Este circuito recibe ese nombre por permanecer estable en un solo estado: el nivel bajo. En efecto, si conectamos el 555 de manera que se comporte como un monoestable, su salida permanecerá en estado bajo. Sin embargo, en el momento en que reciba una señal en su pin TRIGGER, la salida pasará a nivel alto durante un tiempo T, determinado por los valores de R1 y C1, de acuerdo a la formula de la siguiente figura, donde el periodo T se expresa en segundos, R1 en ohms y la capacidad de C1 en faradios.

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Al presionar el pulsador identificado como TRIGGER, la salida del Ne555 pasará a estado alto hasta que transcurra el tiempo fijado por el valor de R1 y C1 o hasta que se presione el pulsador RESET (lo que ocurra primero). En general, no se desea interrumpir el período en que el integrado tiene su salida en nivel alto, por lo que el pulsador conectado al RESET puede no ser necesario. Puesto que para obtener largos periodos en estado alto, superiores a los 10 minutos, se deben utilizar capacitores electrolíticos, que presentan fugas que afectan su confiabilidad, tenemos que recordar, en el momento de hacer nuestros diseños, que pueden ser posibles errores de hasta un 20% en los tiempos determinados por R1 y C1. Es importante aclarar que, una vez disparado el monoestable, hasta que no transcurra el tiempo T (o se resetee el temporizador) cualquier actividad en el TRIGGER es ignorada, por lo que un disparo efectuado durante el estado alto de la salida será ignorado. En algunos casos, puede ser deseable que el circuito efectúe un RESET automáticamente al ser conectado a la alimentación, o bien que se auto dispare al encender el dispositivo. En estos casos, se puede utilizar un circuito como el que vemos en la figura anterior y que conectaremos al pin RESET o TRIGGER según corresponda.

1.4 Circuito Biestable Otro circuito importante con el 555 es la de biestable. En ella, ambos estados, alto y bajo, son estables, y la salida permanece en ellos hasta que se modifican mediante los pines TRIGGER o RESET. En este caso, al no haber tiempos implicados en ninguno de los dos estados, no hay formulas para aplicar. Simplemente, al aplicar 0 voltios al pin TRIGGER, la salida pasará a estado alto y permanecerá en él hasta que se desconecte la alimentación o se ponga a 0 voltios el terminal RESET, en cuyo caso la salida se mantendrá en estado bajo hasta una nueva conexión del TRIGGER a 0 voltios. El esquema de esta configuración se puede ver en el siguiente gráfico:



1.5 Activación de una lámpara fluorescente Nuestro primer circuito de ejemplo, el de la figura 1, utiliza un 555 para generar una señal cuadrada que excita al transistor TR1, que a su vez está conectado a un transformador elevador de tensión que permite encender un pequeño tubo fluorescente de 4 Watts con solo 12 voltios. Este circuito es ideal para ser alimentado con baterías o desde el encendedor del automóvil, para ser utilizado como luz de emergencia o en actividades al aire libre. Es muy importante mantener las manos lejos de la sección de 230 voltios del transformador para evitar descargas desagradables. La resistencia variable entre los pines 6 y 7 nos permite ajustar la frecuencia de la salida, a fin de obtener el brillo adecuado en el tubo fluorescente. Podemos utilizar un preset, ya que, una vez logrado el ajuste óptimo del circuito, no necesitaremos volver a tocarlo. Incluso, si se desea, en ese momento, se le puede reemplazar por una resistencia fija equivalente.

1.6 Temporizador ajustable En la siguiente figura, tenemos un 7555, la versión CMOS del 555, conectado como monoestable, en el que la resistencia que fija el tiempo en el estado alto de la salida se ha reemplazado por un conmutador que permite elegir una de 6 resistencias puestas en serie. De esta manera, se obtienen temporizaciones que

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van desde los 5 a los 30 minutos. Por supuesto, se podrá cambiar estos valores para obtener tiempos mayores o menores, usando las fórmulas que hemos visto. Un transistor BC109C o equivalente se utiliza para comandar un relé, al que podremos conectar cualquier artefacto eléctrico que queramos controlar con este circuito.

1.7 Señales luminosas Este circuito consiste en una luz parpadeante construida con 40 LEDs. Se le puede utilizar en una bicicleta, con cualquier tipo señal, etc. El circuito se alimenta con 4 pilas de 1.5 voltios. Los LEDs están divididos en dos grupos de 20 cada uno que parpadean alternativamente. Como se puede ver, el 555 está configurado como oscilador astable. La corriente a través de los LEDs está limitada por las resistencias de 100 ohms y se utilizaron transistores para poder manejar el consumo de cada rama de LEDs. En caso de ser necesario, se puede armar este circuito con menos LEDs, por ejemplo, con solo cinco: un grupo de dos en cada rama y el LED que está entre la resistencia de 160 ohms y el transistor 2N2905.



1.8 Circuitos a implementar. Presentar un circuito que utilice el timer 555 e indicar su funcionamiento. Nombre del circuito:

Explicación del funcionamiento: .................................................................................................................................... .................................................................................................................................... .................................................................................................................................... .................................................................................................................................... .................................................................................................................................... ....................................................................................................................................

Referencia de la información empleada: Técnicas Experimentales en Electrónica Dpto. de Electrónica y Electromagnetismo

• http://www.imse.cnm.es/tec_exp/downloads/CURSO_0708/TEMPORIZADOR_555_0708.pdf

• http://www.neoteo.com/ne555.neo

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Resumen

Un oscilador controlado por tensión, VCO, es un dispositivo tal que proporciona

una salida oscilante, cuya frecuencia es proporcional a la tensión aplicada al mismo.

Uno de los usos más frecuentes del timer 555 es como oscilador astable. En esta

configuración, el circuito produce una onda cuadrada en su salida. El circuito Monostable recibe ese nombre por permanecer estable en un solo

estado: el nivel bajo. En el circuito biestable, ambos estados, alto y bajo, son estables, y la salida

permanece en ellos hasta que se modifican mediante los pines TRIGGER o RESET.


páginas:

http://www.neoteo.com/ne555.neo

Aquí, hallará información de aplicaciones del 555.

http://www.imse.cnm.es/tec_exp/downloads/datasheets/LM555.pdf

Aquí, hallará información del 555, su hoja de datos (Data Sheet).

http://jorgefloresvergaray.blogspot.com/

Aquí, hallará información de aplicaciones del 555.




• Al término de la unidad, los alumnos, trabajando en grupo y en forma individual diseñarán e implementarán circuitos de aplicación haciendo uso de dispositivos electrónicos integrados como el amplificador operacional y el Timer 555. Asimismo, harán uso de herramientas de medición y comprobación del funcionamiento de dichos circuitos.

TEMARIO

• Análisis de circuitos con amplificadores • Análisis de circuitos con timers


• Los alumnos determinan la forma de funcionamiento de los OPAM y Timers. • Los alumnos establecen las diferencias entre circuitos.

• Los alumnos determinan los voltajes de salida.

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1. Análisis de circuitos con amplificadores y timer s. 1.1 Circuito conversor digital / analógico mediante un OPAM.

El siguiente circuito se comporta como un conversor digital / analógico, de tal forma que ingresando en las entradas EDCBA, el código binario de estas cinco variables binarias, pueda obtener su valor analógico equivalente en la salida. Determine los valores de resistencia R y RF del conversor D/A. Determine, además, los valores que toma la salida para cada uno de los estados de entrada. Debe tener en cuenta que cada una de las variables tienen su peso, por ejemplo, el peso de A es 01, el peso de B es 02, el peso de C es 04, etc.

Como se usa un amplificador inversor, el voltaje de salida es negativo, ¿qué cambios se debe realizar en el circuito, para obtener voltajes positivos?

1.2 Divisor de frecuencia con el 555.

El siguiente circuito es un divisor de frecuencia por 2 y por 4 en cada una de sus salidas, en V1 se obtiene la mitad de la frecuencia y en V2 la mitad de la mitad, o sea un cuarto de la frecuencia de entrada.



El circuito recibe un tren de pulsos con una frecuencia Fi y genera a la salida (V1) una señal similar con una frecuencia F1, esta frecuencia es la mitad de la frecuencia de entrada. Si esta señal de salida se aplica a la siguiente etapa, esta hace lo mismo, lográndose una segunda división de frecuencia y obteniéndose la frecuencia de entrada Fi / 4.

1.3 Encendido automático de las luces de una casa.

El siguiente circuito permite el encendido automático de las luces externas de una casa cuando llega la noche, para ello dispone de un sensor de luz en base a un LDR. Este circuito nos permitirá tener iluminada parte de la casa, durante la noche permitiendo dar una sensación de que hay alguien en casa, a pesar de que nosotros no estemos.

El circuito está basado en un timer 555 y un LDR como elemento que permitirá detectar la luz y determinar el momento de dar energía a los focos y también de cortar la energía cuando llega la mañana.

1.4 Sistema de refrigeración con ventilador.

Este circuito permite controlar el accionar de un ventilador de 12 voltios o FAN, para ello dispone de un OPAM 741. Los diodos están actuando como sensores de temperatura, los cuales al aumentar la temperatura hacen cambiar la salida del OPAM, controlando la corriente aplicada al ventilador a través del transistor Q1 y logrando que se refrigere el dispositivo. Este sistema es apropiado controlar los CPU´s, tarjetas, discos duros y al propio case.

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Referencia de la información empleada: Un agradecimiento especial a José Martínez, por la página desarrollada www.diselc.es donde ha realizado una recopilación importante de circuitos de aplicación. http://www.diselc.es/diselc/milcircuitos.htm





TEMARIO

• Sesión Integradora


• Los alumnos relacionan todo lo estudiado anteriormente. • Los alumnos analizan una aplicación que involucre la mayoría de

componentes estudiados.

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1. SESIÓN INTEGRADORA Los alumnos deberán presentar un circuito que han desarrollado en grupo y deberán explicar su función. En lo posible, éste debe contener la mayoría de los dispositivos electrónicos que hemos estudiado. Finalmente, sus componentes deben ser discretos e integrados (transistores, diodos, 741, 555, etc.).

Nombre del circuito:

Explicación del funcionamiento: .................................................................................................................................... .................................................................................................................................... .................................................................................................................................... .................................................................................................................................... .................................................................................................................................... .................................................................................................................................... .................................................................................................................................... ....................................................................................................................................



Nombre del circuito:

Explicación del funcionamiento: .................................................................................................................................... .................................................................................................................................... .................................................................................................................................... .................................................................................................................................... .................................................................................................................................... .................................................................................................................................... .................................................................................................................................... ....................................................................................................................................

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