Download Semiconductor intrínseco - IES Pare Arques de Cocentaina

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Diodo wikipedia, lookup

Transcript
ELECTRÓNICA BASICA
El átomo
Compuesto de electrones, que giran en la corteza
atómica, con carga eléctrica negativa, y protones,
en el núcleo, con carga positiva. El átomo es
eléctricamente neutro, pues tiene igual número
de electrones que de protones. En la figura vemos
un átomo de Silicio. La órbita exterior tiene 4
electrones, con los que el átomo forma 4 enlaces
covalentes con otros cuatro átomos, formando una
estructura cristalina estable.
Aplicando energía, podemos liberar electrones de
esa órbita exterior  potencial de ionización.
Ión negativo  átomo al que añadimos uno o más electrones. Su carga total será
negativa.
Ión positivo  átomo al que quitamos uno o más electrones. Su carga total sera
positiva.
Electrones libres, huecos libres, pares electrón-hueco:
Un electrón que abandona la órbita de un átomo deja un lugar libre o “hueco” que
puede ser ocupado por otro electrón.
Formas de extraer electrones de un átomo:
-
-
Emisión termoiónica: mediante el calor aplicado, introducimos energía que
aumenta la energía cinética de los electrones, separándose estos del material y
formando una nube electrónica alrededor  válvulas de vacío, tubos de rayos
catódicos.
Emisión fotoeléctrica: Al aplicar luz a un material, aplicamos energía a los
electrones, que se emplea en extraerlos de sus órbitas  resistencias LDR.
Emisión secundaria: Bombardeando con electrones una placa metálica
arrancamos de la misma electrones.
Emisión por campo intenso: Aplicamos un campo eléctrico intenso que arranca
los electrones de los átomos, produciéndose una avalancha  efecto Zener.
Conductividad eléctrica.
En función de su capacidad para conducir la corriente eléctrica, los materiales se
clasifican en:


Conductores: normalmente son metales, tienen electrones fácilmente extraíbles
de sus órbitas externas con muy poca energía.
Aislantes: Necesitan gran energía de ionización, o energía necesaria para extraer
a un electrón de su órbita.

Semiconductores, en los que la energía de ionización es pequeña, por lo que
aplicando una tensión eléctrica pueden conducir la electricidad; pero además, su
conductividad puede regularse, puesto que bastará disminuir la energía aportada
para que sea menor el número de electrones que salte a la “banda de
conducción”. Esto último no puede hacerse con los metales, cuya conductividad
es constante.
Corriente contínua. Corriente alterna.
La corriente continua (CC o DC) se genera a
partir de un flujo continuo de electrones
(cargas negativas) siempre en el mismo
sentido.
Por convenio, se toma como corriente
eléctrica al flujo de cargas positivas, aunque
éste es a consecuencia del flujo de electrones,
por tanto el sentido de la corriente eléctrica es del polo positivo de la fuente al polo
negativo y contrario al flujo de electrones y siempre tiene el mismo signo.
La corriente continua se caracteriza por su tensión, porque, al tener un flujo de
electrones prefijado pero continuo en el tiempo, proporciona un valor fijo de ésta (de
signo continuo), y en la gráfica V-t (tensión tiempo) se representa como una línea recta
de valor V.
En la corriente alterna (CA o AC),
el sentido de la corriente no es
constante, sino oscilante a una
frecuencia determinada (número de
oscilaciones por segundo). Va
cambiando de sentido y por tanto de
signo continuamente, con tanta
rapidez como la frecuencia de
oscilación de los electrones.
En la gráfica V-t, la corriente alterna
se representa como una curva u onda, que puede ser de diferentes formas (cuadrada,
sinusoidal, triangular..) pero siempre caracterizada por su amplitud (tensión de cresta
positiva a cresta negativa de onda), frecuencia (número de oscilaciones de la onda en un
segundo) y período (tiempo que tarda en dar
una oscilación).
También se pueden emplear corrientes
combinación de ambas superpuestas
(sumadas), donde la componente continua
eleva o desciende la señal alterna de nivel.
Ej: Aplicando las dos señales anteriores,
tenemos la siguiente forma de onda:
La producción y transporte de energía eléctrica a gran escala se realiza en corriente
alterna, por su facilidad de transformación y transporte. Sin embargo, casi todos los
aparatos electrónicos funcionan con corriente contínua, por lo que necesitamos fuentes
de alimentación que transformen la CA en CC.
Resistencias.
La resistencia es uno de los componentes
imprescindibles en la construcción de
cualquier equipo electrónico, ya que permite
distribuir adecuadamente la tensión y
corriente eléctrica a todos los puntos
necesarios. El valor de la resistencia se
utiliza como unidad de medida el ohm, al
cual representamos con el símbolo 
Las resistencias tienen un código de
colores que indica su valor. Este código está
compuesto por bandas de colores divididas
en dos grupos; el primero consiste de tres o
cuatro de estas bandas, de las cuales las
primeras dos o tres indican el valor nominal
de la resistencia y la última es un
multiplicador para obtener la escala. El segundo grupo está compuesto por una sola
banda y es la tolerancia expresada como un porcentaje, dicha tolerancia nos da el campo
de valores dentro del cual se encuentra el valor correcto de la resistencia, o sea, el rango
o margen de error dentro del cual se encuentra el valor real de nuestro resistor.
Negro
Marrón
Rojo
Naranja
Amarillo
Verde
Azul
Violeta
Gris
Blanco
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Plateado
Dorado
Negro
Marrón
Rojo
Naranja
Amarillo
Verde
Azul
10-2
10-1
100
101
102
103
104
105
106
Plateado
Dorado
Marrón
± 10 %
±5%
±1%
De esta forma si tenemos una resistencia cuyo código de colores sea verde, negro,
naranja, dorado tendremos una resistencia de 50.000  y su tolerancia es del ± 5 %.
En el mercado no es posible encontrar todos los valores de resistencia, sino solamente
los estandarizados, los cuales son:
1 1, 2 1,5 1,8 2,2 2,7 3,3 3,9 4,7 5,6
6,8 8,2 (cada uno de ellos
multiplicados por el multiplicador correspondiente).
Además de estar las resistencias caracterizadas por su valor y tolerancia, éstas están
definidas por su poder de disipación de potencia, los valores más típicos son: 1/8, 1/4,
1/3, 1/2, 1 y 2 W.
También existen resistencias de valor variable llamadas resistencias variables o
potenciómetros, los cuales son muy utilizados cuando es necesario realizar sobre un
circuito algún tipo de ajuste interno. También se usan para hacer correcciones externas,
tales como el caso de control de volumen, tono, luminosidad, etc.
Cuando no vemos con claridad los colores, para medir el valor de una resistencia con
el téster, hay que sacarla del circuito donde está insertada.
Resistencias no lineales
Resistencia LDR
La resistencia de este tipos de componentes varia en función de la luz
que recibe en su superficie. Así, cuando están en oscuridad su
resistencia es alta y cuando reciben luz su resistencia disminuye
considerablemente.
Los materiales que intervienen en su construcción son Sulfuro de
Cadmio, utilizado como elemento sensible a las radiaciones visibles y
sulfuro de plomo se emplean en las LDR que trabajan en el margen de
las radiaciones infrarrojas. Estos materiales se colocan en
encapsulados de vidrio o resina.
Su uso más común se encuentra en apertura y cierre de puertas,
movimiento y paro de cintas trasportadoras, ascensores, contadores, alarmas, control de
iluminación...
En la curva característica se aprecia como la resistencia
óhmica de la LDR disminuye exponencialmente con el
incremento de luminosidad
Resistencia NTC
Es un componente, al igual que la PTC, que varia su resistencia en
función de la temperatura. Así, cuando reciben una temperatura
mayor que la de ambiente disminuye su valor óhmico y cuando es
baja o de ambiente aumenta. Suelen construirse con óxido de hierro, de cromo, de
manganeso, de cobalto o de níquel.
El encapsulado de este tipo de resistencia dependerá de la aplicación
que se le vaya a dar. Por ello nos encontramos NTC de disco, de
varilla, moldeado, lenteja, con rosca para chasis...
Los fabricantes identifican los valores de las NTC mediante dos procedimientos:
serigrafiado directo en el cuerpo de la resistencia, y mediante bandas de colores,
semejante a las resistencias y siguiendo su mismo
código, teniendo en cuenta que el primer color es el
que está más cercano a las patillas del componente
según se observa en la figura. Su curva característica
se realiza entre dos parámetros, la resistencia y la
temperatura.
Sus aplicaciones más importantes están: medidas,
regulación y alarmas de temperatura, regulación de
la temperatura en procesos de elaboración,
termostatos, compensación de parámetros de
funcionamiento en aparatos electrónicos (radio,
TV...).
Curva característica de la NTC.
Resistencias PTC
En este componente un aumento de temperatura se corresponde con un
aumento de resistencia. Se fabrican con titanato de bario. Sus
aplicaciones más importantes son: en motores para evitar que se
quemen sus bobinas, en alarmas, en TV y en automóviles (temperatura
del agua).
El concepto de los encapsulados de las PTC se rige por los mismos
criterios que una NTC, siendo sus aspectos muy parecidos a los mismos.
Su curva característica se realiza entre
dos parámetros, la resistencia y la temperatura.
La identificación de los valores de estos dispositivos se
realiza mediante franjas de colores en el cuerpo de los
mismos que hacen referencia a un determinado tipo.
Para deducir sus características se recurre a los
catálogos de los fabricantes.
Los márgenes de utilización de las NTC y PTC están
limitados a valores de temperatura que no sobrepasan
los 400ºC.
Resistencias VDR
La propiedad que caracteriza esta resistencia consiste en que
disminuye su valor óhmico cuando aumenta bruscamente la tensión.
De esta forma bajo impulsos de tensión se
comporta casi como un cortocircuito y
cuando cesa el impulso posee una alta
resistividad.
Sus aplicaciones aprovechan esta propiedad y se usan
básicamente para proteger contactos móviles de
contactores, reles, interruptores.., ya que la sobre
intensidad que se produce en los accionamientos disipa su
energía en el varistor que se encuentra en paralelo con
ellos, evitando así el deterioro de los mismos, además,
como protección contra sobre tensiones y estabilización
de tensiones, adaptación a aparatos de medida...
Condensadores
Formados por dos placas metálicas paralelas y separadas por un material
aislante denominado dieléctrico. Un condensador en corriente contínua
se puede utilizar para almacenar y descargar carga eléctrica.
Los principales materiales dieléctricos utilizados, en la fabricación de
capacitores son el aire, el tantalio, el aluminio, el papel, la mica, algunos
típos de cerámica, algunos plásticos, etc, y dan nombre al tipo de condensador que
utilizamos.
Hay condensadores polarizados y no polarizados. Los primeros hay que conectarlos
adecuadamente porque si no pueden explotar.
Faradio (F) es la unidad de capacidad eléctrica en el Sistema Internacional de Unidades,
nombrada así en homenaje al distinguido científico inglés Michael Faraday. Puede
definirse como la capacidad de un condensador en el que aplicando una tensión de 1
voltio se almacena una carga de 1 culombio. (Unidad de carga eléctrica en el sistema
basado en el metro, el kilogramo, el segundo y el amperio (sistema MSKA o
internacional). Es la carga que un amperio transporta cada segundo. Nombrado así en
honor a Charles Coulomb).
En los inicios no se construían capacitores de 1 faradio porque eran muy grandes, hoy
día ya se construyen y pueden ser de unos 12 cm. de alto por 8 de cms. de diámetro
aproximadamente.
Los capacitores, en su mayoría se miden en millonésimas partes de un faradio
(0.000001 = 1µF)
Funcionamiento de los condensadores
Los condensadores no conducen la corriente contínua, pero sí conducen la corriente
alterna. Su resistencia al paso de la corriente alterna depende de la frecuencia de la
misma, y de la capacidad del condensador.
Carga y descarga de un condensador
Si aplicamos una fuente de tensión
a través de una resistencia, se
producirá una intensidad a través
de la resistencia que cargará el
condensador a la tensión de la
fuente, en un tiempo que
dependerá del valor de la
resistencia y del valor del propio
condensador.
En la gráfica vemos que la intensidad es grande al principio y va disminuyendo
conforme aumenta la tensión de carga del condensador.
Una vez cargado, el condensador permanecerá con esa carga de forma indefinida hasta
que le ofrezcamos un circuito de descarga. En la figura, podemos ver como al conectar
el condensador a una resistencia, la tensión del condensador va disminuyendo al perder
la carga
Condensador en corriente alterna
Al ser la corriente alterna una corriente oscilante, las variaciones de tensión se
transmiten de un lado al otro del condensador, y por tanto, aunque un condensador tiene
un aislante entre placas, permite pasar esas oscilaciones o diferencias de tensión. No
obstante, opone una resistencia a ese paso, que depende de la frecuencia de de la
tensión alterna y de la capacidad del condensador.
Por ello, como veremos más adelante, se utilizan como filtraje de señales amplificadas
(para separar la señal amplificada de la componente contínua que la acompaña).
Comprobación de condensadores
Los condensadores pequeños se pueden comprobar con el tester, en la posición de
óhmetro, donde tienen que dar resistencia infinita. Si no lo hacen es que tienen fugas y
por lo tanto están perforados e inservibles. Algunos Téster incorporan capacímetro.
Precauciones
Todos los condensadores tienen una tensión máxima admisible que hay que respetar. Al
comprar un condensador, hay que tener en cuenta qué tensión va a tener que soportar.
Si se supera, saltaría un arco en el dieléctrico, perforándose el condensador y quedando
inútil. Asimismo, recordar que los condensadores electrolíticos y algunos otros, son
polarizados, es decir, solo se pueden conectar en una posición.
Bobinas o inductancias.
Una bobina es un hilo de cobre arrollado a un
material magnético, de forma que se produce una
interacción entre magnetismo y corriente eléctrica.
En electrónica de baja potencia, las bobinas se usan
para circuitos osciladores y en los relés y
transformadores, además de otras aplicaciones. Un
relé es un aparato utilizado para gobernar circuitos
de potencia mediante un circuito de control,
aislándolos eléctricamente el uno del otro.
en la figura vemos la bobina del relé, sobre la que hay una placa
metálica. Cuando circula corriente por la bobina, se genera un campo magnético que
atrae hacia abajo la placa metálica, la cual a su vez desplaza el contacto central,
conmutando entre los contactos laterales.
Transformadores: Son 2 o
más bobinas separadas
eléctricamente, pero que están
expuestas a un mismo campo
magnético. Un transformador
se constituye por un núcleo de
hierro dulce laminado, una
bobina primaria y una o más
bobinas secundarisos.
Aplicando una tensión variable o alterna en el primario, se produce una corriente
magnética en el núcleo, que induce una tensión en el secundario  fenómeno de
inducción mutua..
La función del transformador es adaptar tensiones aumentando o reduciéndolas
mediante la relación de espiras de las bobinas primaria y secundaria. Por ejemplo, si el
primario tiene 1000 vueltas y el secundario 10,000, esto es una relación 1:10, el voltaje
que se inducirá en el secundario será 10 veces mayor que el aplicado al primario.
Las bobinas son hilos de cobre, por lo que su comprobación se realiza con el óhmetro,
donde tienen que dar continuidad y baja resistencia. De no ser así las bobinas estarían
cortadas y por lo tanto inservibles.
Teoría de la semiconducción
Materiales semiconductores
Un semiconductor es un elemento material cuya conductividad eléctrica puede
considerarse situada entre las de un aislante y la de un conductor.
Los semiconductores más conocidos son el silicio (Si) y el germanio (Ge), siendo el
silicio mucho más utilizado por ser más estable frente a ruidos y variaciones de
temperatura.
Como todos los demás, el
átomo de silicio tiene tantas
cargas positivas en el núcleo,
como electrones en las órbitas
que le rodean. (En el caso del
silicio este número es de 14). El
interés del semiconductor se
centra en su capacidad de dar
lugar a la aparición de una
corriente, es decir, que haya un
movimiento de electrones. Como
es de todos conocido, un electrón se siente más ligado al núcleo cuanto mayor sea su
cercanía entre ambos. Por tanto los electrones que tienen menor fuerza de atracción por
parte del núcleo y pueden ser liberados de la misma, son los electrones que se
encuentran en las órbitas exteriores. Estos electrones pueden, según lo dicho
anteriormente, quedar libres al inyectarles una pequeña energía. En lugar de utilizar el
modelo completo del átomo de silicio (figura 1), utilizaremos la representación
simplificada (figura 2) donde se resalta la zona de nuestro interés.
Como se puede apreciar en la figura, los electrones factibles
de ser liberados de la fuerza de atracción del núcleo son cuatro
Semiconductor intrínseco
Cuando el silicio se encuentra formado por átomos del tipo
explicado en el apartado anterior, se dice que se encuentra en
estado puro o más usualmente que es un semiconductor
intrínseco.Una barra de silicio puro está formada por un
conjunto de átomos en lazados unos con otros según una
determinada estructura geométrica que se conoce como red
cristalina.
Si en estas condiciones inyectamos energía desde el exterior (por ejemplo aumentando
la temperatura, o aplicando una tensión), algunos de esos electrones de los órbitas
externas dejarán de estar enlazados y podrán moverse. Lógicamente si un electrón se
desprende del átomo, este ya no está completo, decimos que está cargado positivamente,
pues tiene una carga negativa menos, o que ha aparecido un hueco. Asociamos entonces
el hueco a una carga positiva o al sitio que ocupaba el electrón.  par electrón hueco.
El átomo siempre tendrá la tendencia a estar en su estado normal, con todas sus cargas,
por lo tanto en nuestro caso, intentará atraer un electrón de otro átomo para rellenar el
hueco que tiene.
Toda inyección de energía exterior produce pues un proceso continuo que podemos
concretar en dos puntos:


Electrones que se quedan libres y se desplazan de un átomo a otro a lo largo
de la barra del material semiconductor de silicio.
Aparición y desaparición de huecos en los diversos átomos del semiconductor.
Es decir, se forman pares electrón-hueco, electrones libres y huecos aceptores de
electrones. No obstante, el semiconductor sigue siendo eléctricamente neutro.
Semiconductor extrínseco
Si a un semiconductor intrínseco, como el anterior, se le añade un pequeño porcentaje
de impurezas, es decir, elementos trivalentes o pentavalentes (tres o cinco electrones en
su última órbita), el semiconductor se denomina extrínseco, y se dice que está dopado.
Evidentemente, las impurezas deberán formar parte de la estructura cristalina
sustituyendo al correspondiente átomo de silicio.
Semiconductor extrínseco tipo n
Es el que se dopa con elementos de radio atómico similar al silicio pero con cinco
electrones en su última órbita.
semiconductor intrínseco
semiconductor tipo n
Al tener éstos elementos 5 electrones en la última capa, resultará que al formarse, como
antes, la estructura cristalina, el quinto electrón no estará ligado en ningún enlace
covalente, encontrándose, aún sin estar libre, en un nivel energético superior a los
cuatro restantes. Si como antes, consideramos el efecto de la temperatura, observaremos
que ahora, además de la formación de pares e-h, se liberarán también los
electrones no enlazados, fácilmente extraíbles de su órbita con menor energía de la que
se necesita para extraer un electrón de un enlace covalente.
Así, en el semiconductor tipo n aparecerá una
mayor cantidad de electrones que de huecos;
por ello se dice que los electrones son los
portadores mayoritarios de la energía eléctrica
y puesto que este excedente de electrones
procede de las impurezas pentavalentes, a éstas
se las llama donadoras. La conductividad del
material aumenta enormemente, así, por
ejemplo, introduciendo sólo un átomo donador
por cada 1000 átomos de silicio, la
conductividad es 24100 veces mayor que la del
silicio puro.
Semiconductor extrínseco tipo p
Es el que se ha dopado con elementos trivalentes o tres electrones en la última órbita.
Semiconductor intrínseco
Semiconductor extrínseco tipo P
En este caso, las impurezas aportan una vacante o hueco, por lo que se las denomina
aceptoras (de electrones, se entiende). Ahora bien, el espacio vacante no es un hueco
como el formado antes con el salto de un electrón, sino un lugar donde puede llegar
un electrón.
Ahora son los huecos los portadores
mayoritarios, pues a los pares electrón-hueco del
semiconductor intrínseco se unen los huecos
aceptores resultantes de la introducción de
impurezas. la sustitución de un átomo por otros
provoca la aparición de huecos en el cristal de
silicio. Por tanto ahora los "portadores
mayoritarios" serán los huecos y los electrones los
portadores minoritarios. El semiconductor sigue
siendo eléctricamente neutro, aunque exista una continua generación y anulación
de pares electrón huecos.
Símbolo del diodo
Encapsulados comerciales de diodos
Anodo
Cátodo
UNIÓN PN
Casi todos los diodos que se fabrican hoy en día están formados por dos tipo de silicio
diferentes, unidos entre si.
Al unir un cristal P con otro N, se produce el siguiente fenómeno.
Los electrones libres de la
zona N, pertenecientes a
átomos pentavalentes y que
no son utilizados en el
enlace covalente
correspondiente, son
atraídos por los huecos de la
zona P, donde pasan a
formar enlaces. De esa
forma, se crean iones
negativos en la zona P
cercana a la unión, y a su
vez se forman iones
positivos en la zona N cercana a la unión.
De ello resulta una “barrera de potencial”, también denominada zona agotada de
cargas, pues está compuesta de iones positivos y negativos.
La unión PN considerada globalmente sigue siendo eléctricamente neutra, aunque se ha
producido una concentración de cargas a un lado y otro de la unión.
Polarización de un diodo o unión PN.
Polarización directa
Es cuando aplicamos el terminal positivo al cristal P (ánodo) y el negativo al cristal
N (cátodo)
Los electrones salen del polo negativo de la
batería, recombinándose con los iones
positivos que hay en el cristal P. Asimismo,
los electrones sobrantes en el cristal P (iones
negativos) serán atraídos por el polo positivo
de la batería. Se eliminan por tanto los iones
de la región de agotamiento, desapareciendo
la barrera de potencial. El diodo adquiere
gran conductividad eléctrica,
comportándose prácticamente como un interruptor cerrado. La corriente circulante es
corriente debida a portadores mayoritarios (electrones de P y huecos de N).
Polarización inversa
Es cuando aplicamos tensión negativa al cristal P y tensión positiva al cristal N.
En este caso, la barrera de potencial no
desaparece, más bien aumenta, ya que
estamos aplicando cargas negativas al
cristal P, por lo que añadimos electrones
que formarán más iones negativos. A su
vez, el polo positivo de la batería atraerá
electrones del cristal N, por lo que el
número de iones positivos en la zona N
aumentará. Se ensancha, por tanto, la
barrera de potencial, que impide el paso
de corriente eléctrica a través de ella. El
diodo se comporta (idealmente) como un
interruptor abierto, aunque en la realidad hay una pequeña corriente debida a portadores
minoritarios (electrones de P y huecos de N). Esta corriente denominada de fugas, varía
con la temperatura, y aumenta poco con la tensión, hasta llegar a la zona de avalancha.
No obstante, esta corriente es muy significativa en el transistor, como veremos
posteriormente.
Zona de avalancha.
Aumentando el voltaje inverso de la unión,
la velocidad de los portadores minoritarios
aumenta (electrones de P atraídos por el
polo positivo aplicado a N). Llegado un
nivel de tensión, su velocidad es tal que
arrancan electrones adicionales por colisión,
produciéndose un efecto en cadena que
provoca la avalancha, o gran corriente inversa del diodo que si no se controla puede
llegar a romper el diodo.
Curva característica del diodo
En la curva, podemos ver como la intensidad directa se
incrementa exponencialmente con la tensión, mientras la
intensidad inversa apenas aumenta con la tensión inversa
aplicada, hasta llegar a la zona de avalancha, donde
aumenta enormemente en un pequeño margen de tensión
(región Zener).El máximo potencial de polarización
inversa que puede ser aplicado antes de entrar a la región
Zener se conoce como voltaje pico inverso.
Resumiendo: Podemos decir que el diodo es un elemento que, idealmente, se
comporta como un interruptor: cuando está polarizado directamente, el
interruptor está cerrado, circulando libremente la intensidad a través de él.
Cuando está polarizado inversamente, el interruptor está abierto, y no circula
intensidad.
Ejercicios: Analizar los siguientes circuitos y dibujar la forma de onda de salida Vo, si
a la entrada les aplicamos una onda senoidal Vi.
Diodo como rectificador
Los rectificadores convierten la corriente alterna de la red eléctrica, en corriente
contínua. Ningún aparato electrónico, funciona con corriente alterna directamente, o
sea, no se alimentan los componentes con este tipo de corriente, necesitamos rectificarla
para que funcionen correctamente, o sea convertirla a corriente directa ( C. C. )
Rectificador de media onda
Como el diodo sólo conduce cuanto esta directamente polarizado, la tensión de salida
es “casi” la tensión de entrada durante el semiciclo positivo (hay que restar 0,7 voltios
correspondientes a la tensión necesaria para contrarrestar la barrera de potencial).
Durante el semiciclo negativo, el diodo no conduce al estar inversamente polarizado,
así que la tensión de salida será cero, al no haber corriente en la resistencia.
Esta tensión no sirve para alimentar un circuito electrónico, tiene altibajos  corriente
continua pulsatoria.
Rectificador por puente de diodos.
Se utilizan
cuatro
diodos
conectados
en puente.
En el mercado podemos
encontrar puentes integrados en
un solo componente.
Durante el semiciclo positivo de la
tensión V2, los diodos D1 y D3
están polarizados directamente y
pueden conducir, atravesando la
corriente la resistencia de carga Rl
de arriba abajo, produciéndose en
ella una tensión positiva.
Durante el semiciclo negativo
de la tensión V2, los diodos D4
y D2 están polarizados
directamente, conduciendo la
corriente que vuelve a atravesar
Rl de arriba abajo,
produciéndose en ella también
una tensión positiva.
Por tanto, la tensión a la salida será una tensión
continua pulsatoria de doble onda. No obstante,
también es una tensión variable que no nos sirve para
alimentar un circuito, por lo que a un puente de
diodos tendremos que añadirle un filtro de tensión
la haga lo más contínua posible.
que
Rectificador de onda completa con filtro.
Si añadimos un condensador a la salida del puente, en paralelo con la carga, el
condensador, mientras la tensión pulsatoria de salida sube, se irá cargando, y
posteriormente, cuando la tensión baje, el condensador irá cediendo su carga eléctrica a
la salida, de forma que la tensión de salida no disminuya demasiado. Si el condensador
de filtro es suficientemente grande, la tensión de salida será prácticamente contínua.
En las formas de onda podemos ver como es la tensión sin filtrar (abajo) y la tensión
filtrada (medio) en la salida. Se aprecia la
carga y descarga del condensador de filtro.
El factor de rizado es una relación que indica
la”pureza” de la tensión continua de salida: es
el cociente entre la componente alterna y la
componente contínua de la tensión de salida.
Cuanto más pequeño sea este cociente, mas
lisa sera la tensión de salida, y mejor calidad
tendrá la fuente de alimentación.
Fuentes de alimentación
Una fuente de alimentación
convierte la tensión alterna de
entrada en tensión contínua de
salida estabilizada.
La fuente convencional
Este es su diagrama en bloques:




Transformador: modifica los niveles de tensión alterna a los requeridos por el
circuito a alimentar.
Rectificador: Convierte la alterna en contínua.
Filtro: Disminuye las variaciones (ondulaciones) presentes en la contínua.
Regulador: Mantiene estable el valor de la tensión de salida, a pesar de las
variaciones que puedan haber en el consumo de corriente. Normalmente está
basado en un diodo zener.
Ventajas:


Circuito simple y de bajo costo.
Aislamiento eléctrico de la red (por el transformador)
Desventajas:


Bajo rendimiento y estabilidad
Tamaño y peso grandes (por el transformador)
Se utiliza en circuitos simples, en los cuales no se tienen grandes requerimientos de
estabilidad. Por ejemplo, pequeños receptores de radio, reproductores de CD, televisores
portátiles, monitores monocromáticos, etc.
La fuente conmutada
Utilizando técnicas de llaveamiento con pulsos, y realimentación negativa, consigue
gran rendimiento y estabilidad.
Rectificador: convierte la alterna en contínua.
Llaveador: De acuerdo a las órdenes provenientes del generador de pulsos, conduce o
bloquea, en alta frecuencia.
Filtro: Disminuye (casi elimina) la alterna en la salida, dejándola totalmente contínua.
Comparador: Toma una muestra de la salida, y la compara con una referencia. Genera
una señal de error, que va al generador de pulsos.
Generador de Pulsos: Genera pulsos que irán al llaveador, que serán proporcionales al
voltaje de Error disponible en su entrada.
Funcionamiento
La señal de corriente alterna es rectificada y convertida en pulsos de contínua. Estos
pulsos son entregados a un llaveador, que conducirá, o bloqueará, en alta frecuencia
(típicamente más de 10.000 Hz.).
Esta salida llaveada es filtrada por un filtro capacitivo normal. Como la conmutación
(llaveamiento) es en alta frecuencia, el filtrado es fácil.
Se toma una muestra de la tensión de salida. Esta es aplicada a un comparador, en cuya
segunda entrada tiene un voltaje de referencia. El comparador saca una señal de error
que es proporcional a la diferencia entre la Salida y la Referencia. Esta señal de error es
enviada al Generador de Pulsos, de forma a que éste ordene al Llaveador que conduzca
más o conduzca menos, según sea necesario.
Ventajas:


Alta estabilidad y rendimiento.
Poco peso y tamaño
Desventajas:


Alto costo y circuito complejo. (cada vez son más baratas).
No aisla al circuito alimentado de la red.
Usos:
En circuitos que requieren gran estabilidad y alto rendimiento. Típicamente circuitos
digitales, o con gran cantidad de componentes de ese tipo. Ahora casi todos los circuitos
tienden a tener fuentes conmutadas.
Otros diodos
Diodo Zener
El diodo Zener es un diodo que ha sido diseñado para trabajar en la
región Zener. Por lo tanto, es un diodo que trabaja inversamente
polarizado.
Al comprar un diodo zener, lo compramos
para una tensión determinada que es la que
queremos estabilizar. El diodo Zener se
diferencia del diodo rectificador en que está
más dopado, alcanzando fácilmente la zona
zener o zona de avalancha. Si en esa zona
somos capaces de mantener la corriente en
niveles aceptables, el zener estabilizará la
tensión de salida a esa tensión zener.
En el circuito de la figura, si
queremos mantener la carga a una
tensión máxima de 4, 8 voltios, por
ejemplo, elegiremos un zener de esta
tensión. Cuando la tensión supere los
4,8 voltios, el zener entrará en
ruptura, absorbiendo el exceso de
tensión en forma de corriente, por lo
que la tensión en R irá aumentando,
absorbiendo el exceso de tensión. En la curva del zener podemos ver
como la intensidad aumenta manteniéndose constante la tensión.
Diodo Varicap
El Varicap (Epicap, capacidad controlada por
tensión o diodo de sintonía) es un diodo que se
comporta como un condensador donde la
capacidad esta controlada por la tensión.
Ya hemos visto que en un diodo polarizado
inversamente, se crea una barrera de potencial o
zona agotada donde no hay cargas libres. Esa
barrera se comporta como un dieléctrico, cuyo
grosor aumentará o disminuirá en función de la
tensión inversa aplicada. Por tanto estamos ante un
condensador variable en función de la tensión. A
mayor tensión, mayor dieléctrico y por tanto menor
capacidad del condensador.
En la curva característica del Varicap podemos ver la variación de la Capacidad con la
tensión inversa.
Su aplicación es en sintonizadores de radio, sustituyendo a los
condensadores variables grandes y costosos
El diodo emisor de luz (LED)
El LED es un diodo que produce luz visible (o invisible, infrarroja) cuando
se encuentra directamente polarizado. El voltaje de polarización de un LED
varía desde 0,8 V hasta 2.5 V, y la corriente necesaria para que emita la luz
va desde 8 mA hasta los 20 mA.
Principio de Funcionamiento:
En cualquier unión P-N polarizada directamente, se recombinan continuamente
electrones y huecos al pasar la corriente.. Esta recombinación supone una pérdida de
energía del electrón, que se va en forma de luz y calor. En el Si y el Ge el mayor
porcentaje se transforma en calor y la luz emitida es insignificante. Por esta razón se
utiliza otro tipo de materiales para fabricar los LED's, como Fosfuro Arseniuro de de
Galio (GaAsP) o fosfuro de Galio (GaP).
Su funcionamiento es análogo al del diodo rectificador.. Según el material pueden emitir
en el infrarrojo (diodos IRED), rojo, azul, amarillo y verde, dependiendo de cual sea la
longitud de onda en torno a la cual emita el LED.
Entre sus aplicaciones podemos destacar: pilotos de señalización, instrumentación,
optoaclopadores, etc.Su intensidad no debe pasar de 20 mA, por lo que siempre van
conectados con una resistencia en serie.
Fotodiodo
Diodo sensible a la luz. Generan un voltaje de corriente continua
proporcional a la cantidad de luz que incide sobre su superficie,
es decir, son diodos de unión PN cuyas características eléctricas
dependen de la cantidad de luz que incide sobre la unión. Se
utilizan como medidores y sensores de luz y en
receptores ópticos de comunicaciones. También
como alarmas (células fotoeléctricas).
El efecto fundamental bajo el cual opera un
fotodiodo es la generación de pares electrón - hueco
debido a la energía luminosa. Ello aumenta la
corriente inversa de trabajo del diodo, por lo que
esta es proporcional a la luz . Hay que recordar que
un diodo presenta unas pequeñas corrientes de
fugas de valor IS (intensidad de saturación). Las corrientes de fugas son debidas a los
portadores minoritarios, electrones en la zona P y huecos en la zona N. La generación
de portadores debido a la luz provoca un aumento sustancial de portadores minoritarios,
lo que se traduce en un aumento de la corriente de fuga en inversa.
Diodo túnel
Los diodos de efecto túnel. Son dispositivos muy versátiles que
pueden operar como detectores,
amplificadores y osciladores.
Poseen una región de juntura
extremadamente delgada que permite a los
portadores cruzar con muy bajos voltajes de
polarización directa y tienen un tramo de resistencia
negativa, esto es, la corriente disminuye a medida
que
aumenta el voltaje aplicado.
Diodo láser
Los diodos láser son constructivamente diferentes a los diodos LED normales. Las
características de un diodo láser son:
La emisión de luz es dirigida en una sola dirección: Un diodo LED emite fotones en
muchas direcciones. Un diodo láser, en cambio, consigue realizar un guiado de la luz
preferencial una sola dirección.
Corte esquemático de la emisión de luz en diodos LED y láser
Debido a estas dos propiedades, con el láser se pueden conseguir rayos de luz
monocromática dirigidos en una dirección determinada. Como además también puede
controlarse la potencia emitida, el láser resulta un dispositivo ideal para aquellas
operaciones en las que sea necesario entregar energía con precisión.
Ejemplo de aplicación: El lector de discos compactos:
Una de las muchas aplicaciones de los diodos láser es la de lectura de información
digital de soportes de datos tipo CD-ROM
Esquema del funcionamiento del CD-ROM
Un haz láser es guiado mediante lentes hasta la superficie del CD. A efectos prácticos,
se puede suponer dicha superficie formada por zonas reflectantes y zonas absorbentes
de luz. Al incidir el haz láser en una zona reflectante, la luz será guiada hasta un
detector de luz: el sistema ha detectado un uno digital. Si el haz no es reflejado, al
detector no le llega ninguna luz: el sistema ha detectado un cero digital.
Cuanto más pequeña es la longitud de onda del diodo, más pequeñas son las celdas que
puede leer en un disco. Por ello el DVD ha sido posible al conseguir diodos láser que
emiten en longitud de onda cada vez más pequeña.
Comprobación de diodos
Se pueden probar con un téster en la posición
óhmetro, en las escalas de resistencia y
preferiblemente en las escalas ohm x 1, ohm x
10 ó también ohm x 100. Así cuando se
intenta medir la resistencia de un diodo, se
encontrarán dos valores totalmente distintos,
según el sentido de las puntas. Polarizado
directamente, la resistencia que marca el téster
tiene que ser baja. Polarizado inversamente, la
resistencia tiene que ser muy alta. De no ser
así el diodo estaría estropeado.
El transistor bipolar
Un transistor puede considerarse formado por dos
diodos semiconductores con una zona común. En un
transistor existen tres terminales. La zona común se
denomina base y las dos zonas exteriores en contacto
con la base son el emisor y el colector.
Estructura del transistor
Están formados por tres capas alternas de
semiconductores de tipo N y P, lo que da dos
posibilidades de transistores, los PNP y los NPN.
Las tres regiones de material semiconductor reciben
el nombre de base, emisor, y colector, y son
accesibles eléctricamente gracias a tres patillas que
permiten que conectar el tr el transistor al circuito de
aplicación.
Para que un transistor pueda funcionar correctamente,
se tienen que cumplir una serie de condiciones:


El espesor de la base sea muy pequeño
El emisor esté mucho más dopado que la base
(más cargas libres).

Que esté bien polarizado, es decir a las tensiones adecuadas. La unión
correspondiente al diodo emisor-base debe polarizarse en sentido directo,
mientras que la unión correspondiente al colector-base ha de estar
polarizada en sentido inverso.
Cuando un transistor se polariza como aparece en la figura anterior para un transistor
PNP, se podría esperar que sólo circulase corriente entre el emisor y la base que
tienen la unión polarizada en directa, mientras que la unión entre la base y el emisor está
polarizada en inversa. Pues bien, se observa que como la base es una capa
fina, parte de los portadores de carga pasan al colector, por lo que por él
sale corriente a pesar de estar conectado en inversa. Esta corriente de salida
del colector se puede regular regulando la corriente de la base. El hecho de que el
emisor esté más dopado, ayuda a que haya más portadores de carga que se
difundan hacia el colector.
Como en el transistor no se acumula carga, se cumple que la corriente que sale por
el emisor es igual a la suma de las corrientes que entran por la base y el colector.
Encapsulados del transistor.
Funcionamiento de un transistor en emisor común
Un transistor puede conectarse en tres
configuraciones básicas. Emisor común, base
común y colector común. Veremos la primera
por ser la más utilizada.
En el esquema vemos una configuración
básica con transistor NPN donde el emisor
forma parte tanto del circuito de entrada como
del de salida (emisor común). Los parámetros
que nos interesan son la intensidad de base
(Ib), la tensión entre base y emisor (Vbe), la
intensidad de colector (Ic) y la tensión entre colector y emisor (Vce). Como se puede
comprobar, la entrada está polarizada directamente, al ser un transistor NPN la base es
cristal P y se le aplica el polo positivo de la batería. La unión colector base estará
polarizada inversamente, ya que aplicamos el polo positivo al colector, que es cristal N.
La pila que alimenta al circuito de salida suele ser de un valor bastante mayor que la que
alimenta al circuito de entrada, por lo que la base es más negativa que el colector.
Si sólo aplicáramos tensión a la entrada, quitando la
pila de salida, la unión base emisor se comportaría
como un diodo normal, entrando en conducción directa
en cuanto la tensión de la pila de entrada superara la
barrera de potencial (0,7 voltios aproximadamente)
Si variamos el valor de la pila VBB de la malla de
entrada, tomando valores de IB y VBE podemos obtener
la curva característica de entrada, similar a la de un diodo en
conducción directa. Por el circuito de salida no circularía
corriente (Ic) ya que no hemos aplicado tensión en la malla
de salida.
Hasta aquí, nada diferente de lo que es un diodo. Pero
veamos qué es lo que ocurre cuando aplicamos la pila de la
malla de salida.
¡¡ATENCION, ES IMPORTANTE ENTENDER BIEN EL SIGUIENTE
PARRAFO!!
Recordemos que la base es un cristal estrecho.
Cuando apliquemos Vbb, se producirá, como
hemos visto, una corriente de emisor. Los
electrones, que son portadores mayoritarios en
el emisor, son portadores minoritarios en la
base. Por tanto, cuando los electrones del
emisor pasen a la base, parte de ellos saldrán
por la base, pero gran parte de ellos, atraidos
por el polo positivo de Vcc, atravesarán la
unión colector base, polarizada
inversamente, y llegarán al colector, saliendo por este terminal, formando la Ic.
Recordemos que ello puede ser porque los portadores minoritarios pueden
atravesar una unión polarizada inversamente, como lo es la unión colector base.
(Ver unión PN).
Si aumentamos la tensión Vbb, entonces la corriente de emisor aumentará, como hemos
visto en la curva de entrada del transistor, ya que el diodo base emisor está polarizado
directamente. Ello hará que muchos más electrones del emisor pasen a la base, donde,
recordemos, son portadores minoritarios, y por tanto pueden atravesar la unión colector
base, polarizada inversamente, formándo la Ic.
Vemos, por tanto, que podemos controlar la intensidad de salida del circuito (intensidad
de colector) controlando la intensidad de entrada (intensidad de base). Lo interesante
del transistor es que las variaciones de intensidad de entrada son pequeñas (Ib
suele ser micro o miliamperios), y esas variaciones producen grandes variaciones
de la intensidad de salida (Ic son miliamperios o amperios), por lo que el transistor
en emisor común se comporta como un amplificador de las variaciones de
corriente.
Veamos un caso práctico:
Si aplicamos una tensión Vbb constante, que produzca una Ib constante (p. ej. 10 uA), y
vamos incrementando la Vcc desde cero, podemos ver que la Ic y la Vce van
aumentando linealmente hasta el codo, donde el incremento de Ic se amortigua
(saturación de
corriente) y la
Vce aumenta.
Vemos en la
curva de salida,
que la Ib es del
orden de uA, sin
embargo la Ic
será del orden
de miliamperios.
Por tanto, si introdujéramos una intensidad variable de entrada (Ib) pequeña,
obtendríamos un gran variación de intensidad de salida (Ic). En ello se basa la
aplicación del transistor como amplificador.
Zonas de funcionamiento
Zona de corte. Para un transistor de silicio,
si Vbe es inferior a 0,6 V, ambas uniones
están polarizadas en sentido inverso y las
intensidades en los terminales se pueden
considerar despreciables. En otras palabras,
la tensión de base no es lo suficientemente
alta para que circule corriente por la unión
base emisor, por lo que la corriente de
colector es igualmente despreciable.
Zona activa. La unión base-emisor está
polarizada en sentido directo ( Vbe > 0,6 V)
y la unión colectora lo está en sentido inverso. Esta zona es muy importante, puesto
que el transistor funciona en ella cuando se utiliza para amplificar señales. El punto Q es
el punto de trabajo en reposo del transistor, que se define como el punto de conducción
que tiene cuando está en reposo (sin aplicar señal de entrada a amplificar).
Zona de saturación. Ambas uniones, emisora y colectora, están polarizadas en sentido
directo. La corriente base-emisor es muy grande, por lo que la corriente de colector lo es
igualmente grande. Se dice que ha entrado en saturación si el voltaje del colector es
inferior a la tensión base-emisor.
La recta que atraviesa la curva se denomina “recta de carga” y se componen de los
lugares que puede ocupar el punto de trabajo del transistor. Responde a la siguiente
fórmula, que sería la ecuación de la malla de salida.
Vcc = Vce + Rc * Ic  ecuación de la recta de carga
Toda recta se determina mediante dos puntos.
Si Ic = 0  transistor en corte, entonces Vcc = Vce (punto en abscisas) . No hay
intensidad de colector, por tanto no hay caida de tensión en la Rc y toda la tensión de
alimentación está entre colector y emisor.
Si Vce = 0  transistor en saturación, entonces Ic = Vcc/Rc) (punto en ordenadas). El
transistor conduce “a tope”. Toda la tensión de alimentación cae en la Resistencia de
carga.
Los transistores en emisor común suelen trabajar como amplificadores (zona activa) o
como conmutadores (zonas de corte saturación). El modo en que queramos que trabajen
determinará el circuito de polarización del mismo que utilizemos.
Transistor como conmutador
Supongamos el siguiente circuito, adecuadamente
polarizado para trabajar como conmutador.
Con el interruptor abierto, no hay intensidad de
base, luego no puede haber Ic, por lo que el
transistor no conduce, en la resistencia de salida
no cae tensión y la Vsal será igual al al V de
alimentación (10 V).
IB = 0 IC = 0 CORTE (el transistor no conduce)
Estamos en el punto 1 de la recta de carga.: en la
práctica si que hay una pequeña corriente de fugas, por
lo que la Vsal es un poco menor de 10 V. Para
electrónica digital no tiene mucha importancia ese
pequeño margen, por lo tanto se desprecia.
Si ahora cerramos el interruptor, tendremos una Ib
fuerte, lo cual por el efecto transistor provocará una
gran Ic. El transistor conduce y toda la tensión de la
malla de salida cae en la resistencia de colector, por
lo que en la Salida tendremos prácticamente 0
voltios (en realidad 0,7 voltios). Estamos en el
punto 2 de la recta de carga
Aplicación:
Si tenemos en la entrada una onda cuadrada, la onda de salida será también cuadrada,
pero invertida. Este circuito será un inversor, muy utilizado (con mejoras) en electrónica
digital.
También lo
podemos
utilizar en
electrónica analógica, para
controlar relés y otra cargas “todonada”, que no exijan regulación
contínua de la tensión de salida.
Problema: analiza el siguiente circuito con VBB = 0, y con VBB = 10 V. ¿Qué ocurre
en cada caso? ¿Cómo están los transistores?
Actividad: Los dos esquemas siguientes son otras aplicaciones del transistor como
conmutador. Analizar el funcionamiento de ambos.
Transistor como amplificador de
tensión
Polarizar un transistor es darle
adecuados niveles de tensión en reposo
(sin entrada de señal) para que trabaje
adecuadamente  determinar el punto
Q, punto de trabajo estático.
Polarización con divisor de tensión
En este esquema vemos un transistor
polarizado mediante un circuito divisor
de tensión. Se puede observar, que la
tensión que se aplica en este caso entre base y masa es la que cae en la resistencia R2.
Mediante un cálculo adecuado de las resistencias, conseguimos que el transistor esté en
un punto de trabajo en reposo que nos permite introducir una señal para ser amplificada.
Determinación del punto de trabajo Q
En las siguientes curvas, podemos comprobar como la determinación del punto de
trabajo en reposo da lugar a diferentes clases de amplificación:
Clase A: toda la
señal de entrada se
amplifica. La señal
de salida tiene la
misma forma que la
de entrada 
fidelidad. Se usa en
amplificadores de
calidad.
Clase B: Sólo
amplificamos un
semiciclo de la
señal de entrada 
distorsión, permite
mayor nivel de
amplificación.
Clase C:
Amplificamos sólo
un trozo de un
semiciclo  mayor
distorsión, mayor
potencia de salida,
peor calidad de sonido  megafonía de un campo de fútbol.
Esquema y funcionamiento de un amplificador de tensión de una sola etapa.
Una vez hemos polarizado en
reposo el circuito amplificador,
tendremos que introducir la señal
de entrada a amplificar.
En el esquema vemos un circuito
amplificador:
Vin es la señal a amplificar: Cs
es un condensador que deja pasar
la señal alterna, pero impide el
paso de Vc hacia la fuente de
señal (recordemos que un
condensador conduce la corriente
alterna, pero no la continua). Dicha señal se superpondrá a la tensión de polarización de
la base, variando el punto Q como podemos ver en la curva de salida.
Durante el semiciclo positivo de la señal de
entrada, la Vbe aumentará, por lo que la
conducción del transistor será mayor. Ello
provocará que la Ic que atraviesa Rc
aumente también, por lo que la caida de
tensión en Rc será mayor y la tensión En el
colector será menor. Vemos por tanto que a
un incremento de la tensión de entrada
corresponde un decremento de la tensión de
salida.
Durante el semiciclo negativo, la Vbe
disminuye, por lo que la conducción del
transistor también lo hará. La Ic por tanto disminuye, disminuyendo la caida de tensión
en Rc. De ello resultan una tensión en el colector mayor. Luego a un decremento de la
tensión de entrada, corresponde un aumento de la tensión de salida.
Es por ello que un amplificador de tensión desfasa la señal amplificada 180 grados,
como podemos ver en la curva de salida (cuando la Vbe aumenta, la Ib aumenta y la
Vce disminuye). Luego si queremos obtener una onda en fase con la entrada deberemos
poner al menos dos etapas amplificadoras.
La resistencia de emisor se coloca para estabilizar al transistor ante variaciones de
temperatura, de forma que su punto Q no varíe. El condensador Cr, también llamado de
emisor, impide pérdida de ganancia en alterna debido a la caida de tensión en el emisor.
Por último, Cs, es el condensador de salida, que separa la tensión continua de
alimentación de la señal amplificada.
El esquema siguiente es un
amplificador de tensión básico con
transistor NPN (BC108). La
potencia de salida no es suficiente
para atacar a un altavoz, pues es un
amplificador “previo” que se
utiliza para atacar etapas de más
potencia.
Comprobación de transistores bipolares
Mediante el téster, podemos comprobar el transistor teniendo en cuenta que la base debe
conducir con los otros dos terminales en un sentido y en el otro no. En cuanto a la
diferenciación entre emisor y colector, podemos también utilizar el téster, pero lo mejor
es hacerlo mediante la hoja del fabricante.
Otros transistores
Transistor de efecto de campo (FET)
¿Porqué le llamamos Bipolar al transistor que acabamos de conocer? Porque
funciona jugando con el movimiento de Huecos y Electrones, esto es, los dos tipos de
portadores. En el resto de los transistores las corrientes se deben a solo un tipo de
portadores.
El transistor JFET (Juntion Field Effect Transistor) consiste en una barra de tipo N,
entera con una zona, hacia la mitad estrangulada por una zona tipo P llamada Graduador
o también Compuerta. Si se aplica tensión entre los extremos de la barra, como ésta se
encuentra íntegra, a través de ella fluye una corriente de valor importante.
Drenador
Sumidero
Polarizando inversamente la unión compuertabarra, en la zona de la compuerta se produce un
enrarecimiento de portadores o zona de agotamiento que
dificulta la conducción. Se dice que el Canal, como se le
llama a la sección de barra que queda frente a la
compuerta, se estrecha.
D
D
Id
Id
G
Compuerta
P
Canal
Vdd
Graduador
G
P
P
P
Vgs
D
Surtidor
Fuente
G
N
N
S
S
S
N
N
Aislante
P
N
+++
+
Vgs
P
N
-
+
+
+
+
Vgs
D
D
Id
G
Canal
Vdd
P
Por lo tanto, si aplicáramos una tensión inversa variable a la
compuerta (Gate) tendriamos una variación de la zona de
estrangulamiento, variando así la conductividad de la barra de
cristal N y por tanto la corriente que fluye por el Drenador.
¿No es lo mismo que un transistor bipolar trabajando como
amplificador? ¿Se parece a un grifo que moviésemos
rápidamente, cerrándolo y abriéndolo, de forma que variáramos
el caudal que pasa por la
ID
cañería?
Id
P
P
P
Vgs
N
N
S
S
USG=0V
N Los extremos de las barras podrían
N
seguir llevando
- Graduador
los mismos
nombres que los del transistor
bipolar,
- +
- +
+++ Sustrato
+++
+
+
-preferido
P pero parece
P
ser
que
sus
inventores
han
- +
- +
+
Surtidor alNque hace -las+ veces
de
Vgs
Vgs
N matizar -llamando
Emisor, y Sumidero o Drenador Surtidor
al Colector.
Drenador
Aislante
+++
+
Vgs
USG1
USG2
VP
UDS
El JFET se emplea muchísimo menos que el BJT , fundamentalmente porque
responde mal a altas frecuencias, aunque su amplificación es más pura (la corriente de
salida no atraviesa ninguna unión PN, que introducen ruido en la señal), y su ganancia
más estable.
Transistores MOSFET (FET Metal-oxido-semiconductor)
D
D
G
G
S
Canal N
D
D
G
G
S
Canal P
S
S
Canal N
Canal P
Los dos primeros símbolos son los Mosfet de enriquecimiento. Los otros dos son mosfet
de empobrecimiento.
Mosfet de enriquecimiento canal N.
En este tipo de transistores la tensión de compuerta
(G) se aplica a una fina película de aislante de
óxido. La característica fundamental de estos
transistores es que no circula corriente por la
compuerta. El óxido actúa como dieléctrico.
G
S
D
N
N
Metal
Oxido (aislante)
P
SUSTRATO
Semiconductor
UDS
ID=0
G
D
S
N
En principio, aplicando Vds no tendríamos circulación de
corriente por el drenador, ya que hay dos barreras de potencial,
una de ellas polarizada inversamente.
N
P
SUSTRATO
Si aplicamos tensión positiva a la compuerta, se
producirá un desplazamiento de electrones a la
zona cercana (en el cristal P), creándose una
región rica en cargas negativas, y por tanto una
región N, que anula las barreras de potencial
anteriores y permite el paso de corriente de Id.
+++ +++
n
N
N
UGS
P
-
e
-
e
e
-
e
-
En la curva característica podemos ver que la intensidad de drenador crece linealmente,
primero, para llegar a saturación, después. Cuanto mayor sea la tensión Vgs más
rápidamente crecerá la intensidad.
UDS
ID (mA)
UGS
10
40
30
8
20
6
10
Por debajo de
esta tensión no
se forma el canal
4
2
4
6
8
UGS
ID
N
P
UDS (V)
N
Campo eléctrico
debido a UDS
Campo eléctrico
debido a UGS
Transistores CMOS
En la figura vemos una pareja de transistores mosfet, un Nmos
y otro Pmos, unidos y formando la denominada tecnología
CMOS, muy utilizada en la fabricación de circuitos
integrados. EL circuito sería un inversor lógico.
Cuando la tensión de entrada es 1 (nivel lógico alto) el
transistor NMOS (abajo) conduce, pero el transistor PMOS
(arriba) está en corte, por lo que la tensión en Y será de cero
voltios (nivel lógico bajo).
Cuando la tensión de entrada sea cero, NMOS estará cortado y
PMOS en saturación o conduciendo, siendo entonces la
tensión de salida en Y igual a +VDD (nivel lógico alto).
La gran ventaja de los transistores CMOS es que su consumo estático (mientras no
cambian de estado) es prácticamente nulo, pues ya hemos visto que trabajan por tensión
y no por intensidad, además de que siempre uno de los dos transistores está cortado, por
lo que no hay corriente ni por las puertas ni por los drenadores. LA configuración
CMOS sólo consumirá corriente en la conmutación. Ello lo hace muy interesante de
cara a la integración en chips, donde la disipación de potencia es un tema a tener muy en
cuenta.
Electrónica de potencia
Se suele denominar así a las aplicaciones industriales donde se regulan altas tensiones y
corrientes, mediante dispositivos electrónicos. ES la aplicación de la electrónica de
estado sólido para el control y la conversión de la energía eléctrica".
A diferencia de como ocurre en la electrónica de las corrientes débiles, en que se da
prioridad a la ganancia y fidelidad, la característica más importante de la electrónica de
potencia es el rendimiento.
La electrónica de potencia combina la energía, la electrónica y el control. A
continuación podemos apreciar un esquema básico de bloques de un sistema electrónico
de potencia.
La regulación de la potencia
se realiza mediante un
muestreo de la señal de salida
con una tensión de referencia.
Ese muestreo dará un
resultado que mediante un
circuito de mando actúa sobre
el circuito de potencia,
aumentando o disminuyendo
la transferencia de potencia
de alimentación a la carga.
El tiristor o Rectificador controlado de Silicio (SCR).
Un tiristor es un dispositivo semiconductor de cuatro capas
de estructura pnpn con tres uniones pn. Tiene tres
terminales: ánodo, cátodo y compuerta o gate . La figura
muestra el símbolo del tiristor y su estructura cristalina.
En la figura podemos ver el modelo
básico de gobierno de un tiristor: una
carga Rc alimentada por una tensión, y
un circuito de gate o puerta que controla
la conducción.
Funcionamiento.
Si aplicamos una tensión ánodo-cátodo (Vak) positiva: las uniones J1 y J3 tienen
polarización directa o positiva. La unión J2 tiene polarización inversa, y solo fluye una
pequeña corriente de fuga. Se dice entonces que el tiristor está en condición de
bloqueo directo en estado desactivado.
Si el voltaje de ánodo a cátodo VAK se incrementa a un valor lo suficientemente grande,
la unión J2 polarizada inversamente
entrará en ruptura. Esto se conoce
como ruptura por avalancha y el
voltaje correspondiente se llama
voltaje de ruptura directa. Dado que
las uniones J1 y J3 tienen ya
polarización directa, habrá un
movimiento libre de portadores a
través de las tres uniones, que
provocará una gran corriente directa
del ánodo. Se dice entonces que el
dispositivo está en estado de
conducción o activado. La caída de
voltaje se deberá a la resistencia
óhmica de las cuatro capas y será
pequeña, por lo común cercana a 1
volt.
Una vez que el tiristor está activado, se comporta como un diodo en conducción y
ya no hay control sobre el dispositivo.
Esta es una forma posible de cebar o
activar el tiristor, pero no nos
interesa, pues para ello pondríamos
un diodo. Lo interesante del tiristor
es el poder activarlo a diferentes
tensiones ánodo-cátodo,
gobernándolo mediante el terminal
de puerta o gate.
Si aplicamos una tensión positiva en
la puerta del tiristor, se establece una
corriente por la unión J3, polarizada directamente, que produce un aumento de
electrones en el cristal P, donde son portadores minoritarios para la unión J2 y por tanto
pueden atravesarla, facilitando que el efecto avalancha en esta unión se realice a menor
tensión Vak. Cuanto mayor sea esa tensión de compuerta, menor será la tensión Vak
necesaria para lograr el disparo del tiristor, por lo que una variación Vgk consigue
diferentes puntos de disparo.
Tenemos por tanto un “diodo de disparo controlado” que nos permitirá rectificar toda o
parte de la corriente que nos ofrezca una fuente de tension alterna.
Cuando el voltaje del cátodo es positivo con respecto al ánodo, la unión J2 tiene
polarización directa, pero las uniones J1 y J3 tienen polarización inversa. Esto es similar
a dos diodos conectados en serie con un voltaje inverso a través de ellos. El tiristor
estará en estado de bloqueo inverso y una corriente de fuga, conocida como corriente de
fuga inversa IR fluirá a través del dispositivo.
Descebado del tiristor:
Una vez en conducción, el tiristor sólo se puede cortar o descebar disminuyendo la
intensidad por debajo de la intensidad de mantenimiento. En la práctica lo que se suele
hacer es cortocircuitar las patillas del tiristor momentáneamente, o reduciendo la tensión
Vak a cero. Entonces el tiristor se bloquea y hay que volver a dar una tensión de
compuerta para cebarlo de nuevo.
El tiristor sólo puede ser cebado mediante Vak positiva, de forma que por sí solo no
puede gobernar corriente alterna. Su aplicación más general es para la regulación de
velocidad de motores de corriente contínua. Para gobernar corriente alterna con
tiristores, se suelen asociar estos en antiparalelo, o también sustituyendo dos de los
diodos de un rectificador puente por tiristores.
El circuito de la figura es una lámpara
activada por tiristor. La Ve es alterna, así que
la lámpara solo se encenderá durante un
semiciclo de la tensión de entrada. El
potenciómetro de 470 K regula la corriente
que carga el condensador, de forma que este
tardará más o menos en hacerlo, y por tanto la
tensión de compuerta del tiristor aumentará más o menos rápidamente en función de
ello, variando así el ángulo de disparo del tiristor y por tanto la potencia suministrada a
la bombilla.
El Diac
El Diac es un dispositivo semiconductor de dos
conexiones. Es un diodo bidireccional, una
combinación paralela inversa de dos terminales de
capas de semiconductor que permiten el disparo
en cualquier dirección. Las características del
dispositivo muestran que hay un voltaje de ruptura
en ambas direcciones. Esta posibilidad de una
condicion de encendido en cualquier dirección puede usarse al máximo para
aplicaciones en AC.
Los Diac son una clase de tiristor, y se usan
normalmente para disparar los triac, otra clase de
tiristor. Se activa cuando el voltaje entre sus
terminales alcanza el voltaje de ruptura, dicho voltaje
puede estar entre 20 y 36 volts según la referencia. En
la curva podemos ver que su comportamiento es
similar al de un tiristor, salvo que su tensión de
disparo es única y en ambos sentidos.
En el esquema podemos ver un diac utilizado para
controlar un Triac en una regulación de corriente
alterna. La carga del condensador es regulada
mediante el potenciómetro, cuando la tensión del
condensador llegue a la de disparo del diac, este
entrará en conducción, activando el Triac, que hará lo
mismo, e iluminándose la bombilla.
Triac
Un Triac es un dispositivo semiconductor, de la familia de los tiristores . La diferencia
con un tiristor convencional es que éste es unidireccional y el triac es bidireccional.
De forma coloquial podría decirse que el triac es un interruptor capaz de conmutar la
corriente alterna.
Su estructura interna se
asemeja en cierto modo a
la disposición que
formarían dos tiristores
en antiparalelo.
Posee tres electrodos: A1,
A2 , o T1 y T2 según
fabricantes (en este caso
pierden la denominación
de ánodo y cátodo) y
puerta. El disparo del
triac se realiza aplicando
una corriente al electrodo puerta.
Estructura cristalina
Símbolo
La curva del Triac es similar a la del Diac, pero con la diferencia de que podemos
controlar la tensión Vbd de disparo del Triac como en el tiristor, haciéndola mayor o
menor y regulando así la potencia que dejamos pasar en ambos sentidos (CA).
El triac puede ser disparado en cualquiera de los
dos cuadrantes I y III mediante la aplicación
entre los terminales de compuerta G y MT1 de
un impulso positivo o negativo. Esto le da una
facilidad de empleo grande y simplifica mucho .
Regulación de potencia por el Triac
En el circuito simplificado de la figura, tenemos un triac en serie con una carga, por lo
que esta recibirá potencia eléctrica cuando el triac entre en conducción. La corriente
promedio entregada a la carga puede
variarse alterando la cantidad de tiempo por
ciclo que el triac permanece en el estado
encendido. Si permanece una parte pequeña
del tiempo en el estado encendido, el flujo
de corriente promedio a través de muchos
ciclos será pequeño, en cambio si permanece
durante una parte grande del ciclo de tiempo
encendido, la corriente promedio será alta.
Un triac no esta limitado
a 180 de conducción por
ciclo. Con un arreglo
adecuado del disparador,
puede conducir durante el
total de los 360 del ciclo.
Por tanto proporciona
control de corriente de
onda completa, en lugar
del control de media onda
que se logra con un SCR.
Después de transcurrido
los 30 , el triac dispara y
se vuelve como un
interruptor cerrado y
comienza a conducir
corriente a la carga, esto lo realiza durante el resto del semiciclo. La parte del semiciclo
durante la cual el triac esta encendido se llama ángulo de conducción.
En las formas de onda del ejemplo (a), estamos disparando el Triac cuando la tensión
entre sus terminales A1 y A2 es pequeña. Al dispararlo, el triac entra en conducción y la
corriente puede atravesar la carga, creándose esa forma de onda. Si fuese una bombilla,
se iluminaría mucho. Se ve también que al ser disparado, la VA1A2 del triac desciende
a prácticamente cero voltios. El Triac, al pasar la tensión por cero voltios, se bloquea, y
por lo tanto tenemos que volver a dispararlo en el semiciclo negativo.
En el ejemplo (b), estamos disparando el Triac a 120 grados, por lo que el tiempo en el
que entregamos corriente a la carga es mucho más pequeño.
El Triac, al igual que el tiristor y el Diac, se bloquea cuando la tensión en sus terminales
pasa por cero voltios, por lo que hay que dispararlo en cada cambio de semiciclo de la
tensión de alimentación.
Regulador de luz por triac
El cebado del triac se realiza mediante una célula RC que introduce un desfase
debido a la constante de tiempo de carga
del C. La constante está determinada por
los valores de R, P, y C
El retraso introducido por el
circuito RC puede ser variado con el
potenciómetro y con ello la potencia
media entregada a la carga.
Cuando el poteciómetro está al
mínimo, habrá menos desfase en la señal
con lo que producimos el impulso antes
y aplicamos más potencia a la RL.
Si aumentamos el valor de P, el impulso se producirá más tarde y aplicamos menos
potencia a la carga, ya que está más tiempo.
Funcionamiento:
Vi
El potenciómetro (250K) tiene cinco terminales,
dos de ellos forman la llave que conecta el
circuito a la red. Al conectarlo, una pequeña
intensidad atravesará la bombilla y el
potenciómetro, cargando el condensador de 100K.
Esto ocurre muy rápidamente. A través de la
V2
resistencia de 8,2K, aplicamos tensión al Diac,
1
que en cuanto supere los 30 Voltios, se disparará,
conduciendo y permitiendo la aplicación de un
impulso de tensión en la puerta del Triac, con lo
que a su vez este también se disparará,
permitiendo el paso de corriente y encendiéndose por V
tanto la bombilla.
L
Variando el potenciómetro, variamos la velocidad de carga del condensador de 100K, o
lo que es lo mismo, variamos el ángulo de disparo del Diac, y por tanto el ángulo de
conducción del Triac. Ello ocurre en cada semiciclo de la tensión de entrada, de forma
que controlamos prácticamente los 360 grados de la misma.
PRACTICAS DE ELECTRONICA CON EL COCODRILE.
1.- Polarización de diodos.
Realiza el siguiente circuito.
Antes de activar los pulsadores, analiza qué lámparas se encenderán en cada caso.
Anota tus respuestas y razónalas.
2.- Rectificador de media onda.
Realiza el siguiente circuito.
Coloca la sonda antes y después del interruptor, cuando hayas activado este.
¿Qué forma de onda obtienes en el osciloscopio?
¿Podemos alimentar un circuito electrónico con este rectificador? ¿Por qué?
3.- Rectificador puente con y sin filtro.
Realiza el siguiente circuito.
Comprueba con el osciloscopio la señal de salida.
¿Nos sirve este circuito para alimentar un circuito electrónico?
Coloca un condensador de 500 uf en paralelo con la resistencia de salida, y comprueba
con el osciloscopio la forma de onda de la tensión de salida.
4.- Rectificador doblador de tensión.
Describe que el funcionamiento del circuito. Comprueba que la tensión de salida es el
doble de la tensión máxima de entrada, utilizando la sonda del osciloscopio.
5.- Resistencia LDR.
Realiza el siguiente circuito.
Comprueba, variando la luz que aplicas a la LDR, varía su resistencia. Razona por qué
cuando aplicamos mucha luz, la tensión en la resistencia variable de 10k aumenta, y por
qué disminuye dicha tensión cuando disminuimos la tensión aplicada.
6.- Carga y descarga de un condensador.
Realiza los dos circuitos en la misma ventana. Realiza la siguiente secuencia, primero
en uno y luego en otro.
1.- cerrar interruptor de entrada con el de salida abierto.
2.- Abrir interruptor de entrada.
3.- Cerrar interruptor de salida.
Explica qué es lo que ocurre con la tensión del condensador. ¿Por qué en un caso se
carga más rápido que en el otro? ¿Por qué se descarga también en tiempos diferentes?
Ayúdate de la sonda del osciloscopio para comprobar los tiempos de carga y descarga.
7.- Estabilización de la tensión con diodo zener
Realiza el siguiente circuito
Ve incrementando lentamente la tensión de entrada, observando que ocurre con la
tensión de salida.
¿Por qué la tensión de salida no pasa de 10 Voltios?
Cuando la tensión de entrada es de 20 voltios ¿Qué ocurre con el diodo Zener? ¿En qué
zona de trabajo está?
Haz la prueba de eliminar la resistencia de 200 ohmios, y aplica 20 voltios a la entrada.
¿Por qué explota el Zener? ¿Qué misión tiene entonces la resistencia de 200 ohmios?.
8.- Transistor como conmutador
El botón es un inyector de señal digital. Pulsando en él cambia de nivel lógico cero a
nivel lógico uno, y viceversa. Analiza qué es lo que pasa a la salida. Sustitúyelo por el
generador de señal cuadrada y analiza la tensión de salida con el osciloscopio. ¿Qué
diferencia encuentras entre corte y saturación? ¿Podríamos fabricar puertas lógicas a
base de transistores bipolares?
9.- Amplificador
Este circuito es un amplificador básico. Comparando las formas de onda azul (entrada
de señal) y roja (salida del amplificador), comprueba que efectivamente, amplificamos
una señal alterna.
Varía el potenciómetro (volumen) para comprobar cómo la ganancia del transistor varía.
¿Qué ocurre cuando la ganancia es la máxima?
¿Qué entiendes por distorsión de una señal?
¿Para qué crees que sirve el condensador colocado en el emisor del transistor?
10.- Ahuyenta ladrones.
En este circuito, tenemos un transistor controlado por luz. El transistor gobierna un relé,
de forma que cuando hay luz, el motor de salida gira hacia un lado, abriendo una
cortina, y cuando es de noche, gira hacia el otro, cerrando la cortina. Los conmutadores
de la izquierda en realidad son finales de carrera que están a ambos lados de la cortina.
Cuando no están pulsados (la cortina no está ni abierta ni cerrada), los finales de carrera
se encuentran en la posición indicada en el esquema. Cuando la cortina se cierra del
todo, se pulsa el conmutador de abajo, encendiéndose la lámpara, y cuando la cortina se
abre del todo, se pulsa el conmutador de arriba. Conociéndose todo ello, se trata de
explicar qué ocurre con este circuito cuando es de día y cuando es de noche, analizando
el comportamiento de los transistores. Para ello, conviene que realices el circuito en el
cocodrile y explores las diferentes posibilidades, para ver que pasa con el motor.
11.- Temporizador
Realiza el siguiente circuito y explica su funcionamiento. Prueba a cambiar el valor del
condensador por otro cinco veces mayor, y otro cinco veces menor, y explica qué es lo
que pasa.
12.- Cebado y descebado de un tiristor.
Describe el funcionamiento de los dos circuitos.
1º circuito:
¿Por qué al quitar la corriente a la puerta, la bombilla sigue encendida?
2º circuito:
¿Cuándo se ceba el tiristor, de día o de noche? ¿Y por qué no se apaga la bombilla ella
sola cuando amanece de nuevo? ¿Es un encendido/apagado automático o
semiautomático?
13.- Alarma mediante Tiristor
Realiza el siguiente circuito, y describe su funcionamiento.