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ELECTRÓNICA ANÁLOGA
MATERIAL DESARROLLADO Y RECOPILADO PARA USO DIDÁCTICO AUTOR: BETTY LILIANA ESPINEL GÓMEZ © Quedan reservados todos los derechos. Prohibida la reproducción, el almacenamiento en un sistema de recuperación de información o la transmisión de cualquier forma o por cualquier medio, ya sea electrónico, electrostático, electrostático, mecánico, de grabación magnética, de fotocopia o por otros medios, de esta publicación o de alguna de sus partes sin el permiso previo y por escrito del Instituto Tecnológico de Soledad Atlántico – ITSA - 2007
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ELECTRÓNICA ANÁLOGA
MATERIAL DESARROLLADO Y RECOPILADO PARA USO DIDÁCTICO AUTOR: BETTY LILIANA ESPINEL GÓMEZ © Quedan reservados todos los derechos. Prohibida la reproducción, el almacenamiento en un sistema de recuperación de información o la transmisión de cualquier forma o por cualquier medio, ya sea electrónico, electrostático, electrostático, mecánico, de grabación magnética, de fotocopia o por otros medios, de esta publicación o de alguna de sus partes sin el permiso previo y por escrito del Instituto Tecnológico de Soledad Atlántico – ITSA - 2007
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Tabla de Contenido
UNIDAD 1. DIODO SEMICONDUCTOR
7
Competencias
7
1.1 Materiales Semiconductores
8
1.2
Diodo Ideal
10
1.3
Diodo Semiconductor
11
1.3.1 Diodo Semiconductor sin Polarización 1.3.2 Diodo Semiconductor con Polarización Inversa
12
1.3.3 Diodo Semiconductor con Polarización Directa
13
1.4
15
Aproximaciones y Circuitos Equivalentes para Diodos
12
1.4.1 Aproximación: Diodo Ideal
15
1.4.2 Aproximación: Modelo Simplificado
17
1.4.3 Aproximación: Segmentos Lineales
19
1.5
Hoja de Especificaciones Especificacione s de Diodos
20
1.6
Capacitancia de Transición y Difusión
21
1.7
Tiempo de Recuperación Recuperació n Inverso
21
1.8
Configuraciones Configuracione s de Diodos en Serie con entradas DC
23
1.9
Configuraciones Configuracione s de Diodos en paralelo y serie- Paralelo DC
27
1.10 Rectificación de Media Onda y Onda Completa
29
1.10.1 Rectificador de Media Onda
29
1.10.2 Rectificador de Onda Completa con Puente de Diodos
31
1.10.3 Rectificador de Onda Completo con Derivación Central
33
1.11 Recortadores
34
1.12 Diodo Zener
41
1.13 Multiplicadores
43
1.14 Comprobación y Detección de Averías
45
1.14.1 Prueba con Óhmetro
45
1.14.2 Función de Verificación de Diodos
45
1.15 Actividades Unidad 1: Diodo Semiconductor
47
1.16 Laboratorio Unidad 1
50
UNIDAD 2. TRANSISTORES BIPOLARES DE UNIÓ N (BJT) .… ………… …………… …… Competencias
57
2.1 Transistor de unión bipolar
58
2.2 Operación del Transistor
59
2.3 Configuración en Base Común
61
2.4 Acción amplificadora del transistor
62
2.5 Configuración en emisor común
63
2.6 Colector Común
65
2.7 Limites de Operación
65
2.8 Hojas de especificaciones de Transistores
67
2.9 Polarización en DC y Punto de Operación
68
2.9.1 Polarización Fija
70
2.9.2 Polarización Estabilizando el Emisor
75
2.9.3 Polarización por Divisor de Voltaje
77
2.9.4 Diversas Configuraciones de Polarización
80
2.10 Operaciones de Diseño
86
2.11 El transistor en conmutación o como interruptor
87
2.12 Transistores PNP
89
2.13 Detección de averías, pruebas dentro y fuera del circuito
92
2.13.1 Comparación de Transistores
92
2.14 Diversos tipos de encapsulado de transistores
94
2.15 Actividad Unidad 2: Transistores de unión bipolar BJT
96
2.16 Laboratorio Unidad 2: Transistores de unión bipolar BJT
100
57
UNIDAD 3. TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO
104
Competencias
104
3.1
Transistores de Efecto de Campo.
105
3.2
Construcción y características de los JFET
105
3.2.1 Ventajas y Desventajas del FET Frente al BJT
106
3.2.2 VGS = 0V y VDS es un Valor Positivo
106
3.2.3 VGS es un Valor Negativo
109
3.3
Características de transferencia
110
3.4
Hoja de especificaciones de datos de JFET
114
3.5
MOSFET
115
3.5.1 MOSFET Decremental
116
3.5.2 MOSFET Incremental
118
3.6
120
Polarización de los JFET
3.6.1 Polarización Fija
120
3.6.2 Configuración de Autopolarización
122
3.6.3 Polarización por Divisor de Voltaje
127
3.6.4 Polarización MOSFET de Tipo Decremental
129
3.6.5 Polarización MOSFET de Tipo Incremental
129
3.7
130
FET de Canal P
3.8 Actividad Unidad 3: Transistores de Efecto de Campo
132
UNIDAD 4. TIRISTORES: TRIACs, DIACs, SCRs y Amplificadores Operacionales … ………….. Competencias
134
4.1. Tiristores
135
4.1.1 SCR, Rectificador Controlado de Silicio
135
4.1.1.1 El SCR y la Corriente Alterna
138
4.1.1.2 El SCR y la Corriente Continua
139
4.1.1.3 Circuitos de Disparo de SCRs
140
4.1.2 DIACs Aplicaciones. Detección de Averías
141
4.1.3 TRIACs Aplicaciones. Detección de Averías
142
4.2 El amplificador Operacional: sus características, AMP-OP más comunes, configuraciones básicas
144
4.3
150
Especificaciones Comerciales
4.4 Actividad Unidad 4: Tiristores: TRIACs, DIACs, SCRs y amplificadores operacionales
153
4.5 Laboratorio Unidad 4: Tiristores: TRIACs, DIACs, SCRs y amplificadores operacionales
155
4.5.1 Circuito de Control de Potencia SCR
155
4.5.2 Control de Corriente de Corriente Alterna con un TRIAC
156
4.5.3 Control de Luminosidad
158
ANEXOS
MATERIAL DE APOYO Y LECTURAS RECOMENDADAS
Diode Bipolar
162
JFET
168
TRIAC Y DIAC
171
BIBLIOGRAFIA
173
165
Introducción
INTRODUCCIÓN: CARTA DE NAVEGACIÓN Antes de comenzar con nuestras clases de electrónica, me dirijo a ustedes con la intención de motivarlos a que aprendan y en la medida que aprendan lograran victorias parciales en cada uno de los módulos para convertirse en técnicos en electromecánica. Seguramente la mayoría de ustedes sueña con el éxito, con triunfar pero te pregunto, ¿que haces para lograrlo?, el compromiso que tengas al enfrentar este módulo debería ser una de las respuestas. Para motivarte a estudiar, aprender, investigar y demás actividades relacionadas con la actividad académica fíjate metas y haz un plan para alcanzarlas, estas pueden ser a corto o mediano plazo, trabaja duro y así alcanzaras metas a largo plazo, establece metas concretas respecto al estudio, especifica las tareas y valora las cosas que hasta ahora has hecho bien y comienza cada módulo y cada situación con verdaderas ganas, como un reto en el cual tu tienes la capacidad para obtener un gran logro. Piensa por un momento que el adquirir conocimientos es uno de los fines de nuestro estudio, piensa en el rendimiento que has obtenido en módulos anteriores y piensa en las múltiples aplicaciones que tiene el conocimiento y motívate a seguir haciendo las cosas bien o a hacer un alto en el camino y darte la oportunidad de aprovechar las oportunidades que tienes en tus manos. Ahora si entremos en materia.
Este es tú modulo de electrónica, pero una de las primeras preguntas que puede llegar a tu mente es: ¿Que es la electrónica? Pues la electrónica puede definirse como el estudio de los electrones de la materia en movimiento y de los fenómenos capaces de influir sobre tales movimientos. Con base a los principios de la electrónica la tecnología desarrolló elementos y dispositivos electrónicos para infinidad de usos prácticos, provocando una verdadera revolución técnica, de la cual tú has sido testigo, pues en muchos momentos se puede disfrutar de ello. Algunos ejemplos son la televisión, celulares, electrodomésticos, etc. Tu podrás en este tiempo aprender las bases de la electrónica, conocer elementos de gran interés y utilidad como lo son los dispositivos semiconductores, entre los que encontramos diodos, transistores y algunos elementos de potencia.
Unidad 1
UNIDAD 1. DIODO SEMICONDUCTOR La Unidad 1, enseña el diodo como el elemento semiconductor má s sencillo, muestra su funcionamiento en circuitos alimentados en DC y AC, aplicaciones, importancia, hoja de especificaciones de datos, limitaciones de funcionamiento entre otras características de interés. Al finalizar esta unidad el estudiante estará en capacidad de: •
Interpretar las características de los semiconductores, conductores y aislantes a nivel atómico.
•
Describir el comportamiento de los dos tipos de portadores y sus impurezas.
•
Explicar las condiciones que se dan en la unión pn sin polarizar, polarizada en directa y polarizada en inversa.
•
Dibujar la curva característica del diodo con sus elementos má s importantes.
•
Reconocer las terminales del diodo y su símbolo esquemá tico en cualquier aplicación.
•
Buscar en la hoja de características de un catá logo los pará metros característicos del diodo.
•
Explicar el funcionamiento del diodo ideal y del diodo semiconductor.
•
Evaluar los circuitos con diodos a través de distintos tipos aproximaciones que existen y para que casos se utilizan.
•
Dibujar el esquema de un circuito rectificador de media onda, un rectificador de onda completa y de un puente rectificador y explicar su funcionamiento.
•
Saber utilizar el diodo Zener y calcular algunos valores relacionados con su uso.
•
Armar circuitos con diodos en DC y AC en la Protoboard.
•
Tomar mediciones de voltaje, corriente y la forma de onda de las señales de salida y entrada en circuitos con diodos.
•
Identificar las terminales del diodo con la ayuda de un multímetro.
1.1 MATERIALES SEMICONDUCTORES En la naturaleza, existen materiales capaces de conducir la corriente eléctrica mejor que otros. Generalizando, se dice que los materiales que presentan poca resistencia al paso de la corriente eléctrica son conductores. Analógicamente, los que ofrecen mucha resistencia al paso de esta, son llamados aislantes. No existe el aislante perfecto y prácticamente tampoco el conductor perfecto. Existe un tercer grupo de materiales denominados semiconductores que, como su nombre lo indica, no es directamente un conductor de corriente, pero tampoco es un aislante. Lo que diferencia a cada grupo es su estructura atómica. Los conductores son, generalmente metales, esto se debe a que poseen pocos electrones en su última órbita (menos de 4) y, por lo tanto, tienen tendencia a perderlos con facilidad. De esta forma, cuando varios átomos de un metal, se acercan los electrones de su última órbita se desprenden y circulan desordenadamente entre la red de átomos. Este hecho (libertad de los electrones) favorece en gran medida el paso de la corriente eléctrica. Se destacan dentro de este grupo: la plata, el oro y el cobre. Los aislantes, en cambio, están formados por átomos con muchos electrones en su última órbita (cinco a ocho), por lo que no tienen tendencia a perderlos fácilmente, evitando así establecer una corriente de electrones. De ahí su alta resistencia. Como ejemplo de materiales aislantes tenemos: los plásticos, vidrio, madera, etc. Los semiconductores, por su parte, se caracterizan principalmente por conducir la corriente sólo bajo determinadas circunstancias, y evitar el paso de ella en otras. Es, precisamente, en este tipo de materiales en los que la electrónica de estado sólida está basada. La estructura atómica de dichos materiales presenta una característica común: está formada por átomos tetravalentes (es decir, con cuatro electrones en su última órbita), por lo que les es fácil ganar cuatro o perder cuatro.
Dentro de los semiconductores se encuentran elementos pertenecientes al grupo IV de la Tabla Periódica (Silicio, Germanio, selenio, etc). Estos cuatro electrones se encuentran formando uniones covalentes con otros átomos vecinos para así formar un cristal, que es la forma en la que se encuentran en la naturaleza, tal como se muestra la Figura. Si esta estructura se encuentra a una temperatura muy baja o en el cero absoluto, el cristal tendrá tan poca energía que no será posible la conducción eléctrica. Al aumentar la temperatura (a temperatura ambiente por ejemplo) ciertos electrones adquieren suficiente energía para romper el enlace del que forman parte y "saltar" a la siguiente orbita. Esto provoca la formación de un espacio vacío, que por carencia de electrones, posee carga positiva, a este espacio se lo denomina hueco. El aumento de temperatura rompe algunas uniones entre átomos liberándose un cierto número de electrones y disminuyendo la resistencia del material.
Figura 1. Enlace covalente para el átomo de Silicio Los cristales semiconductores de dividen en intrínsecos y extrínsecos. Un cristal intrínseco es aquél que se encuentra puro (aunque no existe prácticamente un cristal 100% puro); es decir, no contiene impurezas; mientras que un cristal extrínseco es aquél al que se han adicionado átomos de otra sustancia. Al proceso de adición se le llama dopado, y se utiliza para obtener electrones libres que sean capaces de transportar la energía eléctrica a otros puntos del cristal. Dentro de los materiales extrínsecos se encuentran el tipo n y tipo p. El material tipo n surgen cuando a una red cristalina de silicio (átomos de silicio enlazados entre sí), se sustituye uno de sus átomos por un átomo de otro elemento que contenga cinco electrones en su capa exterior, resulta que cuatro de esos electrones sirven para enlazarse con el resto de los átomos de la red y el quinto queda libre, como lo muestra la Figura 2.
Figura 2. Semiconductor dopado tipo N
En esta situación hay mayor número de electrones que de huecos. Por ello a estos últimos se les denomina "portadores minoritarios" y "portadores mayoritarios" a los electrones. Las Impurezas tipo N más utilizadas en el proceso de dopado son el arsénico, el antimonio y el fósforo. Está claro que si a un semiconductor dopado se le aplica tensión en sus bornes, las posibilidades de que aparezca una corriente en el circuito son mayores a las del caso de la aplicación de la misma tensión sobre un semiconductor intrínseco o puro . El material tipo p surge cuando a una red cristalina de silicio (átomos de silicio enlazados entre sí), se sustituye uno de sus átomos por un átomo de otro elemento que contenga tres electrones en su capa exterior, resulta que estos tres electrones llenarán los huecos que dejaron los electrones del átomo de silicio, pero como son cuatro, quedará un hueco por ocupar, ahora 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.
Figura 3. Semiconductor dopado tipo P
1.2 DIODO IDEAL El primer dispositivo electrónico que se presentará se denomina diodo. Es el más sencillo de los dispositivos semiconductores pero desempeña un papel vital en los sistemas electrónicos, con sus características que se asemejan en gran medida a las de un sencillo interruptor. Se encontrará en una amplia gama de aplicaciones, que se extienden desde las simples hasta las sumamente complejas. Aparte de los detalles de su construcción y características, los datos y gráficas muy importantes que se encontrarán en las hojas de especificaciones también se estudiarán para asegurar el entendimiento de la terminología empleada y para poner de manifiesto la abundancia de información de la que por lo general se dispone y que proviene de los fabricantes. El diodo posee dos terminales, una denominada ánodo (A) y la otra cátodo (K), y se representa, tal como, lo muestra la Figura 4.
Figura 4. Símbolo del diodo
El funcionamiento del diodo ideal es semejante a un interruptor, que solo permite la conducción de corriente en una sola dirección, ésta dirección se indica con el sentido de la flecha de su símbolo. Para conducir el diodo, debe encontrarse polarizado directamente, es decir, el ánodo debe ser más positivo que el cátodo, cuando esto se cumple el diodo se comporta como un circuito cerrado en la región de conducción, permitiendo el paso de la corriente y presentando una caída de voltaje entre sus terminales igual a 0 V, debido a la baja resistencia que ofrece. Esto se puede observar en la siguiente Figura 5.
Figura 5. Diodo polarización directa Cuando el diodo se encuentra polarizado inversamente, es decir, el cátodo es más positivo que el ánodo, el diodo se comporta como un circuito abierto, no permitiendo el paso de la corriente y almacenando entre sus terminales voltaje, por presentar una resistencia alta.
Figura 6. Diodo polarización inversa
1.3 DIODO SEMICONDUCTOR El diodo semiconductor, se forma al unir un material tipo p y uno n, construidos a partir de la misma base, sea de Silicio o Germanio. En el momento de la unión, los electrones y huecos de esta región, se combinarán y como consecuencia se
originará una carencia de portadores en la región cercana a la unión, ésta región se denomina, región de agotamiento. Ahora conoceremos lo que ocurre en la estructura interna del diodo, a partir de la aplicación de voltaje en sus terminales (V D), para lo cual, se presentan tres casos: VD = 0V sin polarización, V D <0V polarización inversa, V D >0V polarización directa.
1.3.1
Diodo semiconductor sin polarización, VD = 0V
Se forma la región de agotamiento, los portadores minoritarios de cada tipo de material se colocan cerca de la unión. En ausencia de un voltaje de polarización aplicado, el flujo neto de carga en cualquier dirección para el diodo es cero.
Figura 7. Unión p-n sin polarización externa
1.3.2
Diodo semiconductor con polarización inversa, VD < 0V
Con el positivo conectado al material tipo n, los huecos (positivos) se repelen y se van al lado de la unión y el negativo conectado al material tipo p, los electrones se dirigen al polo opuesto, es decir, la unión, de esta manera se fortalece la región de agotamiento. Se presenta una corriente de saturación inversa, denominada Is, que es de unos cuantos microamperios, ésta fluye en sentido inverso a la flecha y es provocada por el movimiento de los portadores minoritarios.
Figura 8. Unión p-n bajo polarización inversa.
1.3.3
Diodo semiconductor en polarización directa, VD >0V
Un diodo esta polarizado directamente cuando se establece una asociación tipo p con positivo y tipo n con negativo. La aplicación de un potencial con polarización directa V D, presionará a los electrones del material tipo n y a los huecos del material tipo p para que se recombinen con los iones cercanos a la frontera y para reducir el ancho de la región de agotamiento como se muestra en la Figura 9. El flujo resultante de portadores minoritarios del material tipo p hacia el tipo n, no varió en magnitud; sin embargo, la reducción en el ancho de la región de agotamiento provoca un flujo de portadores mayoritarios sobre la unión.
Figura 9. Unión p-n bajo polarización directa A medida que la magnitud de polarización aplicada se incrementa, la región de agotamiento seguirá disminuyendo hasta que un grupo de electrones pueda atravesar la unión, con un incremento exponencial de la corriente como resultado. La gráfica de la curva de transferencia del diodo de Si así lo muestra.
Figura 10. Características del diodo semiconductor de Si y Ge Observe que para polarización directa, el eje vertical de la corriente se expresa en miliamperios (aunque existen algunos diodos semiconductores que poseen ejes verticales expresados en Amperios) y el voltaje en polarización directa del diodo, será normalmente menor que 1. Observe también la rapidez con que aumenta la corriente una vez que se pasa el punto de inflexión de la curva, que será de 0.3V para un diodo de Ge y 0.7V para el de Si. Observe que para polarización inversa, el eje vertical de la corriente se expresa en microamperios o quizás nanoamperios, que corresponde al valor de Is = corriente de saturación inversa y el voltaje en polarización inversa del diodo, será normalmente decenas de Voltios. Es entonces cuando podemos hablar de Vz, es decir, voltaje de ruptura en inversa PIV, que podemos definir como el máximo potencial de polarización inversa que puede aplicarse antes de ingresar a la región Zener. Si el diodo es alimentado en inversa con un voltaje igual o mayor que PIV, entraría en la región Zener permitiendo el paso se la corriente en inversa, tal como lo muestra la curva característica del diodo. En el trabajo normal de un diodo la región Zener debe evitarse. Los diodos de silicio tienen generalmente valores nominales de VPI y de corriente más alto e intervalos de temperatura más amplios que los diodos de germanio.
Es posible demostrar mediante el empleo de la física de estado sólido que las características generales del diodo semiconductor se pueden definir con la siguiente ecuación, tanto para la región de polarización inversa como para la directa:
La ecuación anterior puede verse compleja y alguien podría temer que su utilización fuera necesaria para todas las aplicaciones de diodos; sin embargo mas adelante veremos aproximaciones, que evitarán el uso de esta.
1.4 APROXIMACIONES PARA DIODOS
Y
CIRCUITOS
EQUIVALENTES
Existen tres aproximaciones muy usadas para los diodos de silicio y germanio, y cada una de ellas es útil en ciertas condiciones.
1.4.1
Aproximación: Diodo ideal
La exponencial se aproxima a una vertical y una horizontal que pasan por el origen de coordenadas. Este diodo ideal no existe en la realidad, no se puede fabricar por eso es ideal.
Figura 11. Curva de transferencia del diodo ideal
Polarización directa: Es como sustituir un diodo por un interruptor cerrado.
Figura 12. Diodo ideal polarizado directamente
Polarización inversa: Es como sustituir el diodo por un interruptor abierto.
Figura 13. Diodo ideal polarizado inversamente Como se ha visto, el diodo actúa como un interruptor abriéndose o cerrándose dependiendo si esta en inversa o en directa. Para ver los diferentes errores que cometeremos con las distintas aproximaciones vamos a ir analizando cada aproximación.
EJEMPLO 1.4.1.1
Figura 14. Circuito analizado con la aproximación diodo ideal En polarización directa:
1.4.2
Aproximación: MODELO SIMPLIFICADO
La exponencial se aproxima a una vertical y a una horizontal que pasan por 0,7 V (este valor es el valor de la tensión umbral para el silicio, porque suponemos que el diodo es de silicio, si fuera de Ge se tomaría el valor de 0,3 V).
Figura 15. Curva de transferencia simplificada del diodo
El tramo que hay desde 0 V y 0,7 V es en realidad polarización directa, pero como a efectos prácticos no conduce, se toma como inversa. Con esta segunda aproximación el error es menor que en la aproximación anterior.
Polarización directa: La vertical es equivalente a una pila de 0,7 V.
Figura 16. Circuito analizado mediante el modelo simplificado
Polarización inversa: Es un interruptor abierto.
EJEMPLO 1.4.2.1 Resolveremos el mismo circuito de antes pero utilizando la segunda aproximación que se ha visto ahora. Como en el caso anterior lo analizamos en polarización directa:
Como se ve estos valores son distintos a los de la anterior aproximación, esta segunda aproximación es menos ideal que la anterior, por lo tanto es más exacta, esto es, se parece más al valor que tendría en la práctica ese circuito.
1.4.3
Aproximación: SEGMENTOS LINEALES
La curva del diodo se aproxima a una recta que pasa por 0,7 V y tiene una pendiente cuyo valor es la inversa de la resistencia interna.
Figura 17. Curva de transferencia por segmento lineales del diodo El estudio es muy parecido a los casos anteriores, la diferencia es cuando se analiza la polarización directa:
Figura 18. Reemplazo del diodo en segmentos lineales
EJEMPLO 1: En el ejemplo anterior usando la 3ª aproximación, tomamos 0,23 W como valor de la resistencia interna.
Esta tercera aproximación no merece la pena usarla porque el error que se comete, con respecto a la segunda aproximación, es mínimo. Por ello se usará la segunda aproximación en lugar de la tercera excepto en algún caso especial.
1.5 HOJA DE ESPECIFICACIONES DE DIODOS La hoja de especificaciones es el enlace de comunicación entre el fabricante y el usuario, es de particular importancia que la información proporcionada sea reconocida y correctamente comprendida. Dentro de los parámetros más importantes de diodos podemos destacar: 1. El voltaje directo VF (a una corriente y temperatura específica). Es el voltaje que necesita el diodo para entrar en conducción. 2. Máxima Corriente Directa IF (Temp. específica). La máxima corriente que puede fluir entre ánodo y cátodo. 3. Corriente de Saturación Inversa IR (voltaje y temperatura específicos). Es la corriente de fuga del diodo, debido al flujo de portadores minoritarios. 4. Voltaje inverso Nominal VPI o VBR (Temperatura). Es el voltaje que no debe excederse en polarización inversa porque el diodo entraría a trabajar en la región Zener. 5. Máximo nivel de disipación de Potencia PDmá x (Temperatura), es la máxima potencia que el diodo puede disipar y está dada por la expresión: Pdmáx=VD.ID,
Donde, VD e ID son puntos de operación del diodo. 6. Capacitancias parásitas. 7. Tiempo de recuperación en sentido inverso trr . 8. Intervalo de temperatura de operación.
1.6 CAPACITANCIA DE TRANSICIÒN Y DIFUSIÓN Los dispositivos electrónicos (entre ellos los semiconductores) son sensibles a frecuencias muy elevadas. En los diodos se presentan dos efectos principales a altas frecuencias: 1. Capacitancias parásitas de Transición y de Difusión. 2. Tiempo de recuperación en Sentido Inverso. En la región de polarización inversa se presenta principalmente la capacitancia de la región de agotamiento (CT ), en tanto que en la de polarización directa se presenta principalmente la capacitancia de difusión o de almacenamiento ( CD).
Figura 19. Capacitancia de difusión del diodo
7 TIEMPO DE RECUPERACIÓN INVERSO El tiempo de recuperación en sentido inverso se representa por trr . Cuando el diodo está polarizado directamente y el voltaje aplicado se invierte repentinamente, idealmente se debería observar que el diodo cambia en forma instantánea del estado de conducción al de no conducción. Sin embargo, debido a un número considerable de portadores minoritarios en cada material, el diodo se comportará como se muestra en la Figura 20.
Figura 20. Definición de tiempo de recuperación inversa Ts - Tiempo de almacenamiento. Tiempo requerido para que los portadores minoritarios regresen a su estado de portadores mayoritarios en el material opuesto. Tt - Intervalo de Transición. Tiempo requerido para que la corriente inversa se reduzca al nivel asociado con el estado de no conducción. 5ns ≤ ?trr ?≤ ? 1 µs en diodos de recuperación muy rápida.
1.8 CONFIGURACIONES ENTRADAS DC
DE
DIODOS
EN
SERIE
CON
ESTRATEGIAS CIRCUITOS DIODOS EN SERIE DC •
Observar si el diodo está polarizado directa o inversamente para determinar si hay o no flujo de corriente.
•
Utilizar el circuito equivalente del diodo, teniendo en cuenta que la caída del diodo de Si es 0.7 V y el de Ge 0.3V, a no ser que se diga que los diodos son ideales.
•
Los circuitos en serie tienen una sola corriente y diferentes caídas de voltaje que se pueden hallar con la corriente total y la ley Ohm.
•
La ley de voltaje de kirchoff permite sumar y restar voltajes dentro de un lazo cerrado e igualar la ecuación a 0.
Ejemplos de circuitos serie:
Ejemplo 1.8.1 Para una fuente de 12V, halle la corriente de la malla y la caída de voltaje en la resistencia.
Figura 21. Circuito Ejemplo 1.8.1 Realizando la malla:
V - VT - VR = 0 12 - 0.7 - IR = 0
Despejando I de la ecuación anterior: I = (12 - 0.7)/1.2 k = 9.42 mA La caída de voltaje en la resistencia de 1.2K es: V - VT = VR = 11.3V
Ejemplo 1.8.2. Para el siguiente circuito la corriente de la maya, la caída de voltaje en la resistencia y el voltaje en las terminales del diodo.
Figura 22. Circuito Ejemplo 1.8.2 Con el diodo invertido la corriente por él será cero, ya que se comporta como un circuito abierto, por lo tanto I = 0. La caída de voltaje en la resistencia es IR = 0 El voltaje en las terminales del diodo, se podría hallar realizando la malla: 12 - VD - VR = 0 Reemplazando el valor de VR que ya se halló, resulta que: VD = 12 volts
I = ID = 0 A
Ejemplo 1.8.3 Para el siguiente circuito la caída de voltaje en la resistencia y el voltaje en las terminales del diodo.
Figura23. Circuito Ejemplo 1.8.3 En este caso, aunque la polaridad del voltaje de la fuente es adecuada para polarizar el diodo, el nivel de voltaje es insuficiente para activar al diodo de silicio y ponerlo en el estado de conducción. Por lo tanto la corriente de la malla será cero, al igual que la caída en la resistencia y el voltaje en el diodo será el 0.4V de la fuente.
Figura 24. Curva de transferencia modelo simplificado
Ejemplo 1.8.4. Para la red mostrada a continuación, hallar la corriente y el voltaje Vo.
Figura 25. Circuito Ejemplo 1.8.4
Se realiza la malla del circuito cerrado o LVK: 12 - VTSi - VTGe - IR = 0 , Reemplazamos el valor de R: 12 - 0.7 - 0.3 - I (5.6k) = 0 Se despeja el valor de I:
I = 11V / 5.6k = 1.96 mA
El valor de la caída en la resistencia de 5.6 k = Vo, entonces: VR = (1.96 mA)(5.6 k) = 11
EJEMPLO 1.8.5. Hallar la corriente y la salida Vo
Figura 26. Circuito Ejemplo 1.8.5 El segundo diodo de Si se encuentra inversamente polarizado, por lo que su comportamiento se asemeja con un circuito abierto, como lo muestra la figura a continuación:
Figura 27. Circuito equivalente ejemplo 1.8.5. I = 0, si no hay flujo de corriente Vo = 0
1.9 CONFIGURACIONES DE DIODOS EN PARALELO Y SERIE-PARALELO DC
ESTRATEGIAS CIRCUITOS DE DIODOS EN PARALELO Y SERIE-PARALELO DC •
Identificar los diodos que se encuentran en paralelo y observar sus características (Si, Ge, ideal) y polarización (directa o inversa)
•
Si los dos diodos o números de diodos que se encuentren en paralelo directamente polarizados, la I que pasará por cada uno de ellos será la corriente del nodo dividida entre el número de diodos.
•
Si en paralelo se encuentran diferentes tipos de diodos polarizados directamente, la corriente seguirá el camino del diodo que presente la menor caída.
•
El voltaje de todos los elementos que se encuentren en paralelo será el mismo.
•
Si hay en paralelo un diodo polarizado directamente y otro de manera inversa, el directamente polarizado marcará la dirección de la I y el inversamente polarizado será un circuito abierto.
Ejemplos de circuitos serie-paralelo:
Ejemplo 1.9.1. Para el siguiente circuito, hallar las corrientes i, i1 e i2 y la caída en R
Figura 28. Circuito Ejemplo 1.9.1.
La malla del circuito quedaría así:
10 - V R - 0.7 = 0 Solo se tiene en cuenta una caída de diodo, porque están en paralelo y si aseguro un 0.7V, los dos diodos están en conducción, porque tienen el voltaje adecuado y están directamente polarizados.
10 - (I)(R) - 0.7 = 0 Despejamos la corriente:
I = 9.3 / 3.3k = 2.8 mA La caída en R es:
V R = (I)(R) = (2.8m)(3.3k) = 9.3 v Las corrientes i1 e i2 son iguales, ya que presentan la misma oposición al flujo de corriente, es decir: i1=i2=i/2
Ejemplo 1.9. 2. Para el circuito de la gráfica, hallar la corriente que pasa por R.
Figura 29. Circuito Ejemplo 1.9.2. el diodo de silicio de arriba está polarizado directamente, mientras que el de abajo lo está de manera inversa, por lo se comporta como un circuito abierto. Este circuito produce una corriente única que inicia en la fuente de 20V, recorre 2.2K, el diodo de arriba y termina en la fuente de 4V. Quedando un circuito serie de fácil solución.
1.10 RECTIFICACIÓN DE MEDIA ONDA Y ONDA COMPLETA El análisis del diodo hasta el momento ha sido en fuente de corriente directa, ahora se ampliará el estudio a fuentes con variaciones en el tiempo, tales como la onda senoidal y la onda cuadrada. La corriente y voltaje que las compañías distribuyen a nuestras casas, comercios u otros es alterna. Para que algunos artefactos electrónicos que allí tenemos puedan funcionar adecuadamente, la corriente alterna debe de convertirse en corriente continua. Para realizar esta operación se utilizan diodos semiconductores que conforman circuitos rectificadores. Inicialmente se reduce el voltaje de la red (110 / 220 voltios u otro) a uno más bajo como 12 o 15 Voltios con ayuda de un transformador. A la salida del transformador se pone el circuito rectificador. La tensión en el secundario del transformador es alterna, y tendrá un semiciclo positivo y uno negativo.
1.10.1 Rectificador de media onda El rectificador de media onda que muestra, está conformado por un diodo ideal, un transformador y una resistencia de carga conectada en serie. En el semiciclo positivo el diodo queda directamente polarizado (corto circuito), permitiendo el paso de la corriente a través de él y entregando todo el voltaje a la resistencia de carga RL. Ver Figura 30.
Figura 30. Rectificador de media onda y su funcionamiento en el semiciclo positivo Sin embargo durante el semiciclo negativo el arrollamiento secundario presenta una onda sinusoidal negativa. Por tanto, el diodo se encuentra polarizado de manera inversa, provocando que este se comporte como un circuito abierto, no dejando pasar el flujo de corriente y acumulando entre sus terminales todo el voltaje de la fuente.
Figura 31. Rectificador de media onda semiciclo negativo La onda que más interesa es V L, que es la que alimenta a R L. Esta tensión no tiene partes negativas y utiliza solo el semiciclo positivo de la fuente de alimentación. Ver Figura 32.
Figura 32. Señal de salida de un rectificador de media onda El nivel de dc de un rectificador de media onda es: Vdc = 0.318 Vm Donde Vm, es el voltaje pico de la señal. Para el caso del diodo real, este no comenzará a conducir hasta que en sus terminales no haya el voltaje de umbral para que entre en conducción, por lo tanto su nivel de dc será: Vdc = 0.318 (Vm – V T) La tensión de salida del rectificador de 1/2 onda anterior es una onda pulsante, que no muestra con claridad un voltaje en corriente continua que se pueda aprovechar. Pero si incluimos a la salida de este un condensador, este ayudará a tener una salida más constante, filtrando la señal. Ver Figura 33.
Figura 33. Rectificador de media con filtrado Cuando el diodo conduce, el capacitor se carga al valor pico del voltaje de entrada. En el siguiente semiciclo, cuando el diodo está polarizado en inversa y no hay flujo de corriente hacia la carga, es el condensador el que entrega corriente a la carga, es decir, este se descarga a través de la resistencia de carga. La Figura 34 muestra la modificación que sufre la señal de salida del rectificador de media onda con el proceso de filtrado. La variación del voltaje ( ?v ) en los terminales del condensador debido a la descarga de este en la resistencia de carga se le llama tensión de rizado. La magnitud de este rizado dependerá del valor de la resistencia de carga y al valor del capacitor.
Figura 34. Señal de salida del rectificador de media onda filtrada Si el capacitor es grande significa menos rizado, pero aún cumpliéndose esta condición el rizado podría ser grande si la resistencia de carga es muy pequeña, debido a que la corriente en la carga es grande.
1.10.2 Rectificador de onda completa con puente de diodos El circuito rectificador de onda completa de la Figura 35, es el que se utiliza si se desea utilizar todo el voltaje del secundario del transformador.
Figura 35. Circuito rectificador tipo puente Durante el semiciclo positivo, los diodos que entran en conducción son: D1 y D3, pues son los que quedan directamente polarizados, mientras que D2 y D4 quedan abiertos pues están polarizados de manera inversa. La carga es atravesada por una corriente de más a menos. En el semiciclo negativo, la polaridad del transformador es inversa al caso anterior y los diodos D1 y D3 son polarizados en sentido inverso y D2 y D4 en sentido directo. La corriente pasa por la carga RL en el mismo sentido que en el semiciclo positivo. La salida tiene la forma de una onda rectificada completa, donde la carga aprovecha tanto el ciclo positivo como el negativo del transformador pero viéndolo en un mismo sentido para los dos semiciclos, Figura 36.
Figura 36. Señal de salida para un rectificador de tipo puente Esta salida es pulsante y para convertirla en un nivel más constante, se filtra, colocando un condensador en paralelo con la carga. Este capacitor se carga a la tensión máxima y se descargará en RL mientras que la tensión de salida del secundario del transformador disminuye a cero voltios, y el ciclo se repite. Ver las Figuras 37 y 38.
Figura 37. Circuito rectificador tipo puente con capacitor.
Figura 38. Señal filtrada del rectificador tipo puente La gráfica anterior tiene un comportamiento similar al descrito en el proceso de filtrado del rectificador de media onda. Para diodos reales: Vprom = Vcd = 0.636 (Vm-2VT) Para cada diodo: VPI ≥ Vm
1.10.3 Rectificador de onda completa Transformador con Derivación Central
utilizando
Figura 39. Rectificador de onda completa con derivación central El comportamiento del circuito anterior puede resumirse así: Para el semiciclo positivo, conduce el diodo que se encuentra en la parte superior mientras que el de abajo se encuentra inversamente polarizado. La carga recibe el voltaje de la fuente. En el semiciclo negativo, el diodo de abajo esta directamente polarizado y el de arriba inversamente polarizado, la carga nuevamente ve el voltaje de la fuente de mas a menos por lo que el ciclo negativo la carga lo ve como positivo. La carga utilizará los dos semiciclos, el positivo y el negativo rectificado.
Figura 40. Resumen del comportamiento del rectificador con tap central Para diodos reales: Vprom = Vcd = 0.636 (Vm-VT) Para cada diodo: VPI ≥ 2Vm
1.11 RECORTADORES Hoy en día existen gran variedad de circuitos denominados recortadores, que como su nombre lo indica recortan una señal de entrada sin distorsionar la parte de la señal restante. Dentro de este tipo de circuitos clasifican los rectificadores de media onda que ya se han estudiado previamente pero este es el más sencillo de los que se pueden encontrar ensamblados en circuitos. Los recortadores se crean con el fin de crear un nuevo tipo de señal o para limitar el voltaje que puede ser aplicado a una red. Para estudiar los circuitos recortadores se destacan dos grandes grupos que son:
Recortadores en Serie: reciben este nombre por que el diodo se encuentra en serie con la carga. Recortadores en Paralelo: en este tipo de recortadores la carga se encentra en un rama paralela a la del diodo. A continuación se muestran ejemplos de circuitos recortadores, mostrando el análisis adecuado para hallar la señal de salida:
Ejemplo 1.11.1. Para el circuito de la Figura 41, hallar Vo: Vm
+
+
Vi
-Vm
R
-
VO
-
Figura 41. Ejemplo 1.11.1 En el semiciclo positivo el diodo se comporta como un circuito abierto obstruyendo el paso de la corriente por lo tanto el voltaje en el punto indicado es cero.
En el semiciclo negativo el diodo se comporta como un circuito cerrado permitiendo el flujo de la corriente, por lo tanto el voltaje en el punto indicado Vo será todo el voltaje de entrada Vm.
El voltaje de salida se verá de la siguiente forma:
Ejemplo 1.11.2. Para la Figura 42, hallar la señal de salida tomada en la resistencia de carga. Vm
+
+
Vi
VO
R
-
-Vm
Figura 42. Ejemplo 1.11.2. En el semiciclo positivo, el diodo se encuentra inversamente polarizado por lo que no permite la conducción de la corriente, entonces el voltaje es cero. +
+
Vi
R
VO = 0 -
-
Durante el semiciclo negativo, el diodo se encuentra polarizado directamente permitiendo el flujo de corriente, el voltaje de la batería se suma al voltaje pico del generador. -
Vi
+
+
R
VO = -Vm-V -
El voltaje de salida toma la siguiente forma:
Ejemplo 1.11.3. Para la siguiente red, determine Vo Vm
+
+ V Vi
R
-
-
-Vm
VO
Figura 43. Ejemplo 1.11.3. El semiciclo positivo , no aparece voltaje en la salida hasta que el voltaje de entrada positivo no supere el voltaje de la batería. +
+ V
Vi R
VO = Vi-V
-
Durante el semiciclo negativo el voltaje es cero ya que no hay conducción en el diodo, pues esta inversamente polarizado.
-
+
Vi
R
VO = 0 -
+-
Teniendo en cuenta lo anterior, la salida Vo es tal como lo muestra la gráfica.
Ejemplo 1.11.4. Para el siguiente circuito halle la señal de salida tomada en el diodo.
+
Vm
+ R
Vi
-Vm
VO
-
Figura 44. Ejemplo 1.11.4 Haciendo el análisis en el semiciclo positivo, podemos ver que el diodo se encuentra directamente polarizado, comportándose como un corto circuito, por lo tanto, el voltaje entre sus terminales es cero.
En el semiciclo negativo, el diodo se comporta como un circuito abierto y aparece entonces en la salida del semiciclo negativo de la entrada.
-
+
R VO = -Vm +
-
La salida sería, así:
Ejemplo 1.11.5. Analice el circuito de la Figura 45, halle Vo:
Figura 45. Ejemplo 1.11.5.
En el semiciclo positivo, el diodo está en inversa por lo tanto se comporta como circuito abierto, llevándose el voltaje de entrada el diodo. En el punto de Vo el voltaje encontrado será el producido por la fuente V y el voltaje de entrada Vm.
En el semiciclo negativo, el diodo se encuentra en directa por lo tanto es un corto circuito permitiendo el paso de la corriente, el voltaje en el punto indicado será la fuente –V.
Por todo lo anterior podemos concluir que la señal de salida es como se muestra a continuación:
1.12 DIODO ZENER El efecto Zener se basa en la aplicación de tensiones inversas que originan, debido a la característica constitución de los mismos, fuertes campos eléctricos que causan la rotura de los enlaces entre los átomos dejando así electrones libres capaces de establecer la conducción. Su característica es tal que una vez alcanzado el valor de su tensión inversa nominal y superando la corriente a su través un determinado valor mínimo, la tensión en las terminales del diodo se mantiene constante e independiente de la corriente que circula por él. El símbolo del diodo Zener es:
Figura 46. Símbolo del diodo Zener Y su polarización para las diversas aplicaciones es casi siempre en inversa debido a que polarizado directamente se comporta como un diodo normal, tal como lo muestra en su curva característica en donde se indica su zona de trabajo.
Figura 47. Curva característica Zener Tres son las características que diferencian a los diversos diodos Zener entre si: •
Tensiones de polarización inversa, conocida como tensión Zener.- Es la tensión que el Zener va a mantener constante.
•
Corriente mínima de funcionamiento: Si la corriente a través del Zener es menor, no hay seguridad en que el Zener mantenga constante la tensión en sus terminales.
•
Potencia máxima de disipación. Puesto que la tensión es constante, nos indica el máximo valor de la corriente que puede soportar el Zener.
Por tanto el Zener es un diodo que al polarizarlo inversamente mantiene constante la tensión en sus terminales a un valor llamado tensión de Zener, mientras que se puede variar la corriente que lo atraviesa entre el margen de valores comprendidos entre el valor mínimo de funcionamiento y un máximo que se encuentra limitado por la potencia que puede disipar el diodo. Si se supera el valor de esta corriente el Zener se destruye. Es importante mencionar que la región Zener, en este tipo de diodo se controla manipulando los niveles de dopado, a mayor impurezas se disminuye el potencial o voltaje de Zener VZ . Así, se obtienen diodos Zener con potenciales o voltajes de Ze ner desde 1.8 V a 200 V y potencias de 1/4 a 50 W. El diodo Zener se comporta como un corto cuando ha alcanzado su potencial VZ , en otras palabras, es un switch o interruptor que se activa con VZ v olts. Por las características mencionadas anteriormente se reguladores de voltaje o en fuentes.
aplica principalmente en
Figura 48. Circuito aplicación del diodo Zener El circuito que se observa en la gráfica anterior, desea proteger la carga contra sobrevoltajes, el máximo voltaje que la carga puede soportar es 4.8 volts. Si se elige un diodo Zener cuyo VZ sea 4.8 volts, entonces este se activará cuando el voltaje en la carga sea 4.8 volts. El estar conectado en paralelo la carga y el diodo Zener tendrá por resultado que los dos dispositivos tengan el mismo voltaje entre sus terminales.
1.13 MULTIPLICADORES El circuito multiplicador de voltaje es un circuito que permite tener un nivel de voltaje continuo igual a un factor entero del valor pico de una señal de entrada. El principio de operación de estos circuitos es la carga sucesiva de condensadores debido a la conducción de diodos conectados en cascada. Este tipo de circuitos se utilizan para mantener el voltaje pico de un transformador relativamente bajo, ya que elevan el voltaje de salida de pico a dos, tres, cuatro o más veces el voltaje pico rectificado.
Figura 49. Diagrama de bloques del concepto de un multiplicador de voltaje A continuación se muestra en diagrama de un multiplicador de tensión de onda completa, como su nombre lo indica aprovecha los dos semiciclos de la señal de entrada.
Figura 50. Diagrama de un multiplicador de tensión de onda completa En el primer semiciclo el diodo D1 es polarizado directamente, es decir que el diodo está conduciendo, semejando un corto circuito, cargando al capacitor C1 con un
voltaje máximo de entrada (Vmax), mientras que D2 está inversamente polarizado, como se puede observar claramente en el esquema a continuación.
Figura 51. D1 polarizado directamente cargando a C1 En el segundo semiciclo, el diodo D1 queda polarizado inversamente, mientras que D2 esta directamente polarizado, cargando a C2 con el voltaje máximo (Vmax), como se muestra a continuación:
Figura 52. D2 polarizado directamente cargando a C2 Si la carga no consume corriente del circuito, el voltaje a través de C1 y C2 es de 2Vm. Bajo este mismo principio se pueden realizar triplicadores, cuadriplicadotes, etc aumentando el número de diodos y capacitores para cada aplicación. En este caso se utilizó para el duplicador 2 capacitores y dos diodos, para el triplicador se utilizarían tres capacitores y tres diodos y así sucesivamente.
1.14 COMPROBACIÓN Y DETECCIÓN DE AVERÍAS 1.14.1 Prueba con un óhmetro El óhmetro es la herramienta adecuada para saber el estado de un diodo. Se mide la resistencia en continua del diodo en cualquier dirección y después se invierten los terminales efectuándose la misma medición. La corriente con polarización directa dependerá de la escala en la que se emplee el óhmetro, lo que significa que se obtendrán distintas lecturas en intervalos diferentes. Sin embargo, lo que hay que buscar principalmente es una diferencia de resistencia inversa a directa muy alta. Para los diodos de silicio comúnmente empleados en la electrónica la razón debe ser mayor que 1.000:1. En el uso del óhmetro para probar diodos lo único que se desea saber es se el diodo tiene una resistencia pequeña con polarización directa y grande con polarización inversa. Los problemas que pueden surgir son: •
Resistencia muy pequeña en ambas direcciones: diodo en cortocircuito.
•
Resistencia muy grande en ambas direcciones: diodo en circuito abierto.
•
Resistencia pequeña en inversa: diodo con fugas.
Figura 53. Verificación de un diodo mediante un óhmetro
1.14.2 FUNCIÓN DE VERIFICACIÓN DE DIODOS En los multímetros digitales con función de verificación de diodos, se puede observar un pequeño símbolo de diodo en una de las opciones de la perilla selectora. Cuando se coloca en esta posición y se conecta como lo muestra la Figura 54, el diodo deberá estar encendido y la pantalla indicará el voltaje de polarización directa tal como 0.67V para el Si. Un mensaje de OL en la pantalla cuando se conecta como lo
muestra la Figura 54, indica un circuito defectuoso. Si se conecta de manera invertida, el mensaje OL se deberá al circuito abierto esperado. En general, si aparece el mensaje de OL cuando el diodo se conecta en ambas direcciones, será el indicativo de un diodo abierto o defectuoso.
Figura 54. Verificación de un diodo en estado de polarización directa
1.15 ACTIVIDADES UNIDAD 1: DIODO SEMICONDUCTOR Responda las siguientes preguntas: 1. ¿Qué es un material conductor, uno aislante y un semiconductor? 2. Explique la estructura atómica de un material semiconductor. 3. Explique la estructura atómica de un material conductor. 4. Explique la estructura atómica de un material aislante. 5. ¿Qué son materiales intrínsecos y extrínsecos? 6. ¿Cuales son las características de los materiales tipo p y n? 7. ¿Qué son portadores mayoritarios y minoritarios? 8. ¿Cuál es la estructura interna de un diodo? 9. ¿Cómo se comparta el diodo en polarización directa e inversa? 10. ¿Cuáles son las condiciones principales que deben cumplirse para que el diodo entre en conducción? 11. ¿Qué es la región de agotamiento en un diodo? 12. ¿Qué es la región zener de un diodo? 13. ¿Cuál de los modelos de aproximación es más exacto y cuál es el más práctico? Sustente su respuesta. 14. ¿Qué es un rectificador? 15. ¿Qué aplicación tienen los rectificadores a nivel doméstico o industrial? 16. ¿En que se diferencia un rectificador de media onda de uno de onda completa?
Determine si los enunciados mostrados a continuación son verdaderos (V) o falsos (F). •
En ausencia de cualquier polarización externa aplicada, la corriente del diodo. ( )
•
Las características de un diodo ideal no se asemejan mucho a las de un interruptor simple, excepto por el hecho importante de que un diodo ideal puede conducir en una sola dirección. ( )
•
En la región de polarización inversa, la corriente del diodo se incrementará de forma exponencial con incrementos en el voltaje a través del diodo. ( )
•
La dirección de conducción de un zener es opuesta a la que indica la flecha de su símbolo y el voltaje zener tiene una polarización opuesta a la del diodo en polarización directa. ( )
•
La rectificación es un proceso en donde una forma de onda aplicada que cuenta con una variación promedio 0 es cambiada a una que tiene un nivel de d.c. ( )
•
El PIV del diodo es el voltaje máximo del diodo en polarización directa. ( )
•
El voltaje que debe cumplir el diodo directamente polarizado para entrar en conducción depende del material. Si el diodo es de Si el voltaje es 0.3V y si es de Ge es de 0.7 V. ( )
•
El valor de d.c de un rectificador de media onda es 0.636 del voltaje pico de la señal que alimenta el circuito. ( )
•
Los recortadores son redes que recortan parte de la señal aplicada con el fin de crear un nuevo tipo de señal o para limitar el voltaje que puede ser aplicado a una red. ( )
Realizar los siguientes ejercicios propuestos diodos alimentados con fuentes dc.
de las
configuraciones
de
•
Para el circuito propuesto halle el voltaje de salida Vo
•
La siguiente figura muestra una red, en la que se deben hallar los siguientes datos: VD1, VR1, i1 e i2
•
Para el circuito que se muestra a continuación, halle Vo:
Investigar •
Tipos de diodos que se consiguen comercialmente. (REFERENCIAS MAS COMUNES)
•
Aplicaciones de diodos en la industria o en circuitos comerciales
•
Valores nominales de ruptura que se consiguen comercialmente de diodo zener y buscar un aplicación específica.
1.16 LABORATORIOS UNIDAD 1 1.16.1 Laboratorio diodo con alimentación DC La siguiente figura muestra un esquema de polarización directa de un diodo a través de una resistencia de carga y con una tensión de alimentación de +12 Vcc.
R1 1K
Materiales necesarios: •
Protoboard
•
1 resistencia de 1 K
•
1 diodo 1n4007
•
Téster
•
Cables de conexión
Montaje practico: Se muestra el montaje de la polarización directa de un diodo a través de una resistencia de carga. Nótese la orientación de la patilla marcada mediante una franja y que corresponde al cátodo. Se conecta con la tierra de alimentación. Desarrollo de la prá ctica •
Completar la siguiente tabla con las medidas teórico-prácticas que se proponen.
VD1
TEÓRICO VR1
IT
VD1
PRÁCTICO VR1
IT
•
Intercambiar entre sí de los cables de alimentación (polarización inversa) y repetir nuevamente esas medidas.
VD1
TEÓRICO VR1
IT
VD1
PRÁCTICO VR1
IT
Trabajo personal: A la vista de las medidas realizadas en el desarrollo anterior de la práctica, hacer una descripción detallada del comportamiento del circuito. Explicar y razonar de forma teórica cuáles serán las medidas obtenidas si suponemos que el diodo esta estropeado y su cátodo quedan en cortocircuito con el ánodo. Explicar y razonar de forma teórica cuáles serán las medidas obtenidas si suponemos que el diodo esta estropeado y el cátodo quedan aislados del ánodo.
1.16.2 Diodos emisores de luz (LED) Un diodo tipo led es capaz de emitir luz al polarizarlo directamente. Se comercializan de diferentes formas y tamaños así como de diferentes colores y diferentes espectros (luz visible, infrarroja, etc.). Las características que proporciona un fabricante reflejan las dimensiones del componente, su color, longitud de onda luminosa que emite, tensión que absorbe entre ánodo y cátodo (VAK), así como el consumo (IAK), entre otras. Es muy frecuente conectar un diodo led en serie con una resistencia de absorción R, cuyo valor se calcula según la siguiente formula: R = (V CC – V AK) / I AK’. La figura muestra el esquema de polarización de un diodo led polarizado directamente al que se alimenta con una tensión de 5Vcc y cuya resistencia de carga se supone calculada según la fórmula anterior.
Materiales necesarios •
Protoboard
•
1 resistencia de 120 ?
•
1 diodo led rojo de 5 mm
•
Téster
•
Cables de conexión
Montaje prá ctico: Al diodo led empleado se le supone con una tensión VAK de 1,7 V y un consumo IAK de 20 mA. Al alimentarlo con una tensión VCC de 5 V la resistencia de absorción calculada es 165 ? . La más aproximada disponible en el comercio es de 120 ? . Desarrollo de la prá ctica •
Realizar los cálculos teóricos y las medidas practicas oportunas para completar la siguiente tabla.
VR1
•
TEÓRICO VAK
IAK
VR1
PRÁCTICO VAK
IAK
Calcular el valor de R1 para una alimentación del circuito con +12 Vcc. Repetir los cálculos y medidas.
VR1
TEÓRICO VAK
IAK
VR1
PRÁCTICO VAK
IAK
1.16.3 Laboratorio rectificador de media onda La mayor parte de equipos electrónicos trabajan con tensión continua (VDC); sin embargo, la que suministran los productores de energía eléctrica es de tipo alterna (VAC). Es necesario por tanto convertir la tensión VAC en VDC. Sabemos que un diodo sólo deja pasar intensidad cuando se le polariza directamente y esto ocurrirá en uno de los dos semiciclos de la VAC aplicada. Se rectifica, por tanto, media onda y se obtiene una tensión pulsatoria simple. Se muestra en el esquema de la siguiente figura.
Materiales necesarios •
Entrenador <>
•
1 resistencia de 4 K7 y 22 K
•
condensadores de 10 F y 100 F
•
diodo 1N4007
•
Téster
•
Cables de conexión
Montaje prá ctico: El circuito se alimenta desde el secundario del transformador del entrenador. Desarrollo de la prá ctica: • Con el canal 1 del osciloscopio, dibujar en relación de fase sobre la gráfica de la Figura las señales en los puntos VA, VB y VC del esquema, indicando la frecuencia y la Vpp de cada una. Procurar orientar la sonda según la polaridad indicada.
•
Sustituir Rl de 4 K7 por un condensador CI de 10 uF (ojo con la polaridad).
•
Medir con el téster y anotar el valor VB en bornes del condensador: VB = ____________
•
Añadir nuevamente Rl de 4 K7 en paralelo con el condensador.
Trabajo personal • Compruebe prácticamente estas dos afimaciones y gráfique los resultados: a) Si la R de carga es mayor, la intensidad es menor al igual que el rizado. b) Si el condensador de filtro es mayor, el rizado será menor. •
Dibujar la señal de rizado obtenida.
1.16.4 Laboratorio de onda completa En un rectificador de onda completa se emplean al menos dos diodos y un transformador con toma intermedia. En un semiciclo, conduce uno de los diodos, y en el semiciclo contrario, el otro. De esta forma se consigue obtener una pulsatoria doble en la que se aprovecha la totalidad de la ACV rectificada. La Figura muestra el esquema de un circuito rectificador de doble onda u onda completa. La fotografía de al lado muestra el montaje práctico del mismo sobre el entrenador.
Materiales necesarios •
Entrenador <>
•
1 resistencia de 4 K7
•
condensadores de 10 F y 100 F
•
2 diodos 1N4007
•
Téster
•
Cables de conexión
Montaje practico: Es el mostrado en la figura anterior. El circuito se alimenta desde el secundario con toma intermedia del transformador del entrenador. Desarrollo de la prá ctica: •
Con el canal 1 del osciloscopio, visualizar y dibujar en relación de fase sobre la gráfica de la Figura, las señales en los puntos VA, VB, VC y VD del esquema,
indicando la frecuencia y la Vpp de cada una. Procurar orientar los extremos de la sonda según la polaridad indicada en el esquema. •
Colocar en paralelo a Rl de 4 K7 el condensador C1 de 10 F. Medir con el téster la tensión continua en el punto VD y anotarla; VD = _________________
Trabajo personal: •
Cambiar C1 de 10 F por otro de 100 F. Anote las observaciones y dibuje la gráfica obtenida.
Unidad 2
UNIDAD 2. TRANSISTORES BIPOLARES DE UNION (BJT) La unidad 2, está dedicada al estudio del transistor BJT, se muestran sus principales características de acuerdo al material semiconductor que lo componen, se estudian los diferentes modos de operación, la importancia de la polarización en DC y la hoja de especificaciones de datos del dispositivo. Al finalizar esta unidad el estudiante estará en capacidad de: •
Identificar las características bá sicas de un Transistor Bipolar.
•
Comprender el efecto amplificador de l transistor BJT.
•
Reconocer los modos de operación de un BJT.
•
Calcular el punto Q (punto de trabajo) para un circuito con polarización fija, auto polarización, divisor de voltaje y otros tipos de polarización.
•
Realizar pruebas a los transistores fuera y dentro de los circuitos.
•
Calcular, en un cualquier tipo de polarización, la corriente por el divisor, la tensión de base, la tensión de emisor, la tensión de colector y la tensión colectoremisor.
•
Comparar los diferentes tipos de polarización y describir las características de cada uno.
•
Armar circuitos con transistores BJT y tomar las mediciones de voltaje y corriente en cada una de sus terminales.
•
Interpretar los datos má s importantes dentro de las hojas de especificaciones de los transistores BJT.
2.1 TRANSISTOR DE UNIÓN BIPOLAR El transistor es un dispositivo de tres terminales (Emisor, Base y Colector), a diferencia del diodo, que tiene dos terminales, internamente es un dispositivo semiconductor de tres capas, compuesto ya sea de dos capas de material tipo ny una de tipo p (NPN) o dos capas de material tipo p y una de tipo n (PNP). En otras palabras, el transistor esta compuesto por tres zonas de dopado, como se ve en la Figura 55 a.
Figura 55. a) Tres zonas de dopado (NPN ó PNP) b) Equivalencia de transistor en diodo c) Esquemático del transistor NPN y PNP. El emisor es una capa de tamaño medio diseñada para emitir o inyectar electrones, está bastante contaminado. La base cuenta con una contaminación media, es una capa delgada diseñada para pasar electrones. El colector, capa grande diseñada para colectar electrones, está poco contaminado. La abreviatura BJT (bipolar junción transistor = transistor de unión bipolar) se aplica a menudo a este dispositivo de tres terminales. El término bipolar refleja el hecho de que los electrones y los huecos participan en el proceso de inyección en el material polarizado opuestamente. Si sólo uno de los portadores se emplea (electrón o hueco), se considera que el dispositivo es unipolar.
Un transistor es similar a dos diodos, el transistor tiene dos uniones: una entre el emisor y la base y la otra entre la base y el colector. El emisor y la base forman uno de los diodos, mientras que el colector y la base forman el otro. (Figura 55b) La Figura 55 c, muestra el símbolo esquemático de un transistor NPN y uno PNP. Es importante destacar que la flecha indica el sentido en que fluye la corriente. Para que el transistor ente en conducción necesita un voltaje de 0.7V entre emisor y base VBE , para un NPN, en el caso del PNP se debe asegurar una tensión de 0.7V entre emisor y base = VEB. Las corrientes en el transistor reciben el nombre de acuerdo a la terminal por la que pasan, así tenemos: Corriente de base (I B), Corriente de emisor (IE), Corriente de colector (IC). El transistor, normalmente trabaja con una red externa, que consta de elementos pasivos (resistencia y capacitores principalmente), que se colocan en cualquiera de las tres terminales del dispositivo, de acuerdo a la que estén conectadas, reciben su nombre. Así tenemos Resistencia de base R B, Resistencia de colector Rc y Resistencias de emisor R E. La alimentación suele ser con fuentes de voltaje directo y en algunos casos observamos fuente de dc con AC (especialmente para los circuitos de amplificadores), para lo cual debe acudirse al principio de superposición para hacer su análisis.
2.2 OPERACIÓN DEL TRANSISTOR Observemos la Figura 56, la cual muestra la estructura interna de un transistor PNP, sin la polarización base a colector, el resultado de esto es equivalente a obtener un diodo polarizado directamente. Debido al voltaje aplicado se ha reducido la región de agotamiento, produciendo un flujo de portadores mayoritarios del material tipo p al tipo n.
Figura 56. Unión polarizada directamente de un transistor PNP
La operación del transistor NPN es exactamente igual si se intercambian los papeles que desempeñan los electrones y los huecos. Si eliminamos ahora la polarización base a emisor del transistor PNP , el flujo de portadores mayoritarios es cero, por lo que sólo se presenta un flujo de portadores minoritarios, como se ilustra en la Figura 57, en la cual también podemos observar la polarización inversa que existe entre colector y base
Figura 57. Unión polarizada inversamente de un transistor pnp. En conclusión: una unión p-n de un transistor está polarizada inversamente, en tanto que la otra presenta polarización directa. Si ahora polarizamos al mismo tiempo las dos uniones, tal como lo muestra la Figura 58, se puede observar con claridad los anchos de las regiones de agotamiento, que indican que unión está polarizada directamente y cuál inversamente. Un gran número de portadores mayoritarios se difundirán a través de la unión pn polarizada directamente dentro del material tipo n pero no todos estos portadores pasarán hacia la otra capa p, puesto que la capa n es delgada y tiene una baja conductividad, entonces un número muy pequeño de estos portadores seguirá la trayectoria de alta resistencia hacia la terminal de la base, por esta razón, corriente de base es por lo general del orden de micro amperes en comparación con los mili amperes de las corrientes del emisor y del colector.
Figura 58. Flujo de portadores mayoritarios y minoritarios de un transistor PNP.
Por la ley de corriente de Kirchhoff, aplicada al transistor de la Figura 58, como si fuera un solo nodo, se obtiene: IE = IC + IB
2.3 CONFIGURACIÓN EN BASE COMÚN En la configuración de base común para transistores PNP y NPN, la base es común tanto a la entrada como a la salida de la configuración. Además se presenta el caso que la base es la terminal más cercana a, o que se encuentra en el potencial de tierra. Para el transistor la flecha en el símbolo gráfico define la dirección de la corriente del emisor (flujo de huecos) a través del dispositivo.
Figura 59. Notación y símbolos en la configuración de base común. Todas las direcciones de corriente que aparecen en la figura anterior son las direcciones reales que obedecen a la polarización indicada. Se puede observar que en cada caso, aplicando la ley de corriente de Kirchoff, I E = I C + I B. Para describir el comportamiento del amplificador de base común, se requiere de dos conjuntos de características, uno para los parámetros de entrada o punto de manejo y el otro para el lado de salida, en la entrada tenemos la corriente de emisor I E asociada con un voltaje base emisor para V BE para varios niveles de voltaje de salida V CB con una corriente de colector asociada, que determinarán el punto de operación del transistor y por lo tanto el modo en el cual operará, tema que se tratará más adelante. Es pertinente aclarar que una vez que el transistor esta en el estado "encendido" o de conducción, se supondrá que el voltaje de base a emisor será el siguiente:
V BE = 0.7 V Existe un parámetro llamado alfa, que es de gran interés debido a que relacionan en el modo de cd los niveles de IC e IE y que se define por medio de la siguiente ecuación: α cd = I C / I E
Donde IC e IE son los niveles de corriente al punto de operación. Como la corriente de colector es aproximadamente igual a la corriente de emisor, este valor es aproximado a 1, pero para dispositivos prácticos el nivel de alfa se extiende típicamente de 0.90 a 0.998, aproximándose la mayor parte al extremo superior del intervalo. Para las situaciones de ca en donde el punto de operación se mueve sobre la curva de características, un alfa de ca se define por:
El alfa de ca se denomina formalmente el factor de amplificación de base común en corto circuito. Para la mayoría de las situaciones las magnitudes de a cay de a cd se encuentran bastante cercanas, permitiendo usar la magnitud de una por otra.
2.4 ACCIÓN AMPLIFICADORA DEL TRANSISTOR
Figura 60. Acción básica de amplificación de voltaje de la configuración de base común Para analizar la acción amplificadora del BJT, se tomará la configuración de base común (Figura 60), para la cual, la resistencia de entrada de AC determinada es bastante pequeña y varía típicamente de 10 a 100 ohms y la resistencia de salida es bastante alta y varía normalmente de 50 kohms a 1 Mohms.
La diferencia en resistencia se debe a la unión polarizada directamente en la entrada (base a emisor) y la unión polarizada inversamente en la salida (base a colector). Usando un valor común de 20 ohms para la resistencia de entrada, encontramos que
Si suponemos por el momento que αca = 1, es decir, IC =IE y que IB = 0A, aplicado al circuito de la Figura 60, IL = Ii IL = Ii = 10 mA VL = ILR = (10 mA)(5 kohms) = 50 V La amplificación de voltaje es
Los valores típicos de amplificación de voltaje para la configuración de base común varían de 50 a 300. La amplificación de corriente (IC/IE ) siempre es menor que 1 para la configuración de base común. Esta última característica debe ser evidente ya que IC = α IE y α siempre es menor que 1. La acción básica de amplificación se produjo transfiriendo una corriente I de un circuito de baja resistencia a uno de alta. La combinación de transferencia + resistor produce el nombre de transistor.
2.5 CONFIGURACIÓN EN EMISOR COMÚN La siguiente figura, muestra la configuración de transistores que se encuentra con mayor frecuencia para los transistores PNP y NPN. Se denomina configuración de emisor comú n porque el emisor es común tanto a las terminales de entrada como a las de salida (en este caso, es también común a las terminales de la base y del colector).
De nuevo se necesitan dos conjuntos de características para describir en forma completa el comportamiento de la configuración de emisor común: una para la entrada o circuito de la base y una para la salida o circuito del colector.
a)
b)
Figura 61. Símbolos utilizados con la configuración de emisor común: a) transistor NPN; b) transistor PNP. Las corrientes del emisor, colector y la base se muestran en su dirección de corriente convencional real. Aun cuando la configuración del transistor ha cambiado, siguen siendo aplicables las relaciones de corrientes desarrolladas antes para la configuración de base común. IB es del orden de micro amperes comparada con los mili amperes de IC y el voltaje de base emisor es aproximadamente 0.7V, después de encendido el transistor. La región activa de la configuración de emisor común puede emplearse en la amplificación de voltaje, corriente o potencia. En el modo de cd los niveles de IC e IB se relacionan por una cantidad denominada beta y definida por la siguiente ecuación: cd
= I C / I B
ca es factor de amplificación de corriente directa de emisor común. Puesto que la corriente de colector es por lo general la corriente de salida para una configuración de emisor común y la corriente de base es la corriente de entrada.
,
ca
y de
cd,
son valores cercanos y con frecuencia se utilizan en forma
intercambiable. Alfa se puede describir en términos de beta, de la siguiente manera:
2.6 COLECTOR COMÚN La tercera y última configuración de transistores es la de colector comú n, mostrada en la figura que se encuentra a continuación, en la cual se observa la dirección apropiada de la corriente y la notación de voltaje correspondiente. La configuración de colector común se emplea fundamentalmente para propósitos de acoplamiento de impedancia ya que tiene una elevada impedancia de entrada y una baja impedancia de salida, que es lo opuesto a las configuraciones de base común y de emisor común.
Figura 62. Notación y símbolo en la configuración de colector común.
2.7
LIMITES DE OPERACIÓN
Para cada transistor existe una región de operación, la cual asegurará que los valores nominales máximos no sean excedidos y la señal de salida exhibe una distorsión mínima. Todos los límites de operación se definen sobre una típica hoja de especificaciones de transistor. Algunos de los límites son por ejemplo la corriente máxima de colector (Icmá x ) (denominada, por lo general, en la hoja de especificaciones, como corriente continua de colector) y el voltaje máximo de colector a emisor (abreviada a menudo como VCEO.) Para el transistor de la Figura 63, que posee Icmá x de 50 mA y V CEO como de 20 V, la línea vertical de la característica definida como V CE sat especifica el mínimo V CE que puede aplicarse sin caer en la región no lineal denominada región de saturación. El nivel de V CE sat es cercano a los 0.3 V para este transistor.
Figura 63. Definición de la región lineal de operación (sin distorsión) de un transistor La máxima potencia de colector que el dispositivo puede disipar se define por la siguiente ecuación: Pcm Pcmá x = = V CE Ic Ic =300mW para el dispositivo dado en la Figura 63. Para graficar la curva de disipación de potencia de colector especificada, se debe cumplir que en cualquier punto sobre la curva el producto de V CE e Ic debe ser igual a 300 mW. Si elegimos para Ic el valor máximo de 50 mA y lo sustituimos en la relación anterior, obtenemos: VCE Ic Ic = 300 mW, entonces: V CEO (50 mA) = 300 mW VCE = 6 V Como un resultado encontramos que si Ic = = 50 mA, entonces V CEO = 6 V sobre la curva de disipación de potencia, como se indica en la Figura 63. Si ahora elegimos para VCE su valor máximo de 20 V, el nivel de IC es el siguiente: (20 V)Ic V)Ic = 300 mW 15 mA IC =
Asi se define un segundo punto sobre la curvatura de potencia. Si ahora escogemos un nivel de Ic a la mitad del intervalo como 25 mA, resolvemos para el nivel resultante de Vce, obtenemos: obtenemos: V (25 (25 mA) = 300 mW VCE = 12 V Una estimación aproximada de la curva real puede dibujarse por lo general empleando los tres puntos definidos con anterioridad. Por supuesto, entre más puntos tenga, más precisa será la curva, pero una aproximación es generalmente todo lo que se requiere. La región de corte corte se define como la región bajo Ic = I CEO CEO. Esta región tiene que evitarse también si la señal de salida debe tener una distorsión mínima. En algunas hojas de especificaciones se proporciona solamente I CBO CBO. Entonces uno debe utilizar la ecuación I ecuación I CEO nivel de corte si la la curva de CEO = I CBO CBO para establecer alguna idea del nivel características no está disponible. Si las curvas de características no están disponibles o no aparecen en la hoja de especificaciones (como ocurre con frecuencia), uno simplemente debe estar seguro que Ic , V CE CE y su producto caigan dentro del intervalo que aparece en la siguiente ecuación:
I CEO CEO ≤ Ic≤ Icmá x V CE sat ≤ V CE CE CE ≤ V CE CE má x V CE Ic ≤ Pcmá x CE Para las características de base común la curva de potencia máxima se define por el siguiente producto de cantidades de salida:
P Cmax Cmax = V CB CB I C
2.8 HOJAS DE ESPECIFICACIONES DE TRANSISTORES La hoja de especificaciones es el enlace de comunicación entre el fabricante y el usuario, es de particular importancia que la información proporcionada sea reconocida y correctamente comprendida. El 2N4123 es un transistor NPN de propósito general, será nuestro modelo.
La mayoría de las hojas de especificaciones se dividen en valores nominales má ximos, características térmicas térmicas y características eléctricas. eléctricas. Las características eléctricas se subdividen además en características en estado "encendido", en estado "apagado" y de pequeña señal. Las características en estado activo y pasivo se refieren a los límites de CD, mientras que las características de pequeña señal incluyen los parámetros de importancia para la operación de AC. Nótese en la lista de valores nominales máximos que vcemax = V CEO CEO = 30 V con I Cmax Cmax = 200 mA. La máxima máxima disipación de potencia de colector = 625 mW. El factor de degradación bajo los valores nominales máximos especifica que el valor nominal máximo debe descender 5 mW por cada grado de incremento en la temperatura sobre los 25°C. En las características durante el estado "apagado" I CBO CBO se especifica como de 50 nA y durante el estado "encendido" V CEsat CEsat = 0.3 V. El nivel de h FE tiene un intervalo de 50 hasta 150 a una Ic = 2 mA y V CE CE =1 V y un valor mínimo de 25 a una corriente mayor de 50 mA para el mismo voltaje. Los limites de operación se han definido ahora para el dispositivo empleando h FE = 150 (el límite superior). En realidad, para muchas aplicaciones, los 7.5 uA = 0.0075 mA se pueden considerar como 0 mA.
Límites Límites de Operación 7.5 uA ≤ I C C ≤ 200 mA 0.3 V ≤ V CE CE ≤ 30 V V CE I C C ≤ 650 mW CE En las características de pequeña señal el nivel de h fe ( ca), que no es más que el factor de amplificación del transistor, e, cual, varía un poco de acuerdo a la temperatura. En la práctica el valor de ca se estima igual que dc.
2.9 POLARIZACIÓN EN DC Y PUNTO DE OPERACIÓN El término polarizació término polarización n incluye todo lo referente a la aplicación de voltajes de dc para establecer un nivel fijo de corriente y voltaje, lo que se denominada punto de operación, operación, el cual define la región de trabajo del dispositivo, está dado por la pareja ordenada intensidad de colector (Ic) y la tensión colector-emisor (V CE) para un valor fijo de I B.
Figura 64. Regiones de operación del transistor Las regiones de operación del transistor son: activa o lineal, corte y saturación. De acuerdo a la ubicación de este punto será el uso que se dará al circuito. Por ejemplo los puntos a y b caen la región activa, el punto c cae en la región de saturación y el punto d cae en corte. (Figura 64) La siguiente tabla muestra la relación modo de operación-uso. Zona ACTIVA: Zona de SATURACIÓ N: Zona de CORTE:
AMPLIFICADORES CONMUTACIÓ N CONMUTACIÓ N
Si no se utilizara la polarización, el dispositivo estaría al principio totalmente desactivado, esto es, corriente cero a través del dispositivo (y voltaje cero a través del mismo). Es necesario polarizar el dispositivo de modo que pueda responder o cambiar sus valores de corriente y voltaje en todo el intervalo de una señal de entrada. El dispositivo BJT podría polarizarse para operar fuera del limite de operación, pero el resultado causaría ya sea el acortamiento de la vida de servicio del dispositivo, o bien su destrucción. La operación en las regiones de corte, de saturación y lineal de las características del BJT se obtienen de acuerdo con lo siguiente: •
Operación en la región lineal: Unión base-emisor con polarización directa, Unión base-colector con polarización inversa, es decir, VBE (+) y VBC (-).
•
Operación en la región de corte: Unión base-emisor con polarización inversa. VBE (-).
•
Operación en la región de saturación: Unión base-emisor y unión base-colector con polarización directa. VBE (+) y VBC (+).
Se realizará a continuación el análisis de diferentes tipos de polarizaciones con el fin de obtener los valores de VBC = VB - V C y V BE = V B - VE, para determinar así la región de operación de diferentes circuitos de transistores.
2.9.1
Polarización fija
Este es el tipo más sencillo de polarización. Esta no posee resistencia en el emisor, pues este se encuentra conectado directamente a tierra, las corrientes son mostradas en la siguiente gráfica, al igual que las fórmulas de apoyo para este análisis. A través del estudio del circuito de polarización, se logra obtener el punto de operación, siempre se debe buscar una de las corrientes y utilizar las relaciones que existen para hallar las faltantes, por lo general la corriente de base es la primera que se determina.
Figura 65. Circuito general de polarización fija. Analizaremos a continuación la malla que va de base (empezando con Vc c) a emisor (tierra del circuito), teniendo en cuenta: •
El sentido de la flecha que indica la dirección de la la corriente y determina la polaridad, en este caso se tomará el signo de donde sale.
•
La caída de voltaje en la resistencia de base, expresado a través de la ley de ohm
•
La caída de voltaje presente entre las terminales de base y emisor del transistor, la cual es igual a 0.7V
Figura 66. Recorrido malla base-emisor La malla base-emisor de acuerdo a la figura mostrada anteriormente, sería:
V CC –I B R B – V BE = = 0 CC –I Si despejamos la corriente de la base de la expresión anterior, quedaría:
I B = (V CC – V BE ) / R B CC – Conociendo esta corriente de base se puede hallar fácilmente la de colector y la de emisor, a través de las fórmulas que las relacionan que incluyen parámetros de α y . Si se tiene el valor de las corrientes es fácil determinar los voltajes de base, colector y emisor y finalmente hallar el modo de operación del transistor analizando los resultados de los voltajes de VBC y V BE. Por otra parte, si se aplica la ley de voltaje de Kirchoff en la sección de colectoremisor planteada en la figura, teniendo en cuenta la dirección indicada de la corriente Ic, se obtendría la siguiente expresión:
V CC - I C C R - V C C = = 0 CC C El voltaje V CE CE es igual a V C C porque al emisor está conectado directamente a tierra presentando una caída de 0V, entonces:
V CE = V CC - I C C R CE = CC C
Figura 67. Malla colector-emisor En la práctica VCE se determinan situando la punta roja (positiva) del voltímetro en la terminal de colector y la punta negra (negativa) en la terminal del emisor, como se ilustra en la Figura Figura 68, a continuación y VC es es el voltaje del colector a tierra y se mide como se muestra en la misma figura. En este caso, las dos lecturas son idénticas.
Figura 68. Medición de VCE y VC. Un parámetro muy importante, para el buen funcionamiento de este tipo de circuitos es la corriente máxima que puede soportar el transistor, la cual es denominada Icsat. Las condiciones de saturación se evitan por lo general debido a que la unión de base a colector ya no está inversamente polarizada y la señal amplificada de salida estará distorsionada. Si se necesita conocer la corriente máxima de colector aproximada (nivel de saturación) para un diseño en particular, simplemente inserte un corto circuito equivalente entre el colector y el emisor del transistor y calcule la corriente de colector resultante. Quedando la ecuación:
I Csat = V CC / RC Después de obtener todas las corrientes y voltajes se pueden hallar el punto de operación del transistor, que no es mas que la pareja ordenada de (V CE, Ic), y el modo de operación del transistor a través de la inspección de V BE y VBC. VC
Ejemplo 2.9.1.1. Para el circuito de la red, hallar: IBQ, ICQ, VCEQ, VC, VB, VE, para = 90
Inicialmente se realiza una malla de Base – Emisor, empleando la ley de voltajes de kirchoff obteniendo así: VCC − RBQIBQ − VBE = 0
De la anterior ecuación despejamos IBQ: IBQ =
Reemplazamos: IBQ =
VCC − VBE RBQ
16V − 0.7V → IBQ = 32.5µ A 470 K Ω
Para halla ICQ, la magnitud de la corriente se relaciona directamente con IBQ por medio de: ICQ = IBQ Reemplazamos: ICQ = 90(32.5µ A) → ICQ = 2.93mA Aplicando la ley de voltajes de kirchoff en la dirección de las manecillas del reloj obtenemos:
VCE + IRC − VCC = 0 Despejando VCE de la ecuación VCE = VCC − ICRC
Reemplazamos: VCEQ = 16V − (2.93mA * 2.7 K Ω) → VCEQ = 8.09V VCE = VC − VE es el voltaje de colector a emisor, Vc: Voltaje colector y Ve: Voltaje emisor; pero como VE esta conectado a tierra VE=0. VC = VCE → VC = 8.09V VBE = VB − VE Como sabemos que VE= 0v entonces VBE = VB → VBE = 0.7V VE = 0V
Ejemplo 2.9.1.2. Para el circuito de la red, hallar: IC, RC, VCE, RB, beta es 80
La corriente Ic, se relaciona con IB por una constante IC = IB Reemplazamos: IC = 80(40µ A) → IC = 3.2mA Ley de Kirchhoff malla colector – emisor VCE = VCC − ICRC → RC =
Reemplazamos: RC =
VCC − VCE IC
12V − 6V → RC = 1.87 K Ω 3.2mA
Ley de Kirchhoff en la malla Base – Emisor VCC − RBIB − VBE = 0 → RB =
VCC − VBE IB
Reemplazamos: RB =
12V − 0.7V → RB = 282500Ω 40µ A
Como sabemos que VCE = VC − VE y como VE esta aterrizado el voltaje es 0V VE=0v VCE = VC → VCE = 6V
2.9.2
Polarización estabilizando el emisor
La red de polarización de la Figura 69 tiene una Resistencia en el emisor para mejorar el nivel de estabilidad de la configuración fija; esto es, las corrientes y voltajes de polarización de CD se mantienen más cerca de los puntos donde fueron fijados por el circuito aun cuando cambien las condiciones externas como el voltaje de alimentación, la temperatura e incluso la beta del transistor.
Figura 69. Polarización estabilizada en emisor El análisis se llevará a cabo haciendo la malla de base a emisor, teniendo en cuenta la siguiente ilustración:
Figura 70. Malla de base-emisor en la configuración de autopolarización Al aplicar la ley de voltaje de Kirchoff señalada, la expresión quedaría:
V CC - I B R B - V BE - I E R E = 0 En la expresión inmediatamente anterior notamos que hay una ecuación con dos incógnitas, por lo tanto debemos hallar una fórmula auxiliar para que el sistema tenga solución, es entonces indispensable recordar que:
I E = ( + 1)I B Sustituyendo la corriente de emisor en la malla, se tiene:
V CC - I B R B - V BE - ( + 1)I B R E = 0 Despejando la corriente de base se obtiene la siguiente expresión:
I B = (V CC - V BE )/(R B + ( + ) R E ) Por otra parte, analizando la malla de colector, se obtiene la siguiente expresión:
V CC – I C R R E = 0 C - V CE -I E Sustituyendo IE =IC y agrupando términos, se obtiene:
V CC - V CE - I C( RC + R E ) = 0 V CE = V CC - I C (RC + R E ) El voltaje con subíndice sencillo VE es el voltaje de emisor a tierra y se determina por:
V E = I E R E Mientras que el voltaje de colector a tierra puede determinarse a partir de:
V CE = V C – V E
V C = V CC - I C R C
Otra ventaja de la adición del resistor de emisor, es que reduce el nivel de saturación del emisor por debajo del nivel que se obtiene con una configuración de polarización fija por medio del mismo resistor del colector. Para hallar la Icsat, es decir, la corriente de saturación se hace la malla de colector a emisor, igualando a cero el VCE y despejando la Ic que es igual a Icsat. Por lo tanto, Icsat es:
I Csat = V CC / (RC +R E )
2.9.3
Polarización por divisor de voltaje.
Es el tipo de polarización a la que le afecta en menor proporción los cambios de beta frente a la temperatura, su punto de operación llega a ser casi independiente de las variaciones del factor de amplificación. Figura 71.
Figura 71. Polarización divisor de voltaje Observamos que la base cuenta con dos resistencias que se encuentran en paralelo, para analizar esta red es necesario hallar la caída de voltaje en R2 (a través de un divisor de voltaje) , que será el voltaje equivalente al momento de
realizar la malla y hallar el equivalente thevenin de las resistencias( resistencias en paralelo), como se muestra a continuación:
Teniendo el circuito con una fuente y una resistencia equivalente, se procede a hacer el análisis. La malla de base a emisor sería la siguiente: ETh - IBRTh - VBE - IERE = 0 En la expresión anterior se tiene una ecuación con dos incógnitas, utilizamos la relación de la corriente de emisor con la base y se deja la expresión en términos de una sola incógnita (I B), y se despeja, quedando así:
Si se conoce el valor de una corriente se pueden conocer todas las que recorren el circuito, a través de las fórmulas conocidas. Cuando se tiene el circuito de polarización equivalente con Eth y Rth, se puede hacer el análisis completo de manera muy similar a la autopolarización.
Ejemplo 2.9.3.1. Para la configuración de polarización por divisor de voltaje, determine: IB, IC, VCE, VC, VE, VB, VBE y el modo de operación.
R TH = VTH =
62ΚΩ × 9.1ΚΩ 564.2ΚΩ = ⇒ R TH = 7.93K? 62ΚΩ + 9.1ΚΩ 71.1ΚΩ
16V × 9.1ΚΩ ⇒ VTH = 2.04V (DIVISOR DE VOLTAJE) 62ΚΩ + 9.1ΚΩ
Se realiza la malla correspondiente: VTH - R TH – V BE – R EIE = 0
Como sabemos I E = (ß+1)IB reemplazamos en la fórmula anterior y nos queda que: VTH - R TH – V BE – R E(ß +1)IB = 0, simplificamos y nos queda que VTH – IB (R TH + (ß +1) R E) – VBE = 0,
Reemplazamos los valores y obtenemos la siguiente fórmula :
2.04V – IB(7.93K? + (80+1)(0.68K? )) - 0.7V = 0,
Despejamos IB y nos queda que ⇒ IB(7.93K? + (80+1)(0.68K? )) = 2.04v – 0.7V ⇒ IB =
2.04V - 0.7V 1.34V 1.34V = = ⇒ IB = 0.021mA 7.93K Ω + (80 + 1)(0.68K Ω) 7.93ΚΩ + 55.08ΚΩ 63.01ΚΩ
Como sabemos I C = ß.I B, reemplazamos los valores y nos queda que: IC = (80)(0.021mA), entonces IC = 1.68mA.
De igual forma I E = (ß+1)I B, reemplazamos y obtenemos I E = (80+1) 0.021mA, entonces: IE = 1.7mA
Para hallar los voltajes lo hacemos con las siguientes fórmulas : VB = V TH – I BR TH ⇒ VB = 2.04 – (0.021mA)(7.93K? ) ⇒ VB = 1.87V VE = -I ER E ⇒ VE = -1.7mA (0.68K? ) ⇒ VE = 1.156V VC = V CC – I CR C 16V – (1.68mA)(3.9 K? ) ⇒ VC = 9.448V ⇒ VC=
En este punto se puede hallar el modo de operación, de la siguiente forma: VBE = V B - V E ⇒ VBE = 1.87V – 1.156V ⇒ VBE = 0.714V VCE = V C - V E ⇒ VCE = 9.448V – 1.156V ⇒ VCE = 8.292V VBC = V B – V C ⇒ VBC = 1.87V - 9.448V ⇒ VBC = – 7.578V MODO DE OPERACIÓN ACTIVO O LINEAL
2.9.4
Diversas configuraciones de polarización
Hay un número de configuraciones de polarización BJT que no coinciden con los modelos básicos tratados hasta aquí, en esta parte se trataran diversas configuraciones de polarización, para las cuales el primer paso en su análisis será hallar la corriente de la base para proceder a hallar las demás corrientes y voltajes asociados, con el fin de hallar el punto y el modo de operación.
Ejemplo 2.9.4.1. Retroalimentación de voltaje Para la red de la siguiente: Determine Icq y Vceq y encuentre VB, VC, VE y VBC Si Vcc = 20 V, Rc = 4.7KOhm, RB = 680KOhm, beta = 120
Para resolver este circuito, se debe realizar la malla que comienza en el colector con Vcc, seguido de la caída de voltaje en Rc, luego la caída en RB que por ley de ohm es igual a RB por IB, se prosigue el voltaje de base a emisor y finalizando en la tierra del emisor.
V CC –IcRc-I B R B - V BE = 0 Se reemplaza la Ic en términos de la corriente de base y se despeja.
Se halla la corriente de colector así:
Se procede a hallar el voltaje de colector a emisor para tener el punto de operación de la red del transistor.
Por último, se hallan los voltajes de base, colector y emisor, para saber el modo de operación.
Concluimos que el arreglo del transistor se encuentra operando en modo activo.
Ejemplo 2.9.4.2. Otro tipo de configuración es el mostrado en la figura que se muestra a continuación para la cual se debe determinar VCEQ e IE. Si VEE= -20V, RE = 2KOhm, RB = 240KOhm y beta = 90.
Aplicando la ley de voltaje de Kirchhoff al circuito de entrada se obtiene:
Sustituyendo valores tenemos
Aplicando la ley de voltaje de Kirchhoff al circuito de salida obtenemos:
Ejemplo 2.9.4.3. La red que se analizará a continuación es similar a un divisor de voltaje pero el emisor está conectado a una fuente de alimentación. Determine VC y VB para la red de la figura con los siguientes datos: R1 = 82KOhm, R2 = 2.2kOhms, RE = 1.8 kOhms, RC = 2.7 kOhms, VCC = 20V, VEE = -20V, beta = 120
Para iniciar nuestro procedimiento se deben hallar la resistencia y el voltaje de Thevenin como se muestra a continuación:
La red puede volverse a dibujar, como se ilustra en la figura del circuito equivalente, que sigue y al aplicarle la ley de voltaje de Kirchhoff, da por resultado
-E Th - I B RTh - V BE - I E R E + V EE = 0
Al sustituir I E = ( + 1)I B obtenemos:
ESTRATEGIAS PARA LA RESOLUCIÓ N DE CIRCUITOS DE POLARIZACIÓ N D.C. •
Observar el sentido de la flecha del esquemático del transistor, sabiendo que este mismo sentido es el de la corriente.
•
Asumir las polaridades en las fuentes, resistencias y demás caídas de voltaje.
•
Plantear la malla, utilizando la ley de voltaje de Kirchoff tomando una de las convenciones posibles (por donde entra o por donde sale la corriente).
•
Buscar que la ecuación quede planteada en función de una sola de las corrientes del circuito, para despejarla y hallar su valor.
•
Utilizar las formulas que relacionan las corrientes, para hallar todas las corrientes del transistor.
•
Establecer los valores correspondientes a los voltajes de la red, es decir, base, emisor y colector, para hallar punto y modo de operación del transistor tratado en particular.
2.10 PERACIONES DE DISEÑO Hasta el momento se han analizado redes de transistores ya constituidas, se han hallado corrientes, voltajes y modo de operación, pero también existe la posibilidad de tener que realizar el proceso de diseño, en el cual se puede especificar una corriente y/o un voltaje y deben determinarse los elementos requeridos para establecer los niveles deseados. Para esto se debe tener un dominio de las características del dispositivo, de las ecuaciones básicas para la red y de las leyes de Ohm y Kirchoff. No existe una ruta definida y se puede requerir de algunas suposiciones básicas. En algunos casos ya se especifican el transistor y las fuentes de trabajo por lo que se hace necesario, definir el valor de las resistencias de la red. Una vez que se determina el valor teórico de los resistores, se elige por lo general el valor comercial más cercano y cualquier variación se acepta como parte del diseño. Para realizar cálculos resistivos, lo más sencillo es utilizar la ley de Ohm, que es:
Desconocida = V R / I R Ejemplo 2.10.1. Dadas las características del dispositivo de la figura, determine VCC, R B y R C para la configuración de polarización fija.
De la recta de carga de carga nos proporciona un primer dato que es VCE 20V. Pero se sabe que VE es cero para este circuito de polarización fija, podemos deducir entonces que Vcc es 20V.
La corriente de colector Ic de la red es 8mA, se puede hallar por ley de Ohm el valor de Rc, que es igual:
La corriente de base también es conocida y se puede utilizar la expresión:
Para despejar la resistencia de la base, quedando así:
Los valores hallados se aproximan a valores comerciales.
2.11 EL TRANSISTOR INTERRUPTOR
EN
CONMUTACIÓN
O
COMO
Anteriormente se ha mencionado que los transistores no solo se utilizan para la amplificación de señales sino que por medio de un diseño adecuado pueden utilizarse como interruptor para aplicaciones de control, en otro campo se aplican para activar y desactivar relés, computadoras, pero la principal aplicación de transistor como interruptor es en los circuitos e integrados lógicos. Cuando un transistor se utiliza como interruptor o switch la corriente de base debe tener un valor para lograr que el transistor entre en corte y otra para que entre en saturación, para lo cual se deben cumplir las siguientes condiciones: •
Un transistor en corte tiene una corriente de colector (Ic) mínima (prácticamente igual a cero) y una tensión colector emisor (VCE) máxima (casi igual a la tensión de alimentación).
•
Un transistor en saturación tiene una corriente de colector (Ic) máxima y una tensión colector emisor (VCE) casi nula (cero voltios). Ver zona en verde en el gráfico.
Figura 72. Transistor como interruptor El voltaje de Vin determina si el transistor se encuentra abierto (impidiendo el paso de corriente) o cerrado (permitiendo el flujo de corriente). Si el voltaje de entrada es muy bajo (menor 0.6V) no hay flujo de corriente por la unión base-emisor, por lo tanto no hay corriente de colector y no podrá llegar corriente a la carga. Bajo estas circunstancias el transistor (modo corte) opera como un interruptor abierto en serie con la carga. Para dar corriente a la carga el transistor debe estar trabajando como un interruptor cerrado, para lo cual el voltaje de entrada debe ser lo suficiente grande para llevar el transistor a saturación. Para lo cual se deben tener en cuenta los siguientes cálculos:
y la forma más sencilla para hallar Vin es:
si el voltaje de base es mayor de 0.6V, el transistor funcionará como un interruptor cerrado.
Ejemplo de diseño 2.11.1. Calcular el valor de Rb (resistencia de base) que ha de utilizarse, para que el circuito funcione como un interruptor (conectar y desconectar una tensión de 12 voltios). Datos:
•
La tensión de alimentación es de 12 Voltios- Bombillo de 12 voltios, 1.2 watts.
•
El beta mínimo del transistor es de 200
Figura 73. Ejemplo de diseño 2.11.1. Para poner el transistor en saturación se debe obtener Ic, para lo cual se utiliza la potencia del bombillo, que equivale a P = V x I, despejando I e igualando a Ic, se obtiene que: Ic = P / V = 1.2 watts / 12 voltios = 100 mA Se escoge el beta menor es 200 para asegurar de que el transistor se sature y se halla la corriente de base que es: IB = I C / B = 100 mA / 200 = 0.5 mA. Esta es la corriente de base necesaria para que el transistor se sature y encienda el bombillo. Para calcular Rb se hace una malla en el circuito de la base: 12 V = RB x I B – VBE Rb = (12 – 0.7 ) / Ib = 11.3 V. / 0.5 mA = 2260 ohmios. Para efectos prácticos Rb = 2.2 Kohms Para poner el transistor en corte el bombillo se apague, basta que la corriente que pase a través de él (Ic) sea cero. Para lograrlo se hace que la corriente de base Ib sea cero (Ic = B x Ib), poniendo la tensión que alimenta el circuito de la base en cero (0 Voltios)
2.12 TRANSISTORES PNP El análisis de los transistores PNP tiene el mismo modelo que el estudio realizado hasta ahora por los transistores NPN. Por lo general se halla la corriente de la base
en primera instancia y se utilizan las mismas relaciones para hallar las cantidades desconocidas. Si se hablara de diferencias significativas entre el sistema de ecuaciones que se obtienen para una red en la que se ha reemplazado un transistor NPN por otro de tipo PNP es el signo asociado a cantidades particulares. Por esto es que normalmente se dice que estos tipos de transistores son complementarios o se afirma que el NPN es el transistor positivo y el PNP el negativo.
Figura 74. Transistor PNP en una configuración estabilizada en emisor. Se puede observar que para este transistor se invierte la dirección de las corrientes. Aplicando la ley de voltaje de Kirchhoff a la malla de base a emisor obtendremos la siguiente ecuación:
- I E R E + V BE -I B R B +V CC = 0 Se reemplaza I E = (
+ 1 ) I B y se despeja I B:
La ecuación resultante es la misma que para la configuración con transistor NPN, a excepción del signo para V BE . Sin embargo, en este caso V BE = -0.7 V y la sustitución de los valores resultará en el mismo signo para cada término. Para VCE, la ley de voltaje de Kirchhoff se aplica a la malla de colector a emisor, lo que da por resultado la siguiente ecuación: C +V CC = 0 - I E R E + V CE -I C R
Se sustituye I E = I C, obtenemos
V CE = -V CC + I C( RC +R E )
Se observa una inversión de signo con respecto a la ecuación del NPN, debido a que V CC será mayor que la magnitud del término siguiente, el voltaje tendrá un signo negativo.
Ejemplo 2.12.1. Calcular el valor de transistor PNP.
ILED
en el circuito de la figura que posee un
Se aplica Thévenin a la parte izquierda del circuito para buscar un circuito equivalente con Vth = 5.72V y Rth = 0.342KOhm
El valor de esa ILED es positivo porque es una intensidad saliente, si fuese entrante sería negativa. Ahora comprobaremos si la suposición de activa es correcta, para ello el valor de V CE tendría que ser negativo.
2.13 DETECCIÓN DE AVERÍAS, PRUEBAS DENTRO Y FUERA DEL CIRCUITO. 2.13.1 Comprobación de transistores La base de un transistor se encuentra limitada por las dos uniones PN, por lo cual, se comporta como un diodo con el emisor, igualmente que con el colector. Teniendo en cuenta lo anterior, es fácil comprobar el estado de un transistor y saber cual es la base, el colector y el emisor y si es NPN o PNP, para lo cual se procederá de la siguiente forma. Se usará un medidor de resistencia, se coloca la sonda roja en una de las terminales y la negra en otra, si la resistencia es grande, puede que estemos midiendo entre Colector-Emisor o que estemos midiendo Base-Emisor/Colector en Polarización Inversa, ahora bien, si la resistencia es pequeña, estamos midiendo seguro entre Base-Colector o Base-Emisor en polarización directa, con lo que se conoce una de las dos termianles es la base. Se Cambia una de las sondas a la otra terminal, si la resistencia es grande, la patilla que ahora no está siendo medida es la base, si la resistencia es baja, sabemos que la patilla con la que hemos realizado las dos mediciones es la base y mirando el color de la sonda sabremos si es P ó N, con lo que ya sabemos si el transistor es PNP o NPN. Para diferenciar el Colector del Emisor, el procedimiento es el siguiente, medimos resistencia entre la base, ya diferenciada, y las otras dós patillas, el resistencia Base-Colector es siempre menor que la resistencia Base-Emisor. En resumen la Resitencia: Colector-Emisor à Alta Base-Colector à Baja (P.D.) Alta (P.I.) Base-Emisor à Baja (P.D.) Alta (P.I.) Base-Colector < Base Emisor
Los transistores se pueden probar utilizando el mismo procedimiento que se describió para los diodos, midiendo las uniones base-colector y base-emisor. Si el transistor es NPN se coloca la punta roja en la base y la negra donde se tocan el colector y emisor mostrando la medida en cada caso. Esta debe ser en diodos 0.7 aproximadamente si está bien. Si marca un valor bajo o cercano a cero hay un corto o ni no marca nada el transistor está abierto. También se debe hacer la prueba colector emisor que no debe marcar nada; esta prueba se hace con las puntas de prueba colocadas en ambos sentidos. Algunos multímetros digitales tienen prueba directa de transistores, para lo cual cuentan con una base o socket en donde se insertan los terminales del transistor dependiendo de su tipo NPN ó PNP. La perilla selectora se ubica en el sitio marcado hfe.
Figura 75. Socket para transsitores de un múltimetro digital
2.14 DIVERSOS TIPOS TRANSISTORES
DE
ENCAPSULADO
DE
Los transistores vienen en muchas presentaciones o encapsulados y estos vienen ligado al tipo de aplicación en que se les va a utilizar. Cada transistor tiene impreso en el cuerpo del mismo, el tipo de transistor que es, siendo así muy fácil poder encontrar sus características técnicas en un manual como el ECG o NTE. En estos manuales también se pueden encontrar transistores de características similares o muy parecidas a los que se los llama "equivalentes" Entre los encapsulados más comunes se encuentran: •
El TO-92: Este transistor pequeño es muy utilizado para la amplificación de pequeñas señales. La asignación de patitas (emisor - base - colector) no está estandarizado.
•
El TO-18: Es un poco más grande que el encapsulado TO-92, pero es metálico. En la carcaza hay un pequeño saliente que indica que la patita más cercana es el emisor.
•
El TO-39: tiene le mismo aspecto que es TO-92, pero es mas grande. Al igual que el anterior tiene una saliente que indica la cercanía del emisor, pero también tiene la patita del colector pegado a la carcaza, para efectos de disipación de calor.
•
El TO-126: Se utiliza mucho en aplicaciones de pequeña a mediana potencia. Puede o no utilizar disipador dependiendo de la aplicación en se este utilizando. Se fija al disipador por medio de un tornillo aislado en el centro del transistor. Se debe utilizar una mica aislante .
•
El TO-220: Se utiliza en aplicaciones en que se deba de disipar potencia algo menor que con el transistor TO-3, y al igual que el TO-126 debe utilizar una mica aislante si va a utilizar disipador, fijado por un tornillo debidamente aislado.
•
El TO-3: este encapsulado se utiliza en transistores de gran potencia. Como se puede ver en el gráfico es de gran tamaño debido a que tiene que disipar bastante calor. Está fabricado de metal y es muy normal ponerle un "disipador" para liberar la energía que este genera en calor. Este disipador no tiene un contacto directo con el cuerpo del transistor, pues este estaría conectado directamente con el colector del transistor (ver siguiente párrafo). Para evitar el contacto se pone una mica para que sirva de aislante y a la vez de buen conductor térmico. El disipador de fija al transistor con ayuda de tornillos adecuadamente aislados que se introducen el los orificios que estos tienen. (ver figura). En el transistor con encapsulado TO-3 el colector esta directamente conectado al cuerpo del mismo (carcaza), pudiendo verse que sólo tiene dos
pines o patitas. Estas patitas no están en el centro del transistor sino que ligeramente a un lado y si se pone el transistor como se muestra en la figura, al lado izquierdo estará el emisor y la derecha la base.
TO-92
TO-18
TO-39
TO-126
TO-220
TO-3
Figura 76. Diferentes tipos de encapsulados de BJT
2.15 ACTIVIDAD UNIDAD 2: TRANSISTORES DE UNIÓN BIPOLAR BJT Conteste las siguientes preguntas •
Que nombres se aplican a los dos tipos de transistores BJT? Dibuje la construcción básica de cada uno e identifique los diversos portadores mayoritarios y minoritarios de cada uno. Dibuje el símbolo gráfico junto a cada uno.
•
Describe y comenta brevemente la estructura física típica de un transistor pnp enfatizando las diferencias entre sus terminales de colector y emisor y las consecuencias que tiene esto en las zonas de operación activa e inversa del transistor.
•
Describe en forma resumida las zonas de operación del BJT y sus principales características.
•
¿Cómo se deben polarizar las dos uniones del transistor para una operación de amplificación correcta?
•
¿Cuál de las corrientes de transistor es la mayor? ¿cuál la menor? y ¿Cuáles son cercanas en magnitud?
•
¿A que se debe la caída de voltaje de base emisor del transistor igual a 0.7 V?
•
¿Qué es la región de operación?
•
¿Por qué se debe polarizar el transistor?
•
¿Para el transistor BJT que se polariza en su región lineal o activa con que debe de cumplir?
•
¿Cómo se obtienen las regiones de corte, de saturación y lineal del transistor BJT?
•
¿Cómo se puede lograr la estabilidad de polarización mejorada de un transistor?
•
¿Cuál es la diferencia principal entre un dispositivo unipolar y uno bipolar?
•
¿Que procedimiento general se realiza para hallar la corriente de saturación de un transistor?
•
¿Cómo se identifican las terminales de un transistor con un multímetro?
•
Realice un cuadro comparativo entre BJT NPN y PNP, teniendo en cuenta estructura, aplicación, símbolo, etc.
Escoja la respuesta adecuada para los siguientes enunciados: •
La acción básica de amplificación se produce mediante:
a) La transferencia de una corriente desde un circuito de baja resistencia a uno de alta resistencia. b) La transferencia de un voltaje desde un circuito de baja resistencia a uno de alta resistencia. c) La transferencia de una corriente desde un circuito de alta resistencia a uno de baja resistencia. d) La transferencia de un voltaje desde un circuito de alta resistencia a uno de baja resistencia. •
La palabra transistor surge de la combinación de dos palabras que son:
a) b) c) d) •
La flecha en el símbolo gráfico define:
a) b) c) d) •
Transportador + resistencia Transferencia + resistor Transformador + resistividad Cualquiera de las anteriores
El recorrido de la malla base- emisor La dirección de la corriente de emisor La caída de voltaje VBE ayc
La principal ventaja de la configuración de polarización por divisor de voltaje es:
a) Se usa con mayor frecuencia. b) Baja sensibilidad ante cambios de la beta de un transistor a otro dentro de un mismo lote. c) Facilidad en los cálculos. d) Mayor amplificación.
Determine si los enunciados mostrados a continuación son verdaderos (V) o falsos (F). •
Para que un transistor NPN esté trabajando en el modo activo la unión emisor base debe estar polarizado directamente, mientras que la unión base colector debe estar polarizado inversamente. ( )
•
El transistor BJT es un dispositivo controlado por la corriente de la base. (
•
Los tubos al vacío han sido reemplazados por dispositivos semiconductores debido a que estos son más pequeños, livianos, más resistentes, trabajan con menores voltajes. ( )
•
El beta de un transistor proporciona una relación importante entre las corrientes de base, emisor y colector y su valor oscila entre 50 y 400. ( )
•
La caída de voltaje de colector emisor es aproximadamente igual a 0.7 V. (
•
El transistor BJT es un dispositivo controlado por el voltaje de base a emisor. ( )
)
)
Resolver los siguientes circuitos de polarización: a) Determinar la región de funcionamiento y los valores de IB, IC, VCE en el circuito de la figura, siendo RB igual a: 300K y 150KOhms. El transistor empleado tiene un beta de 100.
b) Determinar los valores de IC, VCE en el circuito de la figura. Además halle Rc para que el transistor esté saturado.
c) Determinar los valores de IC, VCE en el circuito de la figura. Beta = 125
Investigue: •
Por lo menos dos aplicaciones de los BJT en circuitos de uso doméstico.
•
Por lo menos una aplicación del BJT en circuitos de uso industrial.
2.16 LABORATORIOS UNIDAD UNIÓN BIPOLAR BJT
2:
TRANSISTORES
DE
MATERIAL Y EQUIPO: 1 MULTIMETRO DIGITAL.2 JUEGOS DE PUNTAS DE PRUEBA. 1 FUENTE DE ALIMENTACIÓN VARIABLE DE C.D. 1 TABLILLA EXPERIMENTADORA Y ALAMBRE DE CONEXIÓN. 1 RESISTOR DE 680 OHMS A ¼ W. 1 RESISTOR DE 56KOHMS A ¼ W. 1 RESISTOR DE 270 KOHMS A ¼ W. 1 RESISTOR DE 18KOHMS A ¼ W. 1 RESISTOR DE 1KOHMS A ¼ W. 1 RESISTOR DE 560 OHMS A ¼ W 1 TRANSISTOR 2N2222.
DESARROLLO DE LA PRÁ CTICA. Ensamble el circuito de polarización fija, mostrado en la figura. Ajuste la fuente a los valores recomendados en la tabla, midiendo con el multímetro. Para cada voltaje ajustado mida el voltaje en los puntos indicados en la tabla. Recuerde que las corrientes las debe calcular, así como el voltaje en la resistencia de colector. Anote sus lecturas en la tabla.
VOLTAJE DE LA FUENTE
VOLTAJE CE
VOLTAJE BE
VOLTAJE Rc
Ic
6V
9V
12V
TABLA VALORES CALCULADOS VOLTAJE DE LA FUENTE
VOLTAJE CE
VOLTAJE BE
VOLTAJE Rc
Ic
6V
9V
12V
TABLA VALORES MEDIDOS Cuando termine de hacer la última medición de la tabla, deje conectado el multímetro de manera que observe el voltaje colector emisor. Ahora aplique calor por medio de un cautín o un fósforo directamente sobre el transistor. Anote sus observaciones. Ensamble el circuito polarización por divisor de voltaje y con estabilidad por emisor. Con ayuda del multímetro realice las mediciones sobre los puntos indicados en la tabla valores medidos y calculados.
Vcc
VE
VB
VCE
VR C
Ic (Calculada)
Ic (Medida)
6V
9V
12V
TABLA VALORES MEDIDOS Y CALCULADOS Al finalizar las mediciones de la tabla No. 3 deje ajustada la fuente de alimentación a 12volts. Mantenga el multímetro midiendo el voltaje colector-emisor. Aplique calor mediante una fuente externa, por ejemplo un cautín o un fósforo, directamente sobre el transistor. Anote sus observaciones. Mantenga la fuente ajustada a 12 volts, utilice el multímetro y mida la comente de colector. Recuerde que para medir corriente se debe abrir el circuito entre el colector y la resistencia de colector, conectando en serie el amperímetro (multímetro). Anote su lectura. Ic=____________ Ahora cortocircuite la resistencia de colector, es decir, elimine la resistencia y conecte el amperímetro entre Vcc y el colector del transistor. Anote su lectura.
Ic = _____________
RESPONDA LAS SIGUEINTES PREGUNTAS: 1.- ¿Cual es el efecto que tiene la aplicación de calor (temperatura) sobre el punto
de polarización para el circuito de la figura de polarización fija? 2.- ¿Cuál es el efecto que tiene la inserción de la resistencia de emisor en el circuito
de polarización ante los incrementos de temperatura? 3.- ¿Cuál es el valor del voltaje base-emisor para un transistor de silicio?. 4-¿Por qué es mejor el circuito de polarización mediante divisor de voltaje?
5-¿Qué sucede con la corriente Ic al eliminar la resistencia de colector? ¿Por que?
REALICE LAS CONCLUSIONES DE ESTA PRÁ CTICA.
Unidad 3
UNIDAD 3. TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO La unidad 3, está dedicada al estudio del transistor de Efecto de Campo FET, se muestran sus principales características de acuerdo al material semiconductor que lo componen y su distribución. Se estudian los diferentes modos de operación, la importancia de la polarización en DC y la hoja de especificaciones de datos del dispositivo. Al finalizar esta unidad el estudiante estará en capacidad de: •
Interpretar las características bá sicas de un Transistor de efecto de campo.
•
Dibujar y explicar la estructura interna de los FETs.
•
Comprender el efecto amplificador del transistor FET.
•
Identificar los modos de operación de un FET.
•
Calcular el punto Q (punto de trabajo) para un circuito con polarización fija, auto polarización, divisor de voltaje.
•
Realizar pruebas a los transistores fuera y dentro de los circuitos.
•
Comparar los diferentes tipos de polarización y describir las características de cada uno.
•
Armar circuitos con FETs y tomar las mediciones de voltaje y corriente en cada una de sus terminales.
•
Interpretar los datos má s importantes dentro de las hojas de especificaciones de los transistores FETs.
•
Comparar los FETs con los BJTs, reconociendo en cada uno sus fortalezas y debilidades.
3.1 TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO Llamados también transistores unipolares, es decir, que solo trabajan con un tipo de portadores, al contrario de los transistores estudiados hasta ahora, los cuales trabajaban con dos tipos de portadores, electrones y huecos. Estos transistores reciben su nombre porque el control de la corriente se ejerce mediante la influencia de un campo eléctrico exterior. Estos transistores son de dos tipos: •
FET o JFET (Junction Field Effect Transistor).
•
MOSFET o IGFET (Metal Oxide Semiconductorñ Transistor o Insulated Gate Field Effect Transistor).
3.2 CONSTRUCCIÓN Y CARACTERÍSTICAS DE LOS JFET. El transistor de efecto de campo está compuesto por una barra de semiconductor de tipo N (ó P) en la que se difunden dos áreas de semiconductor tipo P (ó N), por lo que el FET tendría cuatro terminales, el drenador, que es uno de los extremos de la barra de semiconductor tipo N, el surtidor, que es el otro extremo del mismo, y dos puertas, que serías las dos áreas de semiconductor tipo P difundias en la barra del semiconductor tipo N. Esto es un FET de doble puerta, aunque normalmente las dos puertas de éste van unidas. Tal como lo muestra la siguiente tabla.
Modelo de transistor FET canal n
Modelo de transistor FET canal p
Visto de otra forma:
Figura 77. Distribución de terminales y material semiconductor del JFET canal n Los FETS tienen bastante similitud con los transistores bipolares, por lo que haremos una comparación de los terminales del JFET con los del transistor unipolar.
Transistor bipolar Emisor Base Colector
JFET Surtidor Puerta Drenador
Figura 78. Símbolos de los transistores JFET
3.2.1
Ventajas y desventajas del FET frente al BJT
Las ventajas del FET pueden resumirse como sigue: •
Son dispositivos sensibles a la tensión con alta impedancia de entrada (del orden de 107 Ω). Como esta impedancia de entrada es considerablemente mayor que la de los BJT, se prefieren los FET a los BJT para la etapa de entrada de un amplificador multietapa.
•
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, en general, más fáciles de fabricar que los BJT pues suelen requerir menos pasos de enmascaramiento y difusiones. Es posible fabricar un mayor número de dispositivos en un circuito integrado (es decir, puede obtener una densidad de empaque mayor).
•
Los FET se comportan como resistores variables controlados por tensión para valores pequeños de tensión de drenaje a fuente.
•
La alta impedancia de entrada de los FET les permite almacenar 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.
Existen varias desventajas que limitan la utilización de los FET en algunas aplicaciones: • Los FET exhiben una respuesta en frecuencia pobre debido a la alta capacitancia de entrada. •
Algunos tipos de FET presentan una linealidad muy pobre.
•
Los FET se pueden dañar al manejarlos debido a la electricidad estática.
Como característica importante de los FETs podemos decir que, la corriente de puerta es muy pequeña, aproximadamente 0. IG = 0 Debido a esto, la resistencia de entrada va a ser aproximadamente infinita. El JFET es un dispositivo controlado por tensión y no por corriente. Casi todos los electrones que pasan a través del canal van al drenador, por lo que la corriente de drenador es igual a la corriente de surtidor ID = Is Muy pocas veces las analogías son perfectas y en ocasiones pueden ser engañosas, pero la analogía hidráulica de la Figura 79, proporciona un sentido al control del JFET en la terminal de compuerta y a la conveniencia de la terminología aplicada a las terminales del dispositivo. La fuente de la presión del agua puede semejarse al voltaje aplicado del drenaje a la fuente, el cual establecerá un flujo de
agua (electrones) desde el grifo o llave (fuente). La "compuerta", por medio de una señal aplicada (potencial), controla el flujo del agua (carga) hacia el "drenaje". Las terminales del drenaje y la fuente están en los extremos opuestos del canal-n, debido a que la terminología se define para el flujo de electrones.
Figura 79. Analogía hidráulica para el mecanismo de control del JFET. El JFET internamente cuenta con dos uniones p-n, las cuales forman una región de agotamiento cuando no hay polarización, semejante a lo sucedido con la unión pn del diodo. Estudiaremos a continuación cuando existe polarización externa en el dispositivo de canal n, teniendo en cuenta cuando:
3.2.2
V
Figura 80. Comportamiento VGs = 0
Existe un corto circuito entre compuerta y fuente, I D = Is e I G = 0. A medida que V DS se incrementa, la región de agotamiento crece, hasta lograr un punto de contacto llamado estrechamiento, el cual se produce para un voltaje máximo denominado Vp, lo anterior sugeriría que no hay paso de corriente pero si se inspecciona la siguiente Figura 81, se puede notar que en este punto el valor de la corriente alcanza un máximo llamado I DSS, que es el valor de la corriente de drenaje de saturación.
Figura 81. ID en función de V DS cuando V Gs = 0 Ante aumentos de VDS por encima de Vp, la región de agotamiwsnto seguirá creciendo pero el nivel de corriente se mantendrá igual y el JFET, se comportará como una fuente de corriente. Para JFET de canal n Vp toma valores negativos y para los de canal n Vp es positivo.
3.2.3
VGS es un valor negativo.
El efecto de polarización negativo aplicado a V GS es establecer regiones de agotamiento. A medida que V GS se hace más negativo I D disminuye de su valor máximo. Este valor puede decrecer hasta Vp donde la corriente de drenaje es igual a cero y el dispositivo se apaga.
Figura 82 a) Aplicación de un voltaje negativo a la compuerta de un FET
Figura 82. b) caracterísitica de un JFET de canal n con corriente de saturación 8mA y Vp = 4V
3.3 CARACTERÍSTICAS DE TRANSFERENCIA La relación del voltaje V GS con I D no es lineal, y está regida por la ecuación de Shockley, mostrada a continuación:
ID=IDSS(1-VGS/V p)2
Las características de transferencia definidas por la ecuación de Shockley no resultan afectadas por al red en la cual se empleará el dispositivo. A continuación se muestran las características de transferencia del dispositivo y las regiones en las cuales puede operar. •
ZONA ÓHMICA o LINEAL: En esta zona el transistor se comporta como una resistencia variable dependiente del valor de VGS. Un parámetro que aporta el fabricante es la resistencia que presenta el dispositivo para V DS = 0, y distintos valores de VGS.
•
ZONA DE SATURACIÓN: En esta zona es donde el transistor amplifica y se comporta como una fuente de corriente gobernada por V GS
•
ZONA DE CORTE: La intensidad de drenador es nula (I D= 0)
A diferencia del transistor BJT, los terminales drenador y surtidor del FET pueden intercambiar sus papeles sin que se alteren apreciablemente las características del dispositivo (se trata de un dispositivo simétrico). La operación de un FET de CANAL P es complementaria a la de un FET de CANAL N, lo que significa que todos los voltajes y corrientes son de sentido contrario.
A través de la ecuación de shockley es fácil determinar la curva de transferencia para unas características de drenaje en particular. Por ejemplo dibujar la curva de transferencia para un transistor JFET 2N5457, que posee los siguientes parámetros: Vp = -6V IDSS = 5mA Utilizando la ecuación de shockley para este FET en particular
Y reemplazando posibles valores de VGS se pueden hallar los siguientes puntos, como lo muestra la tabla a continuación:
Graficando, la curva quedaría así:
Para facilidad en los cálculos se han tomado 4 puntos de gran interés, que se encuentran expresados en términos de ID y VGS, los cuales se muestran a continuación: VGS ID 0V IDSS 0.3 Vp IDSS/2 0.5 Vp IDSS/4 Vp 0mA
Figura 83. Curva de transferencia general para un JFET canal n Si se necesita hallar por ejemplo la curva de transferencia en un transistor con Vp = 4V e IDSS = 8mA, se reemplazan los valores en la tabla y sin mayores cálculos se halla los puntos a graficar.
VGS 0V 1.2 2 4
ID 8 4 2 0mA
Figura 84. curva de transferencia JFET canal n Entre las principales aplicaciones de este dispositivo podemos destacar:
APLICACIÓ N Aislador o separador (buffer)
PRINCIPAL VENTAJA Impedancia de entrada alta y de salida baja
USOS Uso general, equipo de medida, receptores
Amplificador de RF
Bajo ruido
Sintonizadores de FM, equipo para comunicaciones
Mezclador
Baja distorsión de intermodulación
Receptores de FM y TV,equipos para comunicaciones
Amplificador con CAG
Facilidad para controlar ganancia
Receptores, generadores de señales
Amplificador cascodo
Baja capacidad de entrada
Instrumentos de medición, equipos de prueba
Ausencia de deriva
Amplificadores de cc, sistemas de control de dirección
Se controla por voltaje
Amplificadores operacionales, órganos electrónicos, controlas de tono
Troceador
Resistor variable por voltaje
Amplificador Capacidad pequeña de baja de acoplamiento frecuencia Oscilador Circuito MOS digital
Audífonos para sordera, transductores inductivos
Mínima variación de Generadores de frecuencia frecuencia patrón, receptores Pequeño tamaño
Integración en gran escala, computadores, memorias
3.4 HOJA DE ESPECIFICACIONES DE DATOS DE JFET Se presenta a continuación algunas de las características de los transistores JFET que ofrecen los fabricantes en las hojas de datos:
•
IDSS: Es la corriente de drenaje cuando el transistor JFET se encuentra en configuración de fuente común y se cortocircuita la puerta y la fuente (VGS=0). En la práctica marca la máxima intensidad que puede circular por el transistor. Conviene tener en cuenta que los transistores JFET presentan amplias dispersiones en este valor.
•
VP (Pinch-Off Voltage): es la tensión de estrangulamiento del canal. Al igual que IDSS, presenta fuertes dispersiones en su valor.
•
RDS(ON): Es el inverso de la pendiente de la curva ID/VDS en la zona lineal. Este valor se mantiene constante hasta valores de VGD cercanos a la tensión de estrangulamiento.
•
BVDS (Drain-Source Breakdown Voltage): es la tensión de ruptura entre fuente y drenaje. Tensiones más altas que BVDS provocan un fuerte incremento de ID.
•
BVGS (Gate-Source Breakdown Voltage): es la tensión de ruptura de la unión entre la puerta y la fuente, que se encuentra polarizada en inversa. Valores mayores de BVGS provocan una conducción por avalancha de la unión.
•
PD Potencia máxima disipada por el dispositivo bajo condiciones normales y está dada por VDS ID
3.5 MOSFET En esta sección, se considera el FET de metal –óxido semiconductor (MOSFET). Este FET se construye con la terminal de compuerta aislada del canal con el dieléctrico dióxido de silicio (SiO 2), y ya sea en modo de empobrecimiento o bien de enriquecimiento. El óxido es aislante, con lo que la corriente de puerta es prácticamente nula, mucho menor que en los JFET. Por ello, los MOS se emplean para tratar señales de muy baja potencia pero en general las aplicaciones del transistor MOSFET son similares a las del JFET, aunque su principio de operación y su estructura interna son diferentes. Existen cuatro tipos de transistores MOS: •
Enriquecimiento de canal N
•
Enriquecimiento de canal P
•
Empobrecimiento de canal N
•
Empobrecimiento de canal P
Los símbolos son:
Figura 85. Transistores MOSFET
3.5.1
MOSFET Decremental.
El MOSFET de empobrecimiento de canal n se construye (como se muestra en la Figura 86. con un canal fisico construido entre el drenaje y la fuente. Como resultado de ello, existe una I D entre drenaje y fuente cuando se aplica una tensión, v DS.
FIGURA 86. MOSFET de tipo decremental de canal n Se establece en un sustrato p, que es silicio contaminado de tipo p. Las regiones contaminadas de tipo n de la fuente y el drenaje forman conexiones de baja resistencia entre los extremos del canal n y los contactos de aluminio de la fuente (S) y el drenaje (D). Se hace crecer una capa de SiO 2, que es un aislante, en la parte
superior del canal n. Se deposita una capa de aluminio sobre el aislante de SiO 2 para formar el material de compuerta (G). El desempeño del MOSFET de empobrecimiento, es similar al del JFET, como puede verse en la Figura 87. Para el MOSFET de canal n, una v GS = 0 da como resultado una corriente análoga a I DSS en un JFET, porque en el canal n hay un gran flujo de electrones, para v GS negativa la corriente de drenaje disminuye su valor hasta que vGS= Vp e I D = 0. Los electrones del canal n son repelidos por el negativo de la compuerta, los huecos del canal p son atraídos al canal n y se da una recombinación, provocando una reducción de portadores libres en el canal n. Esto lo ilustra la Figura 88. Cuando la compuerta está conectado al positivo de la fuente, v GS es positivo, (pudiendo alcanzar un voltaje máximo aproximado a unos 4V), se produce una corriente por encima de IDSS por lo que hay que tomar ciertas precauciones. El positivo de la compuerta atrae electrones del canal p al n, produciendo un mayor número de electrones libres en el canal n.
Figura 87. Características del drenaje y de transferencia para un MOSFET de tipo decremental de canal-n
Figura 88. Reducción de portadores libres en el canal como consecuencia de un potencial negativo en la compuerta. El poder asumir valores positivos de vGS es una de las mas marcadas diferencias entre el Mosfet decremental y el JFET. Pero es importante decir que la ecuación de schockley es válida para este dispositivo y que podemos hallar de igual manera la curva de transferencia del dispositivo para unas características de drenaje en particular.
3.5.2
MOSFET incremental
El MOSFET de enriquecimiento difiere del MOSFET de empobrecimiento en que no tiene la capa delgada de material n sino que requiere de una tensión positiva entre la compuerta y la fuente para establecer un canal. Este canal se forma por la acción de una tensión positiva compuerta a fuente, v GS, que atrae electrones de la región de sustrato ubicada entre el drenaje y la compuerta contaminados de tipo n. Una v GS positiva provoca que los electrones se acumulen en la superficie inferior de la capa de oxido. Cuando la tensión alcanza el valor de umbral, V T, han sido atraídos a esta región los electrones suficientes para que se comporte como canal n conductor. No habrá una corriente apreciable ID hasta que v GS excede V T.
Figura 88. Estructura interna MOSFET incremental Figura 89. Cambio en las regiones del canal y en la región de agotamiento como resultado de niveles crecientes de V DS para un valor fijo de V GS.
Figura 89. La corriente de drenaje en saturación se puede calcular de la ecuación: I D = k (vGS − V T ) 2
Donde una vez más resulta el término cuadrático que relacione a la corriente de drenaje con el voltaje de control aplicado. K, es una constante que está en función de la fabricación del dispositivo.
3.6 POLARIZACIÓN DE LOS JFET 3.6.1
POLARIZACIÓN FIJA
Es la forma mas deficiente de polarizar al transistor JFET puesto que depende mucho del transistor empleado y es una de las pocas configuraciones de FET que pueden resolverse tanto por un método matemático como por uno grafico. La fuente está directamente a tierra, la corriente de compuerta es cero por lo que la caída en la resistencia de compuerta puede se fácilmente reemplazada por un corto circuito.
Figura 90. Configuración de polarización fija Expresiones para tener en cuenta en nuestro análisis: IG = 0 A VG = I GR G = (0 A) VG = 0 V
Al aplicar la ley de voltaje de Kirchhoff en la dirección de las manecillas del reloj en la malla indicada en la figura anterior se tiene: -VGG -V GS = 0 VGS = -VGG
Esta configuración recibe su nombre debido a que V GS exclusivamente de la fuente de dc fija denominada V GG.
depende única y
El nivel resultante de corriente de drenaje I D, se puede conocer a través de la ecuación de Shockley, pues se conocen todas las demás variables que intervienen en dicha ecuación.
Con la corriente de drenaje se puede calcular el nivel resultante de V D. El voltaje de drenaje a la fuente de la sección de salida puede calcularse si se aplica la ley de voltaje de Kirchhoff de drenaje a fuente, de la siguiente manera : VDD -I DR D -V Ds = 0 VDs = VDD - I DR D
Teniendo en cuenta que para la configuración de polarización fija, VS = 0V
Otros voltajes de interés son: VDS = V D -V S, de lo cual se deduce que VD = V DS VGS = V G - V S, es decir que VG = V GS
Esta configuración tiene por limitación que necesita de dos fuentes de dc para su implementación por lo que no puede incluirse en la lista de configuraciones FET más comunes.
Ejemplo 3.6.1.1. Calcular lo siguiente para la red de la figura: a)V GS , b)ID, c)VDS, d)VD, e)VG, f)VS
a) Se realiza la malla de compuerta a fuente y se despeja el valor de V GS, el cual es igual a la fuente de la compuerta. VGS = - V GG = -2 V b) Se reemplaza el valor de VGS en la ecuación de Shockley y se despeja ID, así: ID = I DSS(1- VGS/VP)2 = 12 mA(1 - (-2V/-8V)2)= = 10.08 mA c) Se realiza la malla de drenaje a fuente y se despeja el valor de V DS , como se muestra a continuación : VDS = V DD -I DRD = 16 V-(10.08mA)(2kO) = 16 V - 20.16 V = -4.16 V d) VD = V DS = -4.16 V e) VG = V GS= -2 V y f) V S = 0 V
3.6.2
CONFIGURACIÓN DE AUTOPOLARIZACIÓN
A diferencia de la configuración anterior, en la autopolarización solo se usa una fuente d.c, la cual alimenta el drenaje D y se conecta una resistencia a la terminal de fuente o surtidor haciéndolo más estable, como lo describe la gráfica siguiente:
Figura 91. Configuración de auto polarización para JFET RG puede tomarse como un corto circuito equivalente dado que I G = 0A. La corriente a través de RS es la corriente de la fuente I S, pero I S = ID y VRS = IDR S
Para el lazo cerrado que se indico en la figura anterior se tiene que: -VGS - V RS = 0 VGS = -V RS VGS = -I DR S VGS es una función de la corriente de salida I D, y no fija en magnitud, como ocurrió para la configuración de polarización fija.
Puede conseguirse una solución matemática mediante la simple sustitución de la ecuación anterior en la ecuación de Shockley como mostramos a continuación:
Como se puede observar en la ecuación, se debe desarrollar el término cuadrático que se indica y al reorganizar los términos, dando por resultado una ecuación de la siguiente forma:
2
ID + K 1ID + K 2 = 0
Matemáticamente solucionar esta ecuación denota un cierto grado de complejidad, por lo que se creó el método gráfico a través del cual se puede hallar más fácilmente el punto de operación del JFET. El método gráfico del que se ha hecho referencia, utiliza la curva de transferencia del transistor estudiada anteriormente, la cual es construida como mínimo con las siguientes coordenadas:
VGS 0V 0.3 Vp 0.5 Vp Vp
ID IDSS IDSS/2 IDSS/4 0mA
Figura 92. Curva de transferencia del JFET Por otra parte se hace uso de lo que denominaremos la recta de carga del transistor JFET, que no es más que la ecuación hallada del valor de V GS, para esta configuración de autopolarización la expresión es: VGS = -IDR S
En el mismo plano donde se ha dibujado con anterioridad la curva de transferencia se dibujará la recta de carga. Por ejemplo se le puede dar el valor de cero a I D y hallar el correspondiente valor de VGS, el cual sería igual a cero. Podemos concluir q ue nuestro primer punto es la pareja ordenada de (0,0), como necesitamos por lo menos 2 puntos para trazar nuestra recta, se puede reemplazar a ID por I DSS/2, quedando la siguiente expresión correspondiente a V GS: VGS = -I DSSRS /2
Nuestro otro punto de la recta sería entonces: (-IDSSRS/2, IDSS /2), se procede a trazar la recta como lo muestra la figura:
Figura 93. Curva de transferencia y recta de carga en un mismo plano El punto en el cual se interceptan la curva de transferencia y la recta de carga del JFET, se llama punto de operación, se procede entonces a hacer una proyección a lo ejes coordenados que son V GSQ e IDQ.
Figura 94. Método gráfico para hallar punto de operación del JFET La recta de carga siempre partirá del origen pero la pendiente dependerá del valor de la Resistencia de fuente Rs, la siguiente gráfica lo muestra con claridad.
Figura 95. Pendiente de la recta de acuerdo al valor de Rs La recta 1 representa una Rs pequeña, ideal para una buena ganancia de corriente, la desventaja es la inestabilidad debido a los cambios en los parámetros del JFET. La recta 2 ofrece las mejores condiciones debido a que no compromete la estabilidad. La recta 3 produce buena estabilidad del punto de operación pero produce una baja ganancia de corriente. Generalmente muchos diseñadores optan por la polarización dada por la recta 2, pues ofrece la mayor estabilidad del punto de operación. Rs óptima puede calcularse así:
Donde
es Vp.
Las coordenadas del punto de operación cuando se presenta Rs es óptima es:
Este método es menos preciso que el matemático pero es igualmente válido para hace el análisis de este tipo de circuitos. Para esta configuración de polarización se deben tener en cuenta las siguientes ecuaciones para hallar otros voltajes o corrientes de interés. VS = I DR S
VG = 0V ID = I S VD = V DD - I DR D VDS = V DD - I SR S -I DR D
3.6.3
POLARIZACIÓN POR DIVISOR DE VOLTAJE
Es la configuración más estable y es la forma más segura de obtener el punto de funcionamiento Q.
Figura 96. Circuito polarización divisor de voltaje Para analizar este tipo de configuración al igual que la tratada en los BJT se debe hallar un equivalente thevenin, para obtener una configuración como la siguiente:
Figura 97. Equivalente Thevenin de la polarización por divisor de voltaje
La construcción básica es exactamente la misma, pero el análisis en dc de cada una es muy diferente. Para los amplificadores FET I G = 0A, pero la magnitud de IB puede afectar los niveles de corriente y voltaje de dc tanto en los circuitos de entrada como en los de salida. Recuerde que IB proporciona la relación entre los circuitos de entrada y de salida para la configuración de divisor de voltaje para el BJT, mientras que VGS hará lo mismo en la configuración a FET. Si aplicamos la ley de voltaje de Kirchhoff en el sentido de las manecillas del reloj en lazo indicado en la figura anterior, se obtiene: VGG - V GS - I SRS = 0 Sustituyendo ISRS = I DRS y despejando V GS, se tiene:
VGS = V GG – I DRS El resultado es una ecuación que incluye las dos variables que aparecen en la ecuación de Shockley V GS e I D y que rigen la recta de carga. Las cantidades V GG y R S son conocidas en la red. Un valor de I D igual a cero mA se establece un valor de VGS = V GG, entonces el primer punto de nuestra recta es:( VGG, 0). Si por otra parte se establece V GS = 0V, el valor de la corriente de drenaje es: ID = VGG / R S , este sería nuestro segundo punto para determinar la recta, que se dibujará a continuación en el mismo plano de la curva de transferencia.
Figura 98. Recta Recta de carga y punto de de operación. Una vez que están calculados los valores estables de I DQ y de V GSQ, el análisis restante de la red puede desarrollarse de la manera usual.
3.6.4
POLARIZACIÓN MOSFET DE TIPO DECREMENTAL
Las similitudes que hay en la apariencia entre las curvas de transferencia de los JFET y de los MOSFET de tipo decremental permiten un análisis similar de cada uno en dc. La diferencia más importante entre los dos es el hecho de que el MOSFET de tipo decremental permite puntos de operación con valores positivos de V GS y niveles de ID que exceden I DSS. De hecho, para todas las configuraciones realizadas hasta ahora, el análisis es el mismo si el JFET se reemplaza por un MOSFET de tipo decremental. La única parte sin definir en el análisis consiste en la forma de graficar la ecuación de Shockley para los valores positivos de V GS. ¿Qué tan lejos debe extenderse la curva de transferencia en la región de valores positivos de V GS y valores de I D mayores que IDSS? Para la mayoría de las situaciones este rango estará bien definido por parámetros del MOSFET y por la recta de polarización que se obtuvo de la red. A continuación se muestra la curva de transferencia del dispositivo.
Figura 99. Curva de transferencia del MOSFET decremental
3.6.5
POLARIZACIÓN INCREMENTAL.
DE
MOSFET
DE
TIPO
Recordemos que la ecuación de shockley no rige la curva de transferencia de este dispositivo, por lo cual se presentan diferencias significativas con dispositivos como los JFET y los MOSFET de tipo decremental. La diferencia más notoria es que para el MOSFET de tipo incremental de canal N, la corriente de drenaje es 0 para aquellos niveles de voltaje compuerta- fuente, menos que el nivel de umbral V GS (Th.). Para los niveles de V GS mayores que V GS (Th.), la corriente de malla se define mediante:
ID = kVGS - VGS (Th))
2
Ya que las hojas de especificaciones por lo general proporcionan el voltaje del umbral y un nivel de corriente de drenaje (I D (encendido)), así como su nivel correspondiente de VGS (encendido) pueden definirse dos puntos de inmediato. Para completar la curva, primero tiene que determinar la constante k de la ecuación a partir de los datos de las hojas de especificaciones mediante la sustitución en la ecuación y resolviendo para k de la siguiente manera: 2
ID = kVGS - VGS(Th) ) 2 ID (encendido) = k (VGS (encendido) - VGS (Th))
Una vez que k esta definida, pueden calcularse otros niveles de I D para los valores seleccionados de VGS. Por lo general, un punto entre V GS (Th) y V GS (encendido) y uno poco mayor que VGS (encendido).
3.7 FET DE CANAL P. El análisis hecho hasta el momento se ha limitado a los FETs de canal n, que serán las bases para el estudio de los FETs de canal p, para los cuales se utiliza una imagen espejo de la curva de transferencia de los FETs n, además se invierten el sentido de las corrientes como lo muestra la Figura a continuación, que ilustra diferentes configuraciones de canal P. En la figura observamos que el voltaje es negativo para VDD y produce la corriente indicada, el voltaje de compuerta a fuente es positivo y el voltaje de drenaje a fuente es negativo. Para realizar el análisis de este tipo de redes se pueden seguir el procedimiento similar al ya practicado.
Configuraciones de canal P
3.8 ACTIVIDAD UNIDAD 3: TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO Responde las siguientes preguntas: •
Dibuja la estructura interna de un JFET de canal n y uno de canal p, indica sus principales terminales y características en cuanto a corrientes y voltajes.
•
Explica en que consiste el concepto de efecto de campo en un JFET comentando en forma precisa el principio de funcionamiento.
•
Describe el funcionamiento del FET en sus diferentes zonas de operación.
•
Explica porqué la corriente que circula por un JFET permanece prácticamente constante e independiente de la tensión entre drenador y fuente cuando el canal está estrangulado. ¿Por dónde circula físicamente esa corriente en la zona de estrangulamiento?
•
Explique las limitaciones que deben tenerse en cuenta en el voltaje entre compuerta y fuente de un JFET de canal n para que este funcione correctamente. ¿Cómo se transforman estas limitaciones para un JFET de canal P?
•
¿Por qué tanto el JFET como el MOSFET son conocidos como transistores unipolares?
•
Teniendo en cuenta que la compuerta es la entrada de un JFET, explique ¿Cuál es la impedancia de entrada para que esta corriente sea 0?
Resuelva los siguientes ejercicios propuestos •
Para el siguiente circuitos halle: V GS y las corrientes de drenaje, fuente y compuerta, para una resistencia de compuerta de 1Mohm, una de drenaje de 1Kohm y una fuente de drenaje de 15V y V GG = 2V (ecuación de shokley y método gráfico)
•
Para la siguiente red halle todos los voltajes y corrientes desconocidas, para una resistencia de compuerta total de 500Kohm, una de drenaje de 3.3Kohm y una Rs= 1Kohm, además posee una fuente de drenaje de 15V
•
Halle el punto de operación para la red anterior si tiene R1 y R2 = 500kOhms, VDD= 18V, RD = 5.7kOhms y Rs = 3.3Kohms.
•
Determine todos los valores de voltaje y corriente del siguiente circuito de autopolarización:
Para: RG = 500kOhms, V DD= 15V, RD = 2.7kOhms y Rs = 3.3Kohms.
Investigar •
Circuitos de aplicación de JFET y MOSFET y comprobar su funcionamiento.
montar esos circuitos para
Unidad 4
UNIDAD 4. TIRISTORES: TRIACs, DIACs, SCRs y AMPLIFICADORES OPERACIONALES La unidad 4, ofrece el estudio de dos grandes grupos de dispositivos electrónicos ellos son los tiristores y los amplificadores de potencia. Los tiristores son elementos que se utilizar para controlar la potencia que se entrega a una carga, su aplicaciones se da en grandes circuitos industriales en los cuales el ahorro de energía es determinante. Por otra parte encontramos los amplificadores operacionales que se utilizan en gran medida en la amplificación, filtrado y tratamiento de señales y son muy utilizados actualmente. Al finalizar esta unidad el estudiante estará en capacidad de: •
• •
Reconocer las características bá sicas de los tiristores y amplificadores operacionales. Armar circuitos en los cuales se utilicen tiristores y amplificadores operacionales. Comprender el funcionamiento del Diac, Triac y el SCR, estableciendo semejanzas y diferencias.
•
Interpretar la curva de transferencia de dispositivos tales como: Diac, Triac y SCR.
•
Diseñar amplificadores sencillos con la ayuda del amplificador operacional.
•
Comprender el funcionamiento de un amplificador operacional en las configuraciones má s comú nmente utilizadas.
•
Conocer la importancia de los dispositivos controladores de potencia a nivel industrial y enumerar sus principales aplicaciones.
4.1 TIRISTORES Son componentes electrónicos que trabajan en conmutación, es decir, conducen o no conducen, comportándose como interruptores capaces de abrir y cerrar circuitos muy rápidamente y controlar grandes cargas, diseñados especialmente para trabajar en altas corrientes y/o altos voltajes. Su campo de aplicación está en la electrónica industrial o electrónica de potencia para controlar grandes cargas, regular la velocidad de motores, la intensidad de alumbrado, procesos de soldadura, etc. Dentro de este grupo se destacan elementos tales como: SCRs, DIACs, TRIACs, los cuales estudiaremos a continuación.
4.1.1
SCRs. Rectificador controlado de silicio
SCR significa rectificador controlado de silicio, posee tres terminales que se denominan ánodo A, cátodo K y compuerta G. Esta conformado internamente con 4 capas de material semiconductor, dos de tipo p y dos de tipo n, distribuido tal como lo muestra la figura:
Figura 100. Símbolo esquemático del SCR y distribución interna de capas semiconductoras
Se utilizan para controlar y variar la entrega de corrientes altas a una carga. Esta es una necesidad industrial que los transformadores variables, ni los reóstatos pueden cumplir físicamente debido a su tamaño y los costos que tienen, cuando se hablan de grandes niveles de energía. Cumplen 4 funciones básicas que son: Alumbrado, Control de velocidad de motores, Soldadura eléctrica, Calentamiento eléctrico. Y de manera más específica se pueden mencionar las siguientes aplicaciones: •
Controles de relevador.
•
Circuitos de retardo de tiempo.
•
Fuentes de alimentación reguladas.
•
Interruptores estáticos.
•
Controles de motores.
•
Recortadores.
•
Inversores.
•
Ciclo conversores.
•
Cargadores de baterías.
•
Circuitos de protección
•
Controles de calefacción.
•
Controles de fase.
Los SCRs son pequeños, relativamente económicos, presentan baja disipación de potencia, no requieren mantenimiento. Los SCRs funcionan como un interruptor, cuando están encendidos, fluye una corriente a baja resistencia entre A y K, actúa como un interruptor cerrado y cuando esta apagado se comporta como un circuito abierto, no dejando fluir corriente entre sus terminales principales A y K. Los SCR reciben su nombre gracias al efecto rectificador que posee, cuando trabaja con fuentes a.c. Para que entre en conducción el Ánodo A debe ser más positivo que el Cátodo k y debe cumplir con una tensión de umbral Vt, que por lo general es equivalente a una caída en un diodo, además a la compuerta debe llegar un pulso de corriente IG
positivo de un valor mínimo dado por el fabricante para que conduzca (I GT= 0.150mA). Mientras no se supere una determinada tensión máxima entre el ánodo y el cátodo, el SCR no conduce. Después de encendido el SCR debe mantenerse la I AK que no debe ser menor que la I de retención del dispositivo simbolizado como I HO, la cual es dada por el fabricante, en fuentes a.c este también se apagará en los cruces por cero. Por ejemplo, el 2N 6389 posee las siguientes características:
Tensión de disparo Corriente de disparo Tensión de ruptura Corriente máxima
VGK= IG= Vd= Ifmax=
0,7 V 8 mA 600 V 12 A
Figura 101. Condiciones de encendido del SRC Este dispositivo cuando está polarizado inversamente funciona como un diodo, el cual presenta un voltaje de ruptura grande, denominado VB. Lo anterior lo podemos resumir en la curva de transferencia del dispositivo, mostrada a continuación: IA Conducción IG2 > I G1 > 0 IL IH
VB
IG2
IG1 VB0
Destrucció Bloqueo
bloqueo directo
Figura 102. Curva de transferencia
IG =
VAK
Los SCR como todos los dispositivos de estado sólido, presentan inestabilidad por temperatura e inestabilidad por lote de fabricación. La inestabilidad por temperatura y lote pueden ser contrarestadas instalando un dispositivo de transmisión, como un diodo de cuatro capas o diac en la terminal de la compuerta.
4.1.1.1 El SCR y la corriente Alterna En el caso de alimentar una carga con corriente alterna, (que puede ser de 110, 240 V, etc), cada vez que la corriente pasa por cero se desconecta el circuito. Los términos utilizados para describir la operación de un SCR son ángulo de conducción y ángulo de retardo de disparo. El ángulo de conducción es el numero de grados de un ciclo de ca durante los cuales el SCR esta encendido. El ángulo de retardo de disparo es el número de grados de un ciclo de c.a que transcurren antes de que el SCR sea encendido, todo esto basado en el hecho que el tiempo total del ciclo es igual a 360 grados. En la figura mostrada a continuación, se muestran las formas de onda de un circuito de control con SCR para un ángulo de retardo de disparo. Al momento que el ciclo de ca inicia su semiciclo positivo, el SCR esta apagado, comportándose como un circuito abierto y almacenando entre sus terminales de ánodo y cátodo un voltaje V AK igual al voltaje de la fuente y provocando que el voltaje a través de la carga (V LD) sea cero durante este lapso. Cuando el SCR entra en conducción V AK cae a un valor muy cercano a cero mientras que la carga puede ver el voltaje de la fuente. En el cruce por cero de la señal el SCR se apaga y se mantiene en este estado hasta el nuevo semiciclo positivo, se muestra así el efecto rectificador del dispositivo, ya que todo el voltaje de fuente queda en las terminales principales y no en la carga.
Figura 103. Angulo de retardo y de conducción del SCR.
En general, estas formas de onda muestran que antes de que el SCR se dispare, el voltaje es retirado de entre las terminales del SCR, y la carga ve un voltaje cero. Después de haberse disparado el SCR, la totalidad del suministro de voltaje es retirado a través de la carga, y el SCR presenta voltaje cero. El SCR se comporta como un interruptor de acción rápida. Un SCR es como un interruptor de acción rápida puesto en serie con el dispositivo de carga que controla. La corriente de cd promedio (y la potencia) es controlada variando la porción del tiempo del ciclo que el SCR está en conducción, o encendido (ON), es decir, regulando el ángulo de retardo de disparo se controla la corriente promedio que recibe la carga.
4.1.1.2 El SCR y la corriente continua Normalmente el SCR se comporta como un circuito abierto hasta que activa su compuerta (GATE) con una pequeña corriente (se cierra el interruptor S) y así este conduce y se comporta como un diodo en polarización directa. Si no existe corriente en la compuerta el tiristor no conduce. Lo que sucede cuando el SCR está alimentado en D.C. es que después de activado el SCR, se queda conduciendo y se mantiene así. Si se desea que el tiristor deje de conducir, el voltaje +V debe ser reducido a 0 Voltios o diseñar un circuito equivalente a desconectar la fuente. Si se disminuye lentamente el voltaje (tensión), el tiristor seguirá conduciendo hasta que por el pase una cantidad de corriente menor a la llamada "corriente de mantenimiento o de retención", lo que causará que el SCR deje de conducir aunque la tensión VG (voltaje de la compuerta) con respecto a tierra no sea cero.
4.1.1.3 Circuitos de disparo de SCRs
Figura 104. Circuito de disparo sencillo Cuando se cierra el interruptor de la figura y R2 está fijada en un valor bajo, la corriente es lo suficientemente grande para encender el SCR cuando la fuente es de un valor igualmente bajo, lo que implica que el ángulo de retardo es bajo pues rápidamente se cumplen las condiciones de encendido del dispositivo, igualmente si R2 es grande y la fuente es ligeramente mayor es ángulo de conducción es mayor. Se puede concluir entonces que el Angulo de retardo de disparo depende de condiciones como la fuente de alimentación y R2, R1 está colocado por seguridad y evitar sobrevoltajes. La red que se muestra a continuación puede alcanzar mayores ángulos de retardo de disparo, debido que se debe cargar primeramente el capacitor y luego se descargará hacia la compuerta buscando cumplir las condiciones mínimas de encendido.
Figura 105. Circuito de disparo de SCR con retardo
4.1.2
DIACs Aplicaciones. Detección de averías
Está constituido por dos conjuntos de cuatro capas semiconductoras colocadas en paralelo y en oposición: PNPN y NPNP como lo muestra la figura. Básicamente es un par de Diodos de cuatro capas en paralelo que permite el disparo en ambas direcciones (bilateral).
Figura 106. Símbolo esquemático del Diac y su estructura interna. El Diac no conduce hasta que el voltaje a través de él excede el voltaje de rompimiento a saturación. La ruptura ocurre en un voltaje relativamente bajo en ambos sentidos, después de la cual el Diac exhibe una resistencia negativa, elevándose la corriente rápidamente y disminuyendo el voltaje. Una vez que tiene lugar la ruptura, la corriente fluye en una dirección que depende de la polaridad del voltaje en las terminales. Observe la curva de transferencia del dispositivo.
Figura 107. Curva de transferencia del dispositivo El Diac es un dispositivo de dos terminales que se conoce también como diodo de conmutación bidireccional , utiliza el principio de ruptura de un transistor bipolar, aunque se diseña de manera de que al suceder la segunda ruptura del transistor el dispositivo no se dañe y pueda conducir corrientes considerablemente mayores. Los fabricantes dan normalmente las siguientes características fundamentales de este dispositivo: •
VS Voltaje de ruptura, | VS | = | -VS | ± 10 %
•
IS Corriente en el punto de ruptura
•
IP Corriente de pico durante un cierto tiempo
•
Vp Voltaje pico de disparo en la salida.
Dado que no dispone de un pin de control o compuerta, la conducción sólo se puede producir al superar la tensión de ruptura y para que deje de conducir es necesario anular la intensidad o, al menos, reducirla por debajo del nivel mínimo de mantenimiento.
4.1.3
TRIACs. Aplicaciones. Detección de averías
El Triac es un dispositivo semiconductor que pertenece a la familia de los dispositivos de control por tiristores. El triac es en esencia la conexión de dos tiristores en paralelo pero conectados en sentido opuesto y compartiendo la misma compuerta. A continuación se muestra su símbolo esquemático y su estructura interna.
Figura 108. Símbolo esquemático del triac y su estructura interna El triac es un semiconductor capaz de bloquear tensión y conducir corriente en ambos sentidos entre los terminales principales T1 y T2, sólo se utiliza en corriente alterna y al igual que el SCR, 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 una señal de disparo en la compuerta, de esta manera la corriente circulará de arriba hacia abajo (pasará por el tiristor que apunta hacia abajo), de igual manera, la parte negativa de la onda (semiciclo negativo) pasará por el triac siempre y cuando haya habido una señal de disparo en la compuerta, de esta manera la corriente circulará de abajo hacia arriba (pasará por el tiristor que apunta hacia arriba). Para ambos semiciclos la señal de disparo se obtiene del mismo terminal (la puerta o compuerta).
Figura 109. Polaridades del triac en el semiciclo positivo y negativo respectivamente A través de la compuerta se puede controlar el momento de disparo y así, controlar el tiempo que cada tiristor estará en conducción, es importante recordar que un tiristor solo conduce cuando ha sido activada la compuerta y entre sus terminales hay un voltaje positivo de un valor mínimo para cada tiristor, en consecuencia, si se controla el tiempo que cada tiristor está en conducción, se puede controlar la corriente que se entrega a una carga y por consiguiente la potencia que consume.
Figura 110. Control de potencia de un Triac a través del ángulo de conducción. La curva de transferencia del dispositivo es la que se muestra a continuación, como se observa es similar a la del Diac.
Figura 111. Curva de transferencia del Diac Una aplicación muy común es el atenuador luminoso de lámparas incandescentes (circuito de control de fase).
Figura 112. Circuito control de fase En este circuito el triac controla el paso de la corriente alterna a la lámpara (carga), pasando continuamente entre los estados de conducción (cuando la corriente circula por el triac) y el de corte (cuando la corriente no circula) Si se varía el potenciómetro, se varía el tiempo de carga del condensador causando que se incremente o reduzca la diferencia de fase de la tensión de alimentación y la que se aplica a la compuerta
4.2 El amplificador Operacional: sus características, AMPEl Amplificador Operacional o AMP-OP, fue desarrollado para ser utilizado en computadoras analógicas en la década de los 40`s. Los primeros utilizaban los tubos al vacío, por lo que eran de gran tamaño y consumían mucha potencia.
La empresa "Fairchild Semiconductor " en 1967 mostró al mercado el primer amplificador operacional en la forma de un circuito integrado C.I, logrando disminuir su tamaño, consumo de energía y su precio. Un amplificador operacional es un amplificador diferencial integrado, surgió inicialmente en el uso en cálculos matemáticos pero luego se encontraron muchas aplicaciones más, dentro de las cuales se destacan: filtros, transformador de impedancias, amplificadores, mezcladores, comparadores, diferenciadores, integradores, termómetros, preamplifcadores, en fuentes de alimentación, distorsionadores, interruptores accionados por sonido, etc. Un amplificador operacional, es un dispositivo electrónico o circuito activo, que se comporta como una fuente de tensión controlada por tensión, constituido internamente por un complejo arreglo de elementos tales como: resistencias, capacitores, transistores y diodos. A continuación se muestra el símbolo esquemático de un amplificador operacional, se destacan su terminal + que es el terminal no inversor y su terminal - es el terminal inversor y su salida.
Figura 113. Símbolo del amplificador operacional Hay varios tipos de presentación de los amplificadores operacionales, como el paquete dual en línea (DIP) de 8 pines.
Figura 114. Amplificador operacional paquete dual en línea (DIP) de 8 pines Para saber cual es el pin 1, se ubica una muesca entre los pines 1 y 8, siendo el # 1 el pin que está a la izquierda de la muesca cuando se pone el integrado como se muestra en el diagrama. La distribución de los terminales del Amplificador operacional en el Circuito integrado DIP de 8 pines es: •
Pin 2: entrada inversora ( - )
•
Pin 3: entrada no inversora ( + )
•
Pin 6: salida (out)
Para alimentar un amplificador operacional se utilizan 2 fuentes de tensión (positiva y negativa): •
Pin 7: fuente positiva
•
Pin 4: fuente negativa
También hay otra presentación con 14 pines. En algunas versiones no hay muesca, pero hay un círculo pequeño cerca de la patita # 1. Un Amp-op es ideal es aquel que posee ganancia infinita de lazo abierto, resistencia de entrada infinita y resistencia de salida cero. Existen dos conexiones básicas para obtener ganancias, estas son:
4.2.1
Ganancia de lazo abierto (open-loop)
La ganancia de lazo abierto es aquella que tiene el amplificador operacional cuando no existe ningún camino de realimentación entre la salida y alguna de las dos entradas, en los cuales se obtiene una ganancia muy elevada (del orden del 10 5). Esta conexión se muestra en el siguiente gráfico.
Figura 115. Conexión para una ganancia de lazo abierto La ganancia del amplificador en lazo abierto está dada por la siguiente fórmula:
AV = Vsal / Vent Donde, AV = ganancia de tensión, Vsal = tensión de salida, Vent = tensión de entrada
4.2.2
Ganancia de Realimentación (closed-loop)
La ganancia viene limitada por la relación entre la impedancia de realimentación dividida por la impedancia de entrada y esto hace el circuito más estable. La realimentración puede estqr conectada a la entrada inversora o a la no inversora. La siguiente gráfica muestra la conexión de ganancia de realimentación inversora.
Figura 116. Conexión de ganancia de realimentación inversora La ganancia es dada por la siguiente fórmula:
AV = - Vo / Vin. El signo menos indica que la señal en la salida será la opuesta a la entrada, es decir, sale invertida. El valor de la ganancia está dada por:
Si se modifican los valores de R2 y R1, se modifica la ganancia. Si R2 = 500 Kohmios y R1 = 10 Kohmios, entonces: AV = - Vo / Vin = - R2 / R1 = - 500 / 10 = - 50.
La ganancia será de 50 y la señal a la salida estará invertida. La conexión de ganancia de realimentación no inversora se muestra a continuación:
Figura 117. Conexión de ganancia de realimentación no inversora En esta conexión se elimina el signo negativo de la fórmula de ganancia de voltaje vista anteriormente, ya que la señal de salida está en fase con la señal de entrada y la formula de ganancia de voltaje es:
Otras conexiones de interés o configuraciones básicas son las mostradas a continuación:
4.2.3
Amplificador sumador
El amplificador sumador como su nombre lo indica puede sumar algebraicamente varias señales analógicas. El voltaje de salida se expresa en términos de la tensión de entrada, de la siguiente forma:
Figura 118. Amplificador sumador
4.2.4
Amplificador restador
El amplificador restador como su nombre lo indica resta algebraicamente, su función de salida simplificada es:
Si se cumple la siguiente relación:
Figura 119. Amplificador restador
4.2.5
Integrador y Derivador
Un integrador se obtiene sustituyendo en la configuración inversora la resistencia de realimentación por un capacitor. Como se muestra en la figura:
Figura 120. Integrador La relación que existe entre la tensión y la corriente del condensador es:
Al aplicar esta ecuación al circuito integrador se obtiene que la señal de salida es la integral de una señal analógica de entrada, asi:
Donde la constante depende de la carga inicial del condensador o capacitor. El circuito mostrado a continuación es un derivador:
Figura 121. Derivador El cual tiene una función de salida que se describe a través de la siguiente expresión:
4.3 ESPECIFICACIONES COMERCIALES Comercialmente se consiguen amplificadores operacionales con las siguientes características: •
Ganancia de tensión en bucle abierto: En los A.O. actuales se alcanzan valores de 100.000 o más y es frecuente que el fabricante los especifique en dB.
•
Impedancia de entrada: Expresa la parte resistiva vista desde los terminales de entrada, dentro de los valores típicos se encuentran algunos megaohmios.
•
Impedancia de salida Zo: Es la parte resistiva vista desde los terminales de salida, como valores típicos se encuentran el rango entre 100 y 200 ohmios.
•
Corriente de polarización de entrada (Input Bias Current): Es la pequeña corriente que se deriva por los terminales de entrada. En general de del orden de algún microamperio.
•
Margen de tensiones de alimentación: Indican valores máximos y mínimos para un funcionamiento correcto del A.O. Se dividen en la tensión en los terminales de entrada, la cual no debe superar nunca la de alimentación, pues en caso contrario podría dañarse el circuito y en el margen de tensiones de salida, que es la tensión máxima a la salida, la cual no puede ser mayor que la de alimentación y cuando se alcanza esta tensión máxima de salida se dice que el A.O. está en saturación.
•
Tensión diferencial de descentrado a la salida (off-set): En un A.O. ideal la tensión de salida es nula cuando ambas entradas se hallan a potencial cero. En la práctica no encontramos con que esto no se cumple, y aparecen en los circuitos internos de entrada pequeñas tensiones que, una vez amplificadas por la alta ganancia del dispositivo pueden llevar a la salida incluso hasta el estado de saturación. Para evitar este inconveniente la mayoría de A.O. poseen métodos externos de corrección, que será conveniente emplear en circuitos en los que se requiera alta precisión (por ejemplo en seguidores de tensión).
•
Relación de rechazo en modo común CMRR (Common mode rejection ratio): En un A.O. ideal la salida es proporcional a la diferencia entre las señales de entrada, siendo ésta nula cuando el valor de ambas entradas es igual. En un A.O. real esto no se cumple exactamente, y entre dos pares de tensiones que mantengan la misma diferencia, la salida puede ser algo mayor en el caso de tensiones superiores. La CMRR es el cociente entre la amplificación diferencial y la de modo común; y cuanto mayor sea, más se acercará al caso ideal.
•
Frecuencia de transición: A esta frecuencia la ganancia en ciclo abierto del A.O. se reduce a la unidad.
•
Velocidad de subida (slew-rate): Es la velocidad de variación a la salida o definido en otras palabras es la máxima variación de la tensión de salida con el tiempo que puede proporcionar la etapa de salida del amp-op. Se expresa así:
Dentro de los valores típicos, se encuentra el rango de: 1V/ms a 10V/ms. Su principal efecto es limitar el ancho de banda de señales grandes. Gráficamente se puede expresar así:
Figura 122. Distorsión debida al SR
4.4 ACTIVIDAD UNIDAD 4: TIRISTORES: TRIACs, DIACs, SCRs y AMPLIFICADORES OPERACIONALES Conteste las siguientes preguntas •
•
Describa con sus propias palabras el comportamiento básico del SCR, Diac y Triac. Teniendo en cuenta condiciones de encendido y apagado del dispositivo. Realice un cuadro comparativo con el grupo de tiristores estudiados.
•
Explique claramente la curva de transferencia del SCR, Diac y Triac.
•
Enumere las aplicaciones de los tiristores e investigue circuitos industriales en los cuales se vea reflejada su importancia.
•
¿Por qué los tiristores son dispositivos que pueden manejar grandes cantidades de corriente?
•
A que se debe la baja disipación de potencia de los tiristores.
•
¿Qué deficiencias poseen los tiristores y como pueden suplirse?
•
¿Cómo se identifican las terminales de un SCR, Diac y Triac?
•
¿Qué es un amplificador operacional la ganancia de lazo cerrado y la de lazo abierto?
•
¿Cuáles son las principales características de los amplificadores Operacionales?
Realice los siguientes ejercicios de diseño: •
Amplificador de ganancia constante de 100 y 200
•
Sumador de voltaje de tres entradas.
Investigue: 2 circuitos de aplicación de los amplificadores operacionales, realizando el siguiente procedimiento: •
Explicar el funcionamiento general del circuito
•
Armar el circuito en la protoboard y verificar su procedimiento
•
Armar el prototipo en baquela
•
Presentar el circuito a sus compañeros.
4.5 LABORATORIO UNIDAD 4: TIRISTORES: TRIACs, DIACs, SCRs y AMPLIFICADORES AMPLIFICADORES OPERACIONALES 4.5.1
Circuito de Control de Potencia SCR
Procedimiento: Construya el circuito de control de compuerta de la figura 1 con R 1=1K? =1K? , R2=25K =25K? ? (potenciómetro), R3=2.2K? y C=0.68µF. C=0.68µF. Colocar un diodo, de 200V nominales nominales o más, en serie con la terminal de la compuerta y apuntando hacia ella. El resistor de carga y la fuente ca están alambrados como se ve en la figura 2. La fuente de ca debe ser de 115V ca, aislada de la tierra física. Si una fuente de 115V aislada de tierra de 155V no está disponible, hay dos maneras de proceder: (1) Use un transformador de aislamiento, con un voltaje secundario cercano a 115V. (2) Verifique la polarización de la línea ac y disponga el cátodo del SCR de manera que esté conectado al comú comú n de la la ac (el alambro blanco que tiene está cercano al potencial de la tierra física). Luego, usando un osciloscopio diferencial, conecte la tierra del osciloscopio de manera permanente al cátodo del SCR y use la entrada diferencial para medir el voltaje de carga y el voltaje del resistor de la compuerta.
Rcarg
Rcar
C
R1
R1
R2
R2
R3
Figura 1
C
Figura 2
Use un SCR mediano de compuerta insensible, RCA tipo S2800D o semejante. La carga deberá ser un resistor resistor de potencia potencia de 100-? 100-W, o un foco de 40-W a 60W. Inserte un amperímetro analógico de 0-A 1-A o de 0-mA en serie con la carga. 1. Coloque el osciloscopio osciloscopio a través del resistor de carga.
a) Mida y registre el ángulo de retardo de disparo mínimo mínimo y el ángulo de retardo de disparo máximo. b) Registre la corriente de carga promedio bajo ambas condiciones. ¿Está de acuerdo con lo que ha comprendido de la relación entre el ángulo de retardo de disparo y la corriente de carga? c) ¿En qué dirección dirección debe ser girado el potenciómetro potenciómetro de 25-K? para incrementar el ángulo de retardo de disparo? Explique por qué. d) Dibuje la forma de onda de la carga para algún ángulo de retardo de disparo intermedio. 2. Sin alterar la posición del potenciómetro de la parte d del punto anterior, conecte el osciloscopio entre el ánodo y el cátodo del SCR. a) Dibuje la forma de onda del voltaje del SCR para el mismo ángulo de retardo de disparo intermedio que antes. b) Compare la forma de onda del voltaje del SCR con la forma de onda del voltaje de carga. ¿Tiene sentido la comparación? c) Mida el voltaje que existe a través del SCR después de dispararse (V (V T ) . ¿Es T). bastante constante? ¿Es más o menos de la magnitud esperada? 3. Coloque el osciloscopio a través del resistor de compuerta de 1-K? . La corriente que fluye en la terminal de la compuerta puede ser encontrada usando la ley de Ohm para el resistor de 1-K? . Mida la corriente de compuerta necesaria para disparar el SCR (I (I GT ). ¿Qué tanto cambia a medida que el ángulo de retardo de GT ). disparo es alterado? 4. Coloque el osciloscopio a través de la carga y ajústelo en algún ángulo de retardo de disparo intermedio. Enfríe en SCR con gas enfriador y observa la reacción del ángulo de retardo de disparo. ¿Qué efecto tiene la disminución de temperatura reducida del circuito del SCR? 5. Instale un díac menor (de unos 35V nominales) en serie con el resistor de compuerta de 1-K? . Repita los pasos 1 y 4. ¿Qué diferencia diferencia importante nota? 6. Si están disponibles varios díacs díacs del mismo tipo, pruebe con varios en el circuito y repita el paso 5. ¿Qué puede concluir de la homogeneidad de lote entre los díacs?
4.5.2
Control de Corriente de CA con un tríac
1. Construya el circuito de la figura 1. Use una fuente de ca aislada, si es posible. De no serlo, tome las medidas indicadas en el proyecto 1. Use los siguientes valores y regímenes de los componentes: R LD = 100? , 100100-W W (resistor), o foco de 40 ó 60W; tríac T2302B, o cualquier tríac con un V DROM de
cuando menos 200V, una I T(RMS) de cuanto menos 3ª, y con características de compuerta similares. Si las características de la compuerta (V GT e I GT) son similares a las del T2302B, los componentes del circuito de disparo deben ser cambiados. R1=10k? R4=1k? R2=250k? Potenciómetro C1=0.22 F R3=33k? C2=0.22 F a) ¿Cuál es el rango de ajuste del ángulo de retardo de disparo? ¿Son iguales los retardos de disparo de ambos semiciclos? b) Haga un bosquejo de las formas de onda de VLD, VMT2-MT1 y V G, todos con la misma referencia de tiempo. c) Mida IGT, la corriente necesaria para disparar el tríac, para ambas polaridades de terminal principal. Esto debe ser hecho midiendo el voltaje a través de R 4 al instante del disparo, y luego aplicando la ley de Ohm a R 4. El osciloscopio debe estar conectado para presentar la forma de onda de V R4. Compare la IGT medida con las especificaciones del fabricante, si las tiene. d) Mida VTM, el voltaje a través del tríac después del disparo. Compare con las especificaciones del fabricante. e) Enfríe el tríac con gas enfriador y observe el efecto en el ángulo de retardo del disparo. ¿Tiene sentido? f) Investigue el efecto de la sustitución de diferente tríacs del mismo número de tipo. Explique sus resultados. 2. Inserte un díac en la terminal de compuerta del tríac. Use un díac T143A o cualquier díac equivalente con un régimen de voltaje de transmisión conductiva similar (32V). Cambie los siguientes valores de los componentes: R2=200-k? ó 250-k? Potenciómetro C1=0.1 F R3=4.7k? C2=0.02 F Deje todo lo demás igual. a. ¿Son iguales los ángulos de retardo de disparo para ambos semiciclos? ¿Por qué? b. Investigue las consecuencias de enfriar el tríac. Explique los resultados. c. Investigue las consecuencias de sustituir tríacs distintos del mismo número de tipo. Explique sus resultados.
4.5.3
Control de luminosidad
(Proyecto tomado de la revista Cekit)
Al ensamblar este proyecto se obtiene un circuito que permite controlar la cantidad de potencia con que se alimenta una carga de corriente alterna, en este caso particular conectaremos una lámpara incandescente, aunque se puede utilizar en otros aparatos como el motor de un taladro, por ejemplo. Este control de iluminación se conoce popularmente como un dimmer, sirve para controlar la intensidad con que ilumina una lámpara incandescente, y es muy útil porque permite adecuar la luz de un ambiente para cada ocasión. Su funcionamiento se explica basado en el siguiente diagrama esquemático
El circuito está formado por varios componentes importantes, el primero es el Triac, el cual actúa como un interruptor que se cierra cada vez que recibe un pulso en el pin llamado Gate o compuerta. A partir de ese momento la corriente circula a través de sus terminales MT1 y MT2 y así se puede alimentar la carga que está conectada al circuito. La forma de controlar la cantidad de carga consiste en hacer que el disparo del triac se haga durante más o menos tiempo, así se tiene menor voltaje promedio aplicado sobre la misma. Para controlar este tiempo se utiliza un circuito formado por resistencias y condensadores, los cuales actúan así: cuando se aplica un voltaje al sistema el condensador C3 empieza a cargarse a través de las resistencias R1, R2, R3 y el potenciómetro R4; una vez que el voltaje sobre los terminales del Diac alcanza su voltaje de ruptura (30V), este conduce y permite que el condensador C3 se descargue hacia el Gate del triac, haciendo que éste entre en conducción y por lo tanto la carga recibe alimentación. El condensador C2 se agrega para reforzar la tensión de C3 en el momento de la descarga. De la misma forma en que se maneja la potencia aplicada sobre una lámpara, se puede controlar también la velocidad de giro del motor de un taladro. Estos motores pueden presentar unos picos o voltajes muy elevados por ser cargas de tipo inductivo, los cuales pueden dañar el triac. Para evitar esto se utilizó la red formada por el condensador C4 y la resistencia R5 en paralelo con el triac, este condensador se encarga de absorber los sobrevoltajes generados por la bobina del motor y la resistencia se encarga de limitar la corriente de descarga de dicho condensador sobre el triac. La red formada por la bobina y el condensador C1 sirven como filtro para garantizar que no se produzca interferencia de radiofrecuencia sobre la línea de corriente alterna. Ésta se puede presentar debido a la activación y desactivación del triac. El fusible que se instala en serie con la carga, es una medida de protección contra los cortocircuitos y su valor depende de la cantidad de corriente que ella consuma.
LISTA DE COMPONENTES Resistencias: R1: 10K? a 1/4W
R2: 2.2K? a 1/4W R3: 470K? a 1/4W R5: 47 K? a 1W R4: Potenciómetro 250K?
Condensadores: C1, C2, C3: 0.1 F/400V (600V) C4: 0.047 F/400V (600V) Semiconductores: 1 Triac de 10A/400V BTA06 o similar 1 Diac HT32 Varios: 1 Núcleo de ferrita de 2cm de largo y 5 a 8mm de diámetro. 1 Alambre esmaltado para bobinas calibre #22 (1m). 1 Fusible corto de 3Amp. 2 Terminales de portafusible para circuito impreso. 2 Conectores de tornillo de 2 pines 1 Circuito impreso K-132 1 Cable de potencia con enchufe GUÍA PARA ENSAMBLE
Se debe tener cuidado al colocar los componentes en forma correcta, los condensadores pueden ser de 400 ó 600 voltios, por eso se tiene doble perforación y suficiente espacio en el circuito impreso.
Para empezar construya la bobina o choque, que hace parte del filtro de entrada utilizando el núcleo de ferrita de unos 2cm y aproximadamente 1Mt de alambre esmaltado,
del que se usa para bobinar motores, calibre #22AWG. Para construir la bobina se necesitan 40 vueltas del alambre sobre el núcleo, distribuidas en dos capas de 20 vueltas. Se aconseja utilizar un poco de pegante para que el alambre no se mueva de su sitio. Luego se pelan las puntas del alambre que van a ir soldadas al circuito impreso para evitar que el esmalte que lo aísla cause problemas de adherencia de la soldadura.
Para empezar el ensamble ubique los componentes de poca altura como las resistencias, luego los condensadores, el choque y el triac . Posteriormente el potenciómetro y los terminales que sostienen el fusible. Debe tenerse especial cuidado de hacer buenas soldaduras y no causar cortocircuitos entre los pines de los componentes.
El resultado final es un circuito de control que tiene múltiples aplicaciones.
Anexo
ANEXO 1. DIODE From Wikipedia, the free encyclopedia
In electronics, a diode is a component that restricts the direction of movement of charge carriers. Essentially, it allows an electric current to flow in one direction, but blocks it in the opposite direction. Thus, the diode can be thought of as an electronic version of a check valve. Circuits that require current flow in only one direction will typically include one or more diodes in the circuit design. Today the most common diodes are made from semiconductor materials such as silicon or germanium.
Semiconductor diodes
Diode schematic symbol. Current can flow from the anode to the cathode, but not the other way around.
Most modern diodes are based on semiconductor p-n junctions. In a p-n diode, conventional current can flow from the p-type side (the anode) to the n-type side (the cathode), but not in the opposite direction. Another type of semiconductor diode, the Schottky diode, is formed from the contact between a metal and a semiconductor rather than by a p-n junction. A semiconductor diode's current-voltage, or I-V, characteristic curve is ascribed to the behavior of the so-called depletion layer or depletion zone which exists at the p-n junction between the differing semiconductors. When a p-n junction is first created, conduction band (mobile) electrons from the N-doped region diffuse into the P-doped region where there is a large population of holes (places for electrons in which no electron is present) with which the electrons "recombine". When a mobile electron recombines with a hole, the hole vanishes and the electron is no longer mobile. Thus, two charge carriers have vanished. The region around the p-n junction becomes depleted of charge carriers and thus behaves as an insulator. However, the depletion width cannot grow without limit. For each electron-hole pair that recombines, a positively-charged dopant ion is left behind in the N-doped region, and a negatively charged dopant ion is left behind in the P-doped region. As recombination proceeds and more ions are created, an increasing electric field develops through the depletion zone which acts to slow and then finally stop recombination. At this point, there is a 'built-in' potential across the depletion zone. If an external voltage is placed across the diode with the same polarity as the built-in potential, the depletion zone continues to act as an insulator preventing a significant electric current. This is the reverse bias phenomenon. However, if the polarity of the external voltage opposes the built-in potential, recombination can once again proceed resulting in substantial electric current through the p-n junction. For silicon diodes, the built-in potential is approximately 0.6 V. Thus, if an external current is passed through the diode, about 0.6 V will be developed across the diode such that the P-doped region is positive with respect to the N-doped region and the diode is said to be 'turned on' as it has a forward bias.
I-V characteristics of a P-N junction diode (not to scale). A diode's I-V characteristic can be approximated by two regions of operation. Below a certain difference in potential between the two leads, the depletion layer has significant width, and the diode can be thought of as an open (non-conductive) circuit. As the potential difference is increased, at some stage the diode will become conductive and allow charges to flow, at which point it can be thought of as a connection with zero (or at least very low) resistance. More precisely, the transfer function is logarithmic, but so sharp that it looks like a corner on a zoomed-out graph (see also signal processing ). In a normal silicon diode at rated currents, the voltage drop across a conducting diode is approximately 0.6 to 0.7 volts. The value is different for other diode types Schottky diodes can be as low as 0.2 V and light-emitting diodes (LEDs) can be 1.4 V or more (Blue LEDs can be up to 4.0 V). Referring to the I-V characteristics image, in the reverse bias region for a normal P-N rectifier diode, the current through the device is very low (in the A range) for all reverse voltages up to a point called the peak-inverse-voltage (PIV). Beyond this point a process called reverse breakdown occurs which causes the device to be damaged along with a large increase in current. For special purpose diodes like the avalanche or zener diodes, the concept of PIV is not applicable since they have a deliberate breakdown beyond a known reverse current such that the reverse voltage is "clamped" to a known value (called the zener voltage or breakdown voltage). These devices however have a maximum limit to the current and power in the zener or avalanche region.
Anexo
ANEXO 2. BIPOLAR JUNCTION TRANSISTOR From Wikipedia, the free encyclopedia A bipolar junction transistor ( BJT) is a type of transistor. It is a three-terminal device constructed of doped semiconductor material and may be used in amplifying or switching applications. Bipolar transistors are so named because their operation involves both electrons and holes. Although a small part of the base–emitter current is carried by the majority carriers, the main current is carried by minority carriers in the base, and so BJTs are classified as 'minority-carrier' devices.
Introduction An NPN transistor can be considered as two diodes with a shared anode region. In typical operation, the emitter–base junction is forward biased and the base–collector junction is reverse biased. In an NPN transistor, for example, when a positive voltage is applied to the base–emitter junction, the equilibrium between thermally generated carriers and the repelling electric field of the depletion region becomes unbalanced, allowing thermally excited electrons to inject into the base region. These electrons wander (or "diffuse") through the base from the region of high concentration near the emitter towards the region of low concentration near the collector. The electrons in the base are called minority carriers because the base is doped p-type which would make holes the majority carrier in the base.
The base region of the transistor must be made thin, so that carriers can diffuse across it in much less time than the semiconductor's minority carrier lifetime, to minimize the percentage of carriers that recombine before reaching the collector– base junction. The thickness of the base should be less than the diffusion length of the electrons. The collector–base junction is reverse-biased, so little electron injection occurs from the collector to the base, but electrons that diffuse through the base towards the collector are swept into the collector by the electric field in the depletion region of the collector–base junction.
NPN
The symbol of an NPN Bipolar Junction Transistor. NPN is one of the two types of bipolar transistors, in which the letters "N" and "P" refer to the majority charge carriers inside the different regions of the transistor. Most bipolar transistors used today are NPN, because electron mobility is higher than hole mobility in semiconductors. NPN transistors consist of a layer of P-doped semiconductor (the "base") between two N-doped layers. A small current entering the base in common-emitter mode is amplified in the collector output. The arrow in the NPN transistor symbol is on the emitter leg and points in the direction of the conventional current flow when the device is in forward active mode.
PNP The other type of BJT is the PNP with the letters "P" and "N" referring to the majority charge carriers inside the different regions of the transistor. Few transistors used today are PNP, since the NPN type gives better performance in most circumstances.
The symbol of a PNP BJT. PNP transistors consist of a layer of N-doped semiconductor between two layers of P-doped material. PNP transistors are commonly operated with the collector at ground and the emitter connected to a positive voltage through an electric load. A small current entering the base prevents current from flowing between the collector and emitter.
Anexo
ANEXO 3. JFET From Wikipedia, the free encyclopedia
Electric current flow from sourceto drain in a p-channel JFET is restricted when a voltage is applied to the gate. The junction gate field-effect transistor ( JFET or JUGFET) is the simplest type of field effect transistor. Like other transistors, it can be used as an electronicallycontrolled switch. They are also used as voltage-controlled resistances. An electric current flows from one connection, called the source, to a second connection, called the drain. A third connection, the gate, determines how this current flows. By applying an increasing negative (for an n-channel JFET) bias voltage to the gate, the current flow from source to drain can be impeded by pinching off the channel, in effect switching off the transistor.
Structure
Circuit symbol for an n-Channel JFET
Circuit symbol for a p-Channel JFET The JFET consists of a long channel of semiconductor material. This material is doped so that it contains an abundance of positive charge carriers ( p-type), or of negative charge carriers (n-type). There is a contact at each end; these are the source and drain. The third control terminal, the gate, surrounds the channel, and is doped opposite to the doping-type of the channel.Then, a pn junction is formed at the interface of the two types of the material and one has to make sure that the terminal made with the semiconductor are usually made Ohmic.
Function With no gate voltage, current flows easily when a voltage is applied between the source and drain. The current flow is modulated by applying a voltage between the gate and source terminals. The polarity of the gate voltage is such that it puts the p-n junction between the gate and channel in reverse bias, increasing the width of the depletion region in the junction. As the current-carrying channel shrinks with increasing gate voltage, the current from source to drain also shrinks. In this way, the gate controls the conductance of the channel, just like in the MOSFET. Unlike most MOSFETs, JFETs are always depletion-mode devices — they're "on" unless a gate voltage is applied. The operation of a JFET can easily be understood by considering a garden hose. The flow of water through a garden hose can be controlled by squeezing it and reducing its cross section; the flow of electric charge through a JFET is controlled by constricting the cross section of the current-carrying channel.
About the drawing symbols Sometimes JFET gate is drawn into middle of the channel instead of at drain/source electrode as in these examples. Also US style draws whole component inside a circle, european style is without circle. The symmetric variation is hinting at that the channel is indeed symmetric in sense that drain and source are interchangeable physical terminals. In every case the arrow head is telling the direction, where the P-N-junction of the gate is in relationship to the channel. In order to pinch off the channel, one must produce around 2 volts in reverse direction (VGS) of that junction. In N-type channel that is hinting to us that negative voltage at the gate in comparison of the source is called for. In P-type channel the hint is for positive V GS.
Comparison with other transistors The JFET gate presents a small current load which is the reverse leakage of the gate-to-channel junction. The MOSFET has the advantage of extremely low gate current (measured in picoamperes) because of the insulating oxide between the gate and channel. However, compared to the base current of a bipolar junction transistor the JFET gate current is much lower, and the JFET has higher transconductance than the MOSFET. Therefore JFETs are used to advantage in some low-noise, high input-impedance op-amps and sometimes used in switching applications. .
Anexo
ANEXO 4. TRIAC Y DIAC From Wikipedia, the free encyclopedia TRIAC
Triac Schematic Symbol A TRIAC, or TRIode for Alternating Current is an electronic component approximately equivalent to two silicon-controlled rectifiers (SCRs/thyristors) joined in inverse parallel (paralleled but with the polarity reversed) and with their gates connected together. This result in a bidirectional electronic switch which can conduct current in either direction when it is triggered (turned on). It can be triggered by either a positive or a negative voltage being applied to its gate electrode. Once triggered, the device continues to conduct until the current through it drops below a certain threshold value, such as at the end of a half-cycle of alternating current (AC) mains power. This makes the TRIAC a very convenient switch for AC circuits, allowing the control of very large power flows with milliampere-scale control currents. In addition, applying a trigger pulse at a controllable point in an AC cycle allows one to control the percentage of current that flows through the TRIAC to the load (so-called phase control ). Low power TRIACs are used in many applications such as light dimmers, speed
controls for electric fans and other electric motors, and in the modern computerized control circuits of many household small and major appliances. However, when used with inductive loads such as electric fans, care must be taken to assure that the TRIAC will turn off correctly at the end of each half-cycle of the ac power. DIAC
The DIAC, or DIode for Alternating Current , is a bidirectional trigger diode that conducts current only after its breakdown voltage has been exceeded momentarily. When this occurs, the resistance of the diode abruptly decreases, leading to a sharp decrease in the voltage drop across the diode and, usually, a sharp increase in current flow through the diode. The diode remains "in conduction" until the current flow through it drops below a value characteristic for the device, called the holding current. Below this value, the diode switches back to its high-resistance (nonconducting) state. The behavior is typically the same for both directions of current flow. Most DIACs have a breakdown voltage around 30 V. In this way, their behavior is somewhat similar to (but much more precisely controlled and taking place at lower voltages than) a neon lamp. DIACs are a form of thyristor but without a gate electrode. They are typically used for triggering both thyristors and TRIACs - a bidirectional member of the thyristor family. Because of this common usage, many TRIACs contain a built-in DIAC in series with the TRIAC's "gate" terminal.
Bibliografía
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Análisis
y
Diseño.
