ELECTRÓNICA BASICA
El átomo Compuesto de electrones, que giran en la corteza atómica, con carga eléctrica negativa, y protones, en el núcleo, con carga positiva. El átomo es eléctricamente neutro , pues tiene igual número de electrones que de protones. En la figura vemos un átomo de Silicio. La órbita exterior tiene 4 electrones, con los que el átomo forma 4 enlaces covalentes con otros cuatro átomos, formando una estructura cristalina estable. Aplicando energía, podemos liberar electrones de esa órbita exterior potencial de ionización .
Ión negativo átomo al que añadimos uno o más electrones. Su carga total será negativa.
Ión positivo átomo al que quitamos uno o más electrones. Su carga total sera positiva.
Electrones libres, huecos libres, pares electrón-hueco: Un electrón que abandona la órbita de un átomo deja un lugar libre o “hueco” que puede ser ocupado por otro electrón. electrón.
Formas de extraer electrones de un átomo: -
-
Emisión termoiónic te rmoiónicaa: mediante el calor aplicado, introducimos introducimos energía e nergía que aumenta la energía cinética de los electrones, separándose estos del material y formando una nube electrónica alrededor válvulas de vacío, tubos de rayos catódicos. Emisión fotoeléctrica : Al aplicar luz a un material, aplicamos energía a los electrones, que se emplea en extraerlos de sus órbitas resistencias LDR. Emisión secundaria : Bombardeando con electrones una placa metálica arrancamos de la misma electrones. Emisión por campo intenso : Aplicamos un campo eléctrico intenso que arranca los electrones de los átomos, produciéndose una avalancha efecto Zener.
Conductividad eléctrica. eléctrica. En función de su capacidad para conducir la corriente eléctrica, los materiales se clasifican en:
Conductores : normalmente normalmente son metales, metales, tienen t ienen electrones fácilmente fácilmente extraíbles
de sus órbitas externas con muy poca energía. Aislantes: Necesitan gran energía de ionización, o energía necesaria para extraer a un electrón de su órbita.
Semiconductores, en los que la energía de ionización es pequeña, por lo que aplicando una tensión eléctrica pueden conducir la la electricidad; pero además, su conductividad puede regularse, puesto que bastará disminuir la energía aportada para que sea menor el número de electrones que salte a la “banda de meta les, cuya conductividad conducción”. conducción”. Esto último no puede hacerse con los metales, es constante.
Corriente contínua. Corriente alterna. La corriente continua (CC o DC) se genera a partir de un flujo continuo de electrones (cargas negativas) siempre en el mismo
sentido. Por convenio, se toma como corriente eléctrica al flujo de cargas positivas, aunque éste es a consecuencia del flujo de electrones, por tanto el sentido de la corriente eléctrica es del polo positivo de la fuente al polo negativo y contrario al flujo de electrones y siempre tiene el mismo signo. La corriente continua se caracteriza por su tensión, porque, al tener un flujo de electrones prefijado pero continuo en el tiempo, proporciona un valor fijo de ésta (de signo continuo), y en la gráfica V-t (t ensión ensión tiempo) se represen r epresenta ta como una línea recta de valor V.
En la corriente alterna (CA o AC), el sentido de la corriente no es constante, sino oscilante a una frecuencia determinada (número de oscilaciones por segundo). Va cambiando cambiando de sentido y por t anto de signo continuamente, continuamente, con tanta rapidez como la frecuencia de oscilación de los electrones. En la gráfica V-t, la corriente co rriente alterna se representa como una curva u onda, que puede ser de diferentes formas (cuadrada, sinusoidal, sinusoidal, triangula t riangular..) r..) pero siempre caracterizada por su amplitud (tensión de cresta positiva a cresta negativa de onda), frecuencia (número de oscilaciones de la onda en un segundo) y período (tiempo que tarda en dar una oscilación). También se pueden emplear corrientes combinación combinación de ambas superpuestas (sumadas), donde la componente continua eleva o desciende la señal alterna de nivel. Ej: Aplicando las dos señales anteriores, tenemos la siguiente forma de onda:
La producción y transporte de energía eléctrica a gran gr an escala se realiza en corriente alterna, por su facilidad de transformación y transporte. Sin embargo, casi todos los aparatos electrónicos funcionan con corriente contínua, por lo que necesitamos fuentes de alimentación que transformen la CA en CC.
Resistencias. La resistencia es uno de los componentes imprescindibles en la construcción de cualquier equipo electrónico, ya que permite per mite distribuir adecuadamente la tensión y corriente eléctrica a todos los puntos necesarios. El valor de la resistencia se utiliza como unidad de medida el ohm, al cual representamos con el símbolo Las resistencias tienen un código de colores que indica su valor. valor. Este E ste código está compuesto por bandas de colores divididas en dos grupos; el primero consiste de tres o cuatro de estas bandas, de las cuales las primeras dos o tres indican el valor nominal de la resistencia y la última es un multiplicador para obtener la escala. El segundo grupo está compuesto por una sola banda y es la tolerancia expresada como un porcentaje, dicha tolerancia nos da el campo de valores dentro del cual se encuentra el valor correcto de la resistencia, o sea, el rango o margen de error dentro del cual se encuentra el valor real de nuestro resistor. Negro
0
Plateado
10-2
Plateado
± 10 %
-1
Dorado Marrón
±5% ±1%
Marrón Rojo Naranja
1 2 3
Dorado Negro Marrón
10 0 10 1 10
Amarillo
4
Rojo
10 2
Verde
5
Naranja
103
Azul Violeta
6 7
Amarillo Verde
10 105
Gris Blanco
8 9
Azul
10
4
6
De esta forma si tenemos una resistencia cuyo código de colores sea verde, negro, naranja, dorado tendremos una resistencia de 50.000 y su tolerancia es del ± 5 %. En el mercado no es posible encontrar todos los valores de resistencia, sino solamente los estandarizados, los cuales son: 1 1, 2 1,5 1,8 2,2 2,7 3,3 3,9 4,7 5,6 6,8 8,2 (cada uno de ellos multiplicados por el multiplicador correspondiente). correspondiente).
Además de estar las resistencias caracterizadas por su valor y tolerancia, éstas están definidas por su poder de disipación de potencia, los valores más típicos son: 1/8, 1/4, 1/3, 1/2, 1 y 2 W. También existen resistencias de valor variable llamadas resistencias variables o potenciómetros, los cuales son muy utilizados cuando es necesario realizar sobre un circuito algún tipo de ajuste interno. También se usan para hacer correcciones externas, tales como el caso de control de volumen, tono, luminosidad, etc. Cuando no vemos con claridad los colores, para medir el valor de una resistencia con el téster, hay que sacarla del circuito donde está insertada.
Resistencias no lineales Resistencia LDR La resistencia de este tipos de componentes varia en función de la luz que recibe en su superficie. Así, cuando están en oscuridad su resistencia es alta y cuando reciben luz su resistencia disminuye considerablemente. Los materiales que intervienen en su construcción son Sulfuro de Cadmio, utilizado como elemento sensible a las radiaciones visibles y sulfuro de plomo se emplean en las LDR que trabajan en el margen de las radiaciones infrarrojas. Estos materiales se colocan en encapsulados de vidrio o resina. Su uso más común se encuentra en apertura y cierre de puertas, movimiento y paro de cintas trasportadoras, ascensores, contadores, contadores, alarmas, control de iluminación...
En la curva característica se aprecia como la resistencia óhmica de la LDR disminuye exponencialmente con el incremento de luminosidad
Resistencia NTC Es un componente, al igual que la PTC, que varia su resistencia en función de la temperatura. t emperatura. Así, Así, cuando cua ndo reciben una temperatura mayor que la de ambiente disminuye su valor óhmico y cuando es baja o de ambiente aumenta. Suelen construirse con óxido de hierro, de cromo, de manganeso, de cobalto o de níquel. El encapsulado de este tipo de resistencia resistencia dependerá de la aplicación aplicación que se le le vaya a dar. Por ello ello nos encontramos encontr amos NTC de disco, de varilla, moldeado, lenteja, con rosca para chasis... Los fabricantes identifican los valores de las NTC mediante dos procedimientos: serigrafiado directo en el cuerpo de la resistencia, y mediante bandas de colores, semejante a las resistencias y siguiendo su mismo código, teniendo en cuenta que el primer color es el que está más cercano a las patillas del componente según se observa en la figura. Su curva característica se realiza entre dos parámetros, la resistencia y la temperatura. Sus aplicaciones más importantes están: medidas, regulación y alarmas de temperatura, regulación de la temperatura en procesos de elaboración, termostatos, compensación compensación de parámetros de funcionamiento funcionamiento en aparatos electrónicos (radio, (r adio, TV...). Curva característica de la NTC.
Resistencias PTC En este componente un aumento de temperatura se corresponde con un aumento de resistencia. Se fabrican con titanato de bario. Sus aplicaciones más importantes son: en motores para evitar que se quemen sus bobinas, en alarmas, en TV y en automóviles (temperatura del agua). El concepto de los encapsulados de las PTC se rige por los mismos criterios que una NTC, siendo sus aspectos muy parecidos a los mismos. Su curva característica se realiza entre dos parámetros, la resistencia y la temperatura. La identificación de los valores de estos dispositivos se realiza mediante franjas de colores en el cuerpo de los mismos que hacen referencia a un determinado tipo. Para deducir sus características se recurre a los catálogos de los fabricantes. Los márgenes de utilización de las NTC y PTC están limitados a valores de temperatura que no sobrepasan los 400ºC.
Resistencias VDR La propiedad que caracteriza esta resistencia consiste en que disminuye su valor óhmico cuando aumenta bruscamente la tensión. De esta forma bajo impulsos de tensión se comporta casi como un cortocircuito y cuando cesa el impulso posee una alta resistividad. Sus aplicaciones aprovechan esta propiedad y se usan básicamente para proteger contactos móviles de contactores, reles, interruptores.., ya que la sobre intensidad que se produce en los accionamientos disipa su energía en el varistor que se encuentra en paralelo con ellos, evitando así el deterioro de los mismos, además, como protección contra sobre tensi t ensiones ones y estabilización e stabilización de tensiones, adaptación a aparatos de medida...
Condensadores Formados por dos placas metálicas paralelas y separadas por un material aislante denominado dieléctrico. Un condensador condensador en corriente cor riente contínua se puede utilizar para almacenar y descargar carga eléctrica. Los principales materiales dieléctricos utilizados, en la fabricación de capacitores son el aire, el tantalio, el aluminio, el papel, la mica, algunos típos de cerámica, algunos plásticos, etc, y dan nombre al tipo de condensador que utilizamos. Hay condensadores condensado res polarizados polarizado s y no polarizados. Los primeros hay que conectarlos adecuadamente porque si no pueden explotar.
Faradio (F) es la unidad de capacidad eléctrica en el Sistema Internacional de Unidades, nombrada así en homenaje al distinguido científico inglés Michael Faraday. Puede definirse como la capacidad de un condensador en el que aplicando una tensión de 1 voltio se almacena una carga de 1 culombio. (Unidad de carga eléctrica en el sistema basado en el metro, el kilogramo, el segundo y el amperio (sistema MSKA o internacional). Es la carga que un amperio transporta cada segundo. Nombrado así en honor a Charles Coulomb). Coulomb ). En los inicios no se construían capacitores de 1 faradio porque eran muy grandes, hoy día ya se construyen y pueden ser de unos 12 cm. de alto por 8 de cms. de diámetro aproximadamente.
Los capacitores, en su mayoría se miden en millonésimas partes de un faradio (0.000001 = 1µF)
Funcionamiento de los condensadores condensadores Los condensadores no conducen la corriente contínua, pero sí conducen la corriente alterna. Su resistencia al paso de la corriente alterna depende de la frecuencia de la misma, y de la capacidad del condensador.
Carga y descarga de un condensador Si aplicamos una fuente de tensi t ensión ón a través de una resistencia, se producirá una intensidad a través de la resistencia que cargará el condensador a la tensión de la fuente, en un tiempo que dependerá del valor de la resistencia y del valor del propio condensador. En la gráfica vemos que la intensidad es grande al principio y va disminuyendo conforme aumenta la tensión de carga del condensador. Una vez cargado, el condensador permanecerá con esa carga de forma indefinida hasta que le ofrezcamos un circuito de descarga. En la figura, podemos ver como al conectar el condensador a una resistencia, la tensión del condensador va disminuyendo al perder la carga
Condensador en corriente alterna Al ser la corriente alterna una corriente corr iente oscilante, oscilante, las variaciones de t ensión ensión se transmiten de un lado al otro del condensador, y por tanto, aunque un condensador tiene un aislante entre placas, permite pasar esas oscilaciones o diferencias de tensión. No obstante, opone una resistencia a ese paso, que depende de la frecuencia de de la tensión alterna y de la capacidad del condensador.
Por ello, como veremos más adelante, se utilizan como filtraje de señales amplificadas (para separar la señal amplificada de la componente contínua que la acompaña).
Comprobación de condensadores Los condensadores pequeños se pueden comprobar con el tester, en la posición de óhmetro, donde tienen que dar resistencia infinita. Si no lo hacen es que tienen fugas y por lo tanto t anto están perforados e inservibles. Algunos Téster incorporan capacímetro.
Precauciones Todos los condensadores tienen una tensión máxima admisible que hay que respetar. Al comprar un condensador, hay que tener en cuenta qué tensión va a tener que soportar. Si se supera, saltaría un arco en el dieléctrico, perforándose el condensador y quedando inútil. Asimismo, recordar que los condensadores condensadores electrolíticos y algunos otros, son polarizados, es decir, solo se pueden conectar en una posición.
Bobinas o inductancias. Una bobina es un hilo de cobre arrollado a un material magnético, de forma que se produce una interacción entre magnetismo y corriente eléctrica. En electrónica de baja potencia, las bobinas se usan para circuitos osciladores y en los relés y transformadores, además de otras aplicaciones. Un relé es un aparato utilizado para gobernar gobernar circui c ircuitos tos de potencia mediante un circuito de control, aislándolos aislándolos eléctricamente el uno del otro. en la figura vemos la bobina del relé, sobre la que hay una placa metálica. Cuando circula corriente por la bobina, se genera un campo magnético que atrae hacia abajo la placa metálica, la cual a su vez desplaza el contacto central, conmutando conmutando entre los contactos laterales.
Transformadores: Son 2 o más bobinas separadas eléctricamente, eléctricamente, pero que están expuestas a un mismo campo magnético. Un transforma tr ansformador dor se constituye por un núcleo de hierro dulce laminado, una bobina primaria y una o más bobinas secundarisos. Aplicando una tensión variable o alterna en el primario, se produce una corriente magnética en el núcleo, que induce una tensión en el secundario fenómeno de inducción inducción mutua.. La función del transformador es adaptar tensiones aumentando o reduciéndolas mediante la relación de espiras de las bobinas primaria y secundaria. Por ejemplo, si el
primario tiene 1000 vueltas y el secundario 10,000, esto es una relación 1:10, el voltaje que se inducirá en el secundario será 10 veces mayor que el aplicado al primario. Las bobinas son hilos de cobre, por lo que su comprobación se realiza con el óhmetro, donde tienen que dar continuidad y baja resistencia. De no ser así las bobinas estarían cortadas y por lo tanto inservibles.
Teoría de la semiconducción Materiales semiconductores semiconductores conductividad eléctrica puede considerarse situada entre las de un aislante y la de un conductor. Un semiconductor es un elemento material cuya
Los semiconductores más conocidos son el silicio (Si) y el germanio (Ge), siendo el silicio mucho más utilizado por ser más estable frente a ruidos y variaciones de temperatura. Como todos los demás, el átomo de silicio tiene tantas cargas positivas en el núcleo, como electrones en las órbitas que le rodean. (En el caso del silicio este número es de 14). El interés del semiconductor se centra en su capacidad de dar lugar a la aparición de una corriente, es decir, que haya un movimiento de electrones. electrones. Como es de todos conocido, un electrón se siente más ligado al núcleo cuanto mayor sea su cercanía entre ambos. Por tanto los electrones que tienen menor fuerza de atracción por parte del núcleo y pueden ser liberados de la misma, son los electrones que se encuentran en las órbitas exteriores. Estos electrones pueden, según lo dicho anteriormente, quedar libres al inyectarles una pequeña energía. En lugar de utilizar el modelo completo del átomo de silicio silicio ( figura 1), utilizaremos la representación simplificada (figura 2) donde se resalta la zona de nuestro interés. Como se puede apreciar en la figura, los electrones factibles de ser liberados de la fuerza de atracción del núcleo son cuatro
Semiconductor intrínseco Cuando el silicio se encuentra formado por átomos del tipo explicado en el apartado anterior, se dice que se encuentra en estado puro o más usualmente que es un semiconductor intrínseco.Una barra de silicio silicio puro está formada por un conjunto de átomos en lazados unos con otros según una determinada estructura geométrica que se conoce como red
cristalina.
Si en estas condiciones inyectamos energía desde el exterior (por ejemplo aumentando la temperatura, o aplicando aplicando una tensi t ensión), ón), algunos de esos electrones de los órbitas externas dejarán de estar enlazados y podrán moverse. Lógicamente si un electrón se desprende del átomo, este ya no está completo, decimos que está cargado positivamente, pues tiene una carga negativa menos, o que ha aparecido un hueco. Asociamos entonces el hueco a una carga positiva o al sitio que ocupaba el electrón. par electrón hueco. El átomo siempre tendrá la tendencia a estar en su estado normal, con todas sus cargas, por lo tanto en nuestro caso, intentará atraer un electrón de otro átomo para rellenar rellenar el hueco que tiene. Toda inyección de energía exterior produce pues un proceso continuo que podemos concretar en dos puntos:
Electrones que se quedan libres y se desplazan de un átomo a otro a lo largo
de la barra del material semiconductor de silicio. Aparición y desaparición de huecos en los diversos átomos del semiconductor.
pares electrón-hueco, electrones libres y huecos aceptores de electrones. No obstante, el semiconductor semiconductor sigue siendo eléctricamente eléctricamente neutro.
Es decir, se forman
Semiconductor extrínseco Si a un semiconductor semiconductor intrínseco, como el anterior, a nterior, se le añade un pequeño porcentaje de impurezas , es decir, elementos trivalentes trivalentes o pentavalentes pentavalentes (tres o cinco cinco electrones en su última órbita), el semiconductor se denomina extrínseco, y se dice que está dopado. Evidentemente, las impurezas deberán formar parte de la estructura cristalina sustituyendo al correspondiente átomo de silicio .
Semiconductor extrínseco extrínseco tipo n Es el que se dopa con elementos de radio atómico similar al silicio pero con electrones en su última órbita .
semiconductor semiconductor intrínseco intrínseco
cinco
semiconductor semiconductor tipo n
Al tener éstos elementos 5 electrones en la última capa, resultará que al formarse, como antes, la estructura cristalina, cristalina, el quinto electrón no estará ligado en ningún enlace
covalente, encontrándose, aún sin estar libre, en un nivel energético superior a los cuatro restantes. Si como antes, consideramos el efecto de la temperatura, observaremos que ahora, además de la formación de pares e-h, se liberarán también los electrones no enlazados, fácilmente extraíbles de su órbita con menor energía de la que se necesita para extraer un electrón de un enlace covalente. Así, en el semiconductor tipo n aparecerá una mayor cantidad de electrones que de huecos ; por ello se dice que los electrones son los portadores portadores mayoritarios de la energía eléctrica y puesto que este excedente de electrones procede de las impurezas pentavalentes, a éstas se las llama donadoras. La conductividad del material aumenta enormemente, así, por ejemplo, introduciendo sólo un átomo donador por cada 1000 átomos de silicio, la conductividad es 24100 veces mayor que la del silicio puro.
Semiconductor extrínseco extrínseco tipo p Es el que se ha dopado con elementos trivalentes o tres electrones en la última órbita.
Semiconductor Semiconductor intrínseco intrínseco
Semiconductor Semiconductor extrínseco tipo P
En este caso, las impurezas aportan una vacante o hueco , por lo que se las denomina aceptoras (de electrones, se entiende). Ahora bien, el espacio vacante no es un hueco como el formado antes con el salto de un electrón, sino un lugar donde puede llegar
un electrón. Ahora son los huecos los portadores mayoritarios, pues a los pares electrón-hueco del semiconductor intrínseco se unen los huecos aceptores resultantes de la introducción de impurezas. impurezas. la sustitución sust itución de un átomo por otros provoca la aparición de huecos en el cristal de silicio. Por tanto ahora los "portadores mayoritarios" serán los huecos y los electrones los portadores minoritarios. El semiconductor sigue
siendo eléctricamente neutro, aunque exista una continua generación generación y anulación de pares electrón huecos .
Símbolo del diodo
Encapsulados comerciales comerciales de diodos
Anodo
Cátodo
UNIÓN PN Casi todos los diodos que se fabrican hoy en día están formados por dos tipo de silicio diferentes, unidos entre si. Al unir un cristal P con otro N, se produce el siguiente fenómeno. Los electrones libres de la zona N, pertenecientes a átomos pentavalentes y que no son utilizados en el enlace covalente correspondiente, correspondiente, son atraídos por los huecos de la zona P, donde pasan a formar enlaces. De esa forma, se crean iones
positivos en la zona N cercana a la unión.
negativos en la zona P cercana a la unión, y a su vez se forman iones
De ello resulta una “barrera de potencial”, también denominada zona agotada de cargas, pues está compuesta de iones positivos y negativos. La unión PN considerada globalmente sigue siendo eléctricamente neutra, aunque se ha producido una concentración de cargas a un lado y otro de la unión.
Polarización de un diodo o unión PN. Polarización directa Es cuando aplicamos el terminal positivo al cristal P (ánodo) y el negativo al cristal N (cátodo) Los electrones salen del polo negativo de la batería, recombinándose con los iones positivos que hay en el cristal P. Asimismo, los electrones sobrantes en el cristal P (iones negativos) serán atraídos por el polo positivo de la batería. Se eliminan por tanto los iones de la región de agotamiento, desapareciendo la barrera de potencial. El diodo adquiere gran conductividad eléctrica, eléctr ica, comportándose prácticamente prácticamente como un interruptor cerrado. La corriente circulante es corriente debida a portadores mayoritarios (electrones de P y huecos de N).
Polarización inversa Es cuando aplicamos tensión negativa al cristal P y tensión positiva al cristal N. En este caso, la barrera de potencial no desaparece, más bien aumenta, ya que estamos aplicando cargas negativas al cristal P, por lo que añadimos electrones que formarán más iones negativos. A su vez, el polo positivo de la batería atraerá electrones del cristal N, por lo que el número de iones positivos en la zona N aumentará. Se ensancha, por tanto, la barrera de potencial, que impide el paso de corriente eléctrica a través de ella. El diodo se comporta (idealmente) como un interruptor interr uptor abierto, aunque en la realidad hay una pequeña corriente debida a portadores port adores minoritarios (electrones de P y huecos de N). Esta corriente denominada de fugas, varía con la temperatura, y aumenta poco con la tensión, hasta llegar a la zona de avalancha. No obstante, esta corriente es muy significativa en el transistor, como veremos posteriormente.
Zona de avalancha. Aumentando el voltaje inverso de la unión, la velocidad de los portadores po rtadores minoritarios minoritarios aumenta (electrones de P atraídos por el polo positivo aplicado a N). Llegado un nivel de tensión, su velocidad es tal que arrancan electrones adicionales por colisión, produciéndose produ ciéndose un efecto efect o en cadena que
provoca la avalancha, o gran corriente inversa del diodo que si no se controla puede llegar a romper el diodo.
Curva característica característica del diodo En la curva, podemos ver como la intensidad intensidad directa direct a se incrementa exponencialmente con la tensión, mientras la intensidad inversa apenas aumenta con la tensión inversa aplicada, hasta llegar a la zona de avalancha, donde aumenta enormemente en un pequeño margen de tensión (región Zener).El máximo potenci pot encial al de polarización polarización inversa que puede ser aplicado antes de entrar a la región Zener se conoce como voltaje pico inverso.
Resumiendo: Podemos decir que el diodo es un elemento que, idealmente, se comporta como un interruptor: cuando está polarizado directamente, el interruptor está cerrado, circulando circulando libremente la intensidad a través de él. Cuando está polarizado inversamente, el interruptor está abierto, y no circula intensidad. Ejercicios: Analizar los siguientes circuitos y dibujar la forma de onda de salida Vo, si a la entrada les aplicamos una onda senoidal Vi.
Diodo como rectificador Los rectificadores c onvierten la corriente alterna de la red eléctrica, en corriente contínua. Ningún aparato electrónico, funciona funciona con corriente cor riente alterna directamente, o sea, no se alimentan los componentes con este tipo de corriente, necesitamos rectificarla para que funcionen correctamente, o sea convertirla a corriente directa ( C. C. )
Rectificador de media onda
Como el diodo sólo conduce cuanto esta directamente polarizado, la tensión de salida es “casi” la tensión de entrada durante el semiciclo positivo (hay que restar 0,7 voltios correspondientes a la tensión necesaria para contrarrestar la barrera de potencial). Durante el semiciclo negativo, el diodo no conduce al estar inversamente inversamente p olarizado, así que la tensión de salida será cero, al no haber corriente en la resistencia. Esta tensión no sirve para alimentar a limentar un circuito electrónico, tiene altibajos continua pulsatoria.
corriente
Rectificador por puente de diodos. Se utilizan cuatro diodos conectados en puente. En el mercado podemos encontrar encontrar puentes integrados en un solo componente.
Durante el semiciclo positivo de la tensión V2, los diodos D1 y D3 están polarizados directamente directamente y pueden conducir, atravesando la corriente la resistencia de carga Rl de arriba abajo, produciéndose en ella una tensión positiva.
Durante el semiciclo negativo de la tensión V2, los diodos D4 y D2 están polarizados directamente, directa mente, conduciendo la corriente que vuelve a atravesar Rl de arriba abajo, produciéndose en ella también una tensión positiva. posit iva.
Por tanto, la tensión a la salida será una tensión continua pulsatoria de doble onda. No obstante, también es una tensión variable que no nos sirve para alimentar un circuito, por lo que a un puente de diodos tendremos que añadirle añadirle un filtro de tensión la haga lo más contínua posible.
que
Rectificador de onda completa con filtro.
Si añadimos un condensador a la salida del puente, en paralelo con la carga, el condensador, mientras la tensión pulsatoria de salida sube, se irá cargando, y posteriormente, cuando la tensión baje, el condensador irá cediendo su carga eléctrica a la salida, de forma que la tensión de salida no disminuya demasiado. Si el condensador de filtro es suficientemente grande, la tensión de salida será prácticamente contínua.
En las formas de onda podemos ver como es la tensión sin filtrar (abajo) y la tensión filtrada (medio) en la salida. Se aprecia la carga y descarga del condensador de filtro. El factor de rizado es una relación que indica la”pureza” de la tensi t ensión ón continua de salida: es el cociente entre la componente alterna y la componente contínua de la tensión de salida. Cuanto más pequeño sea este cociente, mas lisa sera la tensión de salida, y mejor calidad tendrá la fuente de alimentación.
Fuentes de alimentación Una fuente de alimentación convierte la tensión alterna de entrada en tensión contínua de salida estabilizada. estabilizada.
La fuente convencional convencional Este es su diagrama en bloques:
Transformador: modifica los niveles de tensión alterna a los requeridos por el circuito a alimentar. Rectificador: Convierte la alterna en contínua. Filtro: Disminuye las variaciones (ondulaciones) presentes en la contínua. Regulador: Mantiene estable el valor de la tensión de salida, a pesar de las variaciones que puedan haber en el consumo de corriente. Normalmente está basado en un diodo zener.
Ventajas:
Circuito simple y de bajo costo. Aislamiento eléctrico eléctrico de la la red (por el transformador)
Desventajas:
Bajo rendimiento y estabilidad Tamaño y peso grandes (por el transformador)
Se utiliza en circuitos circuito s simples, en los cuales no se tienen grandes requerimientos requerimie ntos de estabilidad. Por ejemplo, ejemplo, pequeños pequeños receptores de radio, reproductores de CD, televisores portátiles, monitores monocromáticos, monocromáticos, etc. et c.
La fuente conmutada Utilizando técnicas de llaveamiento con pulsos, y realimentación negativa, consigue gran rendimiento y estabilidad.
Rectificador: convierte la alterna en contínua. cont ínua. Llaveador: De acuerdo a las órdenes provenientes del generador de pulsos, conduce o bloquea, en alta frecuencia. Filtro: Disminuye Disminuye (casi elimina) la alterna en la salida, dejándola totalmen tot almente te contínua. Comparador: Toma una muestra de la salida, y la compara con una referencia. Genera una señal de error, que va al generador de pulsos. Generador de Pulsos: Genera pulsos que irán al llaveador, que serán proporcionales al voltaje de Error disponible disponible en su entrada.
Funcionamiento La señal de corriente alterna es rectificada y convertida en pulsos de contínua. Estos pulsos son entregados a un llaveador, que conducirá, o bloqueará, en alta frecuencia (típicamente más de 10.000 Hz.). Esta salida llaveada es filtrada por un filtro capacitivo normal. Como la conmutación (llaveamiento) es en alta frecuencia, el filtrado es fácil. Se toma una muestra de la tensión de salida. Esta es aplicada a un comparador, en cuya segunda entrada tiene un voltaje de referencia. El comparador saca una señal d e error que es proporcional a la diferencia entre la Salida y la Referencia. Esta señal de error es
enviada al Generador de Pulsos, de forma a que éste ordene al Llaveador que conduzca más o conduzca menos, según sea necesario. Ventajas:
Alta estabilidad y rendimiento. Poco peso y tamaño
Desventajas:
Alto costo y circuito complejo. (cada vez son son más baratas). No aisla al circuito alimentado de la red.
Usos: En circuitos que requieren gran estabilidad y alto rendimiento. rendimiento. Típicamente circuitos digitales, o con gran cantidad de componentes de ese tipo. Ahora casi todos los circuitos tienden a tener fuentes conmutadas.
Otros diodos Diodo Zener El diodo Zener es un diodo que ha sido diseñado para trabajar en la región Zener. Por lo t anto, es un diodo que qu e trabaja inversamente inversamente polarizado.
Al comprar un diodo zener, lo compramos para una tensión determinada que es la que queremos estabilizar. El diodo Zener se diferencia del diodo rectificador en que está más dopado, alcanzando fácilmente la zona zener o zona de avalancha. Si en esa zona somos capaces de mantener la corriente en niveles aceptables, el zener estabilizará la tensión de salida a esa tensión zener. En el circuito de la figura, si queremos mantener la carga a una tensión máxima de 4, 8 voltios, por ejemplo, elegiremos elegiremos un zener de esta tensión. Cuando la tensión supere los 4,8 voltios, el zener entrará en ruptura, absorbiendo el exceso de tensión en forma de corriente, por lo que la tensión en R irá aumentando, absorbiendo el exceso de tensión. En la curva del zener podemos ver como la intensidad aumenta manteniéndose constante la tensión.
Diodo Varicap El Varicap (Epicap (Ep icap,, capacidad capacidad controlada por tensión o diodo de sintonía) es un diodo que se comporta como un condensador donde la capacidad esta controlada por la tensión. Ya hemos visto que en un diodo polarizado inversamente, se crea una barrera de potencial o zona agotada donde no hay cargas libres. Esa barrera se comporta como un dieléctrico, cuyo grosor aumentará o disminuirá en función de la tensión inversa aplicada. Por tanto estamos ante un condensador variable en función de la tensión. A mayor tensión, mayor dieléctrico y por tanto menor capacidad del condensador. En la curva característica del Varicap podemos ver la variación de la Capacidad con la tensión inversa. Su aplicación es en sintonizadores de radio, sustituyendo a los condensadores variables grandes y costosos
El diodo emisor de luz (LED) El LED es un diodo que produce luz visible (o invisible, infrarroja) cuando se encuentra directamente polarizado. El voltaje de polarización de un LED varía desde 0,8 V hasta 2.5 V, y la corriente necesaria para que emita la luz va desde 8 mA hasta los 20 mA. Principio de Funcionamiento: En cualquier unión P-N P- N polarizada directamente, se recombinan r ecombinan continuamente continuamente electrones electro nes y huecos al pasar la corriente.. corr iente.. Esta recombinación recombinac ión supone una pérdida de energía del electrón, que se va en forma de luz y calor. En el Si y el Ge el mayor
porcentaje se transforma en calor y la luz emitida es insignificante. Por esta razón se utiliza otro tipo de materiales para fabricar los LED's, como Fosfuro Arseniuro de de Galio (GaAsP) o fosfuro de Galio (GaP). Su funcionamiento es análogo al del diodo rectificador.. Según el material pueden emitir en el infrarrojo (diodos IRED), rojo, azul, amarillo y verde, dependiendo de cual sea la longitud de onda en torno a la cual emita el LED. Entre sus aplicaciones podemos destacar: pilotos de señalización, instrumentación, optoaclopadores, etc.Su intensidad no debe pasar de 20 mA, por lo que siempre van conectados con una resistencia en serie.
Fotodiodo Diodo sensible a la luz. Generan un voltaje de corriente continua proporcional a la cantidad de luz que incide sobre su superficie, es decir, son diodos de unión PN cuyas características eléctricas dependen de la cantidad de luz que incide sobre la unión. Se utilizan como medidores y sensores de luz y en receptores ópticos de comunicaciones. comunicaciones. También como alarmas (células fotoeléctricas). fotoeléctricas). El efecto fundamental bajo el cual opera un fotodiodo es la generación de pares electrón - hueco debido a la energía luminosa. Ello aumenta la corriente inversa de trabajo trabajo del diodo, por lo que esta es proporcional a la luz . Hay que recordar que un diodo presenta unas pequeñas corrientes de fugas de valor IS (intensidad de saturación). Las corrientes de fugas son debidas a los portadores minoritarios, electrones en la zona P y huecos en la zona N. La generación de portadores debido a la luz provoca un aumento sustancial de portadores minoritarios, lo que se traduce en un aumento de la corriente de fuga en inversa.
Diodo túnel Los diodos de efecto túnel. Son dispositivos muy versátiles que pueden operar como detectores, amplificadores y osciladores o sciladores.. Poseen una región de juntura extremadamente delgada que permite a los portadores cruzar con muy bajos voltajes de polarización directa y tienen un tramo de resistencia negativa, esto es, la corriente corr iente disminuye a medida que aumenta el voltaje aplicado.
Diodo láser Los diodos láser son constructivamente diferentes a los diodos LED normales. Las características de un diodo láser son:
La emisión de luz es dirigida en una sola dirección: Un diodo LED emite fotones en muchas direcciones. Un diodo láser, en cambio, consigue realizar un guiado de la luz preferencial una sola dirección.
Corte esquemático de la emisión de luz en diodos LED y láser
Debido a estas dos propiedades, con el láser se pueden conseguir rayos de luz monocromática dirigidos en una direcci d irección ón determinada. determinada. Como Co mo además también puede controlarse la potencia emitida, el láser resulta un dispositivo ideal para aquellas operaciones en las que sea necesario entregar energía con precisión. Ejemplo de aplicación: El lector de discos compactos: Una de las muchas aplicaciones de los diodos láser es la de lectura de información digital de soportes de datos tipo CD-ROM
Esquema del funcionamiento del CD-ROM
Un haz láser es guiado mediante lentes hasta la superficie del CD. A efectos prácticos, se puede suponer dicha superficie formada por zonas reflectantes y zonas absorbentes de luz. Al incidir el haz láser en una zona reflectante, la luz será guiada hasta un detector de luz: el sistema ha detectado un uno digital. Si el haz no es reflejado, al detector no le llega ninguna luz: el sistema ha detectado un cero digital. Cuanto más pequeña es la longitud de onda del diodo, más pequeñas son las celdas que puede leer en un disco. Por ello el DVD ha sido posible al conseguir diodos láser que emiten en longitud de onda cada vez más pequeña.
Comprobación Comprobación de diodos Se pueden probar con un téster en la posición óhmetro, en las escalas de resistencia y preferiblemente en las escalas ohm x 1, ohm x 10 ó también ohm x 100. Así cuando se intenta medir la resistencia de un diodo, se encontrarán dos valores totalmente distintos, según el sentido de las puntas. Polarizado directamente, la resistencia que marca el téster tiene que ser baja. Polarizado inversamente, la resistencia tiene que ser muy alta. De no ser así el diodo estaría estropeado. estropeado.
El transistor bipolar Un transistor puede considerarse formado por dos diodos semiconductores con una zona común. En un transistor existen tres terminales. La zona común co mún se denomina base y las dos zonas exteriores en contacto con la base son el emisor y el colector.
Estructura del transistor Están formados por tres capas alternas de semiconductores de tipo N y P, lo que da dos posibilidades de transistores, los PNP y los NPN . Las tres regiones de material semiconductor reciben el nombre de base, emisor, y colector , y son accesibles eléctricamente eléctricamente gracias a tres patillas que permiten que conectar el tr el transistor al circuito de aplicación. Para que un transistor pueda funcionar correctamente, se tienen que cumplir una serie de condiciones:
El espesor de la base sea muy pequeño El emisor esté mucho más dopado que la base (más cargas libres).
Que esté bien polarizado, es decir a las tensiones adecuadas . La unión
correspondiente correspondiente al diodo emisor-base debe polarizarse polarizarse en sentido directo, mientras que la unión correspondiente correspondiente al colector-base ha de estar polarizada en sentido inverso. Cuando un transistor se polariza como aparece en la figura anterior para un transistor PNP, se podría esperar que sólo circulase corriente entre el emisor y la base que tienen la unión polarizada en directa, mientras que la unión entre la base y el emisor está polarizada en inversa. Pues bien, se observa que como la base es una capa fina, parte de los portadores de carga pasan al colector, por lo que por él sale corriente a pesar de estar conectado en inversa. Esta corriente de salida del colector se puede regular regulando la corriente de la base. El hecho de que el emisor esté más dopado, ayuda a que haya más portadores de carga que se difundan hacia el colector.
Como en el transistor no se acumula carga , se cumple que la corriente que sale por el emisor es igual a la suma de las corrientes que entran por la base y el colector.
Encapsulados Encapsulados del transistor. t ransistor.
Funcionamiento de un transistor en emisor común Un transistor puede conectarse en tres configuraciones básicas. Emisor común, base común y colector común. Veremos la primera por ser la más utilizada. En el esquema vemos una configuración básica con transistor NPN donde el emisor forma parte tanto del circuito de entrada como del de salida (emisor común). Los parámetros que nos interesan son la intensidad de base (Ib), la tensión entre base y emisor (Vbe), la intensidad de colector (Ic) y la tensión entre colector y emisor (Vce). Como se puede comprobar, la entrada está polarizada directamente, al ser un transistor NPN la base es cristal P y se le aplica el polo positivo de la batería. La unión colector base estará polarizada inversamente, ya que aplicamos el polo positivo al colector, que es cristal N. La pila que alimenta al circuito de salida suele ser de un valor bastante mayor que la que alimenta al circuito de entrada, por lo que la base es más negativa que el colector.
Si sólo aplicáramos tensión a la entrada, quitando la pila de salida, la unión base emisor se comportaría como un diodo normal, entrando en conducción directa en cuanto la tensión de la pila de entrada superara la barrera de potenci pot encial al (0,7 voltios aproximadamente) Si variamos el valor de la pila V BB de la malla de entrada, tomando valores de I B y VBE podemos obtener la curva característica característica de entrada, similar similar a la de un diodo en conducción conducción directa. Por el circuito circuito de salida no circularía circularía corriente (Ic) ya que no hemos aplicado tensión en la malla de salida. Hasta aquí, nada diferente de lo que es un diodo. Pero veamos qué es lo que ocurre cuando aplicamos la pila de la malla de salida.
¡¡ATENCION, ES IMPORTANTE IMPORTANTE ENTENDER ENTENDER BIEN EL SIGUIENTE PARRAFO!!
Recordemos que la base es un cristal estrecho. Cuando apliquemos Vbb, se producirá, como hemos visto, una corriente de emisor. Los electrones, que son portadores mayoritarios en el emisor, son portadores minoritarios en la base. Por tanto, cuando los electrones del emisor pasen a la base, parte de ellos saldrán por la base, pero gran parte de ellos, atraidos
por el polo positivo de Vcc, atravesarán la unión colector base, polarizada inversamente, inversamente, y llegarán al colector, saliendo por este terminal, te rminal, formando la Ic. Recordemos que ello puede ser porque los portadores minoritarios minorita rios pueden atravesar una unión polarizada inversamente, como lo es la unión colector base. (Ver unión PN).
Si aumentamos la tensión Vbb, entonces la corriente de emisor aumentará, como hemos visto en la curva de entrada del transistor, ya que el diodo base emisor está polarizado directamente. Ello hará que muchos más electrones del emisor pasen a la base, donde, recordemos, son portadores minoritarios, y por tanto pueden atravesar la unión colector base, polarizada inversamente, formándo la Ic. Vemos, por tanto, que podemos controlar la intensidad de salida del circuito (intensidad i nteresante sante de colector) controlando la intensidad de entrada (intensidad de base). Lo intere
del transistor es que las variaciones de intensidad de entrada son pequeñas (Ib suele ser micro o miliamperios), y esas variaciones producen grandes variaciones de la intensidad de salida (Ic son miliamperios o amperios), por lo que el transistor en emisor común se comporta como un amplificador de las variaciones de corriente.
Veamos un caso práctico: Si aplicamos una tensión Vbb constante, que produzca una Ib constante (p. ej. 10 uA), y vamos incrementando la Vcc desde cero, podemos ver que la Ic y la Vce van aumentando linealmente linealme nte hasta el codo, donde el incremento de Ic se amort amortigua igua (saturación de corriente) y la Vce aumenta. Vemos en la curva de salida, que la Ib es del orden de uA, sin embargo la Ic será del orden de miliamperios. Por tanto, si introdujéramos una intensidad variable de entrada (Ib) pequeña, obtendríamos un gran variación de intensidad de salida (Ic). En ello se basa la aplicación del transistor como amplificador.
Zonas de funcionamiento funcionamiento Zona de corte . Para un transistor de silicio, si Vbe es inferior a 0,6 V, ambas uniones están polarizadas en sentido inverso y las intensidades en los terminales se pueden considerar despreciables. En otras palabras, la tensión de base no es lo suficientemente alta para que circule corriente por la unión base emisor, por lo que la corriente de colector es igualmente despreciable.
Zona activa . La unión base-emisor está polarizada en sentido directo directo ( Vbe > 0,6 V) y la unión colectora lo está en sentido inverso. Esta zona es muy importante , puesto que el transistor funciona en ella cuando se utiliza para amplificar señales. El punto Q es el punto de trabajo en reposo del transistor, transisto r, que se define como el punto de conducción que tiene cuando está en reposo (sin aplicar señal de entrada a amplificar).
Zona de saturación . Ambas uniones, emisora y colectora, están polarizadas en sentido directo. La corriente base-emisor es muy grande, por lo que la corriente de colector lo es igualmente grande. Se dice que ha entrado en saturación si el voltaje del colector es inferior a la tensión base-emisor. La recta que atraviesa la curva se denomina “recta de carga ” y se componen de los lugares que puede ocupar el punto de trabajo del transistor. Responde a la siguiente fórmula, que sería la ecuación de la malla de salida. Vcc = Vce + Rc * Ic
ecuación de la recta de carga
Toda recta se determina mediante dos puntos. Si Ic = 0 transistor en corte, entonces Vcc = Vce (punto en abscisas) . No hay intensidad de colector, por tanto no hay caida de tensión en la Rc y toda la tensión de alimentación está entre colector y emisor. Si Vce = 0 transistor en saturación, entonces Ic = Vcc/Rc) (punto en ordenadas). El transistor conduce “a tope”. Toda la tensión de alimentación cae en la Resistencia de carga. Los transistores en emisor común suelen trabajar como amplificadores (zona activa) o como conmutadores (zonas de corte saturación). El modo en que queramos que trabajen determinará el circuito de polarización del mismo que utilizemos.
Transistor como conmutador Supongamos el siguiente circuito, circuito, adecuadamente adecuadamente polarizado para trabaj tr abajar ar como conmutador. Con el interruptor abierto, no hay intensidad de base, luego no puede haber Ic, por lo que el transistor no conduce, en la resistencia de salida no cae tensión y la Vsal será igual al al V de alimentación (10 V). IB = 0 IC = 0 CORTE (el transistor no conduce) Estamos en el punto 1 de la recta de carga.: en la práctica si que hay una pequeña corriente de fugas, por lo que la Vsal es un poco menor de 10 V. Para electrónica digital no tiene mucha importancia ese pequeño margen, por lo tanto se desprecia.
Si ahora cerramos el interruptor, tendremos una Ib fuerte, lo cual por el efecto transis tr ansistor tor provocará una gran Ic. El transistor conduce y toda la tensión de la malla de salida cae en la resistencia de colector, por lo que en la Salida tendremos prácticamente 0 voltios (en realidad 0,7 voltios). Estamos Estamos en el punto 2 de la recta de carga
Aplicación: Si tenemos en la entrada una onda cuadrada, la onda de salida será también cuadrada, pero invertida. Este circuito será un inversor, muy utilizado (con mejoras) en electrónica digital.
También lo podemos utilizar en electrónica analógica, para controlar relés y otra cargas car gas “todo“todonada”, que no exijan regulación regulació n contínua de la tensión de salida.
Problema : analiza el siguiente circuito con VBB = 0, y con VBB = 10 V. ¿Qué ocurre en cada caso? ¿Cómo están los transistores?
Actividad: Los dos esquemas siguientes son otras aplicaciones del transistor como conmutador. Analizar el funcionamiento de ambos.
Transistor como amplificador de tensión Polarizar un transistor es darle adecuados niveles de tensión en reposo (sin entrada de señal) para que trabaje adecuadamente determinar determinar el punto Q, punto de trabajo t rabajo estático. estático.
Polarización con divisor de tensión En este esquema vemos un transistor polarizado mediante un circuito divisor divisor de tensión. Se puede observar, que la tensión que se aplica en este caso entre base y masa es la que cae en la resistencia R2. Mediante un cálculo adecuado de las resistencias, conseguimos que el transistor esté en un punto de trabajo en reposo que nos permite introducir una señal para ser amplificada.
Determinación del punto de trabajo Q En las siguientes curvas, podemos comprobar como la determinación del punto de trabajo en reposo da lugar a diferentes clases de amplificación:
Clase A: toda la señal de entrada se amplifica. La señal de salida tiene la misma forma que la de entrada fidelidad. Se usa en amplificadores de calidad.
Clase B: Sólo amplificamos un semiciclo de la señal de entrada distorsión, permite mayor nivel de amplificación.
Clase C: Amplificamos sólo un trozo de un semiciclo mayor distorsión, mayor potencia de salida, peor calidad de sonido
megafonía de un campo de fútbol.
Esquema y funcionamiento de un amplificador amplificador de tensión t ensión de una sola etapa. Una vez hemos polarizado en reposo el circuito amplificador, tendremos que introducir la señal de entrada a amplificar. En el esquema vemos un circuito amplificador: Vin es la señal a amplificar: Cs es un condensador que deja pasar la señal alterna, pero impide el paso de Vc hacia la fuente de señal (recordemos que un condensador conduce la corriente alterna, pero no la continua). Dicha señal se superpondrá a la tensión de polarización de la base, variando el punto Q como podemos ver en la curva de salida. Durante el semiciclo positivo de la señal de entrada, la Vbe aumentará, por lo que la conducción del transistor será mayor. Ello provocará que la Ic que atraviesa Rc aumente también, por lo que la caida de tensión en Rc será mayor y la tensión En el colector será menor. Vemos por tanto que a un incremento de la tensión de entrada corresponde un decremento de la tensión de salida. Durante el semiciclo negativo, la Vbe disminuye, por lo que la conducción del transistor también lo hará. La Ic por tanto t anto disminuye, disminuye, disminuyendo la caida de t ensión ensión en Rc. De ello resultan una tensión en el colector mayor. Luego a un decremento de la tensión de entrada, corresponde un aumento de la tensión de salida. Es por ello que un amplificador de tensión desfasa la señal amplificada 180 grados, como podemos ver en la curva de salida (cuando la Vbe aumenta, la Ib aumenta y la Vce disminuye). Luego si queremos obtener una onda en fase con la entrada deberemos poner al menos dos etapas amplificadoras. La resistencia de emisor se coloca para estabilizar estabilizar al t ransistor ante variaciones de temperatura, de forma que su punto Q no varíe. El condensador Cr, también llamado de emisor, impide pérdida de ganancia en alterna debido a la caida de tensión en el emisor. Por último, Cs, es el condensador de salida, que separa la tensión continua de alimentación de la señal amplificada.
El esquema siguiente es un amplificador de tensión básico con transistor NPN (BC108). La potencia de salida no es suficiente para atacar a un altavoz, pues es un amplificador “previo” que se utiliza para atacar etapas de más potencia.
Comprobación Comprobación de transistores bipolares Mediante el téster, podemos comprobar el transistor teniendo en cuenta que la base debe conducir con los otros dos terminales en un sentido y en el otro no. En cuanto a la diferenciación diferenciación entre emisor emisor y colector, podemos también utilizar el téster, pero lo mejor es hacerlo mediante la hoja del fabricante.
