Material Apoyo Electronica de Pot 2016

ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA ESPECIALIDAD:

TÉCNICO EN INGENIERÍA ELÉCTRICA

MATERIAL DE APOYO PARA EL DESARROLLO DEL MÓDULO :

CONSTRUCCIÓN DE CIRCUITOS CIRCUITOS DE CONTROL ELECTRÓNICO DE POTENCIA

ESTUDIANTE:______________________________________________ Santa Tecla, febrero de 2016

ITCA – FEPADE

CONSTRUCCIÓN DE CIRCUITOS DE CONTROL ELECTRÓNICO DE POTENCIA

COMPETENCIAS ESPERADAS AL FINALIZAR ESTE MÓDULO LISTA DE COTEJO Determina el valor de una resistencia utilizando un tester .

SI  NO 

Determina el valor de una resistencia por p or medio del Código de colores.

SI  NO 

Identifica por medio de su símbolo: resistencias, capacitores, diodos, transistores, Tiristores e Ics, en un diagrama esquemático.

SI  NO 

Prueba en forma estática: Diodos y transistores.

SI  NO 

Prueba en forma dinámica: Transistores, Tiristores, LDR y optpinterruptor .

SI  NO 

Prueba el funcionamiento de un IC: Compuerta, 555 ó 741

SI  NO 

Selecciona los componentes de un circuito a partir de un diagrama esquemático .

SI  NO 

Calcula el valor de las resistencias para la polarización de LEDs

SI  NO 

Conecta un BJT para que opere como interruptor

SI  NO 

Calcula la potencia que debe disipar un elemento de un circuito.

SI  NO 

Arma un circuito en breadborad conforme a un diagrama.

SI  NO 

Prueba el funcionamiento de un circuito armado en breadboard.

SI  NO 

Mide el voltaje y la corriente en un elemento de un circuito.

SI  NO 

En todos los montajes es ordenado, limpio y clasifica los desechos.

TÉCNICO EN INGENIERIA ELÉCTRICA

SI  NO 

2

ITCA – FEPADE


CONTENIDO Pag. Resistencias ………………………………………………………….

4

Circuito serie …………………………………………………...

14

Circuito paralelo ……………………………………………….

15

El transformador …………………………………………………….

18

Diodos .................................................................... ............................................................................. .........

23

Transistores......................................................................

52

Circuitos integrados. ........................................................

61

Tiristores..........................................................................

83

Sensores.........................................................................

91

Circuitos de control electrónico........................................

98

APÉNDICE  Teoría del error aplicada a las prácticas de laboratorio ……

105

 Procedimiento establecido para el montaje de componentes

de un circuito armado en breadboard ………………………………… 106  Circuitos de aplicación ………………………………………………… ………………………………………………………… ……… 107  Grado de protección IP (Equipo eléctrico y electrónico) …… 111

BIBLIOGRAFÍA.................................................................


113

3

ITCA – FEPADE


INTRODUCCIÓN En la actualidad, la mayor parte de los procesos de control se realizan por medio de dispositivos electrónicos; en el campo de la ingeniería eléctrica, la electrónica de potencia se relaciona con los dispositivos electrónicos que manejan cargas con corrientes relativamente altas, y por lo tanto, se hace necesario el estudio de estos dispositivos, para desarrollar el criterio y comprender el funcionamiento de los sistemas automatizados. Para comprender el funcionamiento de un sistema, es necesario: 1° estudiar las características y el funcionamiento de cada uno de los elementos que lo conforman. 2° Analizar como interactúan los elementos entre sí. En este módulo, se estudiará primero las características y el funcionamiento de cada dispositivo electrónico en forma individual, para luego analizar, como la interconexión entre algunos de ellos, puede realizar una función específica en un sistema de control. 1 RESISTENCIAS Son fabricadas de alambre de diferentes metales o de carbón según la aplicación. La resistencia eléctrica se representa por “R ó r” y su unidad de medida es el ohmio “”. Según su aplicación se especifican de la siguiente manera: SÍMBOLO

ESPECIFICACIONES (DATOS DE PLACA) Para circuitos de control Como calentadores Su valor en ohmios ( Ω) La potencia máxima en watt (W) que puede disipar en forma de calor

Voltaje de operación en voltio (V) La potencia en watt (W) que disipará como calor, a ese voltaje

dependiendo del tipo de resistencia, los datos pueden venir impresos sobre ella o como en el caso de las resistencias de carbón, que su valor se expresa a través de un código de colores y la potencia normalmente viene dada en el empaque; sin embargo, por su tamaño también puede estimarse la potencia ya que se fabrican en valores estándar de 1/8 W, ¼ W; ½ W; 1W etc. y por lo general, cuando la potencia es mayor de 1W, este valor, viene impreso sobre la resistencia. TÉCNICO EN INGENIERIA ELÉCTRICA

4

ITCA – FEPADE


1.1 TIPOS DE RESISTENCIAS

Fig. 1


5

ITCA – FEPADE


1.2 VALORES COMERCIALES DE LAS RESISTENCIAS Los valores de resistencia que se obtienen por medio de un cálculo teórico generalmente no existen en el mercado y por tal razón se deberá tomar el valor más próximo de las que se fabrican. No se fabrican resistores de todos los valores posibles por razones obvias de economía. Además sería absurdo, ya que, por ejemplo, en un resistor de 100 y 10 % de tolerancia, el fabricante nos garantiza que su valor está comprendido entre 90 y 110 , por lo tanto no tiene objeto alguno fabricar resistores de valores comprendidos entre estos dos últimos. Hay tolerancias del 1 por mil, del 1 %, 5 %, 10 % y 20 %. Para la serie de resistores que se fabrican con una tolerancia del 10 % que es la más utilizada, los valores comerciales son: 10 18 33 56 12 22 39 68 15 27 47 82 y los mismos seguidos de ceros. Resistores de valores muy pequeños no son comunes, por la dificultad que entraña ajustar su valor. Resistores de valores muy grandes son difíciles de conseguir, porque en ellos comienza a tener importancia fenómenos como la resistencia superficial, condiciones ambientales, etc. y tampoco es normal su uso. Por ejemplo: En la serie de resistores con tolerancia del 10 % el valor más pequeño es de 4,7 y el mayor de 22 M . En la serie del 5 % los valores extremos son 0,33 y 10 M . Lecciones de Electrónica

20/mayo/2003

http://www.ifent.org/lecciones/electrodinamica/eldinami33.htm TÉCNICO EN INGENIERIA ELÉCTRICA

6

ITCA – FEPADE

1.3


USO DEL MULTÍMETRO (TESTER) PARA LA MEDICIÓN DE RESISTENCIA. Multímetro es el nombre que se le da a un instrumento con el cual se pueden medir diferentes parámetros eléctricos, algunas veces se utiliza la palabra tester o probador. Los Multímetros, pueden ser análogos o digitales como los que se muestran en la figura 2.

Multímetro Analógico

Fig. 2

Multímetro Digital

Para medir el valor en Ohmios que tiene una resistencia, puede seguir el proceso que se describe a continuación: a) Si el multímetro es digital. 1- Conecte los terminales de prueba (el negro en COM y el rojo en ). 2- Seleccione la escala mas baja del multímetro y pruebe su funcionamiento cortocircuitando los terminales de prueba; el resultado esperado al estar los terminales en cortocircuito, es un valor de ≈ 0  y al separar los terminales debe marcar “ l ” ó “ OL “; esto significa, que el circuito esta abierto, o que el valor es mayor que el máximo que indica la escala seleccionada (esta fuera de rango). TÉCNICO EN INGENIERIA ELÉCTRICA

7

ITCA – FEPADE


3- Toque con las puntas del multímetro el elemento a probar y tome la lectura (Fig. 3). Si la lectura indicada fuera “OL ó │” mueva el selector de rango a la escala inmediata superior hasta lograr leer el valor de resistencia.

Fig. 3 b) Si el multímetro es analógico. 1- Conecte los terminales de prueba (el negro en COM y el rojo en ). 2- Seleccione la escala mas baja del multímetro y pruebe su funcionamiento cortocircuitando los terminales de prueba; el resultado esperado al estar los terminales en cortocircuito es un valor de ≈ 0  (ajuste el cero si es necesario) y al separar los terminales debe marcar indeterminado (   ); esto significa, que el circuito esta abierto, o que el valor es mayor que el máximo que indica la escala seleccionada (esta fuera de rango). 3- Toque con las puntas del multímetro el elemento a probar y lea el valor indicado en la escala. Si la aguja no se mueve (o sea que marca como circuito abierto “   ”), mueva el selector de rango a una escala mayor hasta poder leer el valor. Nota: Al mover el selector de rango, se hace necesario verificar el ajuste del cero Ω. TÉCNICO EN INGENIERIA ELÉCTRICA

8

ITCA – FEPADE

1.4


LECTURA DE ESCALAS EN UN INSTRUMENTO DE MEDICIÓN ANALÓGICO. Para leer escalas analógicas homogéneas, se debe determinar en primer lugar, el valor de las divisiones y subdivisiones que ésta tenga. Observe la escala superior de la Fig. 4.

Fig. 4

La escala varía de 0 – 10 unidades y las divisiones primarias están marcadas por cada unidad (aunque la numeración esta de 2 en 2) o sea que las divisiones primarias valen una unidad. Para determinar el valor de las subdivisiones (o divisiones secundarias), como la escala es homogénea, puede tomarse de referencia, cualquiera de dos marcas primarias consecutivas y contar el número de divisiones secundarias (espacios que hay las dos marcas primarias); luego, se divide el valor en unidades de la división primaria, entre el número de divisiones secundarias así: Valor de la división secundaria = Valor de la división primaria N° de div. Secundarias = 1 / 5 Unidades De manera que la división menor de esa escala (o sea en este caso la división secundaria) vale: 0.2 del valor de la unidad de medida que tenga esa escala.


9

ITCA – FEPADE


Para efectuar una lectura en un instrumento análogo, debe haberse hecho previamente este cálculo del valor de cada división y subdivisión que tenga la escala, ejemplo: Efectuar la lectura indicada en la Fig. 5.

Fig. 5 1° Valor en la división primaria: 7 unidades 2° Valor en la división secundaria: 0.4 unidades 3° Fracción estimada: 0.1 unidades Lectura: 7 + 0.4 + 0.1 = 7.5 unidades Nota: La fracción estimada es una apreciación del operador; puede tomarse como criterio que no puede llegar a ser mayor que el valor de la mínima división de la escala, ni menor que la décima parte de la misma. En el caso de este ejemplo se ha estimado la mitad del valor de la mínima división. Ejemplo 2: Efectuar la lectura indicada en la Fig.6 si el selector de rango se ha fijado en X100 Ω

Fig. 6


10

ITCA – FEPADE


Cuando la escala no es homogénea, como en el caso de las escalas de resistencia de los instrumentos analógicos, el proceso es similar, la única diferencia es que se debe determinar el valor de las divisiones en la zona de la escala que se efectuará la lectura. 1° Valor en la división primaria: 3000  Observe que en la zona donde se efectuará la lectura las divisiones primarias varían de 10 en 10 unidades y eso se debe multiplicar por el factor de la escala que en este caso es 100. 2° Valor de la división secundaria: 600  Las divisiones secundarias tienen un valor de 2 unidades y hay tres marcas después del 30, lo que equivale a 6 unidades y eso se debe multiplicar por el factor de la escala que en este caso es 100. 3° Fracción estimada: 100  (la mitad de la división) Lectura: 3700  ó 3.7 K EJERCICIO 1 Utilizando el multímetro y el conjunto de resistencias cementadas proporcionado, mida el valor de cada resistencia. 1.5 CÓDIGO DE COLORES PARA RESISTENCIAS Las resistencias de carbón se encuentran generalmente identificadas por un código de colores que puede ser de 4 ó 5 bandas; para determinar el valor en Ohmios, puede utilizar el método ilustrado a continuación: El primer ejemplo ( Fig. 7) corresponde a una resistencia con un código de 4 bandas (Verde, Azul, Amarillo; Oro), en el cual, las primeras dos bandas representan los primeros dos dígitos del valor de la resistencia 5 (verde) y 6 (azul), la tercera banda representa el factor por el cual se ha de multiplicar a los primeros dos dígitos y que en el ejemplo es 10000 (amarillo) que equivale a 10 K. La letra “K” (Kilo) es un prefijo muy utilizado que equivale a 1000. La cuarta banda representa el rango en % que puede variar el valor en Ohmios. R = 560kΩ + 5%


11

ITCA – FEPADE


Fig. 7 El segundo ejemplo corresponde a una resistencia con código de cinco bandas (Rojo, Naranja, Violeta, Negro, Café) y la forma de determinar su valor es semejante al caso anterior, con la única diferencia de que las tres primeras bandas, representan los tres primeros dígitos del valor de la resistencia, la cuarta banda es en este caso, el factor multiplicador y la quinta banda, representa el rango en % que el valor de “R” puede variar. R= 237Ω + 1% http://www.elexp.com/t_resist.htm 1.6 PRUEBA ESTÁTICA PARA UNA RESISTENCIA. El valor de una resistencia, también puede ser determinado midiéndola con un Multímetro común y a esa medición se conoce como la prueba estática por estar el componente sin formar parte de un circuito eléctrico energizado. TÉCNICO EN INGENIERIA ELÉCTRICA

12

ITCA – FEPADE


El valor de la resistencia medido con un multímetro, puede compararse con el valor especificado por el fabricante para verificar si está dentro del rango de la tolerancia. Una recomendación que puede tomarse como una regla general al momento de efectuar una medición con multímetro, es el hecho de que solo debe tocarse con la mano uno (o ninguno) de los dos terminales del elemento a prueba, ya que si se tocan con las manos los dos terminales, es como si estemos conectando nuestro cuerpo al elemento que se está midiendo, afectando de esa manera la medición y en algunos casos corriendo el riesgo de recibir un choque eléctrico. EJERCICIO 2 Utilizando el multímetro y el conjunto de resistencias proporcionado complete la tabla 1.

Nota: Para llenar la columna correspondiente al “Estado” de la resistencia, utilice el siguiente criterio: 1- Si la diferencia entre el valor medido y el valor del código es menor que el margen de tolerancia en % especificado por el fabricante, anote “Bueno”. 2- Si la diferencia es “ligeramente” mayor que el rango especificado de tolerancia (digamos el doble del porcentaje especificado) anote “Alterado”. 3- Si la diferencia es “considerablemente” mayor (digamos unas 5 – 10 veces) que el rango de tolerancia especificado, anote “Malo”. Colores

Valor según Valor medido Diferencia Estado el código %

Tabla 1


13

ITCA – FEPADE


1.7 CONEXIÓN DE REISTENCIAS EN SERIE

(CIRCUITO SERIE)

Se dice que dos elementos de un circuito están conectados en serie, si una terminal de uno de ellos, se encuentra conectada a una terminal del otro y ese punto de unión entre los dos elementos, no esta conectado a ninguna otra parte del circuito.

En la Figura, puede observarse que los elementos 1, 2, 3 y la fuente, están conectados en serie, ya que cumplen con las condiciones mencionadas.

CARACTERÍSTICAS DE UN CIRCUITO EN SERIE. Son dos los aspectos que se deben recordar para analizar y hacer cálculos de los parámetros eléctricos en un circuito serie: 1° La corriente que pasa por cada uno de los elementos que están conectados en serie es la misma. 2° El voltaje aplicado al conjunto de dichos elementos, se distribuirá en una forma proporcional dependiendo del valor en ohmios de cada elemento. RESISTENCIA EQUIVALENTE EN UN CIRCUITO SERIE. Un conjunto de resistencias conectadas en serie pude ser sustituido por una sola resistencia de un valor equivalente al conjunto como se puede observar en la siguiente figura.


14

ITCA – FEPADE


La resistencia “RE”, es equivalente al conjunto de las tres resistencias R1, R2 y R3 y se calcula así: RE = R1 + R2 + R3 = 4 K

Observe que la corriente “I”, es la misma que pasa por las tres resistencias y será igual a la que pasará por una R equivalente del conjunto. A partir del circuito de la “RE” (Resistencia equivalente), puede ser calculada la corriente “I” (que saldrá de la fuente), aplicando la ley de Ohm, así: I = V / RE = 12 V / 4 k = 3 mA = 0.003 A Para calcular la potencia (watt) que se disipa en un elemento aplique: P = V I Eje.: P1 = V1 I1 = (3 V) (0.003 A) = 6 W 1.8 CONEXIÓN DE RESISTENCIAS EN PARALELO (CIRCUITO PARALELO) Se dice que dos elementos de un circuito están conectados en paralelo, si los dos terminales de uno de ellos están conectados a los dos terminales del otro. (como en la siguiente figura).

En la figura anterior, se ha representado esquemáticamente y de dos maneras diferentes, la conexión de un circuito de tres resistencias conectadas en paralelo con una fuente de 12 V d.c. TÉCNICO EN INGENIERIA ELÉCTRICA

15

ITCA – FEPADE


Observe que a las tres resistencia se esta aplicando el mismo voltaje (el de la fuente de 12 V) y Por lo tanto cada una tomará su propia corriente dependiendo de su valor de resistencia.

CARACTERÍSTICAS DEL CIRCUITO EN PARALELO Al igual que en el caso anterior, este tipo de conexión tiene dos aspectos que hay que tener presente al analizar o hacer cálculos en un circuito con elementos conectados en paralelo: 1° Cuando dos o mas elementos están conectados en paralelo, el voltaje entre sus terminales es el mismo. 2° La corriente que pase por cada elemento dependerá del valor del voltaje aplicado y la resistencia del elemento (la relación entre la resistencia y la corriente es inversa) el elemento con menor resistencia, tomará mas corriente de la fuente. RESISTENCIA EQUIVALENTE EN UNA CONEXIÓN EN PARALELO. En el diagrama anterior, el conjunto de resistencias puede ser sustituido por una resistencia equivalente, que tomaría la misma corriente de la fuente IT, que toma el conjunto de las tres resistencias (I1,I2 é I3). ¿Cómo se determina el valor de esta resistencia equivalente? La expresión matemática general que se utiliza para calcular el valor de un conjunto de “n” resistencias conectadas en paralelo es:

1 / R eq. = 1 / R 1 + 1 / R 2 + 1 / R 3 + ………. + 1 / R n Pero hay una expresión ya simplificada para hacer el cálculo de la resistencia equivalente cuando son solo dos las resistencias conectadas en paralelo:

R eq. = R 1 x R 2 / (R 1 + R 2) ¿Como se hará este cálculo entonces, cuando sean más de dos? TÉCNICO EN INGENIERIA ELÉCTRICA

16

ITCA – FEPADE


Para el caso de este ejemplo, se determina primero la resistencia equivalente de dos de ellas y el resultado (que es la resistencia equivalente a las primeras dos) se combina con la tercera utilizando la misma expresión simplificada para dos. Otro aspecto que ayuda en muchos casos a simplificar los cálculos, es que si hay dos resistencias que sean del mismo valor óhmico, el valor de la resistencia equivalente es la mitad de una de ellas. Como en este ejemplo, R 1 y R3 son del mismo valor (1k), La resistencia equivalente será:

R1-3 = 0.5 k = 500  Nota: Compruébelo utilizando la formula simplificada. La resistencia equivalente de R 1-3 con R2 será:

R(1-3) - 2 = 0.5 (2) / (0.5 + 2) = 0.4 k = 400  Conociendo la resistencia equivalente del conjunto (R 1,R2 y R3), puede calcularse la corriente total I T que saldrá de la fuente, aplicando la ley de Ohm:

IT = V / Req = 12 V / 0.4 k = 30 mA = 0.030 A Así también pueden ser calculadas las corrientes que pasarán por cada resistencia:

I1 = I3 =12 V / 1 k = 12 mA I2 = 12 V / 2k  = 6 mA Para calcular la potencia de un elemento del circuito aplique: P = V I Ej.: La potencia demandada a la fuente será: PS = (12 V) (0.030 A) PS = 0.36 W


17

ITCA – FEPADE


2

EL TRANSFORMADOR

Este es un dispositivo utilizado para cambiar el nivel de tensión (voltaje) ya sea para reducirlo o bien para aumentarlo, dependiendo de la aplicación. Para comprender su funcionamiento, es necesario comprender en primer lugar, en que consiste el fenómeno de la inducción electromagnética. 2.1

INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA Sabemos que cuando una corriente eléctrica circula por un conductor, en su alrededor se forma un campo magnético cuya magnitud y sentido dependen de esta corriente, de manera que si esta corriente es variable, el campo magnético producido, también será variable. Si un conductor eléctrico es colocado dentro de un campo magnético variable, en el conductor se generará un voltaje variable, provocado por la variación del campo magnético y a este fenómeno se le conoce como inducción electromagnética. Para que el fenómeno de la inducción ocurra, se requiere que el campo magnético sea variable, por lo cual se hace uso de la corriente alterna; sin embargo, es de hacer notar el hecho de que una corriente de d.c. pulsante, o sea que varia de valor aunque no cambie de polaridad, también provocará inducción.


18

ITCA – FEPADE

2.2

CARACTERÍSTICAS


DE

CONSTRUCCIÓN

DE

UN

TRANSFORMADOR En la Fig. 8, se ha representado Las partes de un transformador elemental y su símbolo esquemático.

Fig. 8

2.3

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

Cuando un voltaje alterno se aplica a una bobina de un transformador, como el de la Fig. 8, la corriente que circula por la bobina genera un campo magnético que también será alterno.

Imaginemos por un momento que sucedería con el campo si solo se tiene una bobina. En ese instante, se ha formado un imán y las líneas que flujo del campo magnético están saliendo del polo norte y llegando al polo sur del TÉCNICO EN INGENIERIA ELÉCTRICA

19

ITCA – FEPADE

imán a través del aire


(Fig. 9);

al cambiar el sentido de la corriente, el

imán cambiará también el sentido de sus líneas de flujo

a la misma

frecuencia de la corriente. Pero así como la corriente busca el camino que le ofrezca menor resistencia eléctrica, el flujo magnético también buscará el camino más fácil para llegar de un polo a otro y en este caso los materiales ferromagnéticos son los que proporcionan ese camino para el flujo.

Al colocar el embobinado sobre el núcleo de hierro (FIG. 10), el flujo magnético circulará por él para llegar de un polo a otro y al pasar por la bobina secundaria, inducirá en ésta un voltaje.

Fig. 10 TÉCNICO EN INGENIERIA ELÉCTRICA

20

ITCA – FEPADE


Observe que la carga que se conecte al circuito en el voltaje inducido del lado secundario, queda aislada eléctricamente del circuito del lado primario. ¿Cómo puede calcularse este voltaje inducido? 2.4

RELACIÓN DE TRANSFORMACIÓN. Normalmente un transformador como cualquier dispositivo eléctrico, debe traer datos de placa que los proporciona el fabricante y allí se indica cuales son los valores de tensión que corresponden a cada bobinado; sin embargo, existe una expresión que relaciona los voltajes del primario y secundario con el número de vueltas de cada bobinado.

NP / NS = VP / VS Donde: NP: Es el Número de vueltas del bobinado Primario NS: Es el Número de vueltas del bobinado secundario VP: Voltaje del bobinado primario VS: Voltaje del bobinado secundario La relación que guardan los voltaje del primario y secundario de un transformador se conoce como relación de transformación y puede ser expresada de varias formas, para el ejemplo: 120V / 12V 10 : 1


ó

21

ITCA – FEPADE


Un transformador pude ser utilizado tanto para reducir el voltaje como para elevarlo siempre que se respete los niveles de tensión especificados por el fabricante para cada bobinado. El bobinado que se conecta a la alimentación de energía se considera primario y el bobinado donde se conecta la carga es el secundario. El transformador como todo dispositivo donde se lleva a cavo una transformación de la energía, tendrá también una especificación de la potencia máxima que puede manejar y habrá una cantidad de energía que se “pierde” y que en este caso se transforma en calor. 2.5 PRUEBA ESTÁTICA PARA UN TRANSFORMADOR. La prueba estática para un transformador es semejante a la de una resistencia, ya que esta formado por dos o mas bobinas (alambre enrollado) montadas en un mismo núcleo, de manera que la prueba consistirá en utilizar el tester en el modo de medición de resistencia para identificar las bobinas en aquellos terminales que se mida un valor de resistencia. CUIDADO. Siempre que se mide una bobina, en el momento de desconectar el tester, entre los terminales de la bobina, se generará un pulso de voltaje, que dependiendo del valor de la bobina, puede ser peligroso; así que, no olvide que al momento de efectuar la medición, solo debe tocar un terminal (o ninguno) de la bobina y además recuerde también que en el caso del transformador, en las otras bobinas que él tenga, se producirá el fenómeno de la inducción electromagnética, generándose también un pulso de voltaje que depende del valor de cada bobina. TÉCNICO EN INGENIERIA ELÉCTRICA

22

ITCA – FEPADE

3

DIODOS

Los

componentes


electrónicos

son

fabricados

utilizando

materiales

semiconductores. Un diodo esta formado por la unión de dos de estos materiales y es uno de los componentes electrónicos comúnmente utilizados en cualquier circuito; por ello se vuelve indispensable conocer los diferentes tipos, sus características, métodos de prueba, la teoría de su funcionamiento y algunas aplicaciones.

3.1 MATERIALES SEMICONDUCTORES La conductividad eléctrica de un material, depende de la configuración electrónica (el arreglo) de los átomos que lo forman, ya que en el átomo, los electrones se encuentran distribuidos en capas o niveles de energía y son los electrones de la última capa, los que permitirán el flujo de energía eléctrica. Entre menos electrones tenga un átomo en su última capa, más fácil le será a éste permitir el paso de la energía eléctrica ya que en la medida en que la capa (o nivel de energía) tiene mas electrones, estos tienen menos espacio donde moverse y es más difícil sacarlos de ese nivel de energía. Los elementos semiconductores tienen su última capa llena a la mitad lo que permite que puedan conducir en forma parcial. A continuación se presenta un ejemplo de la distribución electrónica de un elemento semiconductor.


23

ITCA – FEPADE


El átomo de Silicio

Fig. 11 En la figura 11 “A” se ha representado al átomo de Silicio mostrando la distribución de todos sus electrones, en la figura 11 “B” se ha representado al mismo átomo pero mostrando únicamente la distribución de los electrones de la última capa. Los niveles de energía, son zonas donde se encuentran distribuidos los electrones alrededor del núcleo del átomo, Cada nivel tiene una cantidad de electrones que puede albergar y los electrones que están en la ultima capa (ó nivel) de cada átomo (electrones de valencia), son los que utiliza éste para unirse con otros átomos y son también los que pueden ser excitados y producirse así una corriente eléctrica.


24

ITCA – FEPADE


Ejemplo de la distribución electrónica de un elemento que es buen conductor eléctrico. El átomo de Cobre.

Fig. 12 En la figura 12, se ha representado la distribución de los electrones que tiene el átomo de Cobre en su última capa. Ejemplo de la distribución electrónica de un elemento que es mal conductor eléctrico.


25

ITCA – FEPADE


En la figura 13, se ha representado la distribución de los electrones que tiene el átomo de Flúor en su última capa.

3.2 MATERIALES TIPO P Y TIPO N Cuando un material esta formado por átomos únicamente de silicio, se dice que esta en estado puro o intrínseco y si en estas condiciones se aplicara un voltaje a través del material, éste tendrá muy poca conductividad eléctrica. En la figura 14, se ha representado la forma en que estarían unidos los átomos del material intrínseco de Silicio. (Las líneas fuera del círculo representan los electrones de la última capa)

MATERIAL INTRINSECO Fig. 14 Si a éste material intrínseco, se le agregan “de alguna manera”, átomos de otro elemento (impurezas) que contenga cinco electrones en su última capa (Arsénico, Antimonio ó Fósforo), la combinación que resulta es un material que tendrá un electrón libre por cada átomo de impureza que se le haya agregado, convirtiéndose en un material de mejor conductividad eléctrica. El material así formado se le conoce como del tipo N. (Fig. 15) TÉCNICO EN INGENIERIA ELÉCTRICA

26

ITCA – FEPADE


MATERIAL TIPO N Fig. 15

Si en lugar de átomos con cinco electrones en su última capa, se agregan impurezas de átomos que tienen tres electrones en su última capa (Galio), el material resultante sería del tipo P generándose un hueco libre (espacio donde puede alojarse un electrón) por cada átomo de impureza agregado. (Fig. 16)

MATERIAL TIPO P Fig. 16


27

ITCA – FEPADE


3.3 CARACTERÍSTICAS DE UN DIODO Un diodo es un dispositivo formado por la unión de dos materiales, uno del tipo P y otro del tipo N. Este dispositivo así formado, tiene características propias que le permiten comportarse en un momento como un buen conductor eléctrico y en otro como un mal conductor eléctrico, dependiendo de la forma en que sea polarizado (conectado). 3.3.1

CONSTRUCCIÓN DE UN DIODO

Casi todos los diodos que se fabrican están formados por dos tipos de silicio

diferentes (tipo “P” Y tipo “N”), unidos entre si. Cuando se efectúa esta unión, los electrones y los huecos inmediatos a la unión se atraen, cruzan la unión y se neutralizan formando una barrera de potencial.

Fig. 17 3.3.2

Silicio tipo P

(BARRERA)

Silicio tipo N

SIMBOLO ESQUEMÁTICO Y APARIENCIA FÍSICA

Fig. 18


28

ITCA – FEPADE

3.3.3


POLARIZACIÓN EN DIRECTA E INVERSA Si al diodo (unión P-N) así formado se la aplica una fuente de voltaje variable (incrementándose desde 0V) y con la polaridad como se indica en la Fig. 19, se dice que éste esta polarizado en directa y se comportará como un material buen conductor de la electricidad. En la medida que el voltaje de polarización en directa aumenta, el voltaje de la barrera de potencial interna disminuye hasta que prácticamente desaparece y en ese momento el diodo permitirá el paso de corriente como un buen conductor eléctrico; el valor de esta corriente será limitado por la resistencia del circuito.

Fig. 19 Si ahora se invierte la polaridad de la fuente de voltaje, se dice que el diodo ha sido polarizado en inversa y la barrera de potencial interna crecerá, impidiendo el paso de corriente. El diodo en estas condiciones se comporta como un material mal conductor de la electricidad, por lo cual, la corriente que fluye (corriente de fuga) será tan pequeña que se considera prácticamente cero. TÉCNICO EN INGENIERIA ELÉCTRICA

29

ITCA – FEPADE

3.3.4


CURVA CARACTERÍSTICA Si se hace variar el voltaje de la fuente partiendo de 0V como se indica en la figura 20 (a), la corriente aumentará hasta llegar al valor

máximo posible en el circuito (limitado por “R”), por estar el diodo polarizado en directa. Si en cambio, el voltaje es aplicado como se indica en la figura 11 (b), o sea polarizando el diodo inversamente, puede decirse que prácticamente no fluirá corriente en el circuito ( únicamente habrá una pequeña corriente de fuga ) y si el voltaje se aumenta demasiado (hasta llegar al voltaje de ruptura), una corriente inversa muy grande podría fluir en el circuito destruyéndose el diodo. La función de la resistencia (R) en este circuito, es la de limitar el valor máximo de la corriente pasando por el diodo para evitar su destrucción cuando éste es polarizado en directa.

Fig. 20

(a)


(b)

30

ITCA – FEPADE


La curva característica de un diodo ( Fig. 21), es la representación grafica de la relación entre el voltaje y la corriente a través del mismo dependiendo de la polarización que se aplique al diodo.

Fig. 21

Observe que el voltaje del diodo en la característica directa es menor de 1V, en cambio el voltaje a través del diodo en la característica inversa puede ser de mas de 100V (dependiendo de las características del diodo) antes de llegar a la ruptura. Observe además que los valores de corriente a través del diodo en la característica directa, se incrementaran considerablemente al llegar el

diodo al valor del “voltaje de umbral” que es un valor que permanecerá aproximadamente constante (0.7 V para un diodo de Silicio y 0.3V para uno de Germanio) cuando el diodo es polarizado en directa; en cambio los valores de corriente en la característica inversa (corriente de fuga), son del orden de los microamperios mientras no se llegue al valor de voltaje inverso de ruptura, el cual causaría una gran corriente inversa que destruiría al diodo.


31

ITCA – FEPADE

3.3.5


CIRCUITO EQUIVALENTE DE UN DIODO IDEAL Si el diodo está polarizado directamente, su circuito equivalente es el de un conmutador cerrado (Fig. 22), pequeña resistencia.

Fig. 22 Con polarización inversa, el circuito representa un conmutador abierto, gran resistencia (Fig. 23).

Fig. 23 LECCIONES DE ELECTRÓNICA 26/03/03 http://www.ifent.org/lecciones/diodo/default.htm


32

ITCA – FEPADE

3.3.6


PRUEBA ESTÁTICA DE UN DIODO Los diodos reales pueden tener una gran variedad de formas, pero siempre tendrán solo dos terminales de conexión (el ánodo y el cátodo), de los cuales generalmente el cátodo puede ser identificado por alguna marca cercana a ese terminal. Si se utiliza un tester digital

en el modo “prueba de diodos” y con la polaridad indicada en la Fig. 24(polarización directa), éste indicará una lectura de voltaje cercano al valor del voltaje de umbral (0.7 V para un diodo común de Silicio en buen estado).

Fig. 24 Si se invierte la polaridad del diodo, el tester deberá indicar una lectura

“ OL “ (fuera de rango, si el diodo esta en buen estado) como indica la figura 25.


33

ITCA – FEPADE


Al utilizarse un tester analógico para la prueba estática de un diodo, tenga presente el hecho de que por lo general la polaridad de las puntas de prueba en las escalas de ohmios, es invertida o sea que la punta roja será el negativo en la prueba y el resultado esperado es un valor de alta resistencia para la polarización en inversa y baja resistencia para la polarización en directa. Si el diodo esta en buen estado deberá haber una relación de 1000 : 1 entre esos valores de resistencia. Los defectos que pueden encontrarse en la prueba de un diodo son: DIODO EN CORTO CIRCUITO

Resistencia

extremadamente

pequeña en ambas direcciones. DIODO EN CIRCUITO ABIERTO

Resistencia muy elevada en ambas direcciones.

DIODO CON FUGAS

La resistencia en inversa es relativamente baja.

Albert Paul Malvino, Principios de Electrónica, Sexta edición, Pag. 77 3.3.7

HOJA DE ESPECIFICACIONES Hay una gran variedad de diodos que poseen características diferentes pero los parámetros más importantes que deben tenerse en cuenta para utilizar un diodo son:

 Corriente máxima promedio (polarización en directa)  Voltaje máximo de reversa (polarización en inversa)


34

ITCA – FEPADE


Sin embargo en una hoja de especificaciones pueden encontrarse estos datos y otros mas que pudieran interesarnos; a continuación encontrará un sitio de donde aparece la hoja de especificaciones para varios diodos. http://www.onsemi.com/pub/Collateral/1N4001-D.PDF Ejercicio: Complete los dataos de la siguiente tabla. diodo I max. directa V rms inverso

3.4

1N4001

1N4004

1N4007

CIRCUITOS RECTIFICADORES Se le llama rectificación al proceso de convertir una señal de corriente alterna en corriente directa y ésta es una necesidad que se presenta en muchas de las aplicaciones en electrónica como es el caso de las fuentes de alimentación de algunos aparatos. Este proceso de rectificación, puede hacerse de diversas maneras como se verá a continuación: Generalmente, el nivel de tensión requerido en la mayoría de circuitos de control, es bajo (12V ó 24V) y la fuente

de

alimentación

disponible normalmente será de 120v/ 240v a.c. de ahí que fuere necesario el empleo de un transformador en la construcción de los circuitos rectificadores. 3.4.1

CIRCUITO RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA Por medio del siguiente circuito se convertirá una señal de corriente alterna de 60 Hz, en una señal de corriente directa. En la fig. 26 se ha representado la forma en que variará el voltaje en cada parte del circuito con respecto al tiempo; Como


35

ITCA – FEPADE


ya sabemos, esta señal de corriente alterna, tiene una frecuencia de 60 Hz, lo cual significa que su polaridad cambiará 60 veces en un segundo, de tal manera que el diodo solo permitirá la circulación de corriente cuando el voltaje de la señal alterna sea positivo en el ánodo. Por esta razón, el voltaje a través de la resistencia variará en una forma pulsante, solo en valores positivos y a la misma frecuencia de la señal original.

Fig. 26 FUNCIONAMIENTO DEL CIRCUITO Como el voltaje de polarización aplicado al diodo esta cambiando de polaridad, el diodo solo permitirá el paso de la corriente cuando el voltaje aplicado sea positivo en el ánodo y cuando la polaridad se invierte, no permitirá el paso de corriente a través de él; por lo cual, la señal de voltaje aplicado a la resistencia de carga “R”, será “recortada” en un semiciclo. RELACIONES VALIDAS PARA UNA SEÑAL A.C. SENOIDAL DE 60 Hz EN UN CIRCUITO RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA. EN LA SEÑAL DE SALIDA DEL CIRCUITO: V rms = Vp / 2 TÉCNICO EN INGENIERIA ELÉCTRICA

Vdc = Vp / 

Idc = Vdc / R 36

ITCA – FEPADE


Donde: Vdc: Se conoce también como VOLTAJE PROMEDIO Idc: Es la corriente promedio. 3.4.2

Vrms: Voltaje efectivo (eficaz)

CIRCUITO RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA CON TAP CENTRAL

Fig. 27 FUNCIONAMIENTO DEL CIRCUITO

Fig. 28 En la Fig. 28, se ha representado el recorrido que tendría la corriente durante el semiciclo en el cual el diodo D1 queda TÉCNICO EN INGENIERIA ELÉCTRICA

37

ITCA – FEPADE


polarizado en directa; como el diodo D2 queda polarizado en inversa (en ese mismo semiciclo) no habrá corriente en esa rama del circuito.

Fig. 29 En la Fig. 29 se ha representado el recorrido de la corriente en el siguiente semiciclo, observe que esta vez, es el diodo D2 el que esta polarizado en directa, mientras que el diodo D1, se encuentra en inversa, de tal manera que la corriente a través de R circulará siempre en el mismo sentido (corriente d.c.)

Note que el funcionamiento de cada rama de este circuito, es semejante al rectificador de media onda visto anteriormente y que al sumarse los efectos de cada semiciclo, se obtiene la rectificación de la onda completa, sin embargo, es de hacer notar que el voltaje pico (Vp) en este circuito, es la mitad del voltaje del devanado secundario del transformador ya que este valor (Vp) esta siendo medido respecto al TAP CENTRAL del devanado secundario del transformador y que la frecuencia de la señal de salida, en este caso será el doble de la de la señal original ya que TÉCNICO EN INGENIERIA ELÉCTRICA

38

ITCA – FEPADE


el período se ha reducido a la mitad, como puede verse en la en la Fig. 27 RELACIONES VALIDAS PARA UNA SEÑAL A.C. SENOIDAL DE 60 Hz EN UN CIRCUITO RECTIFICADOR ONDA COMPLETA. EN LA SEÑAL DE SALIDA DEL CIRCUITO:

Vdc = 2 Vp / Idc = Vdc / R



o bien ;

Vdc = 2 ( 2 Vrms) /

Vp = 2 Vrms ;



Vrms = Vp / 2

EJERCICIO. Si se dispone de un transformador con tap central y las siguientes características: In 120V; Out 12 v / 12v ¿Los datos de voltaje en placa de un dispositivo son valores RMS o valores pico? ¿Cuál será el valor del voltaje de d.c. obtenido al rectificar media onda de la señal? ¿Cuál es el valor de voltaje de d.c. si se rectifica la onda completa? 3.4.3

CIRCUITO RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA PUENTE

CON

Fig. 30


39

ITCA – FEPADE

3.4.3.1


FUNCIONAMIENTO DEL CIRCUITO En el primer semiciclo, los diodos D1 y D2, quedan polarizados en directa mientras que D3 y D4 están en inversa y el recorrido de la corriente será como se indica en la Fig. 31

Fig. 31

En el siguiente semiciclo, la condición de la polaridad en el secundario del transformador se invierte y el recorrido de la corriente será como lo indica la Fig. 32

Fig. 32

De manera que la corriente en RL circulará siempre en el mismo sentido quedando definido el terminal positivo como puede verse en la Fig. 30


40

ITCA – FEPADE


La relación de los voltajes seguirá siendo, las mismas que en el caso anterior.

Vdc = 2 Vp / Idc = Vdc / R



o bien

Vdc = 2 ( 2 Vrms) /



Vp = 2 Vrms

Sin embargo, observe que el voltaje pico es el voltaje del devanado completo del secundario del transformador. 3.4.3.2

PRUEBA ESTÁICA PARA UN PUENTE RECTIFICADOR Un puente rectificador esta formado por cuatro diodos y puede construirse con elementos discretos o bien utilizarse un componente que viene ya integrado. Para realizar la prueba estática de este componente integrado, nos basaremos en su construcción; en las figuras que se muestran a continuación, puede observarse el aspecto físico que tiene un puente típico y su diagrama de conexiones correspondiente.

Fig. 33 a


Fig. 33 b

41

ITCA – FEPADE


Cuando el puente será construido con elementos discretos, se prueba cada diodo independientemente y luego se construye el puente; sin embargo, es muy conveniente probar también también el puente ya armado. En el caso de querer probar un puente integrado, habrá que identificar sus terminales para hacer la prueba al conjunto de diodos ya interconectados y probar también los diodos en forma individual por medio de sus respectivos terminales. EJERCICIO. Utilizando las figuras 33 a y 33 b, escriba en los terminales del puente del diagrama esquemático, los números que les corresponden al puente integrado. Ayuda. Observe las conexiones del circuito de la figura 30. Una vez han sido identificados los terminales del puente, pueden probarse los diodos en forma individual. Además, si se analizan las conexiones del puente, puede verse que si se prueba (de la misma manera que se prueba un diodo) entre los terminales de entrada para la señal alterna (~), el resultado de la medición tanto en una polaridad como en la otra, será como un diodo en inversa (si el puente esta en buen estado) . También, si se mide entre los terminales de salida para el puente ( + y - ), cuando la polaridad del tester sea igual a la del puente, la lectura debe ser como la de un diodo en inversa y cuando la polaridad del tester sea contraria a la del puente, la lectura será de un valor aproximadamente igual al valor de dos veces el voltaje de umbral (1.2 V si el puente esta en buen estado), ya que es como estar midiendo dos diodos en serie. TÉCNICO EN INGENIERIA ELÉCTRICA

42

ITCA – FEPADE

3.4.4


FILTRADO DE UNA SEÑAL RECTIFICADA En muchas aplicaciones se requiere que la señal rectificada sea objetivo, se aprovecha de las características del comportamiento de los capacitores. capacitores. Si a la salida de un rectificador se le conecta un capacitor en paralelo con la carga, éste se cargará al valor del voltaje pico y se descargará a través de la resistencia de carga; este efecto se ha representado por una línea roja en los siguientes sigu ientes gráficos. PARA UN RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA

Fig. 34

Fig. 35 PARA UN RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA


43

ITCA – FEPADE


El valor del voltaje de d.c. de una señal filtrada es prácticamente igual al valor del voltaje pico.

Vdc  Vp Y el voltaje de rizado (Vriz es la fluctuación en el valor del voltaje) que puede verse representado en las figuras 34 y 36, se calcula así:

Vriz = IDC / CF Donde:

IDC: Corriente de la carga en amperios C: Capacitancia en faradios F: Frecuencia de la señal original (sin filtro) en hertz. Entre al sitio de Internet que esta a continuación y observe (desplazando la línea roja con el ratón, en el eje del tiempo) como es el recorrido de la corriente en el circuito, el sentido de la corriente en la carga, en que instantes se da la carga y descarga del capacitor y cual será el valor estimado del voltaje de d.c. a través de la carga. Rectificador en Puente y con filtro capacitivo. Seminario interactivo de electrónica de potencia (iPES) 16/01/12 http://www.ipes.ethz.ch/ipes/Diodenbruecke/sp_B2_3.html

Para calcular el valor de capacitancia y el voltaje máximo del capacitor de filtro se hará basando en los siguientes criterios empíricos:


44

ITCA – FEPADE


1°

1000 F por cada amperio de corriente de carga.

2°

Voltaje máximo del capacitor = 2 Vrms (del voltaje de la señal en el secundario del transformador).

Ejemplo: Para una fuente de 500mA, 12v d.c. el capacitor de filtro será de 470 F (valor comercial más cercano)y el voltaje deberá ser mayor de 17v 3.4.5

CIRCUITOS RECTIFICADORES TRIFÁSICOS

3.4.5.1

RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA TRIFÁSICO

Fig. 37

Si se usa la red de 60Hz en la carga la señal es de 180Hz con un valor medio VLM = 0.827VP Corriente pico en el diodo:

Voltaje inverso en el diodo V DP = 1.5VP


45

ITCA – FEPADE

3.4.5.2


RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA TRIFÁSICO

Fig. 38

El voltaje en la carga es de 360Hz con un valor medio: VLM = 1.654VP Corriente media en el diodo: Voltaje inverso en el diodo V DP = 1.5VP Los voltajes obtenidos en estos rectificadores son casi DC sin necesidad de capacitores y se usan para aplicaciones de alto consumo de corriente como motores DC o Galvanoplastia. UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/ingenieria/2001771/index.html http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/ingenieria/2001771/cap03/03_05_01. html TÉCNICO EN INGENIERIA ELÉCTRICA

46

ITCA – FEPADE

3.5


EL LED (Diodo Emisor de Luz) Este tipo de diodo es utilizado generalmente como indicador por la propiedad que tiene de emitir luz, sin embargo, aunque su funcionamiento es igual al de un diodo común, el LED, tiene un valor bajo de voltaje de polarización inverso que él soporta (máximo que soporta 6-8v) y los valores de corriente máxima que puede soportar también son bajos (20-40mA según el color) por lo que debe tenerse en consideración estos valores al conectarlo en un circuito. Si alguna vez has visto, unas pequeñas luces de diferentes colores que se encienden y apagan, en algún circuito electrónico, sin lugar a dudas has visto los diodo LED en funcionamiento. El LED es un tipo especial de diodo, que trabaja como un diodo común, pero que al ser atravezado por la corriente emite luz. Existen diodos LED es de varios colores y estos dependen del material con el cual fueron construidos. Hay de color rojo, verde, amarillo, ambar, infrarrojo. Debe de escogerse bien la corriente que atraviesa el LED para obterener una buena intensidad luminosa. El LED tiene un voltaje de operación que va de 1.5 V a 2 . 2 Voltios. aproximadamente y la gama de corrientes que debe circular por el va de 10 mA a 20 mA en los diodos de color rojo y de entre 20 mA y 40 mA para los otros LEDs. Tiene enormes ventajas sobre las lámparas indicadoras comunes, como son su bajo consumo de energía, su mantenimiento casi nulo y con una vida aproximada de 100,000 horas.


47

ITCA – FEPADE


Qué Aplicaciones tiene el diodo LED? Se utiliza ampliamente en aplicaciones visuales, como indicadoras de cierta situación específica de funcionamiento. Ejemplos: Se utilizan para desplegar contadores Para indicar la polaridad de una fuente de alimentación de corriente directa. Para indicar la actividad de una fuente de alimentación de corriente alterna.

Símbolo del diodo LED Electrónica Unicrom

20/mayo/2003

http://www.unicrom.com/Tutoriales/diodo_led.asp 3.5.1 CALCULO DE LA RESISTENCIA LIMITADORA DE CORRIENTE PARA UN LED. Para que un LED sirva como indicador, éste debe polarizarse en directa con un voltaje que será siempre mayor de 2v, por lo cual se hace necesario colocar una resistencia en serie con el LED, para limitar la corriente que pasará por el mismo. Para calcular la resistencia limitadora de corriente de un LED, utilice 2V de caída de tensión en el LED y suponga una corriente de 15 mA pasando por él.


48

ITCA – FEPADE


Ejemplo:

Fig.39 Los valores de resistencia que se obtienen por medio de un cálculo teórico generalmente no existen en el mercado y por tal razón se deberá tomar el valor más próximo de las que se fabrican. 3.6 EL DIODO ZENER En los circuitos electrónicos, se utilizan muchos tipos de diodos, entre los que se encontrará el Zener y que puede ser confundido fácilmente con un diodo común por su apariencia física; de ahí la importancia de saber que no basta con identificar físicamente un diodo en un circuito sino que es importante también consultar la hoja de especificaciones para estar seguros de reemplazarlo (si es ese el caso) por uno equivalente. El diodo Zener, es un tipo especial de diodo que tiene la característica de que al ser polarizado en directa, se comportará como un diodo común (permitirá el paso de corriente provocándose en él una caída de tensión de 0.7v), mientras que al ser polarizado en inversa, permitirá el paso de la corriente pero hasta que el voltaje inverso aplicado a él, sea de un valor igual al voltaje Zener del diodo (este es un valor TÉCNICO EN INGENIERIA ELÉCTRICA

49

ITCA – FEPADE


especificado para cada diodo). En la siguiente figura, puede observarse esta característica de diodo Zener de 5.6v.

Fig. 40 Existe una gran variedad de diodos Zener con diferentes valores de voltaje de ruptura inverso (voltaje Zener) y potencia (datos que pueden ser obtenidos por medio de las hojas de especificaciones). Su apariencia física es semejante a la de un diodo común, por lo cual para distinguirlo, será necesario utilizar la hoja de especificaciones. Los diodos Zener tienen varias aplicaciones pero la más utilizada es como reguladores de voltaje (tema que será cubierto en la unidad 5 de este curso) Este tipo de diodo se utiliza generalmente polarizado en inversa, sin embargo no debe olvidarse que al ser polarizado en directa se comportará como un diodo común, también es de hacer notar que mientras el voltaje inverso no llegue al valor del voltaje Zener, el diodo no permitirá el paso de la corriente (solo habrá una pequeña corriente de fuga) y cuando el voltaje inverso llega a ser igual al voltaje Zener, TÉCNICO EN INGENIERIA ELÉCTRICA

50

ITCA – FEPADE


el diodo permitirá el paso libre de la corriente, permaneciendo el voltaje a través de él, aproximadamente constante e igual al valor del voltaje Zener.

Fig. 41 Símbolo del diodo Zener ( A - ánodo K - cátodo) 3.6.1

EL DIODO ZENER COMO REGULADOR DE VOLTAJE Recordemos que el diodo zener tiene la característica de que al ser polarizado en inversa, permitirá el paso de la corriente hasta que el voltaje aplicado sea igual o mayor que el valor del voltaje Zener y es precisamente esta característica la que se aprovecha para construir un regulador de voltaje. En la figura 42, se ha representado el

circuito elemental de un

regulador de voltaje utilizando el diodo Zener. R L , representa la carga del circuito que se desea mantener a un voltaje constante (el voltaje Zener), Rs es la resistencia que limita la corriente para el zener. La fuente de voltaje variable, representa las variaciones de voltaje que podrían haber en el circuito que alimenta a la carga.


51

ITCA – FEPADE

4


EL TRANSISTOR

Este es otro componente que al igual que el diodo es muy utilizado en los circuitos de control y además, también es construido por medio de la unión

de materiales tipo “N” y tipo “P”; en esta unidad se estudiarán dos tipos y particularmente, su operación como interruptores para el manejo de una carga. 4.1 EL TRANSISTOR DE UNIÓN BIPOLAR ( BJT ) Este es un dispositivo de tres terminales que al igual que el diodo es muy utilizado en los circuitos electrónicos en general, como interruptor o como amplificador; las siglas BJT provienen de su nombre en ingles (Bipolar Junction Transistor). El BJT, puede operar en tres estados (regiones de trabajo) dependiendo de la forma en que sea polarizado (conectado); a continuación

se

estudiará

la

construcción,

funcionamiento

y

configuraciones (forma de conectarlo) del BJT para poder analizar circuitos que contengan este componente.

4.1.1 CONSTRUCCION DEL BJT Este es un dispositivo formado a partir de un material semiconductor intrínseco (Silicio), al cual se le forman tres regiones dopadas (contaminadas con impurezas) en forma diferente, como se muestra en la Fig. 43. De cada una de estas regiones, sale un terminal que recibe nombres diferentes.


52

ITCA – FEPADE


Fig. 43 Observe que en este material se han formado dos uniones PN, una entre la base y el colector y otra entre la base y el emisor. Las regiones emisor y colector, están dopadas con el mismo tipo de impurezas siendo en este caso materiales del tipo N pero el emisor tiene mayor cantidad de impurezas que el colector y la región base es un material del tipo P, mas angosta y con pocas impurezas, de tal manera que este tipo de transistor se conocerá como NPN. Existen también los transistores PNP que aunque son menos utilizados, tienen las mismas características de construcción mencionadas anteriormente, con la única diferencia de que el material de las regiones de colector y emisor es del tipo P y el material de la base es del tipo N. La apariencia física de un BJT puede ser muy variada, en la Fig. 44, se muestran algunos ejemplos de ellos.


53

ITCA – FEPADE


¿ Como pueden identificarse los terminales de un transistor bipolar? ¿Cómo podemos saber si es un NPN o un PNP? Una forma sería, recurrir a la hoja de especificaciones, conociendo el código de identificación del componente, pero existe también lo que conoceremos como la prueba estática para un BJT, la cual nos permitirá saber de que tipo de transistor

se trata (NPN o PNP),

identificar los terminales e incluso verificar su estado (bueno o malo) en forma estática (sin conectarlo); sin embargo, algunas veces se hace necesario probar el transistor en forma dinámica (funcionando en un circuito) para estar seguros de su estado.

4.1.2

PRUEBA ESTATICA DEL TRANSISTOR

Para identificar el tipo de transistor y sus terminales, se utiliza el conocimiento de su construcción. 1- Sabiendo que en un transistor hay dos uniones PN y que el terminal de la base es común a ambas (Fig. 43), utilice el tester en modo de prueba de diodos e identifique el terminal de la base. 2- Dependiendo de la polaridad que resultara el terminal de la base, así será el tipo de transistor. Si la base es (+) el transistor es NPN y si la base es (-) será del tipo PNP. 3- Pruebe que el comportamiento de las dos uniones PN (Base –Emisor y Base-colector) sea como el de un diodo. 4- La unión (Base – Emisor), dará un valor mayor que la unión (Base

– Colector) cuando se polarice la unión en directa (debido a la diferencia en el dopado), identificando de esta manera los terminales. TÉCNICO EN INGENIERIA ELÉCTRICA

54

ITCA – FEPADE


5- Si las uniones P N no miden como un diodo, será un indicativo de mal estado del transistor o talvez el componente de tres terminales que se esta midiendo no es un BJT. 6- Al medir entre colector – emisor (con cualquier polaridad), deberá obtenerse una lectura igual a la medición de una unión PN en inversa o bien una lectura de resistencia muy elevada (si utiliza un tester analógico) si el transistor esta en buen estado. 4.1.3

TEORIA DE OPERACIÓN DEL BJT

Existe toda una teoría a nivel atómico y demostraciones matemáticas a cerca del funcionamiento del transistor, pero eso no es ese el objetivo de este curso sino mas bien comprender como se comportará en un circuito bajo ciertas condiciones. Puede decirse que El BJT es un componente que servirá de acople entre dos zonas de un circuito como se puede observar en la figura 45 y podrá estar operando en uno de los tres estados que conoceremos como regiones de trabajo que son: REGION DE CORTE: Cuando el transistor esta en esta región, no permitirá el paso de corriente entre el colector y el emisor (solo habrán corrientes de fuga al igual que en un diodo). REGION ACTIVA: En esta región, la corriente en el colector será proporcional a la corriente de la base. REGION DE SATURACIÓN: Cuando en el colector circula la máxima corriente posible, se dice que el transistor esta saturado. TÉCNICO EN INGENIERIA ELÉCTRICA

55

ITCA – FEPADE


Dependiendo de los cambios que se hagan a la corriente en la malla I del circuito, así será la región en la que se encuentre operando el BJT y este efecto se verá reflejado en la malla II del circuito como un cambio en la corriente.

Fig. 45 Para que un transistor (NPN o PNP) pueda trabajar en las regiones antes mencionadas, debe ser polarizado de tal manera que se cumplan las condiciones siguientes: 1- La unión Base – Emisor debe ser polarizada en directa. 2- El Colector debe tener una polaridad en inversa.


56

ITCA – FEPADE


En la Fig. 45, puede observarse que se cumplen estas condiciones (en cada malla) ya que el transistor es NPN (emisor -, base +, colector - ) y el terminal de la base esta conectado al (+) de Vb, el emisor al (-) y el colector al (+) de Vc. Si el transistor ha sido polarizado cumpliendo las condiciones anteriores, su funcionamiento estará gobernado por la siguiente ecuación: I c =

I b

Si no hay corriente de base, tampoco habrá corriente de colector y se dice que en tal condición, el transistor se encuentra en la región de corte. Si existe una corriente de emisor a base en la malla I (note que se esta utilizando el sentido real de la corriente), los electrones serán atraídos hacia el terminal (+) del colector (por ser Vc mayor que Vb) y una corriente que proviene de Vc, circulará por el colector. Esta corriente de colector, será proporcional a la corriente de la base y se dice que el transistor esta en la región activa. Si se incrementa la corriente de la base en forma indefinida, la corriente de colector llegará al valor máximo posible y en ese caso se dice que el transistor esta en la región de saturación. REPRESENTACIÓN ESQUEMATICA DEL BJT

Fig. 46


57

ITCA – FEPADE


La Fig. 46, muestra el símbolo esquemático que se utiliza en los diagramas de los circuitos, observe que los terminales base y emisor están señalados por una flecha que indica el sentido convencional de la corriente. 4.1.4 EL PAR DARLINGTON En la Fig. 47 se ilustra el par Darlington. Dicho par es una configuración compuesta de dos transistores

en

combinación posee

cascada.

de

algunas

Esta

transistores características

deseables que la hacen más útil que un solo transistor en ciertas aplicaciones.

Por

ejemplo,

el

circuito tiene alta impedancia de entrada, salida

baja y

impedancia

de

ganancia

de

alta

corriente. Una desventaja del par

Figura 47. El par Darlington

Darlington es que la corriente de fuga del primer transistor es amplificada por el segundo. Si los dos transistores se conectan de la manera mostrada en la figura 47, los betas de los dos transistores se multiplican, formando una combinación que parece un solo transistor de alta. EL PAR DARLINGTON 25/JUNIO/03 http://www.angelfire.com/al3/VGhp/darlingt.htm TÉCNICO EN INGENIERIA ELÉCTRICA

58

ITCA – FEPADE

4.1.5


VALORES NOMINALES Y HOJA DE ESPECIFICACIONES Como ya sabemos, el transistor tiene dos uniones PN y estas son sometidas a diferentes condiciones de polarización mientras el transistor esta funcionando, de tal manera que no cualquier transistor soportará cualquier condición de trabajo. Los fabricantes de BJT, someten a éstos a numerosas pruebas para obtener los valores nominales (o promedio) que los transistores puede soportar y así proporcionan la información necesaria (parámetros eléctricos) para poder utilizar el componente que mejor responda a la aplicación particular. Dependiendo del tipo de transistor, así será la cantidad de parámetros que el fabricante pondrá en la hoja de especificaciones; a continuación se definirán algunos de los parámetros más importantes del BJT. V CEO: Voltaje Colector – Emisor (con la base abierta) V CBO: Voltaje colector - Base (con el emisor abierto) V EBO: Voltaje Emisor - Base (con el colector abierto) I C: Corriente de colector continua hfe: Ganancia de corriente ()

T J , T STG: Rango de temperatura de operación y almacenaje. Puede haber muchos parámetros mas en una hoja de especificaciones, pero

dependiendo de la aplicación, así debemos “extraer” la información pertinente de la hoja. Ejercicio. TÉCNICO EN INGENIERIA ELÉCTRICA

59

ITCA – FEPADE


En internet, utilice un buscador y obtenga los valores nominales (definidos anteriormente) para los transistores 2n2222 (ó 123AP) y D313. 4.2 EL MOSFET Es un componente de tres terminales que se denominan:  Compuerta ( G )  Dreno ( D )  Fuente ( S )

Fig. 48 Símbolo esquemático del mosfet del tipo incremental. 4.2.1

EL MOSFET EN CONMUTACIÓN. Los MOSFET se han impuesto a los transistores bipolares, debido a la respuesta en conmutación. De entrada, la frecuencia de conmutación que pueden alcanzar los MOSFET es muy superior debido a su propio diseño interno. Podemos decir que el Mosfet es una buena selección en aplicaciones de voltajes de hasta unos 100 V con altas corrientes y alta velocidad de conmutación como se necesita en la técnica PWM (Modulación de ancho de pulso). Comparado con el transistor BJT, el diseño de circuitos de excitación es mucho mas sencillo ya que solamente es necesario aplicar a la


60

ITCA – FEPADE


compuerta 0 voltios para colocarlo en corte, y 8 voltios para que entre en saturación. Una ventaja mas de los Mosfet es su facilidad de conectarlos en paralelo. Para las aplicaciones de alto voltaje (300 a 1000V.) la mejor opción es utilizar IGBT (transistor de compuerta aislada) que son transistores compuestos de un Mosfet y un Transistor BJT.

Fig. 49 Circuito de conmutación básico de un Mosfet. 5 CIRCUITOS INTEGRADOS Son dispositivos encapsulados que contienen en su interior un conjunto de elementos (diodos, capacitores, resistencias, etc.) interconectados de una manera conveniente para desarrollar diversas funciones. 5.1 EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL (LM 741) Como su mismo nombre lo sugiere, el amplificador operacional es un dispositivo con el cuál pueden realizarse numerosas operaciones como la suma, resta multiplicación, etc., solo que en este caso se está hablando de un voltaje que es aplicado a la entrada de un amplificador operacional y TÉCNICO EN INGENIERIA ELÉCTRICA

61

ITCA – FEPADE


después de realizar alguna operación con él, es trasladado a la salida como un voltaje resultante. 5.1.1

ASPECTO FÍSICO Y CONSTRUCCIÓN El Amp. Op., es un componente que tiene ocho terminales y puede encontrarse en dos tipos de encapsulado, plástico (Fig. 50 A) o metálico (Fig. 50 B).

(A)

(B) Fig. 50

Internamente, un Amp. Op. esta formado por la interconexión de componentes

que

ya

conocemos

(transistores,

capacitores,

resistencias, etc.) como puede verse en el ejemplo del diagrama esquemático de un Amp. Op., de la Fig. 51


62

ITCA – FEPADE


Fig. 51 Obviamente el análisis interno de un Amp. Op. Es sumamente complejo y además como se puede observar en los encapsulados, no se tiene acceso a sus componentes internos sino únicamente a sus terminales externos, de tal manera que el estudio de este componente, se limitará a conocer sus características externas y configuraciones, para poder analizar un circuito o utilizarlo en la construcción de otro. 5.1.2

DISTRIBUCIÓN DE LOS TERMINALES (PINES) Existen otros Amp. Op., pero el LM741 es el más utilizado y siempre debe consultarse la hoja de especificaciones antes de utilizar cualquier componente que así lo requiera.


63

ITCA – FEPADE


Fig. 52 TIPO DE ENCAPSULADO PLASTICO

(VISTA SUPERIOR)

Fig. 53 TIPO DE ENCAPSULADO METALICO

(VISTA SUPERIOR)

En el tipo de encapsulado plástico, el pin N° 1 se identifica por medio de un punto que trae marcado a la par del mismo, algunos componentes que no traen éste punto, traen un saque que indica la posición (ver Fig. 52); Mientras que en el tipo de encapsulado metálico, el pin N° 8 es el que viene señalado por medio de una pestaña saliente (ver Fig.53) pero en ambos casos, debe observarse esta característica


64

ITCA – FEPADE


viendo el componente por encima y es por esa razón que ambas vistas son superiores. 5.1.3

SÍMBOLO ESQUEMÁTICO

Para representar a un Amp. Op. en los diagramas esquemáticos de circuitos electrónicos, se utilizará el símbolo que se muestra en la Fig. 54.

Fig. 54 5.1.4

POLARIZACION DEL AMP. OP. Recordemos que para que un componente electrónico pueda operar debe ser polarizado y en el caso del Amp. Op., la polarización consiste en conectarle los voltaje +V y –V respecto de una referencia que estará a 0V. Observando la Fig. 54, puede verse que este componente deberá utilizar una fuente bipolar para poder conectarle los voltajes +V y –V; sin embargo, puede conectarse también utilizando una sola fuente conectando el terminal –V a la referencia. Si se va a polarizar con una fuente bipolar, el voltaje debe ser menor de 18 V y en el caso de polarizarlo con una fuente sencilla, valor de éste voltaje debe ser menor de 30V. Sin embargo, la recomendación es verificar siempre la hoja de especificaciones.


65

ITCA – FEPADE


Fig. 55 Observe en la Fig. 55, que la polarización son los voltaje +V y –V medidos respecto de la referencia (0V) y que tanto el voltaje de salida (Vout) como los voltajes de entrada (Vin 1 y Vin 2) son medidos también respecto a la misma referencia (0V). Normalmente en la mayoría de los circuitos con Amp. Op., los terminales (1) y (5) no serán utilizados por servir únicamente para corregir el defecto del 0V en el voltaje de salida cuando la aplicación así lo requiere. El terminal (8) no lleva conexión eléctrica y solo sirve para sujeción de modo que de los ocho terminales de conexión, normalmente se utilizarán solo cinco que son:  Dos terminales de entrada  Dos terminales para polarización  Un terminal de salida.

Entre al sitio de Internet que aparece a continuación y obtenga información sobre el significado de las letras que se utilizan en los códigos de los Amp. Op. TÉCNICO EN INGENIERIA ELÉCTRICA

66

ITCA – FEPADE


Las figuras anteriores fueron modificadas tomando como base: TEORIA de CIRCUITOS I – UNPSJB

7 / julio de 2003

http://www.ing.unp.edu.ar/electronica/asignaturas/ee016/tutoriales/ao /desarrollo.htm 5.1.5

CARACTERÍSTICAS DE ENTRADA Y SALIDA Este componente tiene la característica de presentar una alta impedancia a la entrada (Rin) y una baja impedancia a la salida (Rout), sin embargo recordemos que estas impedancias podrán variar dependiendo de la configuración que se haga, pero lo que en este momento interesa, es comprender, que presenta el Amp. Op. a la entrada de las señales y que ofrece él a la salida.

Fig. 56

Modelo del circuito de un Amp. OP.

Un circuito equivalente de un Amp. Op. puede ser el representado en la Fig.56, donde en la entrada diferencial (V2 – V1), hay una resistencia que será normalmente alta (Rin) y la salida puede ser considerada como una fuente de tensión de baja impedancia (Rout) y baja capacidad de corriente (20 mA). El voltaje de salida (Vout), dependerá TÉCNICO EN INGENIERIA ELÉCTRICA

67

ITCA – FEPADE


de la diferencia de los voltajes de entrada, afectado por una ganancia (A). Operational amplifier circuit

7 / julio de 2003

http://translate.google.com/translate?hl=es&sl=en&u=http://webpage s.ursinus.edu/lriley/ref/circuits/node5.html&prev=/search%3Fq%3DLM 741%26start%3D50%26hl%3Des%26lr%3D%26ie%3DUTF8%26sa%3DN 5.1.6 HOJA DE ESPECIFICACIONES Entre al sitio que aparece a continuación, seleccione el LM741 y obtenga la siguiente información:  Voltaje de polarización (voltaje de fuente)  Impedancia de entrada ()  Corriente máxima de salida

Datasheets

09/julio/03

http://translate.google.com/translate?hl=es&sl=en&u=http://www.ele ctronicengineering.ch/radiocontrol/datasheets/datasheets.html&prev=/search %3Fq%3DLM741%26start%3D100%26hl%3Des%26lr%3D%26ie%3D UTF-8%26sa%3DN 5.1.7

CONFIGURACIONES BÁSICAS Después de haber polarizado (conectarle la fuente de voltaje) un Amp.Op. y dependiendo de la operación que se desee realizar con él, así será necesario conectar el resto de sus terminales externos. La


68

ITCA – FEPADE


forma de realizar estas conexiones externas es lo que conoceremos como configuración. Afortunadamente para nosotros, existen ciertas configuraciones básicas del Amp. Op. de las cuales ya se conoce la expresión matemática que relaciona la entrada con la salida del mismo y por lo tanto, solo se necesitará saber escoger la configuración

mas adecuada a cada

aplicación en particular, para resolver la mayoría de las dificultades que se presentan; sin embargo, esto no quiere decir, que no existan aplicaciones en las que se requiera otras configuraciones o combinaciones mucho más complejas, en las que se requerirá un alto nivel de conocimiento y sobre todo mucha experiencia. 5.1.7.1

COMPARADOR

Este circuito hace una comparación de los valores de voltaje de las dos entradas para decidir la polaridad que tendrá el voltaje de saturación en la salida.

Fig. 57 En esta configuración, el voltaje de salida del Amp. Op., será de un valor cercano al valor del voltaje de polarización, se le conoce como voltaje de saturación (Vsat) y es el máximo valor que puede tener a la salida porque el Amp. Op. no puede dar un voltaje mayor al que se le está proporcionando por medio de la fuente de polarización. TÉCNICO EN INGENIERIA ELÉCTRICA

69

ITCA – FEPADE


Este voltaje de saturación puede ser: (+) ó (-), dependiendo de cual de los voltajes de entrada es mayor. Así, en el circuito de la Fig 57: Si Vin 1 es mayor que Vin 2 , entonces Vout  -12V Si Vin 2 es mayor que Vin 1 , entonces Vout  12V Ejemplo: En el circuito de la Fig. 58, la señal de voltaje en la entrada inversora (-) proviene del terminal central del potenciómetro, mientras que la entrada no inversora (+), está conectada a la referencia (0V). ¿Cuál será el valor del voltaje de salida cuando el terminal central del potenciómetro se acerca al punto A? Y ¿Cuál será el valor al acercarse a B?.

Fig. 58

Como la entrada “no inversora” tiene un valor fijo (0V), el voltaje de salida lo definirá el valor de voltaje que halla en la entrada “inversora”.


70

ITCA – FEPADE


Si el terminal central del potenciómetro se desplaza hacia el punto A, tendrá un valor de voltaje (+) (mayor que cero) y por lo tanto el voltaje de salida será Vout  -15 V por ser el voltaje en el terminal de la entrada (-) mayor que el del terminal de la entrada (+). En cambio si el terminal del potenciómetro se desplaza hacia el punto B, tendrá un valor de voltaje (-), siendo entonces mayor el voltaje en la entrada no inversora (0V) con lo cual la salida será: Vout  15 V ¿Cuál es el valor del voltaje en los puntos A y B? (repaso) 5.1.7.2

AMPLIFICADOR INVERSOR

En esta configuración, el voltaje de entrada es amplificado según el

valor de la ganancia “A” e invertido en su polaridad, como se puede ver en la ecuación que relaciona la entrada y la salida.

Fig. 59


71

ITCA – FEPADE


EJEMPLO. SI en el circuito de la Fig. 59, Ri = 20K, Rf = 80k, Vin = 1.5V y los voltajes de polarización son +15V y –15V respectivamente. Calcule el voltaje en la salida. Vout = - (80K / 20K) (1.5V) = - 6V Observe que es este cálculo no interviene el valor del voltaje de polarización, sin embargo, hay que tener presente que éste valor (polarización) debe ser mayor que el valor de voltaje de salida esperado, porque el voltaje de salida de una etapa amplificadora, nuca podrá ser mayor que el voltaje de polarización. Cuando se desea diseñar una etapa de amplificador inversor, a partir de los valores de voltaje de entrada y salida deseados, para calcular la ganancia de voltaje, se tiene que definir el valor de una de las dos resistencias. Un criterio empírico, es escoger el valor Ri igual o mayor de 10 K. 5.1.7.3

AMPLIFICADOR NO INVERSOR

Las características en esta configuración son que el voltaje de salida será de la misma polaridad que el voltaje de la entrada y amplificado según A = 1 + Rf / Ri La forma de conexión y la ecuación que relaciona la entrada con la salida, se representa en la Fig. 60.


72

ITCA – FEPADE


Fig. 60 Generalmente en una etapa amplificadora, lo que interesa saber, es como se modificará el voltaje de entrada a la etapa, cuando salga de la misma y esto se calcula sustituyendo los datos en la ecuación que las relaciona. Si la etapa será diseñada a partir de los voltajes de entrada y salida deseados, se utiliza el mismo criterio mencionado para el caso del amplificador inversor. (Ri  10K)

5.1.7.4

AMPLIFICADOR DIFERENCIAL

Este circuito (Fig. 61), amplifica la diferencia de los voltajes de entrada y la polaridad del voltaje de salida será igual a la de la entrada que tenga el mayor valor de voltaje.


73

ITCA – FEPADE


Fig. 61 5.1.7.5

AMPLIFICADOR SUMADOR

Este circuito es un amplificador inversor, por ser la salida de polaridad contraria a la de la estrada. Como se puede observar en la Fig. 62, hay tres voltajes conectados a la misma entrada (-), de modo que el amplificador tomará cada uno y lo amplificará según su ganancia correspondiente (Rf/Ri), pero en este caso Ri, tomará los valores R1,R2 y R3 respectivamente como se observa en la ecuación.


74

ITCA – FEPADE

5.1.7.6


SEGUIDOR DE VOLTAJE

Aparentemente al observar la ecuación que relaciona la entrada con la salida, no tiene ningún objetivo un circuito para obtener el mismo valor de voltaje de la entrada en la salida; pero esta configuración, que por cierto es la que presenta la mayor impedancia de entrada, se utiliza en algunos casos como un dispositivo de interfase, para acoplar dos elementos que no pueden ser conectados en forma directa, como por ejemplo, cuando la señal de voltaje proviene de un sensor de muy baja capacidad de corriente (una termocupla) y el dispositivo que procesará la señal, demandará una corriente mayor que la capacidad de corriente del sensor.

Fig. 63 Operational amplifier circuit

7 / julio de 2003

http://translate.google.com/translate?hl=es&sl=en&u=http://webpages.ursi nus.edu/lriley/ref/circuits/node5.html&prev=/search%3Fq%3DLM741%26sta rt%3D50%26hl%3Des%26lr%3D%26ie%3DUTF-8%26sa%3DN


75

ITCA – FEPADE


5.2 LM 324 Este es un circuito integrado de 14 pines que contiene en su interior cuatro amplificadores operacionales que son polarizados con la misma fuente para el armado de circuitos que requieren mas de una etapa, pudiendo estar cada una de ellos en diferente configuración.

V (max.) = +18 V

Fig. 64 5.3

LM 339 Es un circuito integrado que al igual que el LM 324 posee cuatro operacionales, pero se utiliza como comparador en aplicaciones especificas de conmutación por conectar a GND, cuando el voltaje de la entrada inversora, es mayor que el voltaje de la entrada no inversora. Cuidado: Las salidas de este integrado No deben ser conectadas directamente a una fuente de tensión, sino a través de una resistencia limitadora de corriente, como se muestra en la Fig. 65 b.


76

ITCA – FEPADE


DIDTRIBUCIÓN DE PINES PARA EL LM 339

Fig. 65 a

Fig. 65 b

Tarea: Investigue el valor máximo de voltaje de polarización para el LM 339

V +(max.) = _______ 5.4

LM 555 Este es un circuito integrado que se utiliza para construir circuitos de control de tiempo y circuitos osciladores. Puede ser polarizado con valores de voltaje inferiores a los 18 V y el voltaje de salida será prácticamente igual al voltaje de polarización. A continuación se presenta la distribución de los pines según el tipo de encapsulado y el diagrama de conexiones para la construcción de un Timer.


77

ITCA – FEPADE

5.4.1


DISTRIBUCIÓN DE LOS PINES

Fig. 67 5.4.2

CONFIGURACIÓN COMO TIMER

Fig. 68 Nota : En este circuito el pin 4 también puede ser conectado a +V a fin de evitar interferencias en el tiempo de duración del período “T”; también puede ser utilizado para terminar “T” antes del tiempo estipulado, conectando momentáneamente ( pin 4) a 0V. TÉCNICO EN INGENIERIA ELÉCTRICA

78

ITCA – FEPADE

5.4.2.1


FUNCIONAMIENTO DEL CIRCUITO

Al dar un pulso (conectando en forma momentánea el terminal 2 a tierra), en el terminal de salida (3) aparecerá el valor de voltaje de polarización y permanecerá activado un tiempo (T) en segundos igual a

1.1 R C, si “R” esta en Ohmios y “C” esta en faradios. Mientras transcurre el tiempo (T), el circuito no responderá a ningún nuevo pulso y la salida permanecerá activada. Después de haber transcurrido el tiempo (T), la salida se desactiva y el circuito queda listo para recibir un nuevo pulso. 5.4.3

CONFIGURACIÓN COMO CIRCUITO OSCILADOR

En un circuito oscilador, la señal de salida cambia de valor en forma cíclica o sea que sus valores se repiten cada cierto tiempo (período) y el número de veces que se repite la oscilación en la unidad de tiempo, es la que conocemos como la frecuencia de la señal. Un circuito con estas características puede ser construido utilizando un IC 555 como puede verse a continuación: Si el 555 se conecta como se indica en la Fig. 69, la señal de salida es una onda cuadrada como se puede observar en el gráfico del voltaje de salida.


79

ITCA – FEPADE


Fig. 69 Como F = 1/T

F = 1.44 / (R 1 + 2 R 2) C

El valor del voltaje promedio (Vdc) en la salida será: V dc = V ( t´) / T La señal de salida en este circuito será oscilante, de manera que la carga que se conecte, permanecerá tiempo (t´) en un valor de voltaje aproximadamente igual al de la fuente de alimentación y un tiempo (t´´) en 0V, por cada ciclo de la señal. La frecuencia de la oscilación puede ser determinada por medio de la expresión: F = 1 / T. Nota: En este circuito, el pin 5 puede ser utilizado para variar el valor de la frecuencia introduciendo una señal de voltaje variable. TÉCNICO EN INGENIERIA ELÉCTRICA

80

ITCA – FEPADE


EJERCICIO. 1- Calcule (T) correspondiente al valor de capacitancia y resistencia proporcionados, verifique el funcionamiento del circuito y calcule el error porcentual de (T). 2- ¿Qué valores deberán tener R y C si se quiere que “T” sea de 2 minutos? Verifíquelo. 5.5 COMPUERTAS LÓGICAS Los circuitos digitales se basan en la condición de dos estados posibles de operación (encendido o apagado)

A la condición apagado se le conoce como “0 lógico” y a la de encendido “1 lógico” Por esta razón trabajan en un sistema de numeración binario, cual consta únicamente de dos dígitos (0 y 1) En un circuito, el “0 lógico” y el “1 lógico”, corresponden a niveles de voltaje que se indican mas adelante. 5.5.1


81

ITCA – FEPADE


La electrónica digital esta basada en el uso de lo que se conoce como circuitos integrados (IC´s); éstos contienen en su interior los componentes

como

diodos,

transistores,

resistores,

etc.

pero

construidos en miniatura, encapsulados e interconectados de tal manera que al ser conectados externamente cumplirán la función descrita por medio de las tablas de verdad. En la Fig. 71 se muestra un IC encapsulado en doble línea (DIP)

Fig. 71 Estos IC´s están características son: 5.5.2

clasificados

por

familia

sus

principales

FAMILIA TTL

Voltaje de polarización 5V

Imax. 20mA

ENTRADA

SALIDA

0 Lógico  0.8V

0 Lógico  0.4V

1 Lógico  2.4V

1 Lógico  2.5V

5.5.3

y

FAMILIA

CMOS

Voltaje de polarización 3-15V

I max. 15mA

ENTRADA

SALIDA

0 Lógico  30% V

0 Lógico  0 voltios

1 Lógico  70% V

1 Lógico  V


82

ITCA – FEPADE

6


TIRISTORES

Son dispositivos de estado sólido que se caracterizan por entrar en

conducción como un “disparo repentino” haciendo actuar una carga. Existen varios dispositivos de este tipo, pero en esta unidad se estudiarán: El DIAC, el UJT, el SCR y el TRIAC

6.1 EL DIAC ( Diode Alternative Current ) Es un dispositivo bidireccional simétrico (sin polaridad) con dos electrodos principales: MT1 y MT2, y ninguno de control. Es un componente electrónico que está preparado para conducir en los dos sentidos de sus terminales, por ello se le denomina bidireccional, siempre que se llegue a su tensión de cebado o de disparo que es de aproximadamente 30 V.

Fig. 72

Símbolo esquemático


y

Estructura del DIAC

83

ITCA – FEPADE


Hasta que la tensión aplicada entre sus extremos supera la tensión de disparo VBO (30 V) ; la intensidad que circula por el componente es muy pequeña (se comporta como un circuito abierto). Al superar dicha tensión la corriente aumenta bruscamente

y disminuye como

consecuencia, la tensión anterior (se comporta como un alambre). Los encapsulados de estos dispositivos suelen ser iguales a los de los diodos de unión o de zener. Se emplea normalmente en circuitos que realizan un control de fase de la corriente del triac, de forma que solo se aplica tensión a la carga durante una fracción de ciclo de la alterna. Estos sistemas se utilizan para el control de iluminación incandescente con intensidad variable, calefacción eléctrica con regulación de temperatura y algunos controles de velocidad de motores. http://www.inele.ufro.cl/bmonteci/semic/applets/pag_diac/diac.htm De Wikipedia, la enciclopedia libre http://es.wikipedia.org/wiki/DIAC 6.1.1

PRUEBA DINÁMICA PARA UN DIAC En el circuito de la Fig. 73, al desplazar el terminal central del

potenciómetro hacia el punto “A”, el voltaje Vo = 0V debido a que el diac esta abierto (no hay corriente a través de la “R” de 100 Ohmios) porque el voltaje aplicado a los terminales del diac es menor que 30 V. Si ahora se desplaza el terminal central del potenciómetro hacia el punto “B”, un voltaje aparecerá en la “R” de 100 Ohmios debido a la corriente que ahora circula por el diac. TÉCNICO EN INGENIERIA ELÉCTRICA

84

ITCA – FEPADE


Nota: invierta el diac, si desea verificar su funcionamiento bilateral.

Fig.73 El circuito anterior, solo se utiliza para probar el funcionamiento de un diac, no es una aplicación típica. 6.2 El UJT (transistor de uni-unión) Es un tipo de transistor compuesto por una barra de silicio tipo N o P en cuyos extremos se tienen los terminales Base 1 (B 1) y Base 2 (B2). En un punto de la barra más próximo a B2 se incrusta un material de tipo P o N dando lugar al terminal de emisor.

Fig. 75 Símbolo de un UJT Cuando se polariza el transistor la barra actúa como un divisor de tensión apareciendo una V EB1 de 0,4 a 0,8v. Al conducir el valor de R B1 se reduce notablemente. Observa el circuito equivalente. TÉCNICO EN INGENIERIA ELÉCTRICA

85

ITCA – FEPADE


Fig. 76

Observando el circuito de polarización de la figura se advierte que al ir aumentando la tensión Vee la unión E-B1 se comporta como un diodo polarizado directamente. Si la tensión Vee es cero, con un valor determinado de Vbb, circulará una corriente entre bases que originará un potencial interno en el cátodo del diodo (V k). Si en este caso aumentamos la tensión Vee y se superan los 0,7v en la unión E-B1 se produce un aumento de la corriente de emisor (I E) y una importante disminución de RB1, por lo tanto un aumento de VBE1. En estas condiciones se dice que el dispositivo se ha activado, pasando por la zona de resistencia negativa hacia la de conducción, alcanzando previamente la VEB1 la tensión de pico (Vp).

Fig. 77


86

ITCA – FEPADE


Para desactivar el transistor hay que reducir I E, hasta que descienda por debajo de la intensidad de valle (Iv).De lo anterior se deduce que la tensión de activación Vp se alcanza antes o después dependiendo del menor o mayor valor que tengamos de tensión entre bases V BB. 6.3 EL SCR (Silice Controlled Rectifier ) El rectificador controlado de silicio, es un tipo de tiristor formado por cuatro capas de material semiconductor con estructura PNPN o bien NPNP. El nombre proviene de la unión de Tiratrón (tyratron) y Transistor.

Fig. 78

Símbolo esquemático y estructura

Un SCR posee tres conexiones: ánodo (A), cátodo (K) y puerta (G). La puerta es la encargada de controlar el paso de corriente entre el ánodo y el cátodo. Funciona básicamente como un diodo rectificador controlado, permitiendo circular la corriente en un solo sentido. Mientras no se aplique ninguna tensión en la puerta del SCR no se inicia la conducción y en el instante en que se aplique dicha tensión, el TÉCNICO EN INGENIERIA ELÉCTRICA

87

ITCA – FEPADE


tiristor comienza a conducir. Una vez arrancado, podemos anular la tensión de puerta y el tiristor continuará conduciendo hasta que la corriente de carga disminuya por debajo de la corriente de mantenimiento. Trabajando en corriente alterna el SCR se desexcita en cada alternancia o semiciclo. Cuando se produce una variación brusca de tensión entre ánodo y cátodo de un tiristor, éste puede dispararse y entrar en conducción aún sin corriente de puerta. Por ello se da como característica la tasa máxima de subida de tensión que permite mantener bloqueado el SCR. Este efecto se produce debido al condensador parásito existente entre la puerta y el ánodo. Los SCR se utilizan en aplicaciones de electrónica de potencia y de control. Podríamos decir que un SCR funciona como un interruptor electrónico. http://es.wikipedia.org/wiki/SCR CIRCUITO TÍPICO PARA PRUEBA DINÁMICA DE UN SCR DE MEDIANA POTENCIA

Fig. 79 ENCAPSULADOS Como en cualquier tipo de semiconductor su apariencia externa se debe a la potencia que será capaz de disipar. En el caso de los TÉCNICO EN INGENIERIA ELÉCTRICA

88

ITCA – FEPADE


tiristores los encapsulados que se utilizan en su fabricación es diverso, aquí aparecen los más importantes.

T0 200AB

TO 200AC

d2pak

TO 209AE (TO 118)

TO 208AD (TO 83)

TO 247AC

TO 220AB

TO 208AC (TO 65)

TO 209 AB (TO 93)

6.4

EL TRIAC

Un TRIAC o Triodo para Corriente Alterna es un dispositivo semiconductor, de la familia de los transistores. La diferencia con un tiristor convencional es que éste es unidireccional y el TRIAC es bidireccional. De forma coloquial podría decirse que el TRIAC es un interruptor capaz de conmutar la corriente alterna. Su estructura interna se asemeja en cierto modo a la disposición que formarían dos SCR en antiparalelo. Posee tres electrodos: A1, A2 (en este caso pierden la denominación de ánodo y cátodo) y puerta. El disparo del TRIAC se realiza aplicando una corriente al electrodo puerta.


89

ITCA – FEPADE


Fig. 80 Construcción del TRIAC. Aplicaciones más comunes Su versatilidad lo hace ideal para el control de corrientes alternas. Una de ellas es su utilización como interruptor estático ofreciendo muchas ventajas sobre los interruptores mecánicos convencionales y los relés. Funciona como switch electrónico y también a pila. Se utilizan TRIACs de baja potencia en muchas aplicaciones como atenuadores de luz, controles de velocidad para motores eléctricos, y en los sistemas de control computarizado de muchos elementos caseros. No obstante, cuando se utiliza con cargas inductivas como motores eléctricos, se deben tomar las precauciones necesarias para asegurarse que el TRIAC se apaga correctamente al final de cada semiciclo de la onda de Corriente alterna. http://www.unicrom.com/Tut_transistor_ujt.asp


90

ITCA – FEPADE


PRUEBA PARA TRIAC

En este circuito al dar un pulso deberá encender el foco, independiente de la polaridad de la fuente.

7

SENSORES

Estos elementos son por lo general dispositivos de baja capacidad de potencia que se utilizan para obtener una señal que pueda ser analizada por el circuito de control; existe una gran variedad de sensores para cada tipo de TÉCNICO EN INGENIERIA ELÉCTRICA

91

ITCA – FEPADE


proceso de control (temperatura, presión luz, etc.), pero en cada caso habrá características propias al tipo de sensor que son las que hay que conocer para poder probarlo o sustituirlo. 7.1

EL OPTO INTERRUPTOR

Este es un componente que viene encapsulado de modo que la señal es provocada por la interrupción de un haz de radiación infrarroja, contiene en su interior un LED infrarrojo y un fototransistor como se muestra en la Fig. 82

Fig. 82 El funcionamiento si el dispositivo esta polarizado en forma correcta debe ser tal que: Al estar destapado el fototransistor recibe la radiación que emite el LED y por lo tanto se satura, la resistencia entre colector – emisor es baja y conduce como un alambre. Al tapar el LED, el transistor ya no recibe radiación y entonces se pone en corte, por lo tanto la resistencia colector – emisor es muy alta y se comporta como un circuito abierto. Para poder probar cualquier tipo de sensor el proceso general es el mismo: 1° Se debe conocer las características del sensor ( de partes esta compuesto y como funciona ) 2° Se debe probar en forma estática y en forma dinámica (de acuerdo al tipo de sensor) TÉCNICO EN INGENIERIA ELÉCTRICA

92

ITCA – FEPADE


7.1.1 PRUEBA PARA UN OPTO INTERRUPTOR 1.

Identifique los terminales del LED infrarrojo del opto interruptor utilizando el tester en el modo de prueba de diodos.

2. Los terminales sobrantes deben corresponder al colector y emisor

del fototransistor y la lectura del tester debe indicar “ABIERTO” en ambas direcciones. 3. Sabiendo que la corriente adecuada para un LED infrarrojo oscila de 20 -40 mA, y que la caída de tensión a través del mismo es de aproximadamente 1.0 V, calcule la resistencia limitadora de corriente en el circuito que se muestra a continuación si V = 12 V:

Fig. 83 4. Arme el circuito de la Fig. 83 y mida la resistencia C-E del fototransistor,

tapando y destapando (con un cuerpo opaco) el

espacio que existe entre el LED infrarrojo y el fototransistor, debe de respetar la polaridad indicada en el ohmetro (Colector +). R (con el LED tapado) =

__Valor relativamente alto______

R (con el LED destapado) = _Valor relativamente bajo_______ Nota: Cuando no se respeta la polaridad del ohmetro, la lectura de éste puede ser inestable. TÉCNICO EN INGENIERIA ELÉCTRICA

93

ITCA – FEPADE


Ejemplo de una aplicación:

Fig. 84 En el circuito de la Fig. 84, todos los transistores están trabajando como un interruptor (pasan de corte a saturación). Si el Led infrarrojo no esta obstruido por el cuerpo opaco (como esta indicando en la Fig. 84), el fototransistor esta saturado por que recibe la señal de radiación en su base y por lo tanto se comporta como si existiera un alambre entre sus terminales colector – emisor; de manera que no habría corriente hacia la base del 2n2222 que esta conectado como par Darlington con el D313 y el rele permanece con su contacto abierto porque el D313 esta en corte; Entonces, el foco estaría apagado. ¿Qué sucederá en el circuito al bajar el cuerpo opaco como se indica por la flecha? Subraye. El fototransistor esta en:

Corte

ó

Saturación

El 2n2222 esta en:

Corte

ó

Saturación

El D313 esta en :

Corte

ó

Saturación

El contacto del Rele esta:

Cerrado ó Abierto

El LED esta emitiendo radiación:

SI ó NO

El foco esta:

Apagado ó Encendido


94

ITCA – FEPADE


7.2 LA LDR (Light dependent Resistor). El LDR es una resistencia que varía su valor óhmico dependiendo de la cantidad de luz que recibe.

Fig. 85 Los valores de una fotorresistencia cuando está totalmente iluminada y cuando está totalmente a oscuras varía, pero no pasa de 1K (1000 Ohms) en iluminación total y no es menor a 50K (50,000 Ohms) cuando está a oscuras. El valor de la fotorresistencia (en Ohmios) no varía de forma instantánea cuando se pasa de luz a oscuridad o al contrario, y el tiempo que se dura en este proceso no siempre es igual si se pasa de oscuro a iluminado o si se pasa de iluminado a oscuro.

Esto hace que el LDR no se pueda utilizar en muchas aplicaciones, especialmente aquellas que necesitan de mucha exactitud en cuanto a tiempo para cambiar de estado (oscuridad a iluminación o iluminación a oscuridad) y a exactitud de los valores de la fotorresistencia al estar en los mismos estados anteriores. TÉCNICO EN INGENIERIA ELÉCTRICA

95

ITCA – FEPADE


Pero hay muchas muchas aplicaciones en las que una fotorresistencia es muy útil. En casos en que la exactitud de los cambios no es importante como en los circuitos: Luz nocturna de encendido automático, que utiliza una fotorresistencia para activar una o más luces al llegar la noche. ¿Cómo puede probar una LDR en forma estática? _________________________________________________________ __________________________________ _______________________ _________________________________________________________ __________________________________ _______________________ 7.3

INTERRUPTORES MAGNETICOS

Este es un tipo de elemento que utiliza el campo magnético para su funcionamiento, entre los cuales podemos mencionar el relé; sin embargo, en el caso de los elementos elementos utilizados como sensores, existe un tipo conocido como reed relé o reed switch.

Fig. 86 Relé Reed ¿Cómo puede probarse este elemento? _________________________________________________________ __________________________________ _______________________ _________________________________________________________ __________________________________ _______________________


96

ITCA – FEPADE

7.4


LA RTD (DETECTOR DE TEMPERATURA RESISTIVO)

Estos son elementos que varían su valor de resistencia en Ohmios debido al cambio de temperatura que experimenten y puede haber de varios tipos: Metálicos: Están construidos de un alambre delgado (Níquel ó Platino) y se les conoce como RTD (Detector de temperatura resistivo). Entre los más utilizados esta el PTC ó PT100 que es de Platino y tiene una resistencia de 100  a 0ºC. El rango de utilización es de –50ºC a 500 ºC. Estos elementos metálicos, tienen la característica de aumentar su resistencia con el aumento de temperatura. Semiconductores (Termistores): Estos tienen la característica de disminuir su resistencia con el aumento de la temperatura y se lesconoce como NTC (coeficiente de temperatura negativo); aunque en este tipo, existen también algunos que aumentan su resistencia con el aumento de temperatura y se les conoce como de coeficiente positivo, que en siglas se les llama también PTC (coeficiente de temperatura positivo) y no deben ser confundidos con los metálicos. El rango de utilización utilización de los los termistoreses de -50º a 100ºC. ¿Cómo probarlos? Los metálicos: _________________________________________________________ __________________________________ _______________________ _________________________________________________________ __________________________________ _______________________ Los semiconductores: _________________________________________________________ __________________________________ _______________________ _________________________________________________________ ____________________________ _____________________________


97

ITCA – FEPADE

8


CIRCUITOS DE CONTROL ELECTRÓNICO

Para construir un circuito de control, se requiere conocer las condiciones del problema y las características de funcionamiento de los elementos discretos que se podrían utilizar para resolverlo. Existen circuitos típicos para la solución de problemas comunes que se conocen y puede también utilizarse combinaciones de estos para resolver situaciones particulares. A continuación se presentan algunos de los circuitos ya conocidos para el control en diferentes aplicaciones.

8.1 CRITERIOS PARA LA SELECCIÓN DE COMPONENTES La selección de los componentes para un circuito de control se basa en las condiciones que se deben cumplir para dar solución al problema planteado y en el conocimiento de las características y principios de funcionamiento de los diferentes componentes eléctricos, y electrónicos que pueden ser útiles para una aplicación particular.

EJEMPLO: 8.1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Se desea construir una fuente de voltaje regulada ajustable ( 15v; 1 A) con limitación de corriente (auto protegida).


98

ITCA – FEPADE

8.1.2


BUSQUEDA DE ALTERNATIVAS El diseño del circuito pude ser creado a partir de las condiciones o buscar uno ya existente y adaptarlo.

8.1.3

CIRCUITO SELECCIONADO (CASO DE UNA ADAPTACIÓN) FUENTE REGULADA AJUSTABLE CON LIMITACIÓN DE CORRIENTE AJUSTABLE

Fig. 87 8.1.4

ANÁLISIS DEL FUNCIONAMIENTO DEL CIRCUITO Para poder utilizar un circuito prediseñado por otra persona y adaptarlo a las necesidades particulares, se debe en primer lugar estudiar hasta comprender a cabalidad como funciona.

El voltaje “Va” a la salida del puente es filtrado por C1 y aplicado a la etapa de regulación. El diodo zener D5, fijará el voltaje aplicado a los extremos de R4 y lo estabilizará ante pequeñas variaciones en el voltaje de alimentación del transformador.


99

ITCA – FEPADE


Por medio de R4 se ajusta el valor deseado de voltaje “Vo” en la salida de la fuente. Vo será igual al voltaje ajustado en la base de Q2 menos la caída de tensón en las uniones base – emisor de Q2 y Q3.(según ley de tensiones de Kirchhoff aplicada a esa malla)

Al conectar una carga, el voltaje “Vo” permanecerá aproximadamente constante debido a que el transistor Q3 (que está trabajando en la región activa) ajustará su voltaje “Vce” de modo que: Vo = Va - Vce. El par Darlington (formado por los transistores Q2 y Q3) permite que mientras la corriente que pasa por Q3 y la carga es “grande”, la corriente que toma la base de Q2 sea “muy pequeña”. La corriente que circula por la carga al regresar a la fuente, pasa por R2 provocando una caída de tensión que es igual a IL x R2 ; este voltaje queda aplicado a R3 y dependiendo del ajuste Que ésta (R3) tenga, así será el valor de la corriente que fluya a tierra a través del transistor Q1. Al aumentar la corriente en la carga, también aumenta el voltaje en R2 (que es el mismo aplicado a R3) y al llegar al valor previamente calibrado en R3, Q1 se satura provocando que en R4, el voltaje caiga a 0V con lo cual Vo = 0V limitando de esta manera la corriente máxima entregada por la fuente. Para calibrar R3, ajuste (por medio de R4) el voltaje de salida Vo, conecte una carga que demande la corriente que se quiere limitar y


100

ITCA – FEPADE


ajuste R3 al punto en que el voltaje de salida cambie del valor Vo que se ajusto, a 0V.

8.1.5

DESCRICION DE LA FUNCION DE SUS COMPONENTES

 Transformador reductor de voltaje V1 (120V) / V2 para reducir el        

 

voltaje de alimentación al valor “V2” deseado. Puente rectificador formado por D1, D2, D3, D4 para convertir la señal de a.c. en una señal de d.c. Capacitor C1 para el filtrar la señal rectificada (reducir el rizado) R1 Resistencia limitadora de corriente para el diodo zener D5 R2 Resistencia utilizada para el monitoreo de la corriente en la carga R3 Potenciómetro para la calibración del límite de corriente de la fuente R4 Potenciómetro Para el ajuste del voltaje de salida “Vo” de la fuente Q1 Transistor para poner a 0V la salida de la fuente al ser sobrepasado el valor de corriente máxima ajustado. Q2 y Q3 forman un par Darlington; mientras Q3 maneja la corriente “grande” de la carga, Q2 ayuda a que la corriente que llega a su base a través de R4 sea “ muy pequeña”. D5 es un diodo zener que permite estabilizar el voltaje ajustado por medio de R4 D6 es un diodo de propósitos generales que protege a la fuente de voltajes de polaridad contraria generados por cargas inductivas

8.1.6

COMO ESPECIFICAR CADA COMPONENTE DEL CIRCUITO CRITERIOS DE DISEÑO 1° Defina el voltaje máximo que se desea regular.


101

ITCA – FEPADE


2° Defina la capacidad de corriente que se desea que tenga la fuente. 3° Determine las características del transformador. a) El voltaje (dato de placa Vrms) en el devanado secundario del transformador ( V2 ) debe ser tal que: V2 = Va / 2 Pero Va = Vo

(Vrms = Vp / 2) (Max.) +

1.4V + (voltaje agregado)

El voltaje agregado ( 3V) que es un margen que necesita el circuito (por las caídas de tensión en diferentes elementos) para poder regular el valor máximo. El valor de 1.4V se agrega para compensar la caída de tensión en las uniones base – emisor de Q2 y Q3. b) La capacidad de corriente (dato de placa) debe ser entre 1.5 y 2 veces mayor que el valor de la capacidad de corriente deseada en la fuente. 4° Los diodos del puente rectificador deben tener una capacidad de corriente nominal entre 1.5 y 2 veces mayor que el valor de la capacidad de corriente deseada en la fuente y el voltaje de polarización inversa debe ser mayor (al menos un 20%) que Va.


102

ITCA – FEPADE


5° La capacitancia del capacitor C1 debe ser determinada multiplicando la capacidad de corriente deseada en AMPERIOS por

1000 y el

resultado se obtiene en f . El voltaje nominal del capacitor debe ser mayor que el valor V2 del transformador (el doble o más)

6° El transistor Q3 debe tener una capacidad de corriente nominal de al menos 3 a 5 Veces mayor que el valor de la capacidad de corriente deseada en la fuente y montarse con un disipador de calor de

“dimensiones apropiadas” por ser el elemento que manejará la corriente de la carga. El  (20 - 100) en este caso no es crítico por que será aumentado por medio de Q2. 7° Q2 puede ser de baja capacidad de corriente (500 mA) porque servirá para proporcionar la corriente de base a Q3 y el  puede tener un valor entre 80 y 150 de manera que el par Darlington tenga una ganancia relativamente alta. 8° Otro dato que debe ser verificado para todos los transistores es el voltaje máximo que soportan entre colector – emisor, éste valor debe ser superior al voltaje de operación del circuito. 9° El diodo zener D5 debe escogerse de un valor de voltaje menor que Va pero mayor que Vo + 1.4V. Para calcular su potencia y el valor de la resistencia limitadora de corriente R1, considere el criterio de que la corriente en el zener sea el 10% de la corriente de su carga (la carga para el zener es R4).


103

ITCA – FEPADE


El valor de potencia nominal del zener debe ser de 2 a 3 veces mayor que la potencia calculada. 10° La potencia nominal de las resistencias debe ser de al menos 2 a 3 veces mayor que el valor de potencia máxima que se estará disipando en ellas durante el funcionamiento del circuito. 11° El valor de los potenciómetros se escoge en base al nivel de tensión aplicado a sus extremos y la corriente que se desea que circule por él, la cual por lo general será de un valor bajo ( de 0.5 mA a 2 mA según la aplicación) 12° La resistencia R2 que esta siendo utilizada como sensor de corriente, debe tener un valor bajo (0.5 a 1 ) para evitar demasiada

caída de la tensión “Va”, pero su valor de potencia nominal, será relativamente alto (2 a 3 veces el valor de potencia que se este disipando en ella cuando circula la corriente máxima de diseño). 13° El transistor Q1 puede tener un  de valor entre 50 – 150 pero eso dependerá de la aplicación. 14° Por lo general será necesario armar el circuito y probar el funcionamiento para determinar que componentes cambiar para que funcione o que trabaje mejor.


104

ITCA – FEPADE


APÉNDICE TEORÍA DEL ERROR APLICADA AL ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS EN LAS PRÁCTICAS DE LABORATORIO En toda medición que se realiza existe un error que no puede ser eliminado totalmente, solo puede reducirse mejorando la calidad de los instrumentos, la técnica empleada y las condiciones de la medición. En otras palabras, existe error en las mediciones debido a diversas causas (instrumentales, personales, ambientales, etc.) que al no poder ser eliminado, se hace necesario establecer un límite aceptable como error en una medición. Para analizar el resultado en una práctica de laboratorio o un ensayo en el campo laboral, se tiene que tener un valor esperado o dato conocido respecto al cual se debe comparar el resultado obtenido. CRITERIO PARA ESTABLECER EL LÍMITE ACEPTADO COMO “ERROR DE MEDICIÓN” Considerando la precisión de los instrumentos genéricos utilizados en los laboratorios, se tomará: Un error % menor del 5% Un error % entre 5% y 10%

Resultado excelente Resultado aceptable

Un error mayor del 10%

Resultado NO es aceptable como “error de medición”.

En el caso que resultara un valor del error mayor del 10%, se dice que hay una “equivocación” y ésta puede deberse a otras causas por lo que ya no sería considerada como “error de medición” sino un error en el procedimiento y habrá que investigar dichas causas para apoyar la conclusión o corregir la equivocación que se haya cometido. CÁLCULO DEL ERROR PORCENTUAL POR DIFERENCIA | Vref. - Vm | x 100 (%) ERROR (%) = ________________ Vref. Donde:

Vref . : Es el valor tomado como referencia (valor esperado o valor más probable) Vm : Es el valor medido, que se obtuvo en el ensayo.


105

ITCA – FEPADE

CONSTRUCCIÓN DE CIRCUITOS DE CONTROL ELECTRÓNICO DE POTENCIA ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA ESPECIALIDAD: TÉCNICO EN INGENIERÍA ELÉCTRICA ÁREA TÉCNICA: CONSTRUCCIÓN DE CIRCUITOS DE CONTROL ELECTRÓNICO ESTANDARIZACIÓN DE PROCEDIMIENTOS

CÓDIGO: CCCE – 01

TÍTULO: MONTAJE DE COMPONENTES EN BREADBOAR

PROCEDIMIENTO ESTABLECIDO:

1- UTILIZAR EQUIPO DE PROTECCIÓN PERSONAL: A) LENTES DE SEGURIDAD B) GUANTES DE GOMA, BRAZALETE ANTIESTÁTICO U OTRO TIPO DE GUANTE SEG ÚN EL CASO (SI APLICA) C) GABACHA 2- SEGUIR LAS RECOMENDACIONES DEL FABRICANTE (SI APLICA). 3- LIMPIAR LOS TERMINALES DEL COMPONENTE UTILIZANDO UNA LIJA # 400, BORRADOR DE TINTA ÁSPERO O RASPÁNDOLOS SUAVEMENTE CON UNA CUCHILLA. 4- UTILIZAR UNA PINZA PARA DOBLAR CUIDADOSAMENTE LOS TERMINALES DEL COMPONENTE DE MANERA QUE POSEAN UNA LONGITUD DE 2 Ó 3 CM. Y PERMITIR LA CONEXIÓN A DIFERENTES PUNTOS DE LA BREDBOARD. 5- SI LOS TERMINALES DEL COMPONENTE SON CORTOS (EJ: TRANSISTOR DE BAJA POTENCIA.), SE DEBE EVITAR HACER DOBLECES, ACOMODANDO EL COMPONENTE A LA DISTANCIA DE LOS AGUJEROS EN LA BREADBOARD. 6- SI LOS TERMINALES DEL COMPONENTE ESTÁN SOLDADOS CON ALAMBRES DE EXTENSIÓN, SE DEBE EVITAR ESTAR DOBLANDO O MOVIENDO LOS ALAMBRES; ADEMÁS, DE UTILIZAR UNA PINZA PARA REALIZAR LA CONEXIÓN EN LA BREADBOARD. 7- PREPARAR TODOS LOS COMPONENTES (LIMPIEZA Y DOBLADO), ANTES DE INICIAR EL ARMADO EN LA BREADBOARD. 8- COMPRUEBE EL BUEN ESTADO DE CADA COMPONENTE EN FORMA ESTÁTICA O DINÁMICA (SEGÚN EL CASO) ANTES DE ARMAR EL CIRCUITO COMPLETO

.

9- DISTRIBUYA LOS COMPONENTES EN LA BREADBOARD DE MANERA ORDENADA, SIGUIENDO LAS CONEXIONES INDICADAS EN EL DIAGRAMA Y UTILIZANDO PREFERENTEMENTE LOS BUSES (FILAS HORIZONTALES DE PUNTOS DE CONEXIÓN ) DE LOS BORDES DE LA BREADBOARD PARA LA CONEXIÓN DE LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN DEL CIRCUITO.


106

ITCA – FEPADE


Circuitos sugeridos para el montaje en breadboard . 1–

2 - Circuito de control de potencia (de la Intensidad luminosa de un foco).


107

ITCA – FEPADE


3- Alarma con sensor de movimiento movimiento.

4- Timer

on delay - off delay

Se requiere fuente de acuerdo a la tensión del relé.


108

ITCA – FEPADE


5 – Fuente de d.c regulada .

6- Probador electrónico para detonador de pólvora (fuegos artificiales)


109

ITCA – FEPADE


7- Puente “H” para invertir el giro a un motor d.c.

8-


110

ITCA – FEPADE


Grado de protección IP El Grado de protección IP hace referencia al estándar internacional IEC 60529 Degrees of Protection1 utilizado con mucha frecuencia en los datos técnicos de equipamiento eléctrico o electrónico, en general de uso industrial como sensores, medidores, controladores, etc. Especifica un efectivo sistema para clasificar los diferentes grados de protección aportados a los mismos por los contenedores que resguardan los componentes que constituyen el equipo. Nomenclatura estándar IEC 60529

Primer dígito (IP*X) El estándar IEC 60529 establece para el primer dígito que el equipo a ser certificado debe cumplir con alguna de las siguientes condiciones. Nivel 0 1 2 3 4 5 6

Tamaño del Efectivo contra objeto entrante — Sin protección El elemento que debe utilizarse para la prueba (esfera de 50 mm <50 mm de diámetro) no debe llegar a entrar por completo. El elemento que debe utilizarse para la prueba (esfera de 12,5 mm <12.5 mm de diámetro) no debe llegar a entrar por completo. El elemento que debe utilizarse para la prueba (esfera de 2,5 mm <2.5 mm de diámetro) no debe entrar en lo más mínimo. El elemento que debe utilizarse para la prueba (esfera de 1 mm de <1 mm diámetro) no debe entrar en lo más mínimo. La entrada de polvo no puede evitarse, pero el mismo no debe Protección contra entrar en una cantidad tal que interfiera con el correcto polvo funcionamiento del equipamiento. Protección fuerte El polvo no debe entrar bajo ninguna circunstancia contra polvo


111

ITCA – FEPADE


Segundo dígito (IPX*) Nivel

Protección frente a

Método de prueba

0

Sin protección. Ninguno

1

Goteo de agua Se coloca el equipamiento en su lugar de trabajo habitual.

2

Goteo de agua

Se coloca el equipamiento en su lugar de trabajo habitual.

3

Agua nebulizada. (spray)


4

Chorros de agua


5

Chorros de agua.


6

Chorros muy potentes de agua.


7

Inmersión completa en agua.

8

Inmersión completa y continua en agua.

Resultados El agua entrará en el equipamiento en poco tiempo. No debe entrar el agua cuando se la deja caer, desde 200 mm de altura respecto del equipo, durante 10 minutos (a razón de 35 mm³ por minuto) No debe entrar el agua cuando de la deja caer, durante 10 minutos (a razón de 35 mm³ por minuto). Dicha prueba se realizará cuatro veces a razón de una por cada giro de 15° tanto en sentido vertical como horizontal, partiendo cada vez de la posición normal de trabajo. No debe entrar el agua nebulizada en un ángulo de hasta 60° a derecha e izquierda de la vertical a un promedio de 11 litros por minuto y a una presión de 80-100kN/m² durante un tiempo que no sea menor a 5 minutos. No debe entrar el agua arrojada desde cualquier ángulo a un promedio de 10 litros por minuto y a una presión de 80-100kN/m² durante un tiempo que no sea menor a 5 minutos. No debe entrar el agua arrojada a chorro (desde cualquier ángulo) por medio de una boquilla de 6,3 mm de diámetro, a un promedio de 12,5 litros por minuto y a una presión de 30kN/m² durante un tiempo que no sea menor a 3 minutos y a una distancia no menor de 3 metros. No debe entrar el agua arrojada a chorros (desde cualquier ángulo) por medio de una boquilla de 12,5 mm de diámetro, a un promedio de 100 litros por minuto y a una presión de 100kN/m² durante no menos de 3 minutos y a una distancia que no sea menor de 3 metros.

El objeto debe soportar sin filtración alguna la inmersión completa a 1 metro durante 30 No debe entrar agua. minutos. El equipamiento eléctrico / electrónico debe soportar (sin filtración alguna) la inmersión completa y continua a la profundidad y durante el tiempo que especifique el fabricante del No debe entrar agua producto con el acuerdo del cliente, pero siempre que resulten condiciones más severas que las especificadas para el valor 7.

Grado de protección IP febrero de 2015 http://es.wikipedia.org/wiki/Grado_de_protecci%C3%B3n_IP


112

Material Apoyo Electronica de Pot 2016

Recommend Documents