ELEMENTOS BÁSICOS DE LA ELECTRÓNICA ANALÓGICA
INTRODUCCIÓN La electrónica analógica es una parte de la electrónica que estudia los sistemas en los cuales sus variables; tensión, corriente; varían de una forma continua en el tiempo, pudiendo tomar infinitos valores. En el siguiente trabajo estudiaremos algunos componentes electrónicos básicos como Diodo, Zener, LED, Transistor, Fet, SCR y TRIAC TRIAC en muchos de sus aspectos, tipos y características.
CONSTITUCIÓN Y FUNCIONAMIENTO DEL FUNCIONAMIENTO DEL DIODO Es uno de los componentes más usados en los circuitos electrónicos. Está formado por la unión de dos cristales semiconductores, uno tipo N, llamado cátodo, y otro de tipo P, llamado ánodo. El semiconductor usado para formar diodos es el Silicio (Si). El símbolo de un diodo es:
Cuando se conecta a una fuente de alimentación de corriente continua, el diodo actúa como un componente unidireccional, es decir, deja pasar la corriente sólo en un sentido. Según la forma de conectarlo al circuito, distinguiremos entre polarización directa y polarización inversa.
Curva característica tensión-corriente de un diodo real.
El diodo como elemento rectificador Una de las aplicaciones más inmediatas de los diodos es la rectificación de tensiones alternas.
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a. Esquema de un circuito rectificador simple para la corriente alterna, formado por un diodo, D, en serie con la resistencia de carga, R L. b. Variación de la señal de salida, Vo, para una señal de entrada, Vi, en forma de onda sinusoidal.
CONSTITUCIÓN Y FUNCIONAMIENTO DEL ZENER Son elementos semiconductores de silicio, que poseen una característica en sentido directo igual a la de cualquier diodo rectificador, pero que en sentido inverso, y para una corriente inversa de un valor determinado, presenta una tensión de un valor constante., el cual es propio de las características técnicas de cada diodo en particular. Por estas circunstancias este dispositivo se hace ideal como estabilizador de tensión, o para obtener una tensión de referencia de un valor fijo y determinado. Se emplean para obtener entre sus terminales una tensión constante e independiente de la corriente que circula a través de él de acuerdo a sus especificaciones. Para conseguir esto se aprovecha la propiedad de la unión PN al polarizar inversamente y llegar a la tensión de ruptura o tensión de zener, donde, la intensidad inversa del diodo sufre un aumento brusco. Para evitar la destrucción del diodo por la avalancha producida por el aumento de la intensidad, se le pone en serie una resistencia que limite dicha corriente. Se producen desde 3.3 V y con una potencia mínima de 250 mW. Los encapsulados pueden ser de plástico o metálico según la potencia que tenga que disipar. Existen tres tipos de identificación de los diodos zener. El más moderno consiste en tres letras seguidas de un número de serie y el valor que hace referencia a la tensión zener. 1. Es un B, indicativa de que se trata de un elemento semiconductor de silicio 2. Es una Z, indica que se trata de un diodo zener 3. Es una X o Z indica que se trata de aplicaciones profesionales Después ira el número de serie indicado por el fabricante y la tensión zener, utilizando la V como coma decimal. Por ejemplo: BZX-79-5V1
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La curva característica del diodo Zener y aplicación en un circuito como regulador.
Si deseamos obtener los valores de polarización de un zener en un circuito determinado, deberemos obtener primero su recta de carga.
Obteniendo los valores extremos, es decir, cuando = 0 y cuando = 0, tenemos
La máxima potencia vendrá dada por el producto de la tensión por la corriente, utilizando el máximo de cada valor. ( ) ( ) ( )
CONSTITUCIÓN Y FUNCIONAMIENTO DEL DIODO LED Un diodo Led es un diodo que cuando está polarizado directamente emite luz. Los Leds tienen dos patillas de conexión una larga y otra corta. Para que pase la corriente y emita luz se debe conectar la patilla larga al polo positivo y la corta al negativo. En caso contrario la corriente no pasará y no emitirá luz. La intensidad mínima para que un diodo LED emita luz visible es de 4 mA y, por precaución, como máximo deben aplicarse 50 mA. 4
Para identificar los terminales del diodo LED se observa que el cátodo es la terminal más corta, siendo el ánodo el más largo, figura 4.7. Además, en el encapsulado, normalmente de plástico, se observa un chaflán en el lado en el que se encuentra el cátodo. Se utilizan como señal visual y en el caso de los infrarrojos en los dispositivos de control remoto.
El funcionamiento es muy sencillo. Cuando conectamos con polarización directa el diodo led el semiconductor de la parte de arriba permite el paso de la corriente que circulará por las patillas (cátodo y ánodo) y al pasar por el semiconductor, este semiconductor emite luz. Dependiendo del material que este hecho el semiconductor, este emitirá una luz de un color diferente. Así podemos obtener diodos led que emitan luces de colores diferentes (aluminio, galio, indio, fosforo, etc).
LED’S especiales
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Curva característica diodo led Para la caracterización de los diodos led teniendo en cuenta los parámetros de la intensidad de luz en función al potencial eléctrico o voltaje no se encontró mucha información, pero si encontramos otros tipos de curvas características en las cuales se han utilizado parámetros como: * La corriente en función del voltaje que es la más común para la caracterización de cualquier tipo de diodo, en la cual se muestra el funcionamiento dependiendo de la polarización. También este parámetro ayuda a la caracterización de los led dependiendo del color puesto que cada uno resiste a determinada cantidad de voltaje y corriente. * La salida de energía luminosa en función de la corriente la cual permite determinar el consumo de voltaje y la longitud de onda de cada tipo de led * El porcentaje de brillo en función del tiempo de trabajo permite determinar la degradación lumínica con el tiempo. * Flujo luminoso en función a la temperatura del led permite caracterizar los led dependiendo de la disminución del flujo luminoso al aumentar la temperatura.
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CONSTITUCIÓN Y FUNCIONAMIENTO DEL TRANSISTOR
El transistor es un elemento semiconductor que tiene la propiedad de poder manejar la intensidad de corriente que circula entre dos de sus tres terminales, generalmente emisor y colector, mediante la circulación de una pequeña corriente aplicada en la tercer terminal, base. Este efecto se conoce con el nombre de amplificación de corriente, y permite aplicarle en el emisor una corriente muy pequeña con cualquier forma de variación en el tiempo, y obtener la misma corriente, con la misma variación en el tiempo, pero de mayor amplitud en el colector. Se utilizan fundamentalmente en circuitos que realizan funciones de amplificación, control, proceso de datos, etc. Existen 2 clases de transistores: los transistores bipolares y los transistores de efecto campo. Los transistores bipolares están formados por la unión de 3 cristales semiconductores. Según la combinación de éstos, pueden ser de dos clases: NPN Y PNP. De cada uno de los cristales sale un terminal que permite conectar físicamente el componente al circuito. Los 3 terminales se denominan base (B), emisor (E) y colector (C). Los transistores de efecto campo están formados por un sustrato de material semiconductor sobre el que se difunden dos islas de material semiconductor de diferente dopado. Los terminales se denominan surtidor (S), drenador (D) y el tercero que gobierna la conductividad de los 2 anteriores, llamado puerta (G). El funcionamiento interno se puede describir a partir de lo ya explicado para los diodos, con la diferencia de que éste último posee dos uniones semiconductoras, esto es: el transistor posee dos zonas semiconductoras, que pueden ser N o P, y entre ambas una muy delgada del tipo contrario. Este conjunto formará dos uniones: una N-P, entre el emisor y la base, y la otra P-N entre la base y el colector, formando un transistor NPN. Si las regiones exteriores son del tipo P y la interior del tipo N el transistor será del tipo PNP.
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Ejemplo de circuito:
Curva característica de entrada.
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Curva característica de salida.
CONSTITUCIÓN Y FUNCIONAMIENTO DEL FET El transistor de efecto de campo (Field Effect Transistor, FET) es una clase de transistor muy utilizada en circuitos analógicos y digitales. En este dispositivo, construido con material semiconductor, un campo controla la corriente. Es decir, un campo controla el flujo de portadores a través de un canal conductor y de ahí le viene el término de “efecto de campo”. En el FET, la corriente es transportada fundamentalmente por un solo tipo de
portador, el mayoritario, y como consecuencia de esto, el dispositivo es unipolar a diferencia del BJT analizado anteriormente que es bipolar. Los FETs se dividen en dos categorías: Dispositivos de puerta aislada y dispositivos de puerta de unión. Los primeros, denominados generalmente FETs metal-óxidosemiconductor (MOSFET), pueden ser a su vez de deplexión (también empobrecimiento o vaciamiento) o de acumulación (o enriquecimiento). En un MOSFET la conductividad del canal por el que circula la corriente se modula a través de una tensión aplicada entre el metal y el semiconductor, el cual se encuentra separado del primero por un óxido de espesor xo . Los dispositivos de puerta de unión pueden ser FETs metal-semiconductor (MESFETs) o FETs de unión (JFETs). En estos últimos, la modulación de la conductividad del canal por el que circula la corriente se realiza a través de la anchura de las zonas de carga de espacio de uniones pn inversamente polarizadas. Además, la mayor parte de los FETs están disponibles tanto en la forma de canal n como de canal p.
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Ecuaciones del FET El desempeño del Transistor de Efecto de Campo (FET) fue propuesto por W. Shockley, en 1952. De ahí el nombre que rige la ecuación de este tipo de transistores; la llamada "ECUACIÓN DE SHOCKLEY". ID =
Corriente de Drenaje
IDSS =
Corriente de Drenaje de Saturación
VGS =
Voltaje Puerta-Fuente
VP =
Voltaje de ruptura o Pinch Voltage.
Id=Idss1-VGSVp2
Ejemplo de funcionamiento de un circuito que utiliza transistores de efecto de campo en aplicación de amplificación de voltaje y corriente.
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CONSTITUCIÓN Y FUNCIONAMIENTO DEL SCR
Los tiristores son una familia de dispositivos semiconductores de varias capas que presentan una acción de conmutación biestable, debido a su inherente realimentación regenerativa. Los materiales de los que se componen son de tipo semiconductor, es decir, dependiendo de la temperatura a la que se encuentren pueden funcionar como aislantes o como conductores. En su gran mayoría son dispositivos unidireccionales porque solamente transmiten la corriente en un único sentido aunque existen combinaciones de ellos que conectados de forma anti paralela se comportan de manera bidireccional, esto quiere decir que la corriente puede viajar a través de ellos en dos sentidos. Se emplea generalmente para el control de potencia eléctrica. Funcionamiento básico. El tiristor es el equivalente electrónico de los interruptores mecánicos; por tanto, es capaz de dejar pasar plenamente o bloquear por completo el paso de la corriente si tener nivel intermedio alguno, aunque no son capaces de soportar grandes sobrecargas de corriente. El diseño del tiristor permite que éste pase rápidamente a encendido al recibir un pulso momentáneo de corriente en su terminal de control, denominada puerta ( o en inglés, gate), a medida que aumenta la corriente de puerta se desplaza el punto de disparo.
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Curva característica del tiristor.
Ejemplo de circuito en aplicación del tiristor.
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CONSTITUCIÓN Y FUNCIONAMIENTO DEL TRIAC
El triac es un dispositivo semiconductor de tres terminales que se usa para controlar el flujo de corriente promedio a una carga, con la particularidad de que conduce en ambos sentidos y puede ser bloqueado por inversión de la tensión o al disminuir la corriente por debajo del valor de mantenimiento. El triac puede ser disparado independientemente de la polarización de puerta, es decir, mediante una corriente de puerta positiva o negativa. Funcionamiento Cuando el triac conduce, hay una trayectoria de flujo de corriente de muy baja resistencia de una terminal a la otra, dependiendo la dirección de flujo de la polaridad del voltaje externo aplicado. Cuando el voltaje es más positivo en MT2, la corriente fluye de MT2 a MT1 en caso contrario fluye de MT1 a MT2. En ambos casos el triac se comporta como un interruptor cerrado. Cuando el triac deja de conducir no puede fluir corriente entre las terminales principales sin importar la polaridad del voltaje externo aplicado por tanto actúa como un interruptor abierto. Debe tenerse en cuenta que si se aplica una variación de tensión importante al triac (dv/dt) aún sin conducción previa, el triac puede entrar en conducción directa.
La estructura contiene seis capas como se muestra en la figura de la izquierda, aunque funciona siempre como un tiristor de cuatro capas. En sentido MT2-MT1 conduce a través de P1 N1P2 N2 y en sentido MT1-MT2 a través de P2 N1P1 N4. La capa N3 facilita el disparo con intensidad de puerta negativa. La complicación de su estructura lo hace más delicado que un tiristor en cuanto a di/dt y dv/dt y capacidad para soportar sobre intensidades. Se fabrican para intensidades de algunos amperios hasta unos 200 A eficaces y desde 400 a 17
1000 V de tensión de pico repetitivo. Los triac son fabricados para funcionar a frecuencias bajas, los fabricados para trabajar a frecuencias medias son denominados alternistores. En la figura de la derecha se muestra el símbolo esquemático e identificación de las terminales de un triac, la nomenclatura Ánodo 2 (A2) y Ánodo 1 (A1) pueden ser reemplazados por Terminal Principal 2 (MT2) y Terminal Principal 1 (MT1) respectivamente.
Curva característica del TRIAC
Ejemplo de aplicación del TRIAC Controlador de fase, controla la potencia de C.A a través de la conmutación en el encendido y apagado en los semiciclos positivos y negativos de la onda senoidal.
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CONCLUSIÓN
La electrónica analógica considera y trabaja con valores continuos pudiendo tomar valores infinitos, podemos acotar que trata con señales que cambian en el tiempo de forma continua porque estudia los estados de conducción y no conducción de los diodos y los transistores que sirven para diseñar cómputos en el álgebra con las cuales se fabrican los circuitos integrados. Una diferencia notoria entre la electrónica analógica y la digital reside en que la digital se basa en 2 estados de tensión (que representan al 0 y al 1), mientras que la analógica trabaja con valores no discretos, sino continuos. Un circuito digital realiza manipulaciones sobre los números de entrada y genera unos números de salida. En consecuencia se podría decir que parece que los circuitos digitales son inteligentes, aunque esto no es cierto, ya que no tienen capacidad de pensar por cuenta propia, sino que están programados por la persona que los diseño así. Esto de una manera más completa quiere decir que los dispositivos analógicos procesan las señales variantes en el tiempo que pueden adquirir cualquier valor a los largo de un intervalo continuo de voltaje, corriente un otra medida.
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REFERENCIAS
BIBLIOGRÁFICAS
Hernández. H.(1996). Curso Práctico de Electrónica. Volumen 23. Pereira Colombia. Editorial Cekit S.A. Boylestad L. R. Electrónica Teoría de Circuitos. 5ta. Edición.
ELECTRÓNICAS
Electrónica Analógica. Consulta realizada el 5 de Mayo del 2014 en: http://www.edu.xunta.es/centros/cpivirxeremedios/?q=system/files/Apuntes%20An alogica.pdf Elementos de Electrónica. Consulta realizada el 14 de Mayo del 2014 en: http://www.profefelipe.mex.tl/imagesnew/4/6/9/5/1/Apuntes_parte_1.pdf
Diodos y Aplicaciones. Consulta realizada el 14 de Mayo del 2014 en: http://webs.uvigo.es/mdgomez/DEI/Guias/tema4.pdf Aplicaciones de los Diodos Semiconductores. Consulta realizada el 15 de Mayo del 2014 en: http://www.icmm.csic.es/fis/gente/josemaria_albella/electronica/5%20Aplicaciones %20diodos.pdf
Transitores de Efecto de Campo. Consulta realizada el 15 de Mayo del 2014 en: http://cvb.ehu.es/open_course_ware/castellano/tecnicas/electro_dis/ensenanzastecnicas/electronica-de-dispositivos/tema-14.pdf Tiristores Teoría y Aplicaciones. Consulta realizada el 16 de Mayo del 2014 en: http://www.slideshare.net/Boytronic/tiristores-caractersticas-aplicaciones-yfuncionamiento
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