Manual de electrónica aplicada al automóvil 1

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CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS

MANUAL DE ELECTRÓNICA ÍNDICE

ELECTRÓNICA BÁSICA..................................................................................01 ·CORRIENTE ELÉCTRICA ...............................................................................02 ·ELEMENTOS PASIVOS SIMPLES.....................................................................02 ·DIFERENCIA DE POTENCIAL ENTRE DOS PUNTOS......................................... 04 ·GENERADOR DE TENSIÓN CONTINUA (DC) .................................................. 05 ·ASOCIACIÓN DE RESISTENCIAS ................................................................. 05 ·LEMAS DE KIRCHOFF................................................................................ 08 ·TENSIÓN DE ENTRADA Y TENSIÓN DE SALIDA............................................. 09 ·ESTUDIO DE SEÑALES ELÉCTRICAS ........................................................... 10 ·ANÁLISIS DE UNA RED SIMPLE .................................................................. 14 ·COMPONENTES PASIVOS DENTRO DE UN CIRCUITO ELÉCTRICO .................... 15 ·TEORÍA DE SEMICONDUCTORES ................................................................ 18 DIODOS SEMICONDUCTORES ..................................................................... 20 ·TERMINALES Y SIMBOLOGÍA ...................................................................... 20 ·FUNCIONAMIENTO ................................................................................... 21 ·CURVA CARACTERÍSTICA .......................................................................... 23 ·LÍMITES DE RUPTURA............................................................................... 24 ·ANÁLISIS EN UN CIRCUITO ....................................................................... 24 ·TIPOS DE DIODOS SEGÚN SU FUNCIÓN...................................................... 25 ·RECTIFICADORES .................................................................................... 25 ·RECORTADORES ...................................................................................... 34 ·ESTABILIZADORES DE TENSIÓN ...................................................................40 ·DIODO ZENER ......................................................................................... 40 ·MÓDULOS COMERCIALES ..........................................................................44 TRANSISTORES BIPOLARES ......................................................................... 45 ·TERMINALES Y SIMBOLOGÍA ..................................................................... 45 ·CRITERIO DE CORRIENTES Y TENSIONES ................................................... 46 ·TIPO N-P-N ............................................................................................. 46 ·TIPO P-N-P.............................................................................................. 47 ·CURVAS CARACTERÍSTICAS ...................................................................... 48 ·RECTA DE CARGA..................................................................................... 50

I

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·ZONAS DE FUNCIONAMIENTO ......................................................................54 ·FUNCIONAMIENTO EN ACTIVA ................................................................... 54 ·FUNCIONAMIENTO EN CORTE .......................................................................55 ·FUNCIONAMIENTO EN SATURACIÓN ..............................................................55 ·LÍMITES DE RUPTURA............................................................................... 56 ·MONTAJE DARLINGTON ............................................................................ 57 ·MÓDULOS COMERCIALES ..........................................................................57 TRANSISTORES UNIPOLARES ..................................................................... 58 ·TRANSISTORES JFET ................................................................................ 58 ·SIMBOLOGÍA Y TERMINALES ..................................................................... 59 ·CRITERIO DE CORRIENTES Y TENSIONES ................................................... 60 ·CURVAS CARACTERÍSTICAS ...................................................................... 61 ·ZONAS DE FUNCIONAMIENTO ......................................................................63 ·ZONA DE CORTE .........................................................................................63 ·ZONA OHMICA ...........................................................................................63 ·ZONA DE SATURACIÓN................................................................................64 ·ZONA DE RUPTURA .....................................................................................64 ·CIRCUITO AUTOPOLARIZADO .................................................................... 65 ·TRANSISTORES MOSFET ........................................................................... 66 ·SIMBOLOGÍA Y TERMINALES ..................................................................... 67 ·CRITERIO DE CORRIENTES Y TENSIONES ................................................... 68 ·CURVAS CARACTERÍSTICAS ...................................................................... 69 ·ZONAS DE FUNCIONAMIENTO.................................................................... 70 ·ZONA DE CORTE .........................................................................................70 ·ZONA OHMICA ...........................................................................................70 ·ZONA DE SATURACIÓN................................................................................70 ·ZONA DE RUPTURA .....................................................................................71 ·EJEMPLO DE CIRCUITO POLARIZADOR DE UN MOSFET.................................. 71 ·LÍMITES DE RUPTURA ...............................................................................72 TIRISTORES ............................................................................................. 73 ·TERMINALES Y SIMBOLOGÍA ..................................................................... 73

II

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CRITERIO DE CORRIENTES Y TENSIONES ....................................................74 ·CURVAS CARACTERÍSTICAS ...................................................................... 75 ·RECTA DE CARGA..................................................................................... 77 ·ZONAS DE FUNCIONAMIENTO.................................................................... 79 ·LÍMITES DE RUPTURA............................................................................... 84 ·CIRCUITO DE APLICACIÓN ........................................................................ 85 ·MÓDULOS COMERCIALES.............................................................................88 APLICACIONES DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA ................................................ 89 ·AVISADOR ACÚSTICO DE FRENO DE MANO ................................................. 89 ·ETAPA DE ACTUACIÓN SOBRE LOS ELECTROINYECTORES ............................. 90 ·ENCENDIDO POR CARGA DE CONDENSADOR CON TRANSISTOR UNIPOLAR ..... 91 ·ENCENDIDO POR CARGA DE CONDENSADOR CON UN TIRISTOR .................... 92 PRINCIPIOS DE ELECTRÓNICA DIGITAL ......................................................... 93 ·SISTEMAS DE NUMERACIÓN...................................................................... 94 ·SISTEMA BINARIO ................................................................................... 95 ·SISTEMA HEXADECIMAL ........................................................................... 97 ·ALGEBRA DE BOOLE ................................................................................. 98 ·PUERTAS LÓGICAS ................................................................................... 99 ·PUERTA OR ..............................................................................................100 ·PUERTA AND.......................................................................................... 100 ·PUERTA NOT.......................................................................................... 101 ·PUERTA NOR ......................................................................................... 101 ·PUERTA NAND ....................................................................................... 102 ·PUERTA XOR.......................................................................................... 103 ·PUERTA XNOR........................................................................................ 103 ·FAMILIAS LÓGICAS ................................................................................ 104 ·MÓDULOS COMERCIALES ........................................................................109 CIRCUITOS COMBINACIONALES...................................................................110 ·DECODIFICADORES................................................................................. 110 ·DECODIFICADORES “2 A 4” Y “3 A 8” ..........................................................111 DECODIFICADOR “3 A 8” ........................................................................... 114

III

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·DECODIFICADOR DECIMAL ....................................................................... 115 ·DECODIFICADOR HEXADECIMAL .............................................................. 116 ·CONVERSORES DE CÓDIGO..................................................................... 118 ·CODIFICADORES.................................................................................... 122 ·MULTIPLEXORES ...................................................................................... 125 ·MULTIPLEXORES DIGITALES .................................................................... 125 ·MULTIPLEXOR DE DOS CANALES .............................................................. 126 ·MULTIPLEXOR DE CUATRO CANALES......................................................... 128 ·MULTIPLEXOR DE OCHO CANALES ............................................................ 128 ·MULTIPLEXOR DE DIECISEIS CANALES ..................................................... 129 ·MULTIPLEXORES ANALÓGICOS................................................................. 130 ·DEMULTIPLEXORES ................................................................................ 132 ·COMPARADORES .................................................................................... 134 ·SUMADORES ......................................................................................... 135 ·SEMISUMADOR ...................................................................................... 136 ·SUMADOR TOTAL ................................................................................... 137 ·CUADRUPLE SUMADOR TOTAL.................................................................. 139 ·MÓDULOS COMERCIALES ........................................................................ 141 CIRCUITOS SECUENCIALES .........................................................................142 ·BIESTABLES .......................................................................................... 143 ·BIESTABLES SÍNCRONOS ........................................................................ 145 ·BIESTABLE “D” ACTIVO POR NIVEL (LATCH) .................................................147 ·BIESTABLE SÍNCRONO J-K ACTIVO POR FLANCO (M/S) ................................. 151 ·CONTADORES ........................................................................................ 154 ·REGISTROS DE DESPLAZAMIENTO ..............................................................157 ·MÓDULOS COMERCIALES ........................................................................160 MEMORIAS............................................................................................... 161 ·CLASIFICACIÓN DE LAS MEMORIAS............................................................ 162 ·LECTURA Y ESCRITURA ...........................................................................162 ·SÓLO LECTURA ...................................................................................... 163 ·CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS MEMORIAS .................................... 163

IV

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·MEMORIAS MÁS UTILIZADAS................................................................... 164 ·RAM ESTÁTICA ...................................................................................... 164 ·PATILLAJE Y TERMINALES........................................................................ 165 ·MODOS DE FUNCIONAMIENTO ................................................................. 168 ·EPROM 168 .......................................................................................... 168 ·PATILLAJE Y TERMINALES........................................................................ 169 ·MODOS DE FUNCIONAMIENTO ................................................................. 170 ·MANEJO DE MEMORIAS EPROM ................................................................ 170 APLICACIONES DE ELECTRÓNICA DIGITAL ................................................. 171 ·CONTROL DE LUCES CON UN DECODIFICADOR 2 A 4.................................. 171 ·CONTROL DE TECLADO CON UN CODIFICADOR 8 A 3.................................. 172 ·AVISADOR LUMINOSO DE PUERTAS ABIERTAS ........................................... 173 ·TRANSMISIÓN DE DATOS ENTRE UNA CENTRALITA Y EL EXAMINER ............... 174 ·BLOQUE DECODIFICADOR Y VISUALIZADOR DE UN TECLADO ...................... 175 ·CONTROL DE TRÁFICO EN UN GARAJE ......................................................176 MICROCONTROLADORES........................................................................... 177 ·CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS.................................................................. 178 ·UNIDAD CENTRAL DE PROCESOS (CPU) .................................................... 178 ·MEMORIA INTERNA DE PROGRAMA (ROM) ................................................. 178 ·MEMORIA INTERNA (RAM)....................................................................... 178 ·MEMORIA DE REGISTROS ESPECIALES (SFR)............................................. 179 ·PUERTOS DE ENTRADA/SALIDA (PORTS) ................................................... 179 ·TEMPORIZADORES (TIMERS) ................................................................... 180 ·PUERTO SERIE (UART) ............................................................................ 180 ·INTERRUPCIONES (INT) .......................................................................... 181 ·OSCILADOR EXTERNO DE FRECUENCIA 12 MHZ (CLK) ................................ 182 ·BUS DE DATOS Y BUS DE DIRECCIONES ................................................... 183 ·PATILLAJE Y DESCRIPCIÓN DE TERMINALES .............................................. 185 ·MÓDULOS COMERCIALES ........................................................................ 188 CIRCUITOS OPERACIONALES .................................................................... 189 ·OPERACIONALES.................................................................................... 189

V

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·OPERACIONALES CON REALIMENTACIÓN NEGATIVA ................................... 192 ·AMPLIFICADOR NO INVERSOR DE TENSIÓN............................................... 192 ·AMPLIFICADOR INVERSOR DE TENSIÓN.................................................... 194 ·SUMADOR............................................................................................. 195 ·INTEGRADOR......................................................................................... 197 ·DIFERENCIADOR .................................................................................... 198 ·CONVERTIDOR CORRIENTE/TENSIÓN ....................................................... 199 ·CONVERTIDOR TENSIÓN/CORRIENTE ....................................................... 200 ·DIFERENCIAL ........................................................................................ 201 ·SEGUIDOR ............................................................................................ 203 ·OPERACIONALES CON REALIMENTACIÓN POSITIVA .................................... 204 ·COMPARADOR NO INVERSOR................................................................... 205 ·COMPARADOR INVERSOR........................................................................ 207 ·BÁSCULA NO INVERSORA........................................................................ 209 ·BÁSCULA INVERSORA............................................................................. 212 ·MÓDULOS COMERCIALES ........................................................................216 TEMPORIZADOR ANALÓGICO-DIGITAL (LM555) .............................................217 ·TERMINALES DEL TEMPORIZADOR 555 ........................................................217 ·FUNCIONAMIENTO COMO MONOESTABLE .................................................. 218 ·FUNCIONAMIENTO COMO AESTABLE......................................................... 222 PUENTE DE WHEASTSTONE ...................................................................... 224 ·TERMINALES Y CONEXIÓN....................................................................... 225 AMPLIFICADORES DE INSTRUMENTACIÓN .....................................................228 ·TERMINALES Y CONEXIÓN....................................................................... 228 SENSORES............................................................................................. 230 ·SENSOR INDUCTIVO............................................................................... 230 ·SENSOR PIEZOELÉCTRICO ...................................................................... 233 ·SENSOR EFECTO HALL ............................................................................ 237 ·SONDA LAMBDA..................................................................................... 241 ·SENSOR DE PRESIÓN (GALGA EXTENSIOMÉTRICA) ................................... 247 APLICACIONES DE INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA ................................. 249

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·TERMÓMETRO DIGITAL ........................................................................... ·AVISADOR LUMINOSO DE RESERVA DE COMBUSTIBLE................................ ·CONTROL DE TEMPERATURAS EN UN RECINTO (CLIMATIZADOR) .................. MOTORES PASO A PASO........................................................................... ·PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO ........................................................... ·CONTROL DE MOTORES PASO A PASO ...................................................... ·FORMAS DE ACCIONAMIENTO.................................................................. ·DRIVERS............................................................................................... ·CIRCUITOS SECUENCIADORES ................................................................ ·MÓDULOS COMERCIALES ........................................................................

249 251 252 253 253 255 256 263 264 264

VII

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MANUAL DE ELECTRÓNICA ELECTRÓNICA BASICA La electrónica es la ciencia y la técnica que trabaja con la tensión y la intensidad (movimiento de los electrones) en los semiconductores y conductores bajo ciertas condiciones. La mayoría de los circuitos electrónicos toman como elemento esencial a los componentes formados a base de semiconductores. Estos elementos son: -

Diodos. Transistores. Tiristores. Triacs.

En los circuitos electrónicos también existen otros componentes llamados elementos pasivos que son: -

Resistencias. Condensadores. Bobinas.

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MANUAL DE ELECTRÓNICA CORRIENTE ELECTRICA La corriente eléctrica es el desplazamiento de cargas de electrones a lo largo de un conductor por efecto de la fuerza que ejerce sobre ellas un campo eléctrico. La intensidad de corriente es la cantidad de carga que atraviesa la sección de hilo conductor por unidad de tiempo. La intensidad circula por un hilo conductor cuyos terminales deben estar unidos, formando un recinto cerrado.

Vcc: pila de tensión continua de valor Vcc voltios

EJEMPLO DE MALLA ELÉCTRICA Red eléctrica o malla eléctrica se define como un conjunto de circuitos o recintos formados por la interconexión de elementos tales como resistencias, bobinas, condensadores, generadores de tensión, etc., mediante un hilo conductor, gracias a los cuales la energía puede ser transferida de un circuito a otro.

ELEMENTOS PASIVOS SIMPLES Los elementos pasivos por sí solos no pueden modificar valores de tensión o de corriente. Van a ser elementos por los cuales la corriente eléctrica, al atravesarlos, genera una caída de tensión entre sus terminales. Hay tres tipos de elementos pasivos: -

Resistencias Bobinas Condensadores

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MANUAL DE ELECTRÓNICA RESISTENCIAS El comportamiento de estos elementos no depende del tipo de tensión aplicada. Su relación entre la tensión entre sus terminales y la corriente que fluye de un terminal a otro viene dada por la ley de Ohm (VAB = I x R):

R: resistencia. VAB : caída de tensión entre los terminales de la resistencia. I: intensidad que circula por la resistencia. Caída de tensión en una resistencia

BOBINAS O AUTOINDUCCIÓNES El comportamiento de una bobina frente a una corriente continua de valor constante es similar a un cortocircuito. El comportamiento frente a una señal variable, ya sea una señal senoidal, triangular, etc., es diferente al comportamiento frente a una señal continua constante.

L: inductancia de la bobina. VAB : tensión entre los terminales de la bobina. I: corriente que circula por la bobina Caída de tensión en una bobina

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MANUAL DE ELECTRÓNICA CONDENSADORES El comportamiento de un condensador frente a una corriente continua de valor constante es similar a un circuito abierto. El comportamiento frente a una señal variable, ya sea una señal senoidal, triangular, etc., es diferente al comportamiento frente a una señal continua constante.

C: capacidad del condensador. VAB : caída de tensión entre los terminales del condensador. I: corriente que circula por el condensador Caída de tensión en un condensador

DIFERENCIA DE POTENCIAL ENTRE DOS PUNTOS La diferencia de potencial o caída de tensión entre dos puntos es la diferencia de tensiones existente entre ellos.

Diferencia de potencial entre los terminales de una resistencia

El punto situado a mayor potencial eléctrico (con mayor tensión) se marca con un signo positivo, de la misma manera que el punto situado a menor potencial eléctrico se marca con un signo negativo. La corriente eléctrica va a circular del punto con mayor potencial eléctrico al punto con menor tensión eléctrica. Por lo tanto, el punto por donde entra la corriente es el punto positivo, mientras que el punto por donde sale es el punto negativo.

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MANUAL DE ELECTRÓNICA GENERADOR DE TENSION CONTINUA (DC) Un generador de tensión es un elemento eléctrico que mantiene una diferencia de potencial eléctrico (tensión) constante entre sus terminales, de valor E, independientemente de la corriente que circule por él. Una pila de tensión o la batería de un automóvil equivale a un generador de tensión de continua.

E: tensión continua del generador. V: voltímetro. Tensión proporcionada por un generador de continua

ASOCIACIÓN DE RESISTENCIAS Dependiendo de cómo estén situadas las resistencias en una determinada red eléctrica, se puede simplificar su estudio al agruparlas en una sola resistencia de valor equivalente al conjunto de todas ellas.

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MANUAL DE ELECTRÓNICA RESISTENCIAS EN SERIE

Asociación de resistencias en serie

El análisis eléctrico de la red, calculando las diferencias de potencial, lleva a las siguientes ecuaciones: VAB = VAM + VMN + VNB VAB = I x ( R1 + R2 + R3 ) RAB = VAB / I = R1 + R2 + R3 La resistencia equivalente entre los puntos A y B es la suma de las resistencias puestas en serie. La intensidad que circula por las resistencias es la misma, pero la caída de tensión en cada una de ellas es distinta.

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MANUAL DE ELECTRÓNICA RESISTENCIAS EN PARALELO

Asociación de resistencias en paralelo

De manera análoga a como se calcula la resistencia equivalente con resistencias en serie, se obtiene: I = I1 + I2 + I3 = VAB / R1 + VAB / R2 + VAB / R3 Sacando factor común a VAB: I = VAB x ( 1 / R1 + 1 / R2 + 1 / R3 ) Como RAB = VAB / I se deduce que: 1 / RAB = 1 / R1 + 1 / R2 + 1 /R3 La inversa de la resistencia equivalente entre los puntos A y B es la suma de las inversas de las resistencias. La intensidad que circula por las resistencias es distinta, pero la caída de tensión en ellas es la misma.

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MANUAL DE ELECTRÓNICA LEMAS DE KIRCHOFF La aplicación de los principios de continuidad de corriente establece ciertas restricciones, estas restricciones son conocidas como los lemas de Kirchoff.

LEMA DE LOS NUDOS

Nudo en el que confluyen diversas intensidades

En un instante cualquiera, la suma de las intensidades que entran en un punto son iguales a la suma de las corrientes que salen del punto. I1 + I 4 = I 2 + I 3

LEMA DE LAS MALLAS

Caídas de tensión a lo largo de una malla eléctrica

En todo contorno cerrado o malla, la suma de las caídas de potencial a lo largo de todos los elementos del contorno siempre es nula. Para aplicar el lema se parte de un punto cualquiera de la malla y se recorre todo el contorno sumando las caídas de potencial a través de todos los elementos que existen hasta volver al punto inicial. El sentido para recorrer la malla es indiferente. Por ejemplo, partiendo del punto A : 0 = I x R1 + I x R2 + Vbb + I x R3 - VCC

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MANUAL DE ELECTRÓNICA TENSION DE ENTRADA Y TENSION DE SALIDA Tensión de entrada es la tensión que proporciona una determinada fuente de alimentación, alterna o continua, a un circuito cualquiera para obtener una tensión determinada en la carga, a esta tensión en la carga se la denomina tensión de salida. La carga es el elemento o componente sobre el que se aplica la tensión de salida.

Tensión de entrada y salida en un circuito eléctrico

En el circuito de la figura la tensión de entrada es el valor de tensión proporcionado por la batería Vcc. RL es la resistencia de la lámpara, que en este caso va a ser la carga. La tensión de salida es la tensión medida por el voltímetro en los terminales de la resistencia RL de la lámpara.

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MANUAL DE ELECTRÓNICA ESTUDIO DE SEÑALES ELECTRICAS Las señales eléctricas referencian de forma gráfica la relación existente entre la tensión (o intensidad) y el tiempo; es decir, indican la variación del valor de la tensión (o la intensidad) con el paso del tiempo. Un circuito eléctrico puede funcionar con señales alternas senoidales, con señales continuas, señales continuas pulsadas, señales triangulares, etc. La diferencia más notable entre las diferentes señales radica en la variación de tensión, o intensidad, respecto al tiempo.

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MANUAL DE ELECTRÓNICA SEÑAL ALTERNA SENOIDAL Una señal alterna senoidal es aquella señal que sigue la forma matemática de una función senoidal: V (t ) = A x SEN ( wt ) Es una señal que dependiendo de la fase y de la amplitud tiene un valor de tensión o de corriente distinto.

Parámetros de una señal de tensión alterna.

Los términos representados en la gráfica se definen como: -

-

Amplitud de señal (A): la amplitud es el valor máximo que puede tomar la señal con respecto al punto de referencia cero. La unidad puede ser de tensión o de corriente, es decir, voltios o amperios. Periodo de señal (T): es el tiempo que transcurre hasta que la señal vuelve a pasar por un punto. Coloquialmente hablando, el periodo es el tramo de señal, referido a valores temporales, que repetido indefinidamente da lugar a la totalidad de la señal. Su unidad de medida es el segundo. Frecuencia de señal (f): es la magnitud inversa al periodo de la señal ( f = 1 / T ). Su unidad de medida es el hertzio. Pulsación de señal (w): está relacionada directamente con la frecuencia. ( w = 2 x x f ). Su unidad el radián / segundo. Fase de una señal (wt): es el ángulo respecto al punto de referencia que tiene la señal. Donde w es la pulsación de la señal y t es el tiempo en segundos. La unidad de la fase es el radián. 2 radianes equivalen a 360º. Tomando esta referencia se puede pasar de radianes a grados.

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MANUAL DE ELECTRÓNICA Una manera de ver la variación de señal con la fase y amplitud es:

Valores de tensión dependiendo de la fase de la señal.

V ( t ) = A x SEN ( wt ) -

Para un valor de amplitud (A) de 12 voltios y una fase (wt) de cero grados, el valor de tensión en ese instante es cero debido a que el seno de cero grados es cero. Para un valor de amplitud (A) de 12 voltios y una fase (wt) de 90º, el valor de tensión en ese instante es 12 voltios debido a que el seno de 90º es uno.

SEÑAL CONTINUA La señal continua no varía con el tiempo, sólo depende del nivel de tensión o corriente, es decir, mantiene, aproximadamente, el mismo valor de tensión (o corriente) durante todo el tiempo.

Señal de tensión continua

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MANUAL DE ELECTRÓNICA SEÑAL CONTINUA PULSANTE Es una señal que varía con el tiempo. La variación se produce de un nivel de continua a otro nivel diferente de continua.

Señal de tensión continua pulsante

Hay dos posibles valores de tensión o de corriente que puede tomar la señal dependiendo del instante en el que se encuentre. El periodo y la frecuencia de esta señal se definen de igual manera que en señales alternas senoidales.

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MANUAL DE ELECTRÓNICA ANALISIS DE UNA RED SIMPLE En el análisis de cualquier red eléctrica se deben tener en cuenta los lemas de Kirchoff. El estudio realizado para una red de una malla es igual que el de una red con varias mallas eléctricas.

Malla eléctrica

El cálculo de la diferencia de potencial entre A y B, o caída de tensión entre A y B, o tensión entre A y B, conlleva el cálculo de la corriente que circula a lo largo de la malla. Para calcular la corriente I hay que aplicar el segundo lema de Kirchoff. Una vez analizadas todas las caídas de tensión en la malla, se despeja el valor de corriente I en la ecuación de la malla: I = (Vcc - Vbb ) / ( R1 + R2 + R3 ) La tensión existente entre A y B es: VAB = I x R1 VAB = ( (Vcc - Vbb ) / ( R1 + R2 + R3 ) ) X R1

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MANUAL DE ELECTRÓNICA COMPONENTES PASIVOS DENTRO DE UN CIRCUITO ELECTRICO Los componentes pasivos son aquellos componentes que, conectados en un circuito eléctrico, no modifican por si solos valores de tensión o corriente. La corriente eléctrica al atravesarlos provoca una caída de tensión entre los terminales del componente. Los componentes pasivos más comunes son: -

Resistencias. Bobinas. Condensadores.

RESISTENCIA Es un elemento que al ser atravesado por una corriente eléctrica en sus terminales se crea una caída de tensión ( VR = I x R ).

Circuito consumidor

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MANUAL DE ELECTRÓNICA BOBINA Una bobina es un arrollamiento de hilo conductor que al ser atravesado por una corriente crea un campo magnético.

Circuito de carga de una bobina

Señal exponencial de carga de una bobina

Una bobina en un circuito con señales continuas, almacena la corriente eléctrica en función de una señal exponencial de carga. En el momento en que se carga, su comportamiento en la red equivale a un cortocircuito.

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MANUAL DE ELECTRÓNICA CONDENSADOR Es un elemento que se comporta como un almacenador de energía cuando a través de él circula una intensidad. Un condensador está formado por dos placas conductoras separadas entre sí, una distancia determinada, por un dieléctrico o material aislante.

Circuito de carga de un condensador

Señal exponencial de carga de un condensador

Un condensador situado en un circuito con señales continuas, almacena energía eléctrica hasta que se carga completamente; en ese instante se comporta como un circuito abierto y no permite el paso de corriente entre sus placas conductoras. La carga de un condensador se realiza de forma ex-ponencial.

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MANUAL DE ELECTRÓNICA TEORIA DE SEMICONDUCTORES Un semiconductor es un elemento que se puede comportar como un conductor o como un aislante. Normalmente el material de fabricación suele ser Silicio (Si) o Germanio (Ge). Los semiconductores aumentan su conductividad si a su estructura se le añaden átomos de otros materiales. A la adición de átomos (impurezas) a un semiconductor se le denomina dopaje de un semiconductor. Hay dos tipos de materiales semiconductores: -

Semiconductores tipo N. Semiconductores tipo P.

TIPO N

Estructura atómica de un semiconductor tipo N.

Se forman mediante la unión de Silicio (Si) o Germanio (Ge), con cuatro electrones en su última capa denominada de valencia, con impurezas de Arsénico (As), que posee en su última capa cinco electrones. Al crearse los enlaces entre átomos de Silicio (Si) y Arsénico (As) queda un electrón libre (carga negativa), que va a ser el que moviéndose por la red atómica genere una circulación de electrones, es decir, genere una corriente eléctrica.

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MANUAL DE ELECTRÓNICA TIPO P

Estructura atómica de un semiconductor tipo P.

Se forman mediante la unión de Silicio (Si) o Germanio (Ge), con cuatro electrones en su última capa denominada de valencia, con impurezas de Indio (In), que posee en su última capa tres electrones. Al crearse los enlaces entre átomos de Silicio (Si) e Indio (In) queda un hueco libre (carga positiva), que va a ser el que moviéndose por la red atómica genere una circulación de huecos o cargas positivas. La combinación de capas de semiconductores tipo N y tipo P, da lugar a componentes utilizados en electrónica tales como diodos, transistores, etc. Estos componentes tienen distintas propiedades y modos de funcionamiento debido a sus diversas técnicas de fabricación, y a las distintas formas de combinar los materiales semiconductores.

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MANUAL DE ELECTRÓNICA DIODOS SEMICONDUCTORES Un diodo semiconductor es un componente electrónico (fabricado a partir de un material semiconductor), de dos terminales, que posee una estructura interna caracterizada por la existencia de una unión P-N. Una unión P-N es la asociación de dos tipos de semiconductores, uno de tipo N (carga negativa) y otro de tipo P (carga positiva) con el fin de conseguir componentes electrónicos que puedan funcionar como conductores o como aislantes.

TERMINALES (CONEXIONES) Y SIMBOLOGIA Los dos terminales de un diodo se denominan ánodo y cátodo. Anodo es la zona correspondiente al semiconductor de tipo P y cátodo la zona correspondiente al semiconductor de tipo N.

Unión semiconductora y terminales de un diodo

El pequeño triángulo del símbolo en forma de flecha indica el sentido convencional de corriente, de ánodo a cátodo.

Id: intensidad que circula de ánodo a cátodo. Vd: caída de tensión entre al ánodo y el cátodo. A: ánodo. K: cátodo.

Símbolo electrónico del diodo y nomenclatura utilizada

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MANUAL DE ELECTRÓNICA FUNCIONAMIENTO El comportamiento de un diodo es similar a una válvula unidireccional. El diodo sólo permite el paso de corriente en el sentido de ánodo a cátodo. Si la corriente que atraviesa el diodo va en sentido ánodo a cátodo, el diodo está en directo, y se comporta como una pila de tensión de valor tensión umbral (Vu)

Diodo polarizado en directo

Circuito equivalente de un diodo polarizado en directo

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MANUAL DE ELECTRÓNICA Cuando la corriente generada intenta circular en sentido contrario, el diodo no permite su paso, luego está en inverso. Su comportamiento equivale a un circuito abierto (interrumpido).

Diodo polarizado en inverso

Circuito equivalente de un diodo polarizado en inverso

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MANUAL DE ELECTRÓNICA CURVA CARACTERÍSTICA Curva característica de un diodo es la gráfica que relaciona la tensión entre el ánodo y el cátodo (Vd) con la corriente que lo atraviesa (Id). Para un determinado valor de tensión (Vd) existe un valor de corriente (Id) y viceversa.

-Id: intensidad por el diodo (de ánodo a cátodo). -Vd: tensión del diodo (caída de tensión entre sus terminales). -Vu: tensión umbral.

Curva característica del comportamiento de un diodo

En la zona de polarización en inverso (corte) la corriente Id es igual a cero dentro de sus límites, puesto que el diodo estaría cortado, y la tensión Vd puede tomar un valor cualquiera. En la zona de conducción o zona en directo, la tensión Vd tiene un valor de tensión constante en toda su extensión denominado tensión umbral (Vu) y la corriente que atraviesa el diodo puede tomar cualquier valor de corriente que permitan los límites del diodo.

Zonas de funcionamiento de un diodo

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MANUAL DE ELECTRÓNICA LIMITES DE RUPTURA Los límites de ruptura son los valores máximos permitidos, de corriente y de tensión, en un diodo. Estos valores vienen representados sobre la curva característica del diodo.

Ifmax: intensidad en directo máxima. Vrmax: tensión en inverso máxima. Representación de los límites de ruptura sobre la gráfica

En la curva característica del diodo hay dos limitaciones: una por corriente y otra por tensión. Si cualquiera de estos dos límites se superan, el diodo se destruye. La corriente máxima que puede atravesar el diodo en directo se denomina Ifmax; la tensión en inverso máxima entre ánodo y cátodo que puede soportar el diodo es llamada Vrmax.

ANALISIS EN UN CIRCUITO En este circuito, si la tensión de entrada es positiva el diodo está en directo, por lo que la tensión de salida será igual a la tensión que cae en el diodo, es decir, Vu. Mientras que si cambiamos la polaridad del diodo, se encontraría en inverso (circuito abierto), y la tensión de salida sería igual a la tensión de entrada.

Eg: fuente de alimentación. V: voltímetro. Ejemplo de un circuito polarizador de un diodo

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MANUAL DE ELECTRÓNICA TIPOS DE DIODOS SEGUN SU FUNCION Los diodos están clasificados dependiendo de la función que realicen dentro de un circuito. Los distintos tipos de diodos son: -

Diodo rectificador: - Rectificador de media onda. - Rectificador de onda completa. - Rectificador trifásico.

-

Diodo recortador: - Recortador de un nivel de tensión. - Recortador de dos niveles de tensión.

-

Diodo estabilizador de tensión (diodo Zener).

RECTIFICADORES. Se denomina así al diodo cuya función dentro de un circuito es la de convertir tensión alterna (AC) a continua (DC). Por ejemplo, en el automóvil la tensión alterna es generada por el alternador y a través de un rectificador se convierte en tensión continua para alimentar los diversos circuitos eléctricos.

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MANUAL DE ELECTRÓNICA RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA Este rectificador mantiene el semiciclo positivo de la onda alterna, mientras que el semiciclo negativo no es aprovechado.

Ve: tensión de entrada. A: amplitud máxima de la señal de entrada Señal de la tensión de entrada generada por un alternador

Eg: fuente de alimentación que proporciona la señal de entrada. V: voltímetro. Circuito rectificador de media onda

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MANUAL DE ELECTRÓNICA

Vcc: valor de la amplitud máxima (A) en voltios. Fase: eje de referencia escalado en grados.

Gráfico del proceso que se realiza sobre la señal de entrada por tramos

Estudiando el circuito por tramos: -

-

En el intervalo comprendido entre 0 y 180º la tensión de entrada es positiva, por lo que el diodo está en directo. Al estar en directo permite el paso de la corriente, con lo que tendremos tensión en la salida. En el siguiente intervalo comprendido entre 180º y 360º la tensión de entrada es negativa, por lo que el diodo está en inverso. Al estar en inverso no permite el paso de corriente, se comporta como un interruptor abierto, con lo que no habrá tensión en la salida. Como la señal de entrada es periódica, el estudio realizado para estos dos intervalos se repite sucesivamente.

Vs: tensión de salida.

Señal conseguida a la salida del circuito rectificador de media onda

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MANUAL DE ELECTRÓNICA RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA Este rectificador mantiene el semiciclo positivo de la señal de entrada e invierte el semiciclo negativo convirtiéndolo en positivo.

Señal de la tensión a la entrada del circuito

Circuito rectificador de onda completa para un alternador monofásico

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Gráfico del proceso que realiza el circuito rectificador

Cuando la tensión de entrada es positiva, los diodos D1 y D2 están en directo, mientras que D3 y D4 están en inverso, por lo que a la salida del circuito hay la misma tensión que a la entrada.

Con tensión de entrada positiva conducen D1 y D2

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MANUAL DE ELECTRÓNICA En cambio, cuando la tensión de entrada es negativa, los diodos que están en directo son D3 y D4, y los que están en inverso son D1 y D2, con lo que a la salida se obtiene la entrada pero cambiada de signo, es decir, se convierte a positiva la tensión de entrada negativa.

Con tensión de entrada negativa conducen D3 y D4

Señal de salida que se obtiene con el rectificador de onda completa

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MANUAL DE ELECTRÓNICA RECTIFICADOR TRIFÁSICO Este rectificador es el mismo que el rectificador de onda completa, pero la señal de entrada es generada por un alternador trifásico, por lo que en la entrada hay tres señales superpuestas.

Señal de tensión generada por un alternador trifásico

Circuito rectificador en un alternador trifásico

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MANUAL DE ELECTRÓNICA La corriente trifásica generada en el devanado del estator de un alternador, ha de ser rectificada para su utilización por los diferentes aparatos consumidores. Esta función se realiza mediante diodos dispuestos de manera apropiada formando un grupo rectificador. De este modo se obtiene una corriente continua en bornes del alternador, partiendo de la alterna que se induce en sus fases. Para aprovechar tanto las semiondas positivas como las negativas de cada fase (rectificación de onda completa), se disponen dos diodos para cada fase, uno en el lado positivo y otro en el negativo, siendo necesarios en total seis diodos en el alternador trifásico.

Gráfico que ilustra el proceso de rectificación de una señal trifásica

Tensiones de fase a la salida del circuito rectificador trifásico

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MANUAL DE ELECTRÓNICA La conducción de los diodos en cada instante de tiempo provoca en la s a l i d a una tensión compuesta, formada por la diferencia entre la fase más positiva y la fase más negativa. Así por ejemplo, en el intervalo de tiempo A, la fase más positiva es la W y la más negativa es la fase V, por lo que en la salida se tiene una tensión de fase de WV. La diferencia entre tensiones de fase se denomina tensión de línea, que es la tensión real de salida del circuito de valor máximo Vl. Para el resto de los instantes (B, C, D, E, F) el proceso es el mismo, pero con la resta de las distintas tensiones de fase que generan las respectivas tensiones de línea en la salida.

Tensiones de línea en la entrada.

Tensión de salida para cualquier circuito consumidor

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MANUAL DE ELECTRÓNICA RECORTADORES La función básica de un recortador es limitar la tensión en la carga.

RECORTADOR DE UN NIVEL DE TENSIÓN Limita la tensión a un valor máximo o mínimo determinado

Señal de tensión a la entrada del circuito

Ve = tensión de entrada al circuito. Vs = tensión de salida del circuito. Vref = fuente de tensión en continua. Circuito recortador de un nivel por abajo

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Gráfico del proceso del recortador

La tensión de entrada es una señal senoidal. En el semiciclo positivo la fuente de alimentación Ve intenta polarizar al diodo en inversa y la pila Vref (DC) en directo; en el instante en que Ve sea mayor que Vref el diodo estará polarizado en inversa y equivale a un circuito abierto; al estar en circuito abierto la corriente que atraviesa el diodo Id es cero, por lo que la tensión de salida es la misma que la entrada.

Señal a la salida del circuito recortador

Variando la posición del diodo, se consigue recortar la señal por la zona contraria; es decir, en vez de permitir el paso de señal por arriba, lo permite por abajo.

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Señal de tensión de entrada al circuito

Circuito recortador de un nivel de tensión por arriba

Gráfico del proceso que se lleva a cabo sobre la señal de entrada.

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MANUAL DE ELECTRÓNICA El recortador de la figura es similar al recortador de un nivel por abajo, simplemente la pila Vref va a intentar polarizar al diodo en inversa. Por esta razón, cuando la tensión de entrada sea negativa, el diodo está en inverso y la señal de salida es igual que la de entrada, mientras que cuando la tensión de entrada sea positiva el diodo está en directo, por lo que en la salida se fija la tensión de la pila Vref, recortando así la señal de entrada.

Señal a la salida del circuito recortador

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MANUAL DE ELECTRÓNICA RECORTADOR DE DOS NIVELES Recorta la señal de entrada entre dos límites, uno superior y otro inferior.

Señal de entrada al circuito recortador de dos niveles

Eg: generador que proporciona la tensión de entrada. Vref1: pila de tensión continua que limita por abajo. Vef2: pila de tensión continua que limita por arriba. Circuito recortador de dos niveles de tensión

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Gráfico del proceso del recortador de dos niveles

-

La forma de funcionamiento del recortador de dos niveles es idéntica que la del recortador de un nivel, con la diferencia de que los dos diodos se van a turnar en sus estados de directo e inverso: (Siendo ON diodo en directo y OFF diodo en inverso). D1 ON => D2 OFF (semiciclo negativo de Ve). D2 ON => D1 OFF (semiciclo positivo de Ve).

Señal que se obtiene a la salida de un circuito recortador de dos niveles

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MANUAL DE ELECTRÓNICA ESTABILIZADORES DE TENSIÓN Para realizar esta función se utiliza un nuevo tipo de diodo denominado diodo Zener.

DIODO ZENER Es un diodo que permite la conducción de corriente en determinadas condiciones tanto en un sentido como en el otro. El diodo zener se puede comportar como un diodo normal si hacemos que trabaje fuera de su zona zener. Zona zener es la parte de la curva característica en la cual el diodo está polarizado en inverso pero permitiendo el paso de corriente de cátodo a ánodo. En esta zona la tensión entre ánodo y cátodo toma un valor negativo constante, esta tensión es la denominada tensión zener (Vz).

A: ánodo.

Id: intensidad en directo. Vd: tensión en directo.

K: cátodo.

Iz: intensidad en inverso. Vz: tensión en inverso.

Símbolos electrónicos del diodo Zener

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MANUAL DE ELECTRÓNICA La curva característica de este diodo es similar a la de un diodo normal, pero con el añadido de que permite la conducción de corriente en la zona inversa.

Vz: tensión tener. Vu: tensión umbral.

Zonas de funcionamiento en la curva característica de un diodo Zener

El diodo Zener conduce tanto en directo como en inverso. En directo continúa fijando una tensión Vu, mientras que en inverso fija una tensión mayor denominada tensión Zener (Vz).

Ifmax: intensidad en directo máxima. Izmax: intensidad en inverso máxima.

Límites de ruptura en la curva característica de un diodo Zener

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MANUAL DE ELECTRÓNICA Ahora el límite de ruptura en inverso viene determinado por intensidad, ya que no puede superar el valor de intensidad zener máxima (Izmax), en vez de por tensión como los diodos normales. El circuito estabilizador de tensión se realiza mediante un diodo zener, el cual se polariza en inverso, de manera que fije siempre la tensión zener (Vz).

Señal de tensión de entrada al circuito

Circuito estabilizador de tensión

Vcc: tensión proporcionada a la entrada. Vz: tensión zener del diodo. Gráfico del proceso de estabilización de la tensión

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MANUAL DE ELECTRÓNICA Una tensión está estabilizada en la carga cuando no sufre variaciones ante cambios en la intensidad (dentro de un determinado rango). En el circuito del estabilizador, la tensión de entrada sufre variaciones con el tiempo, pero siempre es positiva; por lo que el diodo Zener está en inverso y fija la tensión de la carga al valor de Vz.

Señal a la salida del circuito estabilizador de tensión

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MANUAL DE ELECTRÓNICA MODULOS COMERCIALES DIODOS RECTIFICADORES CODIFICACION

VU (voltios)

IF MAX (amperios)

VR MAX (voltios)

1N4448

0,8

2

75

1N4447

1

2

75

1N4449

1

2

75

1N5624

1

80

200

1N5625

1

80

400

DIODOS ZENER CODIFICACION

VU (voltios)

VZ (voltios)

IR MAX (voltios)

BZ03 / C9V1

1,2

9

10

BZ03 / C12

1,2

12

10

BZ03 / C20

1,2

20

5

BZ03 / C62

1,2

62

2

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MANUAL DE ELECTRÓNICA TRANSISTORES BIPOLARES Un transistor bipolar consiste en tres semiconductores de tipo P o N, alternados consecutivamente formando así dos uniones P-N. Las dos uniones de un transistor dan lugar a tres regiones denominadas emisor, base y colector. A efectos de comportamiento, un transistor se puede comparar con un interruptor controlado electrónicamente

TERMINALES (CONEXIONES) Y SIMBOLOGÍA Un transistor se compone de tres zonas semiconductoras (existen dos uniones P-N). Estas zonas semiconductoras pueden ser de tipo N o de tipo P, y nunca pueden ir dos zonas del mismo tipo seguidas. Hay dos tipos de transistores bipolares: tipo P-N-P y tipo N-P-N.

E: emisor. B: base. C: colector. Regiones semiconductoras y símbolo de un transistor bipolar tipo N-P-N

E: emisor. B: base. C: colector.

Regiones semiconductoras y símbolo de un transistor bipolar tipo P-N-P

Cada zona lleva conectado un terminal. Estos terminales se denominan emisor, base y colector. La base se corresponde con el semiconductor central, ya sea un transistor PN-P como uno N-P-N.

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MANUAL DE ELECTRÓNICA CRITERIO DE CORRIENTES Y TENSIONES Los términos y la nomenclatura utilizada en el estudio de las tensiones e intensidades de los transistores bipolares son: Intensidades: (Para un transistor NPN): - Ib : intensidad que entra por la base. - Ic : intensidad entra en el colector. - Ie : intensidad que sale por el emisor. Tensiones: - Vce : tensión entre el colector y el emisor - Vbe : tensión entre la base y el emisor - Vbc : tensión entre la base y el colector

TIPO N-P-N

E: emisor B: base C: colector

Símbolo y criterio de signos en un transistor bipolar N-P-N

En el tipo de transistor NPN se cumplen unas condiciones de funcionamiento a nivel de tensiones y a nivel de corrientes que son: Ib + Ic = Ie Vce = Vbe - Vbc

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MANUAL DE ELECTRÓNICA La suma de las corrientes que entran a un nudo son iguales a la suma de las corrientes que salen del nudo. La suma de caídas de tensión a lo largo de una red es cero. Vce + Vbe + Vbc = 0

Se puede realizar una aproximación a nivel de corrientes debido a que la intensidad de base máxima (Ibmax) es aproximadamente 100 veces menor que la intensidad de colector (Ic), por tanto se toma como buena la siguiente deducción: Ic = Ie

TIPO P-N-P

E: emisor. B: base. C: colector.

Símbolo y criterio de signos en un transistor bipolar P-N-P

Este tipo de transistor trabaja exactamente igual que el de tipo N-P-N, pero con la diferencia de que cambian todos los sentidos, tanto de las tensiones como de las intensidades.

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MANUAL DE ELECTRÓNICA CURVAS CARACTERÍSTICAS Las curvas características son curvas que referencian el comportamiento del componente. En el caso de los transistores bipolares hay que analizar dos tipos de curvas. La primera es la curva característica de entrada, y relaciona la corriente de base (Ib) con la corriente de colector (Ic).

Icsat: intensidad de colector de saturación. Ibsat: intensidad de base de saturación. : factor amplificador de corriente en activa.

Curva característica de entrada en un transistor bipolar

La corriente de colector es directamente proporcional a la corriente que entra por la ). En el resto de la gráfica la base del transistor en la zona marcada en rojo ( corriente de colector no depende de la corriente de base puesto que Ic valdrá como máximo Icsat y como mínimo cero. La segunda, se denomina curva característica de salida, y en ella se relaciona la intensidad de colector (Ic) con la tensión entre el colector y el emisor (Vce), todo ello, dependiendo del valor de la intensidad de base (Ib)

Curva característica de salida para Ib1

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MANUAL DE ELECTRÓNICA Estas gráficas referencian la característica de salida con respecto a un único valor de intensidad de base (Ib). La unión de varias gráficas para distintos valores de intensidad de base genera la curva característica de salida de un transistor bipolar.

Curva característica de salida para Ib2.

Relacionando la curva característica de salida para todos los posibles valores de corriente por la base, la curva característica general para un transistor bipolar es:

Curva característica de salida de un transistor bipolar

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MANUAL DE ELECTRÓNICA RECTA DE CARGA El punto de trabajo es el punto que indica la tensión colector-emisor (Vce) y la corriente de colector (Ic) del transistor bipolar.

Curva de salida con referencia en Ib1

Recta de carga es la línea sobre la que se van a situar los posibles puntos de trabajo del transistor. Sobre la recta de carga tendremos varios puntos de trabajo dependiendo del valor de la corriente de base (Ib). Para un valor de Ib igual a Ib1 el punto de trabajo será el Q1. Para calcular la recta de carga se deben hallar los puntos de corte con los ejes de la gráfica. Observando el circuito de la figura y su curva característica de salida, la recta de carga se calculará de la siguiente forma:

Circuito de polarización de un transistor bipolar

* En el circuito existen dos redes eléctricas, la red de entrada y la de salid.

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Mallas de entrada y salida de un circuito de polarización

En la red de entrada la tensión para polarizar el transistor proviene de una fuente de tensión continua Vbb que va a generar una corriente por la base (Ib),de tal manera que las caídas de tensión que aparecen en esta red son: -

Caída de tensión entre la base y el emisor (Vbe). Caída de tensión en la resistencia Rb. Vbb = Vbe + Rb x Ib

De manera análoga las caídas de tensión en la red de salida son: -

Caída de tensión en la resistencia de colector Rc. Caída de tensión entre el colector y el emisor (Vce). Vcc = Vce + Rc x Ic. Vce = Vcc - Rc x Ic.

* Para hallar el punto de corte con el eje de Ic, supondremos que la Vce es igual a cero. En este supuesto, en el circuito la Ic tiene un valor igual a Vcc / Rc. * Para hallar el punto de corte con el eje de Vce, se supone que la Ic es igual a cero. Por lo tanto, la Vce tiene un valor igual a Vcc. * Se colocan los dos puntos de corte sobre la gráfica, y al unirlos mediante una línea, se obtiene la recta de carga del transistor.

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Recta de carga en la curva de salida

Los posibles puntos de trabajo del transistor estarán situados en las intersecciones entre la recta de carga y la curva característica de salida del transistor bipolar, dependiendo del valor de la intensidad de base (Ib).

Posibles puntos de trabajo del transistor bipolar

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MANUAL DE ELECTRÓNICA La corriente que atraviesa la base (Ib) del transistor se obtiene analizando la red de entrada: Ib = (Vbb - Vbe) / Rb. Por ejemplo, Ib = Ib1. Con la Ib1 calculada marcaremos en la característica de salida la horizontal de corriente de base sobre la que podrá trabajar el transistor.

Vcesat: tensión colector-emisor de saturación. Vcc: punto de corte de la recta de carga. Vcc/Rc: punto de corte con la recta de carga. Q1: punto de trabajo. Vce1: tensión colector-emisor en el punto de trabajo. Ic1: intensidad de colector en el punto de trabajo. Cálculo gráfico del punto de trabajo de un transistor bipolar

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MANUAL DE ELECTRÓNICA ZONAS DE FUNCIONAMIENTO El transistor puede estar polarizado en distintas zonas de funcionamiento. Estas posibles zonas de funcionamiento son tres: activa, corte y saturación.

Zonas de funcionamiento de un transistor bipolar

FUNCIONAMIENTO EN ACTIVA En la zona activa el transistor tiene una corriente de colector (Ic) mayor que cero y una Vce mayor que un límite de tensión que separa las zonas de activa y saturación llamada Vcesat. En este caso el transistor se comporta como un amplificador de corriente, ya que en la salida del circuito circulará una Ic que será la intensidad de entrada (Ib) multiplicada por un valor constante denominado . Este valor constante depende del transistor, y su valor viene dado por el fabricante en las hojas de características.

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MANUAL DE ELECTRÓNICA FUNCIONAMIENTO EN CORTE En la zona de corte, se puede observar que el transistor tiene una Ic y una Ib nulas, es decir, sus valores son iguales a cero. En este caso el transistor se comporta como un circuito abierto.

Circuito equivalente del transistor en zona de corte

FUNCIONAMIENTO EN SATURACIÓN El punto característico de la zona de saturación es que la Vce tiene un valor igual a la Vcesat. Este valor también viene determinado por el fabricante del transistor y suele aproximarse a 0.2 Voltios. En este caso, el transistor se comporta como un cortocircuito, es decir, es un interruptor cerrado.

Circuito equivalente de un transistor en zona de saturación

En la mayoría de los casos, en la electrónica del automóvil, los transistores bipolares se comportan como un relé o como un interruptor. La ventaja que se obtiene con su uso es la disminución de arcos voltaicos en el paso de conducción a corte; además el transistor se controla con señales que son más fáciles de obtener. Este sólamente trabajará en las zonas de corte (circuito cerrado) y saturación (circuito abierto) si queremos que se comporte como un relé.

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MANUAL DE ELECTRÓNICA LIMITES DE RUPTURA El transistor bipolar debe trabajar dentro de unos márgenes de tensión, corriente y potencia.

Gráfica de curva de salida con límites de ruptura Vcesat: tensión colector-emisor de saturación. Icmax: intensidad de colector máxima. Vcemax: tensión colector-emisor máxima. Pmax: máxima potencia eléctrica que puede soportar el transistor.

Un transistor bipolar se puede destruir por varias causas: -

Por sobrepasar el valor de Icmax. Por sobrepasar el valor de Vcemax. Se puede destruir un semiconductor si la potencia que soporta sobrepasa el valor de potencia máxima (Pmax). A mayor potencia eléctrica soportada mayor cantidad de calor existirá en el componente. La zona de ruptura por potencia se puede apreciar en la gráfica.

Todos los valores límite de intensidad máxima, tensión máxima y potencia máxima dependen de la fabricación del transistor. Sus valores vienen proporcionados por las hojas de características que suministra el fabricante en los DATA-BOOKS (libro de datos).

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MANUAL DE ELECTRÓNICA MONTAJE DARLINGTON Este montaje consiste en la unión de dos transistores bipolares en cascada dentro de un circuito. La unión en cascada implica que la salida del primer transistor (Ie1) es la entrada (Ib2) del segundo transistor.

Circuito electrónico con montaje Darlington

La función de este tipo de circuitos es básicamente, la de amplificar la señal de entrada. A efectos de análisis del montaje, se considera el bloque como un único transistor bipolar con un factor de amplificación constante de valor 1 x 2 (siendo 1 y 2 los respectivos factores de amplificación de cada transistor).

MODULOS COMERCIALES TRANSISTORES BIPOLARES NPN CODIFICACIÓN

VCE MAX (V)

IC MAX (A)

VCE SAT

VBE SAT (V)

IB SAT (mA)

BFY50

35

1

0,7

1,5

50

BFY51

30

1

1

1,5

50

BFY52

20

1

1

1,5

50

2N3903

40

0,2

0,2

0,85

50

2N3904

40

0,2

0,3

0,95

50

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MANUAL DE ELECTRÓNICA TRANSISTORES UNIPOLARES Los transistores unipolares, al igual que los bipolares, son componentes semiconductores de dos uniones P-N, pero que se realizan con distinta tecnología de fabricación. Este tipo de transistores tiene otra nominación que es la de transistores de campo, debido a que en su fabricación se ha conseguido que la corriente se controle por la acción del campo eléctrico existente en la unión P-N. Mientras que los transistores bipolares dan un buen rendimiento a baja frecuencia, los unipolares funcionan mejor en frecuencias altas. Dentro de los transistores unipolares existen dos tipos: los JFET (denominados simplemente FET) y los MOSFET (denominados de forma abreviada como MOS).

TRANSISTORES JFET Las siglas JFET vienen de Junction Field Effect Transistor, que traducido quiere decir Transistor de Efecto de Campo. Este tipo de transistores unipolares se utiliza mucho más que los MOSFET ya que su fabricación es mucho más barata.

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MANUAL DE ELECTRÓNICA SIMBOLOGIA Y TERMINALES Un transistor unipolar se compone de tres partes semiconductoras: la parte principal es una barra de semiconductor a la que se le hacen dos hendiduras en su superficie dándole forma de ‘H’, las otras dos partes son dos capas de material semiconducor que van colocadas en las hendiduras de la parte principal. La parte semiconductora principal puede ser de tipo P o N, mientras que las otras dos capas son del tipo contrario al de la barra principal.

Esquema de terminales y partes semiconductoras de un JFET

El JFET tiene tres terminales o conexiones que se denominan: puerta (G), surtidor (S), y drenador (D). Dependiendo de si la barra central es de tipo P o de tipo N, los transistores JFET pueden ser de canal P o canal N respectivamente. La diferencia entre un tipo u otro se distingue en el sentido que marca la flecha situada en el terminal de puerta de su símbolo.

G: puerta. D: drenador. S: surtidor o fuente.

Símbolos electrónicos de los transistores unipolares JFET

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MANUAL DE ELECTRÓNICA CRITERIO DE CORRIENTES Y TENSIONES Los sentidos de las diversas intensidades y tensiones en los terminales de un transistor unipolar JFET de canal N son los mostrados en el siguiente gráfico:

Criterio de signos de corrientes y tensiones en un JFET de tipo N

G: puerta. D: drenador. S: surtidor. Vgs: tensión puerta-surtidor.

Ig: intensidad por la puerta. Id: intensidad por el drenador. Is: intensidad por el surtidor (negativa). Vds: tensión drenador-surtidor.

A nivel de funcionamiento dentro de un circuito se suponen las siguientes aproximaciones: Ig = 0. Id = -Is. Es decir, la corriente que circula por la puerta se supone aproximadamente cero, y se supone que la corriente que circula por el drenador es la misma que la que circula por el surtidor pero en sentido contrario. Debido a la escasa utilización de los JFET de tipo P, sólamente se explicará el criterio de signos en el símbolo de los JFET de tipo N. La diferencia a nivel de signos entre los dos tipos, es que todos los sentidos de intensidades y tensiones de los de tipo P son contrarios a los asignados en los de tipo N.

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MANUAL DE ELECTRÓNICA CURVAS CARACTERÍSTICAS En el caso de los transistores unipolares, al igual que en los bipolares, también se utilizan dos tipos de curvas características: la de entrada y la de salida. La curva característica de entrada, relaciona la corriente por el drenador (Id) con la tensión existente entre los terminales de puerta y surtidor (Vgs).

Id: intensidad de drenador. Idss: intensidad de drenador máxima aprovechable. Vgs: tensión puerta-surtidor. Vp: tensión de pinch-off. Curva característica de entrada de un transistor JFET

El punto que determina que un JFET pase de corte a conducción es el valor de la tensión entre puerta y surtidor. Existe un valor, proporcionado por el fabricante, y llamado tensión de pinch-off (Vp), que es el que determina el cambio de funcionamiento. Si Vgs es menor que el valor de Vp, el transistor no conduce; mientras que si el valor de Vgs es mayor que Vp, el JFET se encuentra conduciendo. La otra curva característica es la de salida, y en ella se relaciona la corriente por el drenador (Id) con la tensión entre los terminales de drenador y surtidor (Vds), pero dependiendo del valor de la tensión entre la puerta y el surtidor (Vgs).

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Id: intensidad de drenador. Vds: tensión drenador-surtidor. Vp: tensión de pinch-off .

Idss: intensidad de drenador máxima aprovechable. Vgs: tensión puerta-surtidor. BVds: tensión drenador-surtidor máxima aprovechable.

Curva característica de salida de un JFET

Cada línea es representada para un valor determinado de Vgs, así la unión de dichas líneas referencia la curva característica de salida global, esto es, para distintos valores de tensión entre la puerta y el surtidor (Vgs1, Vgs2, Vgs3, etc.).

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MANUAL DE ELECTRÓNICA ZONAS DE FUNCIONAMIENTO Este tipo de transistores puede estar polarizado en diversas zonas de funcionamiento: corte, óhmica, saturación y ruptura.

Zonas de funcionamiento reflejadas sobre la curva de salida

ZONA DE CORTE En este estado de funcionamiento el transitor JFET equivale eléctricamente a un circuito abierto entre sus terminales de drenador y surtidor. Por lo tanto, no circula corriente por él.

ZONA OHMICA Eléctricamente, el JFET se comporta como si hubiera un potenciómetro entre el drenador y el surtidor. La peculiaridad de este potenciómetro o resistor variable es que su resistencia no varía manualmente o mecánicamente, sino que su variación es controlada por la tensión entre puerta y surtidor (Vgs). Es decir, la resistencia entre drenador y surtidor (Rds) toma diferentes valores para distintos valores de Vgs.

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MANUAL DE ELECTRÓNICA ZONA DE SATURACION En esta zona, el transistor unipolar equivale a un generador de corriente continua, cuyo valor depende de la Vgs aplicada. Esto es debido a que el valor de la intensidad que circula por el drenador (Id), permanece constante e invariante aunque se cambie el valor de la tensión entre el drenador y el surtidor (Vds). El JFET entra en esta zona de funcionamiento cuando la tensión drenador-surtidor (Vds) supera el valor de tensión de pinch-off (Vp).

ZONA DE RUPTURA Es una zona en la que, por diversas causas, tiene lugar un rápido crecimiento de la corriente por el drenador, lo que lleva a la ruptura de la unión semiconductora P-N situada en la parte del drenador. Esta zona también marca un límite en la tensión entre el drenador y el surtidor (Vds) que no se puede superar, este valor máximo de tensión se denomina BVds. Esta zona apenas se utiliza, ya que el componente pierde sus propiedades semiconductoras. Trabajar en esta zona supone hacer funcionar al transistor con corrientes y tensiones elevadas, lo que puede hacer que el componente se rompa.

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MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITO AUTOPOLARIZADO

Circuito autopolarizador de un transistor unipolar JFET

A este circuito se le llama así porque mediante la disposición de resistencias y la fuente de alimentación continua Vdd, se consigue que el transistor JFET nunca esté funcionando en la zona de corte. Esto se debe a que el valor de tensión entre la puerta y el surtidor (Vgs) nunca va a ser inferior al valor de la tensión de pinch-off (Vp). Luego el circuito autopolarizado sólo puede estar funcionando en la zona de saturación o en la zona óhmica. Cuando se encuentra en saturación, equivale a un generador de corriente continua de valor Id:

D: terminal de drenador. S: terminal de surtidor. Id: generador de corriente constante de valor Id. Circuito equivalente de un transistor JFET en saturación

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MANUAL DE ELECTRÓNICA En cambio, cuando se encuentra en zona óhmica, equivale a una resistencia variable de valor Rds:

D: terminal de drenador. S: terminal de surtidor. Rds: resistencia entre los terminales del drenador y el surtidor. Circuito equivalente de un transistor JFET en zona óhmica

TRANSISTORES MOSFET Las siglas MOSFET vienen de Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transitor, que significa Transistor Semiconductor de Efecto de Campo con Oxido de Metal. En la actualidad se ha conseguido abaratar la fabricación de este tipo de transistores unipolares, por lo que están siendo utilizados para sustituir a los tiristores. La razón fundamental de este cambio es que se controlan por tensión y no hacen falta los circuitos de bloqueo adicionales que utilizan los tiristores, estos circuitos se verán en el próximo capítulo dedicado a los tiristores.

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MANUAL DE ELECTRÓNICA SIMBOLOGIA Y TERMINALES (CONEXIONES) Este tipo de transitores unipolares está fabricado con una barra principal semiconductora de tipo P o N, y dos zonas transversales de semiconductor de tipo contrario al de la barra principal. Pero con la diferencia con respecto a los JFET de que la capa superior es de material dieléctrico (aislante) y aisla el terminal de puerta (G) del resto del componente.

G: terminal de puerta. D: terminal de drenador. S: terminal de surtidor o fuente. Terminales y partes semiconductoras de un transistor unipolar MOSFET

Con esta peculiar forma de fabricación se consigue crear un campo eléctrico entre el terminal de puerta y el material dieléctrico; esto, eléctricamente, equivale a que haya un condensador entre estas dos partes, lo que provoca que la corriente por el terminal de puerta sea cero.

G: terminal de puerta. D: terminal de drenador. S: terminal de surtidor.

Símbolos electrónicos de los transistores MOSFET.

Al igual que los JFET, tienen tres terminales: puerta, drenador y surtidor. Dependiendo de si la barra central del componente es de un tipo u otro de semiconductor, existen dos tipos de transistores MOSFET: de canal P o de canal N. Sus respectivos símbolos se diferencian entre ellos en que la flecha pintada sobre el terminal del surtidor tiene sentido contrario.

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MANUAL DE ELECTRÓNICA CRITERIO DE CORRIENTES Y TENSIONES Como siempre, estos dos tipos se diferencian en que todos los sentidos de corriente y tensión definidos en un MOSFET de tipo N, son de sentido contrario en uno de tipo P.

Ig: intensidad por la puerta. Id: intensidad por el drenador. Is: intensidad por el surtidor o fuente.

Vgs: tensión puerta-surtidor. Vds: tensión drenador-surtidor.

Criterio de signos de tensiones y corrientes de un MOSFET de canal N

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MANUAL DE ELECTRÓNICA CURVAS CARACTERÍSTICAS Se utilizan dos curvas características: la de entrada y la de salida. La curva característica de entrada relaciona la corriente que circula por el drenador (Id) con la tensión entre la puerta y el surtidor (Vgs).

Id: intensidad por el drenador. Vgs: tensión puerta-surtidor. Vt: tensión umbral. Curva característica de entrada de un transistor MOSFET.

En este caso el valor de tensión que identifica el límite en el cual se pasa de conducción a corte se llama tensión umbral (Vt). Si Vgs es mayor que este valor, el transistor M O S F E T e s t á c o n d u c i e n d o ; m i e n t ra s q u e s i e s m e n o r n o c o n d u c e . La curva característica de salida relaciona la intensidad por el drenador (Id) con la tensión existente entre los terminales del drenador y el surtidor (Vds).

Id: intensidad de drenador. Vds: tensión drenador-surtidor. Idss: intensidad de drenador máxima aprovechable. gs: tensión puerta-surtidor. Vt: tensión umbral. BVds: tensión drenador-surtidor máxima aprovechable.

Curva característica de salida de un transistor MOSFET

En esta curva, cada línea continua referencia un valor de tensión entre la puerta y el surtidor (Vgs) distinto.

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MANUAL DE ELECTRÓNICA ZONAS DE FUNCIONAMIENTO Al igual que en los transitores JFET, los MOSFET tienen las mismas cuatro zonas de funcionamiento.

Zonas de funcionamiento de un transistor unipolar MOSFET

ZONA DE CORTE El transistor MOSFET equivale eléctricamente a un circuito abierto entre los terminales del drenador y el surtidor. Se comporta como un interruptor desconectado, situado entre los dos terminales.

ZONA OHMICA El MOSFET equivale a una resistencia variable conectada entre el drenador y el surtidor. El valor de esta resistencia varía dependiendo del valor que tenga la tensión entre la puerta y el surtidor (Vgs).

ZONA DE SATURACION El transistor entra en esta zona de funcionamiento cuando la tensión entre el drenador y el surtidor (Vds) supera un valor fijo denominado tensión drenador-surtidor de saturación (Vdssat); este valor viene determinado en las hojas características proporcionadas por el fabricante. En esta zona el MOSFET mantiene constante su corriente por el drenador (Id), independientemente del valor de tensión que halla entre el drenador y el surtidor (Vds). Por lo tanto, el transistor equivale a un generador de corriente continua de valor Id.

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MANUAL DE ELECTRÓNICA ZONA DE RUPTURA Esta zona apenas se utiliza porque el transistor MOSFET pierde sus propiedades semiconductoras y se puede llegar a romper el componente físico. La palabra ruptura hace referencia a que se rompe la unión semiconductora de la parte del terminal del drenador.

EJEMPLO DE CIRCUITO POLARIZADOR DE UN MOSFET

Circuito de polarización de un transistor MOSFET.

En este circuito se sabe que la fuente de alimentación de continua Vdd tiene un valor en voltios superior al valor de tensión umbral del MOSFET (Vt). Esto implica que el MOSFET está en zona de conducción, porque Vgs > Vt. Como la tensión entre la puerta y el surtidor (Vgs) tiene el mismo valor que la tensión existente entre el drenador y el surtidor (Vds), el transistor unipolar se encuentra funcionando en zona de saturación. Esto implica que el MOSFET equivale, eléctricamente, a un generador de corriente continua y constante de valor Id:

Circuito equivalente de un transistor MOSFET en saturación.

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MANUAL DE ELECTRÓNICA LIMITES DE RUPTURA La utilización de transistores unipolares en circuitos electrónicos, tanto JFET como MOSFET, exige, como en cualquier otro componente, conocer sus limitaciones de trabajo.

Idmax: intensidad drenador máxima. BVgs: tensión puerta-surtidor máxima.

Curva de entrada referenciada con límites de ruptura.

Los transistores unipolares están limitados en tres magnitudes eléctricas: -

En tensión: no se puede superar el valor máximo de tensión entre la puerta y el surtidor. Este valor se denomina BVgs. Tampoco se puede superar un valor máximo de tensión entre el drenador y el surtidor denominado BVds. En corriente: no se puede superar un valor de corriente por el drenador, conocido como Idmax. En potencia: este límite viene marcado por Pdmax, y es la máxima potencia que puede disipar el componente.

Idmax: intensidad de drenador máxima. BVds: tensión drenador-surtidor máxima. Pdmax: potencia eléctrica máxima.

Curva de salida referenciada con límites de ruptura.

Todos estos valores que marcan los límites de ruptura del transistor unipolar vienen referenciados en las hojas de características (DATA-BOOK) proporcionadas por el fabricante.

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MANUAL DE ELECTRÓNICA TIRISTORES Un tiristor es un componente electrónico formado mediante la unión de cuatro capas semiconductoras, dos de tipo P y dos de tipo N alternadas. Un tiristor se puede definir como un diodo controlado mediante un terminal. El terminal de control se denomina puerta (G) y tiene como función la de hacer que el tiristor pase a estado de conducción o directo. El terminal de puerta también se denomina electrodo de gobierno.

TERMINALES Y SIMBOLOGIA Existen dos tipos de tiristores NPNP y PNPN dependiendo de la combinación de capas semiconductoras. Los terminales del tiristor se denominan ánodo (A), cátodo (K) y el terminal de control o puerta (G).

A: ánodo K: cátodo G: puerta

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MANUAL DE ELECTRÓNICA CRITERIO DE CORRIENTES Y TENSIONES

-Iak: intensidad que circula de ánodo a cátodo. -Ig: intensidad por la puerta. -Vgk: tensión existente entre la puerta y el cátodo. -Vak: tensión entre ánodo y cátodo.

Símbolo electrónico del tiristor

A diferencia de los transistores bipolares, la corriente que entra por el ánodo es la misma que sale por el cátodo (Iak): Ia = Ik = Iak Siendo Ia la intensidad por el ánodo, Ik la intensidad por el cátodo, y la intensidad total, Iak, la que circula desde el ánodo hasta el cátodo.

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MANUAL DE ELECTRÓNICA CURVAS CARACTERÍSTICAS El tiristor tiene dos curvas características: la curva de salida y la curva de entrada.

Vgk: tensión puerta-cátodo. Ig: intensidad por la puerta. Vu: tensión umbral. Curva característica de entrada de un tiristor

La curva característica de entrada va a relacionar la corriente por la puerta (Ig) con la tensión entre la puerta y el cátodo (Vgk). La gráfica de entrada es idéntica a la curva característica de un diodo normal.

Vr: tensión en inverso. Vmax: tensión máxima en conducción. Vh: tensión de mantenimiento. Ih: corriente de mantenimiento. Curva característica de salida de un tiristor para Ig = 0

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MANUAL DE ELECTRÓNICA La curva característica de salida relaciona la corriente que pasa del ánodo al cátodo (Iak) con la tensión entre el ánodo y el cátodo (Vak). Para valores negativos de tensión ánodo-cátodo (Vak) el tiristor se comporta como un diodo polarizado en inverso por lo que equivale a un circuito abierto entre el ánodo y el cátodo.

Vr: tensión en inverso. Vh: tensión de mantenimiento. Ih: corriente de mantenimiento. Curva característica de salida para Ig > 0

La curva característica de salida es distinta si se varían valores de corriente por la puerta (Ig). En los tiristores en el momento en que la corriente de puerta sea distinta de cero, la característica de salida varía y se elimina el pico que hay en la gráfica de la curva de salida.

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MANUAL DE ELECTRÓNICA RECTA DE CARGA El punto de trabajo en un tiristor indica la corriente que circula desde el ánodo hasta el cátodo (Iak) y la tensión existente entre el ánodo y el cátodo (Vak).

Eg: generador de tensión de onda cuadrada. Vcc: fuente de tensión en continua. TH: tiristor.

Circuito de polarización de un tiristor

Para calcular la recta de carga del tiristor hay que calcular los puntos de corte con los ejes Vak e Iak. Analizando las caídas de tensión en la red de salida la ecuación de salida es: Vak = Vcc - Iak x R Haciendo Iak cero y calculando en esta situación la Vak respecto de la ecuación de salida se llega a la conclusión: Vak = Vcc

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MANUAL DE ELECTRÓNICA De manera análoga haciendo Vak cero y calculando en esa situación Iak respecto de la ecuacción de salida, se obtiene: Iak = Vcc / R Con los valores de Iak y Vak calculados se traza la recta de carga.

Gráfico de la recta de carga del tiristor para el circuito de polarización

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MANUAL DE ELECTRÓNICA ZONAS DE FUNCIONAMIENTO

Zonas de funcionamiento de un tiristor

Hay tres zonas sobre las que puede trabajar un tiristor: -

Bloqueo: el tiristor se comporta como un diodo polarizado en inverso, es decir, como un circuito abierto por el que no podrá circular corriente desde el ánodo hasta el cátodo. Resistencia negativa: es una zona muy inestable en la que el tiristor no debe nunca trabajar. Conducción: el tiristor se comporta como un diodo polarizado en directo, es decir, como un cortocircuito. En esta zona circula corriente desde el ánodo hasta el cátodo (Iak). Q1, Q2, Q3: posibles puntos de trabajo del tiristor

Intersecciones de la recta de carga con la curva de salida para Ig = 0

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MANUAL DE ELECTRÓNICA Si no se genera corriente por la puerta del tiristor, los cortes de la recta de carga con la curva característica de salida para un valor de corriente por la puerta (Ig) igual a cero son tres: Q1, Q2 y Q3. Hay tres puntos de corte entre las dos curvas, cada punto de corte está situado en una zona distinta. Para saber qué punto es el correcto hay que tener en cuenta el estado anterior en el que se encontraba el tiristor. Si el tiristor estaba bloqueado (diodo en inverso) el punto correcto es el Q1 (bloqueo). Si por el contrario el tiristor estaba en conducción, el punto correcto es Q3 (conducción). El punto Q2 se desestima porque es improbable que el tiristor estuviera trabajando en zona de resistencia negativa.

Intersección de la recta de carga con la curva de salida para Ig > 0

Al generar un impulso de corriente por la puerta la curva característica varía, con lo que también cambian los puntos de corte entre ambas rectas. Con una corriente de puerta (Ig) mayor que cero sólo hay un punto de corte Q3 que está situado en la zona de conducción. Por lo tanto en esta situación el tiristor se comporta como un diodo en directo.

Circuito equivalente para un tiristor en conducción

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MANUAL DE ELECTRÓNICA Estando el tiristor en la zona de conducción si se retira el pulso de corriente por la puerta (Ig = 0) se obtiene la curva característica para una corriente por la puerta igual a cero.

Posibles puntos de trabajo después de retirar el pulso de corriente con Ig = 0

Existen tres puntos de corte entre la recta de carga y la curva de salida que son Q1, Q2 y Q3 . Como el tiristor, al retirar el pulso de corriente, estaba en conducción, el punto válido es Q3. Se define corriente de mantenimiento (Ih) y tensión de mantenimiento (Vh), no explicadas anteriormente, como: -

Corriente de mantenimiento (Ih): es el mínimo valor que debe tomar la corriente ánodo-cátodo para que al retirar el pulso de corriente por la puerta, el tiristor permanezca en estado de conducción. Tensión de mantenimiento (Vh): es el mínimo valor de tensión ánodo-cátodo que debe existir para que al retirar el pulso de corriente por la puerta el tiristor permanezca en estado de conducción.

Punto de trabajo después de generar el pulso de coriente con Ig > 0

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Circuito equivalente para un tiristor en bloqueo

Si en el momento de retirar el pulso de corriente por la puerta (Ig) el punto de trabajo Q3 (Iak3, Vak3) no se encuentra por encima del punto de mantenimiento Qh (Ih, Vh), el tiristor pasa a funcionar en zona de bloqueo y se comporta como un diodo en inverso.

Q3: punto de trabajo del tiristor. Ih: intensidad de mantenimiento. Iak3: corriente ánodo-cátodo en Q3. Vh: tensión de mantenimiento. Vak3: tensión ánodo-cátodo en Q3. Punto de trabajo sobre curva de salida con Ig > 0.

El tiristor está trabajando en Q3 por encima del punto Qh, en esta situación el tiristor está conduciendo independientemente de que se retire o no el pulso de corriente por la puerta.

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Recta de carga negativa sobre curva de salida

Se plantea un problema cuando se quiere que un tiristor que está conduciendo pase a corte o bloqueo. La única manera que hay de conseguir el bloqueo de un tiristor, es conseguir que la tensión entre el ánodo y el cátodo sea negativa o bien que la corriente que circula desde el ánodo hasta el cátodo sea también negativa. Con esto se consigue variar la recta de carga hasta zonas de trabajo en las que se comporta como un diodo en inverso. Para lograr el bloqueo de tiristores hay que situar circuitos adicionales de bloqueo. Actualmente, este inconveniente está motivando que el tiristor deje de existir, a medio plazo, y su lugar sea ocupado por los transistores de potencia unipolares.

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MANUAL DE ELECTRÓNICA LIMITES DE RUPTURA Como cualquier componente, los tiristores también tienen unos valores máximos permitidos, a partir de los cuales se destruyen.

Límites de ruptura de un tiristor.

Iakr: intensidad ánodo-cátodo de ruptura. Vakr: tensión ánodo-cátodo de ruptura. Un tiristor puede perder sus características semiconductoras por alguna de las siguientes causas: -

Tensión Vak > Vakr. Corriente Iak > Iakr. Corriente Ig > Igmax. Tensión Vgk > Vgkr. Potencia Pd > Pdmax.

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MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITO DE APLICACIÓN El siguiente circuito representa una aplicación básica de un tiristor. El generador Eg1 crea el pulso de corriente por la puerta del tiristor, para rectificar la señal alterna de salida, generada por Eg. La función de este circuito es equivalente a un rectificador de media onda, pero con la ventaja de que el tiristor (diodo controlado) entra en conducción cuando se desee.

Eg: generador de tensión de onda alterna senoidal. Eg1: generador de tensión de onda cuadrada. Circuito de polarización con tensión alterna en la salida.

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Funcionamiento del circuito mediante las gráficas de las señales

TH ON : tiristor en conducción. f1: fase de disparo del tiristor. Vak1: tensión ánodo-cátodo en el tiristor. TH OFF: tiristor en bloqueo. Ig1: amplitud del pulso de corriente por la puerta. Iak1: corriente ánodo-cátodo del tiristor. * En el intervalo de tiempo comprendido entre 0º y la fase f1º el tiristor está bloqueado, puesto que todavía no se ha generado el pulso de corriente por la puerta (Ig). El tiristor se comporta como un diodo en inverso y el circuito equivalente en la salida es:

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Circuito equivalente de salida con el tiristor en bloqueo.

En este intervalo la tensión entre el ánodo y el cátodo del tiristor es igual a la tensión proporcionada por el generador de tensión alterna Eg. * En la fase f1 un pulso de corriente generado por el generador de impulsos hace que la corriente por la puerta del tiristor sea mayor que cero. En este instante se modifica la curva característica de salida y hace que el tiristor pase a conducción, con lo cual se comporta como un cortocircuito. Desde f1 hasta 180º el circuito equivalente de salida es:

Circuito equivalente de salida con el tiristor en conducción.

En este intervalo la tensión entre ánodo y cátodo del tiristor es igual a cero, puesto que está cortocircuitado. * Desde 180º hasta 360º la tensión Vak, al ser igual a la proporcionada por el generador de alterna Eg, pasa a valores negativos que fuerzan el bloqueo natural del tiristor sin necesidad de circuitos de bloqueo adicionales. Los tiristores suelen ser utilizados en aplicaciones que requieren componentes con unos límites eléctricos de ruptura muy grandes. El tiristor es utilizado en la industria del automóvil como un: -

Relé. Rectificador controlado. Interruptor.

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MANUAL DE ELECTRÓNICA MODULOS COMERCIALES TIRISTORES CODIFICACION

VAK MAX (V)

IAK MAX (A)

IG MAX (mA)

2N4441

50

8

60

2N4442

200

8

60

2N4443

400

8

60

2N4444

600

8

60

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MANUAL DE ELECTRÓNICA APLICACIONES DE ELECTRONICA ANALOGICA AVISADOR ACUSTICO DE FRENO DE MANO El avisador acústico de freno de mano es un circuito electrónico que permite la activación de un zumbador sonoro, dependiendo de si el freno de mano está activado o no.

Circuito avisador acústico de freno de mano

El interruptor del circuito es un microinterruptor colocado de forma que al desactivar el freno de mano, se cierra. Al cerrarse, la corriente proporcionada por la fuente de tensión se deriva a masa con lo que el transistor bipolar P-N-P está cortado, por lo tanto el zumbador no es alimentado. Al activar el freno de mano el microinterruptor pasa a estar abierto, con lo que el transistor bipolar entra en conducción permitiendo el paso de corriente hasta el zumbador, activándolo, y emitiendo por lo tanto un zumbido.

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MANUAL DE ELECTRÓNICA ETAPA DE ACTUACION SOBRE LOS ELECTROINYECTORES La cantidad de gasolina pulverizada en la mezcla aire-combustible está controlada por un elemento electromecánico denominado electroinyector.

Etapa de actuación sobre un electroinyector

La centralita controla, mediante una señal cuadrada, la base del transistor bipolar. El transistor funciona como un interruptor cuya función es alimentar o desalimentar al electroinyector. Cuando la señal proporcionada por la centralita está a nivel alto el transistor entra en saturación, por lo que permite la conducción de corriente eléctrica y la bobina del electroinyector está alimentada, por lo que el electroinyector pulveriza gasolina; está pulverizando gasolina tanto tiempo como dure el pulso a nivel alto de la señal de control de la centralita. Cuando la señal de control está a nivel bajo, el transistor se encuentra en corte por lo que impide el paso de corriente. En esta situación la bobina del electroinyector no está alimentada y además se descarga por medio de Rc. El tiempo de duración del pulso a nivel bajo es el mismo tiempo en el que la bobina del electroinyector no está alimentada y no pulveriza gasolina.

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MANUAL DE ELECTRÓNICA ENCENDIDO POR CARGA DE CONDENSADOR CON TRANSISTOR UNIPOLAR La ventaja del encendido por carga de condensador radica en el aprovechamiento máximo, en la etapa de explosión, de la energía proporcionada por la bujía. Esto es debido a que con este tipo de encendido se consigue un incremento notable en la energia que cede el circuito almacenador del primario al secundario.

Encendido por carga de condensador con transistor unipolar

El generador de onda cuadrada emite una señal de control que a nivel alto de tensión polariza el transistor unipolar en zona óhmica y permite la conducción; mientras que a nivel bajo de tensión polariza el transistor unipolar en zona de corte, impidiendo la conducción de corriente. Cuando la señal está a nivel bajo el transistor está cortado y el condensador se carga a través de la resistencia R1 con la tensión proporcionada por el generador de tensión continua Vcc, en esta situación el diodo se encuentra en directo y permite la carga del condensador. Cuando la señal está a nivel alto el transistor conduce y se comporta como una resistencia (zona óhmica), con lo que el condensador se descarga a través de ella, de Rd, de Rs y de la bobina del primario del transformador. Esto es posible gracias a que el diodo se encuentra en inverso y no permite el paso de corriente a través de él. En el momento de inicio de la descarga, la bobina del primario no tiene energía. A medida que el condensador se va descargando la bobina se va cargando con la energía del condensador, y ésta, a su vez, induce una tensión en la bobina del secundario provocando un arco voltaíco en los electrodos de la bujía.

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MANUAL DE ELECTRÓNICA ENCENDIDO POR CARGA DE CONDENSADOR CON TIRISTOR Este circuito es el mismo que el de encendido por carga de condensador con transistor unipolar, pero cambiando el transistor unipolar por un tiristor.

Encendido por carga de condensador con tiristor

La fuente de tensión que controla el tiristor debe variar entre valores que corten o disparen el tiristor. El funcionamiento de este circuito es similar al anterior. Cuando se dispara el tiristor, éste conduce y el condensador se descarga por medio de Ra, Rk y la bobina del primario; mientras que cuando se bloquea el tiristor, éste no conduce y el condensador se carga a través de R1 con una tensión de valor Vcc.

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Manual de electrónica aplicada al automóvil 1

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