SH5002-7H_ESN

Curso EloTrain: «Componentes semiconductores»

Curso EloTrain «Componentes semiconductores»

Curso n.°:SH5002-7H versión 2.0 Autor: Equipo de autores de Lucas-Nülle

1

Índice El sistema EloTrain

4

Material

5

Placa de conexiones y conectores puente

6

Juego de componentes

7

Instrucciones para la experimentación

Introducción a los semiconductores

10

17

Conductores, aislantes y semiconductores

18

Modelo atómico

20

Electrones libres

23

Estructura del cristal de silicio

24

Resistividad de los semiconductores

26

Conductividad y respuesta a la temperatura

27

Dopaje

29

Diodos en circuitos de corriente continua y alterna

31

Metas de aprendizaje e introducción

32

Ejercicio: Efecto de válvula de un diodo

35

Ejercicio: Curva característica del diodo

39

Rectificadores puente y de semionda

44


45

Ejercicio: Rectificador de semionda

50

Ejercicio: Rectificador puente

56

Diodo luminoso

63


64

Ejercicio: Diodo luminoso

68

Diodo Zener

73


74

Ejercicio: Diodo Zener

76

Transistores bipolares

80 2


81

El transistor como conmutador

84


85

Ejercicio: Respuesta en tensión continua

87

Curvas características de los transistores

90

Ejercicio: Respuesta en tensión alterna

91

Ejercicio: Características de control

95

Ejercicio: Curva característica de entrada

101

Ejercicio: Curva característica de salida

105

Circuitos sencillos de transistores

110


111

Ejercicio: Circuito de emisor común

113

Ejercicio: Circuito de colector común

117

Transistor de efecto de campo (FET)

122


123

Transistor de efecto de campo con unión (JFET)

127


128


132

Transistor de efecto de campo de metal óxido semiconductor (MOSFET)

136


137


141

Tiristor

146


147

Ejercicio: Curva característica del tiristor

149

Ejercicio: El tiristor como conmutador

153

Ejemplo práctico: Regulador («dimmer»)

158


159

Ejercicio: DIAC

161

Ejercicio: TRIAC

166

Copyright

170

3

El sistema EloTrain

4

Material

A

CO3535-5H

Panel EloTrain de piezas para insertar de 4 mm

B

CO3538-8N

Multi-Power-Supply

C

LM6210

Osciloscopio digital con memoria

D

LM2332

Instrumento multifunción de medición

PS41xx-xx

Diversos componentes EloTrain para insertar (se enumeran en la página denominada «Juego de componentes»)

SO5146-1M

Puentes de cable y conectores puente

5

Placa de conexiones y conectores puente

Todas las piezas de experimentación se montan sobre una placa de conexiones, soporte firme que brinda un contacto eléctrico seguro entre las piezas que se insertan y los nodos de la placa. La ventaja de este tipo de módulos radica en la facilidad que brindan para configurar circuitos en cascada.

Cada nodo consta de 1 casquillo de seguridad de 4 mm y de 4 de 2 mm conectados y aislados eléctricamente entre sí. Si se requiere establecer un nexo entre ellos, es necesario insertar un conector puente de 2 mm (distancia de separación entre los pines de 7,5 mm).

Las estructuras de bus están diseñadas para suministrar tensión a muchos puntos de la placa utilizando uti lizando solo unos pocos conectores puente.

El contacto dirigido hacia los componentes para insertar o establecido entre ellos se realiza en cada caso con un conector puente de 2 mm. Este establece un vínculo entre dos piezas o entre el terminal de conexión de una de ellas y un cable.

6

Juego de componentes El sistema EloTrain ofrece una gran variedad de diferentes componentes que se pueden insertar en la placa. El conjunto de piezas para los cursos de Electrotecnia y Electrónica contiene un equipamiento optimizado, que permite la realización de numerosos experimentos.

• Componentes electromecánicos

• Resistores

• Resistores no lineales

• Condensadores electrolíticos

• Bobinas

• Ledes

• Diodos

• Potenciómetros

• Condensadores

• Altavoces

• Bombillas

• Diodos Zener

• Amplificadores operacionales

• Inductancias

• Transistores

• Rectificadores controlados de silicio

7

Juego de piezas para el curso de Componentes semiconductores En esta unidad didáctica se emplean los siguientes componentes:

Número de identificación

Denominación

Cantidad

PS4123-3B

Diac DB3

1

PS4122-7C

Diodoe 1N4007

4

PS4122-2C

Condensador de 0,47 µF

1

PS4122-2E

Condensador de 1 µF

1

PS4122-4D

Condensador de 10 µF+

1

PS4123-8P + PS4123-8R

Portabombillas y bombilla

1

PS4121-8G

Potenciómetro de 10k

1

PS4121-8D

Potenciómetro de 1k

1

PS4123-7G

Conmutador

1

PS4123-7B

Pulsador

1

PS4123-3F

Tiristor MCR100-6

1

PS4123-1G

Transistor BD237

1

PS4123-1C

Transistor BC547B

1

PS4123-2G

Transistor BS170

1

PS4123-2H

Transistor J2N3819

1

PS4123-3G

Triac MAC 97A6

1

PS4121-2N

Resistor de 100 Ω

1

PS4121-2U

Resistor de 330 Ω

1

PS4121-3A

Resistor de 680 Ω

1

PS4121-3A

Resistor de 1 kΩ

2

PS4121-3L

Resistor de 4,7 kΩ

2

8

PS4121-3Q

Resistor de 10 kΩ

3

PS4121-3U

Resistor de 22 kΩ

1

PS4121-4A

Resistor de 47 kΩ

1

PS4121-4E

Resistor de 100 kΩ

1

PS4122-8A

Diodo Zener ZPD 4.7

1

9

Instrucciones para la experimentación

El sistema de experimentación Durante la realización de los ejercicios de este curso le servirán de ayuda diferentes tipos de imágenes (diagramas de circuito, esquemas de montaje, instrumentos de medición) además de la fuente de alimentación Multi-Power-Supply, que le proporcionarán la siguiente información: Cantidad y tipo de componentes, cables y conectores puente necesarios. Informaciones acerca de los componentes. Posición de las piezas en el montaje de los circuitos y durante la realización de las mediciones. Alimentación necesaria de energía de la red para una ejecución ejecución correcta de los ejercicios ejercicios y una obtención de resultados convincentes.

Diagramas de circuito Estos diagramas proporcionan información acerca de los diferentes módulos. Se muestran también las denominaciones y valores de cada componente.

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(N. del T.: En algunas imágenes y animaciones de este curso aparece la letra U, que corresponde al símbolo alemán usado para tensión (V). Por otra parte, también se emplean las abreviaturas alemanas de «e» («Eingang», es decir «entrada» o «input») y «a» («Ausgang», es decir «salida» o «output»); por lo tanto, Ue = Vin y Ua = Vout).

Esquema de montaje Nota: Los montajes que aparecen en este curso son únicamente propuestas de la manera en que se podría configurar un circuito o llevar a cabo un ejercicio. Naturalmente, usted se encuentra en plena libertad de crear sus propios modelos de experimentación. A continuación aparece aparece un ejemplo del aspecto que que podría tener un montaje sobre la placa placa de conexiones: Las pequeñas líneas negras, que indican una conexión, representan a los conectores puente. Las líneas rojas muestran la conexión a la l a tensión de alimentación. Los componentes se representan por medio de los mismos símbolos que aparecen en el juego de piezas. Las conexiones de instrumentos de medición se muestran por medio de un conector rotulado con su identificación respectiva.

11

12

Instrumentos de medición Para el desarrollo de los ejercicios, se cuenta con diferentes dispositivos de medición:

Multímetro:

El multímetro es un instrumento versátil, útil para mediciones generales de circuitos eléctricos, al igual que para las áreas de Ingeniería de Instalaciones donde se presenten tensiones de hasta 1.000 V. Tenga en cuenta que no se pueden realizar simultáneamente todas las mediciones.

Por favor, observe que los instrumentos de medición solo muestran valores precisos si el cableado es correcto.

Osciloscopio:

Este tipo de instrumento cuenta con muchas posibilidades de conexión y configuración. Es por esto que, al inicio de cada ejercicio, con fines de asistencia, se indican ajustes de orientación que podrían resultar adecuados para el ejercicio en estudio. No obstante, siéntase en plena libertad de seleccionar las opciones de su preferencia.

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La fuente de tensión Multi Power Supply

Este equipo constituye una fuente de alimentación multifunción para todos los ejercicios a realizarse con el sistema de piezas para insertar. Todas las salidas están protegidas contra sobrecarga y cortocircuitos.

La fuente Multi-Power contiene 5 módulos funcionales: Fuente de tensión fija Tras la activación del equipo por medio del interruptor 1, en las salidas se cuenta con 3 tensiones continuas y reguladas. Estos terminales están protegidos electrónicamente contra sobrecargas y cortocircuitos. 3: 12 V, tras la activación del pulsador 2 se tiene una tensión de 15 V. 4: 5 V 14

5: Conexión a tierra para todas las tensiones continuas y la del generador de funciones. 6: - 15 V

Tensión continua regulable Tras la activación del pulsador 7 se cuenta para la experimentación con una tensión continua variable y regulable de hasta 30 V. 7: Pulsador para activación y desactivación de la t ensión continua ajustable del terminal 9. 8: Potenciómetro para el ajuste de tensión del terminal 9. 9: Tensión de salida ajustable.

Generador de funciones El generador de funciones suministra en dos salidas una tensión alterna modificable en amplitud, frecuencia y en lo concerniente a la forma de la curva. Las salidas están protegidas electrónicamente contra sobrecargas y cortocircuitos. 10: Pulsador para la activación y desactivación del generador de funciones.

l edes de la forma de curva seleccionada. 11: Pulsador e indicación por ledes 12: Pulsador e indicación por ledes de la selección del multiplicador de ajuste de frecuencia (ajuste basto). 13: Ajuste de frecuencia del generador de funciones. 14: Ajuste de amplitud en las salidas 15 y 16. 15: Salida del generador de funciones. 16: Salida atenuada del generador de funciones útil, en particular, para el ajuste de tensiones muy bajas.

Fuente de tensión alterna Para los ejercicios con tensión alterna se cuenta con un transformador de experimentación que pone a disposición dos voltajes pequeños de seguridad. Las salidas están protegidas por medio de dos fusibles térmicos de reposición automática. Con sobrecarga adquieren una alta impedancia y protegen de esta manera al transformador de su destrucción. Para reiniciar el funcionamiento es necesario eliminar la causa del fallo y permitir que el equipo se enfríe durante unos minutos. A continuación es factible volver a utilizar el transformador. La frecuencia es sincrónica a la de la red. 17: Salida de 24 V del transformador.

15

18: Salida de 12 V o toma central del transformador. 19: Salida de 0 V del transformador.

Fuente de corriente trifásica Para los experimentos con corriente trifásica se tiene a disposición un generador electrónico con protección. La tensión de salida es fija. La frecuencia del campo rotatorio puede variar entre 50 Hz y 1 Hz. 20: Conmutador «on» / «off» del generador de corriente trifásica: si se lo mantiene pulsado durante

un tiempo prolongado la frecuencia pasa de 50 Hz a 1 Hz. 21: Salida de la fase 1 del generador de corriente trifásica. 22: Salida de la fase 2 del generador de corriente trifásica. 23: Salida de la fase 3 del generador de corriente trifásica.

16

Introducción a los semiconductores

17

Conductores, aislantes y semiconductores La conductividad de un elemento depende esencialmente de la cantidad de electrones libres que posea. Se establece una distinción entre conductores, aislantes y semiconductores, siendo estos últimos la base de los componentes analizados en este curso.

Conductores Una corriente eléctrica solo puede aparecer en materiales que po sean portadores de carga (por lo general, electrones libres) de movilidad libre. Aquellos materiales que contienen muchos electrones libres y que oponen solo una escasa resistencia a su movilidad se denominan «conductores eléctricos». La siguiente imagen muestra el movimiento de los electrones libres entre los átomos de un conductor. Átomo Electrón libre Los conductores sólidos son, en primer lugar, los metales, como, por ejemplo, el oro, la plata, el cobre, el aluminio o el hierro. Un conductor no metálico es el carbono (grafito). Los fluidos también son conductores eléctricos, eléctricos, por ejemplo, el mercurio, las fusiones fusiones metálicas o las soluciones acuosas de sales, ácidos y bases.

Aislantes (no conductores) Los materiales que contienen muy pocos electrones libres reciben el nombre de « no conductores o aislantes». A través de ellos, prácticamente, no puede circular ninguna corriente. El siguiente gráfico ilustra lo afirmado. Átomo Electrón libre

18

Los materiales no conductores son, entre otros, el vidrio, la porcelana, el ámbar, el caucho, el papel, el algodón y los plásticos. Por ello, resultan aptos para aislar a los conductores entre sí. Sin embargo, como estos materiales presentan cierta conductividad, aunque esta sea muy baja, se puede decir que no existe un aislante ideal. La frontera entre conductores y no conductores no está claramente delimitada, más bien, esta clasificación se establece de manera gradual.

Semiconductores Los materiales conocidos como «semiconductores» ocupan una posición especial entre los conductores y aislantes; tienen importancia, sobre todo, para la fabricación de componentes electrónicos, como, por ejemplo, diodos, transistores y circuitos i ntegrados. En este caso, los principales materiales son el silicio (Si), el germanio (Ge) y el arseniuro de galio (GaAs). La conductividad de estos materiales se induce por medio de una a cción que se denomina «dopaje», la cual provoca que, junto a los electrones libres, también participen en la conducción de corriente los electrones que se conocen como «huecos», y que, en efecto, pueden ser imaginados como una «ausencia de electrones». Estos portadores de carga, al contrario que l os electrones libres, poseen una carga positiva. La siguiente imagen ilustra el movimiento de los portadores de carga en un semiconductor. Átomo Electrón libre Hueco de electrón

El número de electrones libres (en (en los semiconductores, electrones electrones y huecos) de un material depende de su estructura atómica. Por ello, en primer lugar, analizaremos un modelo atómico sencillo.

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Modelo atómico Todos los estados y procesos eléctricos están relacionados con la presencia de muy pequeñas partículas elementales llamadas «electrones». El electrón es el portador de la más pequeña cantidad de energía eléctrica, es decir, del cuanto elemental. Los electrones forman parte de los átomos de los elementos químicos. El átomo (del griego «ἄτομον», lo «indivisible») se consideró durante mucho tiempo como la más pequeña e indivisible parte de la materia. Hoy en día, sin embargo, se sabe que este no es el caso. Más bien, tienen una estructura en parte muy intrincada, la cual se procura ilustrar por medio de los modelos atómicos. Dentro de este contexto, el modelo desarrollado por Niels Bohr goza hasta nuestros días de la mayor popularidad. Uno visualiza entonces la estructura de un átomo, representada de modo similar a la de nuestro sistema solar: en la mitad se encuentra el núcleo, tal como el Sol se halla en el centro de nuestro sistema. Alrededor del núcleo del átomo giran los electrones de la misma manera en que lo hacen los planetas en torno al Sol. Los átomos de los diferentes elementos difieren por el tamaño del núcleo y el número de electrones que orbitan a su alrededor. Los electrones se desplazan describiendo trayectorias de inclinación elíptica o circular, de diferentes diámetros, formando de esta manera la envoltura del átomo. El diámetro del núcleo es aproximadamente 10.000 veces más pequeño que el del átomo en su conjunto. Los átomos están compuestos por un núcleo y una capa de electrones. Los electrones poseen carga negativa. Por otra parte, el núcleo se compone de neutrones, de carga eléctrica neutra, así como de protones, cuya carga es positiva, manteniendo así una carga total positiva. Dado que, en un átomo, la cantidad de electrones y protones es idéntica, la carga total es, por lo tanto, neutra. Las siguientes imágenes muestran el modelo atómico en su conjunto. Protones = color rojo, neutrones = color verde Electrones = color lila

Componentes del núcleo del átomo

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La corteza atómica está formada por electrones, cuya carga es negativa (imagen de la izquierda). Los electrones ocupan órbitas en torno al núcleo del átomo, en lo que se conoce como «capas» (imagen de la derecha).

El número de capas está dado por el de electrones y cada una de ellas corresponde a un nivel determinado de energía pudiendo albergar solo una cantidad particular de electrones (imagen de la izquierda). Si un átomo contiene el mismo número de electrones y protones se considera que está completo y, por lo tanto, t anto, es eléctricamente neutro (imagen de la derecha).

El átomo más sencillo es el del elemento más liviano: el hidrógeno. Este solo cuenta con un electrón y, por consiguiente, un solo protón, pero no posee neutrones. El átomo del oxígeno, por ejemplo, tiene, en total, ocho electrones, de los cuales, dos giran alrededor del núcleo a través de una órbita interna y seis a lo largo de una externa. El átomo del aluminio posee 13 electrones que rotan en tres órbitas de diferente diámetro. El átomo más pesado que se encuentra en la naturaleza es el del uranio y posee 92 electrones que describen siete órbitas. La siguiente imagen muestra los modelos atómicos simplificados del hidrógeno, el oxígeno y el aluminio. Aquí, las órbitas de los electrones, con fines de simplificación, se representan en un solo plano: además, se prescindió de una representación detallada de la composición del núcleo atómico. 21

Núcleo del átomo

Hidrógeno

Oxígeno

Aluminio

Cada órbita de electrones solo puede acoger un número determinado de ellos. Así, pues, en la primera órbita (interna) únicamente se puede encontrar un máximo de dos electrones, en la segunda, un máximo de ocho y, en la tercera, un máximo de 18.

22

Electrones libres

Como ya hemos visto, los electrones giran dentro del átomo describiendo diferentes órbitas, las cuales se encuentran a distintas distancias del núcleo. Cada órbita mantiene un determinado contenido de energía, el cual es tanto t anto mayor cuanto mayor sea su radio. Los electrones que se encuentran en la órbita externa poseen, por consiguiente, la mayor cantidad de energía y se encuentran ligados al núcleo del átomo con menor fuerza que los electrones de las órbitas internas. Estos son los que reciben el nombre de «electrones de valencia» y son responsables de la unión de los átomos entre sí, por la que conforman la red o «retículo atómico». La estructura de un elemento, a partir de sus átomos, se configura de manera tal que los electrones de valencia de cada átomo individual se encadenan con los electrones de valencia vecinos formando pares de electrones. Gracias a este encadenamiento se origina una red atómica característica del elemento en cuestión, determinada por el número de electrones de valencias de cada átomo individual. La siguiente imagen muestra el modelo atómico simplificado del cobre. La primera órbita (interior) posee dos electrones, la segunda, ocho, la tercera, 18 y, en la exterior, solo se encuentra un electrón de valencia. Energía

Electrón de valencia

Dado que los electrones de valencia solo están li gados al núcleo de una manera relativamente débil, pueden abandonar la órbita externa al recibir una cantidad de energía de suficiente magnitud, con lo cual dejan de estar unidos al átomo. Se trata aquí, más bien, de los denominados «electrones libres», que se mueven de una manera más o menos independiente entre los diferentes átomos de la red atómica de un elemento. Estos electrones desempeñan un papel esencial en la conductividad de los materiales.

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Estructura del cristal de silicio

La estructura del retículo del cristal de un semiconductor puede explicarse tomando como ejemplo el silicio. Se trata del decimocuarto elemento de la tabla periódica. Según esta, un átomo de silicio posee 14 protones, 14 neutrones y 14 electrones. De acuerdo con el modelo atómico de Bohr, los l os electrones (2 y 8 respectivamente) r espectivamente) ocupan por completo las dos capas internas. Esto significa que el átomo de silicio posee cuatro electrones de valencia, responsables de la conductividad. Los electrones de las capas internas no se muestran en la siguiente figura.

Los átomos tienden a cambiar el número de electrones de su capa externa a fin de llenarla por completo. En el caso del silicio, pueden ceder sus cuatro electrones de valencia, así como acoger cuatro electrones de los átomos contiguos. Debido al alto grado de pureza de los cristales, no existe ninguna posibilidad de que se formen combinaciones con los átomos impuros adyacentes; sin embargo, forman enlaces atómicos entre sí, dentro de los cuales los electrones de valencia circulan en todas las direcciones entre los átomos vecinos, de manera que las capas externas de algunos de ellos se llenan brevemente brevemente por completo. Dicho proceso recibe el nombre nombre de «enlace covalente».

24

Los semiconductores compuestos compuestos tienen un comportamiento similar, pero una estructura más compleja. Se los clasifica según los grupos de sus elementos. El arseniuro de galio o el antimonio de indio son ejemplos de los semiconductores de las columnas III y V del sistema periódico, mientras que el sulfuro de zinc y el seleniuro de cadmio lo son de los semiconductores de las columnas II y VI.

25

Resistividad de los semiconductores La conductividad de un material depende del número de portadores de carga libres (electrones y huecos). El valor inverso de la conductividad se denomina «resistividad», la cual, en el caso de los semiconductores, semiconductores, ocupa un nivel intermedio entre los conductores metálicos y los no conductores (aislantes). La tabla siguiente proporciona un resumen clasificatorio de conductores, semiconductores y aislantes. He aquí algunos de los materiales que se suelen utilizar con frecuencia en la Ingeniería Eléctrica y en la Electrónica. Denominación

Aislantes

Semiconductores

Conductores

Resistividad

Conductividad

Material

Ρ(Ωcm)

Κ(1/(Ωcm))

1020

10-20

Ámbar

1018

10-18

Parafina

1016

10-16

Poliestireno

1014

10-14

Carbono

1012

10-12

Porcelana

1010

10-10

PVC

108

10-8

Mármol, vidrio

106

10-6

Selenio

104

10-4

Silicio puro

100

100

Germanio puro

10-2

102

Arseniuro de indio, arseniuro de galio

10-6

106

Cobre

10-8

108

Plata

Aunque hoy todavía todavía se sigan fabricando ocasionalmente ocasionalmente semiconductores semiconductores de selenio y germanio, germanio, el silicio es el material más ampliamente utilizado. Al mismo tiempo, los «modernos» semiconductores compuestos y orgánicos, como el arseniuro de galio, el sulfuro de zinc o el pentaceno, cobran cada vez mayor importancia y se utilizan principalmente en la Optoelectrónica. En los materiales semiconductores puros, el grado de pureza es 10 10, es decir que hay un átomo impuro por cada 10 10 átomos del semiconductor en cuestión.

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Conductividad y respuesta a la temperatura La energía hace que los electrones individuales rompan temporalmente sus enlaces. Estos electrones dejan una carga negativa ausente en el átomo, es decir, un «hueco de electrón». Dicho hueco actúa entonces como una carga positiva. Los electrones libres se mueven sin rumbo dentro del cristal hasta que encuentran nuevamente un hueco y vuelven así a conformar una unión atómica fija. Este es el fenómeno denominado «recombinación». a) Recombinación hueco

b) Suministro de energía

c) Electrón libre +

Lo aquí descrito origina parte de la conductividad intrínseca. Por otro lado, los electrones de los átomos que se encuentran en el borde del retículo cristalino también son responsables de una determinada conductividad al no haber formado ningún enlace covalente. Los átomos impuros restantes constituyen un tercer factor. La conductividad intrínseca puede describirse mediante la llamada «densidad propia de los portadores de carga», que indica el número de electrones disponibles para la conducción eléctrica en función de un volumen determinado del material.

Respuesta a la temperatura Un incremento del calor, es decir, el suministro de energía a una red cristalina hace que esta se desestabilice cada vez más, por lo que aumentará el número de enlaces rotos. Esto conduce a que surja un número creciente de electrones libres en el cristal; por lo tanto, la densidad de portadores de carga intrínseca de un semiconductor depende de la t emperatura. A mayor calor, aumenta el número de portadores de carga libres y, consecuentemente, consecuentemente, la conductividad asciende mientras que la resistencia disminuye. Si la temperatura desciende, se contará con cada vez menos electrones libres, por lo que la conductividad disminuirá y aumentará la resistencia. Así, pues, siempre se especifica la densidad de portadores de carga de un semiconductor en función de una determinada temperatura. Esta es también la razón r azón por la cual los datos del rendimiento de los componentes semiconductores siempre se expresan en referencia a una temperatura ambiente determinada (normalmente 25° C). La tabla t abla siguiente muestra la densidad de portadores de carga de algunos semiconductores a 300° Kelvin (aproximadamente 27° Celsius):

27

Material

Densidad de portadores de carga intrínseca ni

Metales

2 * 10 22 cm-3

Germanio

2,33 * 10 13 cm-3

Silicio

1,02 * 10 10 cm-3

Arseniuro de galio

2,0 * 106 cm-3

A 0° Kelvin (cero absoluto) un semiconductor semiconductor puro carece de de conductividad intrínseca debida debida a la formación de pares. Los semiconductores tienen un coeficiente de temperatura negativo debido a este comportamiento. La temperatura de referencia de 300° Kelvin es el valor habitual para la caracterización de los materiales semiconductores. En las fichas técnicas de los componentes, se asume generalmente una temperatura ambiente de 25° Celsius.

28

Dopaje La contaminación intencionada con impurezas puede influir en la respuesta eléctrica de un semiconductor. En este caso, la contaminación significa que, en los semiconductores, se introduce, en lugar de uno de sus átomos originales, uno impuro de una valencia superior (con más electrones de valencia) o inferior (con menos electrones de valencia). Como resultado se genera un excedente de portadores de carga negativos (electrones) o positivos (huecos). En ambos casos, esto hace que el número de portadores de carga libres aumente. La densidad de portadores de un semiconductor puede, entonces, ampliarse por medio de la introducción deliberada de impurezas. En función de la cantidad de átomos impuros añadidos, resulta factible variar la resistividad dentro de amplios rangos. El proceso anteriormente descrito recibe el nombre de «dopaje». Se establece una distinción entre el dopaje negativo (electrones) y el positivo (huecos). Esto se ilustra en las dos imágenes siguientes.

Dopaje N (negativo) con un átomo de fósforo de valencia 5

29

Dopaje P (positivo) con un átomo de boro de valencia 3

30

Diodos en circuitos de corriente continua y alterna

31

Metas de aprendizaje e introducción En este ejercicio se analizará la respuesta de un diodo semiconductor para lo cual se medirá la corriente que circula por él, con tensiones orientadas en diferentes sentidos, se registrará la característica por medio de un osciloscopio y se interpretarán los resultados.

Contenidos de aprendizaje Registro de la característica tensión-corriente. Lectura de la tensión disruptiva. Respuesta en conducción y bloqueo del diodo.

Introducción Unión positiva-negativa (PN) Los dispositivos semiconductores se fabrican con materiales de dopaje P y N, siendo la zona de transición entre las regiones dopadas de crucial importancia para su respuesta en un circuito. En las l as uniones se crea un área donde los portadores de carga libres se difunden a través de la superficie límite. De este modo, los electrones pasan a la región P y los huecos, a la región N. Esto permite recombinaciones en las que casi todos los portadores de carga li bres se enlazan por lo que se forma una capa o barrera en la que no se dispone de ningún portador de carga libre.

La distribución direccional de los portadores de energía crea una zona de carga espacial, que actúa en contra de su propia ampliación. Se trata, por ende, de una región de solo unas pocas micras de espesor. La zona generada por la barrera empobrecida de portadores de carga opera como el dieléctrico de un condensador y, aunque su capacitancia es muy pequeña, sus efectos se vuelven muy notorios con frecuencias elevadas. 32

Símbolo gráfico Un componente que tenga una unión PN se denomina «diodo» y posee dos terminales: uno llamado «cátodo» y otro denominado «ánodo». Un aro impreso sobre el componente real indica dónde está el cátodo. El símbolo gráfico luce así:

Án Ánodo

Cátodo

La siguiente imagen muestra muestra la disposición de las regiones regiones N y P, así como el ánodo y el cátodo cátodo con respecto a un diodo real.

Polarización inversa Si el polo positivo de una fuente de tensión está conectado al material N y el negativo al material P, se genera un campo eléctrico. Este campo hace que los electrones libres del material N se desplacen hacia el polo positivo y que los del polo negativo llenen los huecos del material P, con lo que la barrera se ensancha.

33

Si aumenta la tensión, el espesor de la barrera se expandirá consecuentemente consecuentemente y, si esta se ha extendido a todo lo ancho del cristal, cr istal, un nuevo incremento de la tensión induciría un fuerte y repentino flujo de corriente que destruiría la unión PN. La tensión con la que la barrera se alarga por todo el cristal recibe el nombre de «tensión máxima de polarización inversa».

34

Ejercicio: Efecto de válvula de un diodo En el siguiente ejercicio se analizarán las propiedades del diodo.

Diagrama de circuito Para esta tarea se utilizará el siguiente diagrama:

35

Equipos Para el ejercicio se necesitan los siguientes elementos con sus ajustes correspondientes: Equipo

Ajustes Cable negro

Masa

Cable rojo

Entrada de 400 mA

Selector giratorio

mA = Inserte las puntas de prueba roja y negra en los casquillos indicados en la siguiente imagen.

36

Montaje de experimentación

37

Realización del ejercicio y tareas ¿Cuál es el valor de la corriente que circula a través del diodo en el sentido directo de conducción? Idirecta=40____________________ mA

¡Correcto!

Conecte ahora el diodo en sentido contrario de manera que opere en la dirección de polarización inversa. ¿Cuál es ahora el valor de la corriente? Iinversa=0_____________________ mA

¡Correcto!

38

Ejercicio: Curva característica del diodo En el siguiente ejercicio se registrará la curva característica del diodo.

Diagrama de circuito Para esta tarea se utilizará el siguiente diagrama:

39


Ajustes Canal A

Canal B

Sensibilidad

1 V/división

1 V/división

Acoplamiento

CC

CC

Normal

Inverso

0

0

Polaridad Posición del eje Y Barrido

4 ms/división

Modo

X/T

Canal de disparo

A

Flanco de disparo

Positivo

Forma de la curva

Sinusoidal

Amplitud

4 Vp

Factor de frecuencia

1

Frecuencia

50 Hz

40


Realización del ejercicio y tareas Conecte los terminales de medición del osciloscopio en las posiciones previstas y seleccione en el instrumento los parámetros indicados anteriormente. No obstante, en primer lugar, active únicamente el canal A del osciloscopio. Copie el oscilograma en la siguiente casilla.

41

¿Cuál es el valor de la tensión disruptiva del diodo? Udisruptiva = 0,75_____ 0,75_________ ________ ________ _____ _ V V

¡Correcto!

Reemplace el resistor de 100 ohmios por uno de 330 ohmios. ¿Cuál es ahora la respuesta de la tensión de bloqueo? Permanece aproximadamente constante. Se triplica.

¡Correcto!

Se reduce a un tercio de su valor.

Ahora, seleccione en en el osciloscopio el modo de visualización visualización X/Y y, además, conecte conecte el canal B.

42

43

Rectificadores puente y de semionda

44

Metas de aprendizaje e introducción En este ejercicio analizaremos componentes útiles para la rectificación de corr iente. Se estudiará y caracterizará la respuesta de los rectificadores de puente y de semionda recurriendo a la medición con diferentes cargas.

Contenidos de aprendizaje Rectificadores de semionda Rectificadores puente Alisado y ondulación residual residual Resistencia de carga

Introducción Las tensiones de red (alternas) resultan, por lo general, inadecuadas para la alimentación directa de dispositivos electrónicos, por lo que, a este fin, se las debe convertir en una tensión apropiada (continua) para, posteriormente, pasar a su r ectificación y alisamiento. Un control adicional se encarga entonces de mantener constante el voltaje independientemente del valor de la carga. Esta descripción y los ejercicios que siguen se centran en el rectificador y el circuito correspondiente de alisamiento. Gracias a los diodos semiconductores disponibles en la actualidad, los rectificadores se pueden configurar muy fácilmente para que actúen en todos t odos los rangos de potencia. De entre los numerosos circuitos rectificadores que han surgido, existen dos (los de puente y de semionda) de particular importancia, ya que tienen una amplia difusión en la práctica. Además del circuito rectificador rectificador propiamente dicho, casi siempre se se requiere uno de alisado, que que actúe sobre la tensión «pulsante», o, en caso necesario, reduzca los picos de corriente.

45

Rectificador de semionda

Rectificador puente

Condensador de alisado

Alisado con condensador e inductancia

Rectificador de semionda La siguiente secuencia de imágenes ilustra el funcionamiento de los rectificadores de semionda. Siempre que la tensión de entrada del circuito aquí mostrado sea mayor que la tensión umbral del diodo, el rectificador de semionda actuará como se describe a continuación. Solo las semiondas positivas de la tensión alterna de entrada pasan más allá de la carga, por ello, en la salida aparece una tensión continua pulsante. Durante el paso de la semionda positiva: el positiva: el diodo D1 está D1 está polarizado en sentido directo (estado de conducción) y permite el paso de la corriente hacia la resistencia de carga. La tensión generada por la corriente que circula a través de la carga tiene la misma forma que la semionda positiva de la tensión de entrada. Durante el paso de la semionda negativa: el diodo está polarizado en sentido inverso: dado que sobre la carga no se aplica tensión, el voltaje de salida o el de la resistencia es de 0 V.

46

Rectificador puente Este circuito rectificador opera con cuatro diodos. Su funcionamiento se representa en forma simplificada en la siguiente secuencia de imágenes y se explica a continuación: Durante el paso de la semionda positiva: los positiva: los diodos D2 y D2 y D5 están D5 están polarizados en sentido directo. La corriente fluye desde el transformador hacia el ánodo del diodo D2 D2 y llega a la resistencia de carga RL, luego circula por el ánodo del diodo D5 D5 hacia el terminal negativo del devanado secundario. Durante este lapso, los diodos D4 y D4 y D3 están D3 están polarizados en sentido inverso.

47

Durante el paso de la semionda negativa: los diodos D4 y D3 están polarizados en sentido directo: la corriente fluye desde el terminal del devanado secundario (el cual «se consideraba» negativo en la semionda precedente de los diodos, pudiendo considerarse ahora como positivo). La corriente pasa a través del ánodo de D3 y D3 y la resistencia de carga RL para dirigirse entonces hacia el ánodo de D4. D4.

48

Ondulación residual Si se conecta un condensador en paralelo a la carga, se almacenan temporalmente portadores de carga, que pueden aprovecharse si la tensión baja a menos del valor requerido en el transcurso de un periodo de ascenso y descenso del voltaje. Tan pronto como este vuelva a superar el nivel requerido, el condensador se recarga. La diferencia entre l a tensión mínima y máxima del condensador se denomina «tensión de ondulado» o «componente de tensión alterna». La ondulación residual (w) es un valor porcentual dado por la relación entre las componentes de tensión alterna y continua. Esto se calcula dividiendo la componente de alterna por la de continua de la tensión rectificada.

49

Ejercicio: Rectificador de semionda

Diagrama de circuito Para este ejercicio se utilizará el siguiente diagrama:

50


Ajustes Canal A

Canal B

Sensibilidad

2 V/división

2 V/división

Acoplamiento

CC

CC

Normal

Normal

0

0


4 ms/división

Modo

X/T

Canal de disparo

A

Flanco de disparo

Positivo

Forma de la curva

Sinusoidal

Amplitud

8 Vpp


1

Frecuencia

50 Hz

51


52

Realización del ejercicio y tareas Seleccione en el osciloscopio las opciones indicadas anteriormente y copie el oscilograma obtenido en el recuadro que se encuentra a continuación.

¿Cuál es la tensión máxima del resistor? V Umáxima = 3,5___________________ 3,5___________________ V

¡Correcto!

¡Correcto!

¿Cuál es la tensión mínima del resistor? V Umínima = 0,8___________________ 0,8___________________ V

Cambie la frecuencia del generador de funciones a 200 Hz. No adapte la base de tiempo a la frecuencia. Copie el oscilograma obtenido en el recuadro que se encuentra a continuación.

53

¿Cuál es la tensión máxima del resistor? V Umáxima = 3,4___________________ 3,4___________________ V

¡Correcto!

¡Correcto!

¿Cuál es la tensión mínima del resistor? V Umínima = 2,3___________________ 2,3___________________ V

Cambie el resistor de 10 kΩ por uno de 4,7 kΩ y seleccione una frecuencia de 50 Hz. ¿Cuál es la tensión mínima del resistor? V Umínima = 0,25__________________ 0,25__________________ V

¡Correcto!

Seleccione de nuevo una frecuencia de 200 Hz. ¿Cuál es la tensión mínima del resistor? Umínima = 1,5___________________ 1,5___________________ V

¡Correcto!

54

Calcule la ondulación residual. Para ello, mida las componentes de continua y alterna de la tensión de salida. % w10k,50Hz = 40____________________ % % w10k,200Hz = 15____________________ 15____________________ % % w4,7k,50Hz = 75____________________ %

¡Correcto!

% w4,7k,200Hz = 25____________________ %

¿Cuál de las siguientes afirmaciones es correcta? La ondulación residual... ... disminuye al incrementarse la carga. ... se incrementa con el aumento de la frecuencia. ... permanece siempre igual. 

... disminuye si decrece la carga.



... aumenta si disminuye la frecuencia.

¡Correcto!

55

Ejercicio: Rectificador puente


56


Ajustes Canal A

Canal B

Sensibilidad

1 V/división

1 V/división

Acoplamiento

CC

CC

Polaridad

Normal

Normal

Posición

0

0

Barrido

4 ms/división

Modo

X/T

Canal de disparo

A

Flanco de disparo

Positivo

Forma de la curva

Sinusoidal

Amplitud

8 Vpp


1

Frecuencia

50 Hz

57


58

Realización del ejercicio y tareas Configure el osciloscopio como se indicó anteriormente y retire el condensador del circuito. Copie el oscilograma obtenido en el recuadro que se encuentra a continuación.

Dado que los canales del osciloscopio tienen una conexión a tierra conjunta, el registro de las curvas características de entrada y de salida se debe r ealizar sucesivamente. A este fin, según el caso, retire las conexiones del canal B del circuito para obtener una curva de entrada clara y, por el contrario, las del canal A para el registro correcto de la curva de salida.

59

¿Qué valor tiene la tensión pico en la salida del rectificador puente? Up = 2,7___________________ 2,7___________________ V

¡Correcto!

¿Por qué la tensión pico es menor en la salida que en la entrada? La tensión es menor debido al desfase en el tiempo de la señal. La tensión es menor debido a que cae aproximadamente 0,7 voltios al pasar por cada diodo.

¡Correcto!

La tensión es menor porque está más cerca de la carga.

60

¿Por qué la tensión de salida es plana entre las dos semiondas?? Se produce una caída de tensión de 0,7 voltios en cada uno de los diodos. Por tal motivo, si la tensión de entrada es de aproximadamente 1,4 V ya no se cuenta con voltaje. ¡Correcto!

Toda la tensión cae en la resistencia de carga. La tensión de salida sufre la influencia del osciloscopio en la medición.

Conecte ahora el condensador en la posición prevista. Copie el oscilograma obtenido en el recuadro que se encuentra a continuación.

Mida la ondulación residual. Upuente= 0,8______ 0,8__________ ________ ________ _____ _V

¡Correcto!

Retire el diodo de la parte superior izquierda del circuito y copie el oscilograma obtenido en el recuadro que se encuentra a continuación. 61

¿Qué puede observar en el oscilograma? No hay cambios en el oscilograma. El oscilograma es idéntico al obtenido con el rectificador de semionda. El oscilograma es aproximadamente el mismo que el obtenido con el rectificador de semionda, sin embargo la tensión de salida es menor en 0,7 V, es decir, 1,4 V más pequeña.

¡Correcto!

62

Diodo luminoso

63

Metas de aprendizaje e introducción Los diodos luminosos son componentes elementales componentes elementales de muchos circuitos electrónicos. En las siguientes páginas conocerá sus diversos tipos y cómo se caracterizan en función de sus umbrales de tensión.

Contenidos de aprendizaje En este ejercicio se estudian las tensiones umbral de varios diodos emisores de luz y se las compara con las de los diodos de silicio y germanio.

Introducción Un diodo luminoso o led consta de una capa de semiconductor de dopaje negativo (N) y una muy delgada de dopaje positivo (P). La capa semiconductora de dopaje positivo posee una gran densidad de huecos. Como sucede en los diodos convencionales, se crea una barrera entre las dos capas debido a la migración de los electrones. Por ello, estos se recombinan con los huecos de la capa de dopaje positivo. Cuando lo hacen, los electrones entregan su energía en forma de destellos de luz, que pueden salir al exterior debido a que la capa P es muy delgada, hecho perceptible incluso con corrientes muy bajas. La intensidad luminosa aumenta proporcionalmente con la corriente.

Los ledes en el circuito Un led solo permite el paso de la corriente eléctrica en una dirección y la bloquea en el sentido contrario. Las razones de lo expresado se explicaron ya en este curso en el capítulo dedicado a los diodos en los circuitos de corriente. Por el motivo anterior, un componente de este tipo siempre debe integrarse en el circuito en el sentido de conducción, es decir, el cátodo se tiene que conectar a masa y, el ánodo, al polo positivo. La posición correcta de montaje se deduce rápidamente a partir del símbolo gráfico del componente, similar a una flecha.

64

Considerando el sentido técnico del flujo de corriente, la flecha debe coincidir con el sentido de circulación de los portadores de carga: la punta de la flecha se dirige a masa. Por otra parte, para que un led se ilumine, necesita contar con cierta tensión mínima, que recibe el nombre de «tensión umbral o disruptiva».

Modelos de ledes Las cápsulas que contienen los diodos luminosos se fabrican, en su mayoría, de resina epóxida y se presentan en diferentes formas y tamaños, pudiendo ser redondas o rectangulares, con o sin reflector, con alambres de conexión o en tecnología de montaje en superficie. Por lo general, el cable que se conecta al cátodo suele ser más corto. Si la cápsula es redonda, el lado donde se ubica el cátodo será plano.

65

Tipos de ledes Existen diodos emisores de luz (llamados también «led», por las siglas en inglés de «light emitting diode») de diferentes colores y tamaños. Los más comunes son de color rojo, verde o amarillo. Con el transcurso del tiempo, dadas las exigencias que, por ejemplo, se han impuesto a la industria del automóvil (en lo concerniente al testigo luminoso de la luz de ruta), se empezaron a fabricar ledes azules, blancos o multicromáticos. Cada vez más frecuentemente, en los faros de los vehículos se incluyen también ledes que emiten la luz de marcha. Los de alta potencia (blancos gran parte de la veces) presentan una luminosidad elevada con un consumo muy bajo de corriente eléctrica y reemplazan cada vez en mayor medida a las bombillas y a los faros halógenos. Además de los colores colores perceptibles, también existen ledes ledes que emiten luz invisible para el ojo humano, como es el caso de los rayos infrarrojos. Estos se utilizan con frecuencia en los controles remotos y en la transmisión inalámbrica de datos. Si reciben una alimentación de tensión continua constante, disminuye continuamente la eficacia luminosa en función de las horas de servicio. No obstante, operan muy bien con tensiones de onda rectangular o pulsantes. Así se puede regular su luminosidad, la potencia de radiación aumenta y la pérdida de eficiencia disminuye en periodos de servicio comparables.

Umbral Color

de tensión

Infrarrojo

1,3 V

Rojo

1,6 V 1,8 V

Naranja

2,0 V

Amarillo

2,2 V

Verde

2,4 V

Azul / blanco

4V4,5 V

Las características de tensión versus corriente de los ledes difieren solo levemente de las de los diodos convencionales. El umbral de tensión de la característica depende del color de la luz que emitan. La intensidad de radiación es prácticamente proporcional a la corriente del diodo. Sin embargo, los ledes poseen valores límite que no se deben sobrepasar, puesto que, en caso contrario, el componente se destruiría. La información precisa acerca de lo expresado se puede encontrar en la ficha técnica del fabricante.

66

Cálculo de la resistencia en serie de un led Un led necesita, en todos los casos, una resistencia que lo preceda en el circuito para limitar la corriente que circule por él. Existen algunos que tienen integrado un resistor en su cápsula, pero se trata de modelos que no abordaremos en estas páginas. En el caso de los ledes sencillos, se emplea una resistencia externa. Para calcular su valor se debe conocer el de la tensión de la l a fuente que suministra energía al componente. Los valores de tensión disruptiva y corriente máxima se toman de la ficha técnica. Estos valores permiten el cálculo de la resistencia en cuestión de la siguiente manera: 1. En primer lugar se substrae la tensión tensión umbral o de disrupción de la de alimentación, con con lo que se calcula la caída de tensión en el resistor conectado en serie. Ejemplo: 12 voltios de voltios de tensión de la fuente de alimentación - 2 voltios de voltios de tensión disruptiva = 10 voltios de voltios de caída de tensión en la resistencia en serie 2. Se recurre entonces entonces a la Ley de de Ohm para para calcular el valor de la resistencia. Ejemplo: Corriente máxima = 20 mA , caída de tensión = 10 voltios - cálculo: R = V / R = 10 voltios / 0,02 A = 500 ohmios Por lo tanto, con una alimentación de 12 voltios y una corriente máxima de 20 miliamperios se necesita una resistencia en serie de, por lo menos, 500 ohmios.

67

Ejercicio: Diodo luminoso


68


Ajustes Cable negro

Masa

Cable rojo

Entrada de 400 mA

Selector giratorio

mA = Inserte las puntas de prueba roja y negra en los casquillos terminales indicados en la siguiente imagen.

Entrada positiva

V

Entrada negativa

Masa

Selector giratorio

V-- (CC)

69


70

Realización del ejercicio y tareas Calcule la corriente a partir de la tensión y la resistencia aplicando la Ley de Ohm. En primer lugar, emplace en la placa de experimentación uno tras otro los diodos luminosos (rojo y verde), a continuación el de germanio (Ge AA118), después el de silicio (1N4007) y, por último, el diodo Zener (ZPD 4,7). Mida la tensión umbral de los distintos tipos de ledes o diodos. Con este fin, inserte el diodo correspondiente en la posición prevista y anote la tensión que cae en el componente, al igual que el valor de la intensidad de corriente.

Empiece la medición de corriente y tensión con el diodo luminoso rojo. Uumbral= 2,2_ 2,2___ ___ _ V V Iumbral = 25__ 25____ ___ _ mA mA

¡Correcto!

Conecte ahora el diodo luminoso verde en la posición correspondiente. Mida la tensión y la corriente y anote los valores en las casillas siguientes. Uumbral= 2,4_ 2,4___ ___ _ V V Iumbral = 24__ 24____ ___ _ mA mA

¡Correcto!

Conecte ahora el diodo de germanio en la posición indicada. Mida la tensión y la corriente y anote los valores en las casillas siguientes. Uumbral= 0,35 0,35__ ___ _ V V Iumbral = 42__ 42____ ___ _ mA mA

¡Correcto!

Conecte ahora el diodo de silicio en la posición indicada. Mida la tensión y la corriente y anote los valores en las casillas siguientes. Uumbral= 0,75 0,75__ ___ _ V V Iumbral = 37__ 37____ ___ _ mA mA

¡Correcto!

71

Conecte ahora el diodo Zener en la posición indicada. Mida la tensión y la corriente y anote los valores en las casillas siguientes. Uumbral= 0,85 0,85__ ___ _ V V Iumbral = 39___ 39_____ __ mA

¡Correcto!

72

Diodo Zener

73

Metas de aprendizaje e introducción El diodo Zener es un componente importante de muchos circuitos. Dado que en él se produce una caída de tensión constante –con un valor determinado desde su fabricación-, se suelen utilizar para estabilizar tensiones.

Contenidos de aprendizaje En el siguiente ejercicio se registrarán los parámetros característicos de un diodo Zener.

Introducción Propiedades de un diodo Zener El Zener es un diodo de silicio con un dopaje especial y una barrera delgada. Debido a esta estructura particular, a partir de una tensión de bloqueo determinada, los electrones se liberan de sus enlaces. En función de la intensidad i ntensidad de la tensión disruptiva, propia del diodo, se habla del efecto Zener (< 5 V) o del efecto avalancha (> 5 V). En los dos casos, una tensión casi constante trae como resultado un fuerte aumento de la corriente. No obstante, es necesario observar que tanto la tensión inversa como la corriente, también inversa, no sobrepasen cierto valor pues, de l o contrario, esto provocaría la destrucción del componente.

1. 2. 3. 4.

Rang Rango o de blo bloqu queo eo Tensió Tensión n disr disrupt uptiva iva VZ Mínima Mínima corr corrien iente te invers inversa a IZ Máxima Máxima corr corrien iente te invers inversa a IZ

74

La curva característica del diodo Zener, representada en la imagen, resume visualmente lo anteriormente explicado en el texto. Se reconoce en el primer cuadrante (arriba, a la derecha) la curva característica de un diodo sencillo, que opera en sentido directo. Lo especial de la curva del diodo Zener se encuentra en el tercer cuadrante (abajo, a la izquierda), es decir, cuando el componente opera en sentido inverso. También un diodo sencillo posee una una tensión disruptiva, no obstante, en comparación con la tensión umbral, la primera tiene un valor muy elevado. Por otra parte, si se sobrepasa este voltaje, el componente se destruye. En un diodo Zener los procesos físicos son reversibles en tanto no se sobrepase la máxima tensión de bloqueo ni la máxima corriente inversa. Si esto ocurre, la consecuencia sería la destrucción del componente. El valor de la tensión disruptiva se puede determinar libremente en un rango de 2 a 600 voltios por medio de un dopaje diferenciado.

Aplicación y símbolo gráfico Los diodos Zener se emplean frecuentemente para estabilizar tensión. Si el circuito cuenta con un voltaje de entrada irregular que, en relación con la curva característica del diodo Zener, oscile entre la corriente inversa mínima y máxima, se tendrá en la salida, a pesar de lo anterior, una tensión constante. De manera alternativa, un diodo de este tipo puede limitar picos de tensión t ensión o emplearse para controlar valores de consigna. La siguiente imagen muestra el símbolo gráfico de este componente. Al igual que un diodo sencillo, el Zener se encuentra conectado en sentido directo o de conducción si el vértice del triángulo se dirige hacia masa. Correspondientemente, para operar en sentido de bloqueo, el diodo se debe conectar en la posición inversa.

75

Ejercicio: Diodo Zener


76


Ajustes Canal A

Canal B

Sensibilidad

2 V/división

2 V/división

Acoplamiento

CC

CC

Polaridad

Normal

Inversa

Posición Y

0

0

Barrido

4 ms/división

Modo

X/T

Canal de disparo

-

Flanco de disparo

-

Forma de la curva

Sinusoidal

Amplitud

16 Vpp


1

Frecuencia

50 Hz

77


78

Realización del ejercicio y tareas Seleccione en el osciloscopio y el generador de funciones los valores especificados anteriormente y copie la característica de corriente y tensión del diodo Zener en el diagrama siguiente. Asegúrese de obtener una lectura clara de la tensión disruptiva del diodo Zener.

El diodo Zener se convierte en conductor a partir de cierto voltaje, denominado tensión umbral, con lo que la intensidad de corriente se incrementa abruptamente. En el sentido normal de conducción, la tensión corresponde a la de un diodo estándar. ¿Cuál es el valor mínimo de la tensión umbral? Uumbral= 0,8___________________ 0,8___________________ V V

¡Correcto!

¿Cuál es el valor de la tensión umbral más alta en la dirección inversa a la de conducción? Uumbral= 4,8___________________ V

¡Correcto!

79

Transistores bipolares

80

Metas de aprendizaje e introducción Este ejercicio permite medir y analizar las propiedades de los transistores bipolares a partir de diversas curvas características.

Contenidos de aprendizaje Funcionamiento básico de los transistores bipolares. Medición de las características de salida, entrada y control.

Introducción Los transistores han revolucionado el mundo de la electrónica desde que hicieran su aparición poco después de la Segunda Guerra Mundial. Su tamaño, cada vez menor, y su enorme versatilidad los han convertido en los más útiles e importantes componentes electrónicos existentes. En el presente curso trataremos dos configuraciones posibles de circuitos básicos de transistores. En el transistor original, conocido como bipolar, dos capas de semiconductores encierran una tercera capa. Los transistores bipolares tienen en sus dos lados material semiconductor con el mismo tipo de conductividad. En medio de ellos se ubica una fina f ina capa de tipo opuesto. Un lado se utiliza como zona de colector, el otro como zona de emisor y, a la capa del medio, se la conoce como «región de base». A primera vista, esta disposición luce como la de dos diodos unidos entre sí. Resulta lógico pensar que, entre la zona del colector y la del emisor, no fluirá ninguna corriente ya que siempre se aplica una tensión de polarización inversa en una de las dos «uniones de los diodos». No obstante, el «secreto» radica en el poco espesor de la región de base. Los portadores de carga siempre pueden superar una pequeña distancia y atravesar la superficie que los une. Si se suministran portadores de carga adicionales a la base mediante la aplicación de una tensión, existirá un número suficiente de ellos en un momento determinado para, por así decirlo, instaurar un puente por el que la corriente comenzará a circular. Debido al hecho de que el flujo de energía eléctrica entre el colector y el emisor solo se inicia si se aplica suficiente corriente y tensión en la base, este tipo de transistores se pueden usar como conmutadores electrónicos, puesto que se activan o desactivan en función del suministro de energía aplicado a la base. Este proceso se ilustra con el siguiente ejemplo de un transistor NPN.

81

82

A continuación se muestra muestra la configuración de las capas capas y los diagramas de circuito de de los dos diferentes tipos de transistores bipolares.

Transistor NPN

Configuración de capas

Símbolo gráfico

Transistor PNP

Configuración de capas

Símbolo gráfico

La intensidad de corriente que circula entre el colector y el emisor depende del número de portadores de carga presentes en la región de base, lo que supone que los cambios de tensión t ensión y corriente en ella pueden dar lugar a un flujo de energía más fuerte o más débil entre el colector y el emisor. Incluso un leve cambio en la base produce una modificación sustancial en la tensión presente entre el colector y el emisor. Esta relación es lineal a lo largo de un rango amplio: una señal de tensión modificada en la base se reproduce exactamente entre el colector y el emisor, pero con un cambio considerablemente considerablemente mayor del valor del voltaje. Por lo tanto, t anto, el transistor amplifica la señal siendo esta la segunda área ár ea de aplicación convencional de estos componentes.

83

El transistor como conmutador

84

Metas de aprendizaje e introducción Una de las principales aplicaciones de los transistores viene dada por las etapas de conmutación de los circuitos en que se emplean estos componentes. Se utilizan para conmutar rápidamente y sin contacto cargas pequeñas y medianas. Si se usa de esta manera, un transistor simplemente oscila entre dos estados cuya conmutación ocurre en escasos microsegundos.

Transistor en estado de bloqueo En este caso, la corriente de entrada de la base IB es igual a 0 A. El transistor, entonces, está desactivado y la corriente del colector no puede fluir. Debido a que no hay ninguna caída de tensión en el resistor RC, la tensión de salida Vout corresponde a la de alimentación VB.

Transistor en estado de conducción En este caso se suministra al transistor una corriente de base aplicándole, a través de RB, una tensión de entrada. En consecuencia, fluye una corriente desde el colector, que debe ser lo suficientemente grande para que aproximadamente toda la tensión de alimentación VB caiga en el resistor RC del colector. De este modo, la tensión de salida Vout disminuye casi a 0 V. El hecho de que la tensión no descienda completamente a 0 V se debe a que el resistor del transistor, ubicado entre el colector y emisor, no es de 0 Ω. Esta tensión residual también se conoce como «tensión de saturación VCEsat».

85

Con el fin de alcanzar de forma certera dicha saturación, no solo se suministra la corriente de base requerida para que circule la corriente de colector, sino un múltiplo de la misma. Por ende, la base se sobreexcita. Este múltiplo se conoce también como «factor de saturación» y tiene, en la práctica, un valor entre 2 y 10.

86

Ejercicio: Respuesta en tensión continua


87


88

Realización del ejercicio y tareas Lleve el potenciómetro hasta su tope derecho. A continuación, gírelo lentamente hacia la izquierda y, al hacerlo, observe la bombilla. La bombilla se enciende permanentemente. La bombilla se enciende apenas el potenciómetro gira un poco. 

La bombilla se enciende porque el transistor amplifica en un múltiplo la corriente de la base.

¡Correcto!

La bombilla se enciende cuando el potenciómetro alcanza el tope izquierdo.

89

Curvas características de los transistores

90

Ejercicio: Respuesta en tensión alterna

Diagrama de circuito Este ejercicio está basado en el siguiente circuito:

91


Ajustes Canal A

Canal B

Sensibilidad

1 V/división

2 V/división

Acoplamiento

CC

CC

Polaridad

Normal

Normal

Posición Y

0

0

Barrido

4 ms/división

Modo

X/T

Canal de disparo

-

Flanco de disparo

-

Forma de la curva

Sinusoidal

Amplitud

6 Vpp


1

Frecuencia

50 Hz

92


93

Realización del ejercicio y tareas Seleccione en el osciloscopio y el generador de funciones los valores especificados anteriormente. Registre las tensiones VBE y VCE y copie el oscilograma en el espacio previsto a continuación a este fin.

¿Cuál de las siguientes afirmaciones es correcta? 

El transistor no conduce si la tensión de entrada es negativa.



El transistor bloquea la corriente si no se aplica tensión de control.



El transistor se vuelve conductor si la l a tensión de control aumenta.

¡Correcto!

El transistor consta de cuatro capas semiconductoras.

¿De qué tipo de transistor se trata? De un transistor bipolar PNP De un transistor bipolar NPN

¡Correcto!

94

Ejercicio: Características de control


95


Ajustes Canal A

Canal B

Sensibilidad

1 V/división

1 V/división

Acoplamiento

CC

CC

Polaridad

Normal

Normal

Posición Y

0

0

Barrido

2 ms/división

Modo

X/Y

Canal de disparo

-

Flanco de disparo

-

Forma de la curva

Sinusoidal

Amplitud

6 Vpp


1

Frecuencia

50 Hz

96


97

Realización del ejercicio y tareas El potenciómetro regula el aumento de la corriente de la base partiendo de valores muy pequeños. Seleccione en el osciloscopio y en el generador de funciones los valores especificados anteriormente. Registre una después de otra las corrientes IB e IC y anote en la tabla la corriente del colector común correspondiente a cada corriente de la base. A partir de los valores detectados, trace la curva en el diagrama.

Las corrientes se calculan sobre la base de la caída de tensión en las resistencias. Emplee el cursor del osciloscopio para una lectura exacta de la amplitud.

Dado que los canales del osciloscopio tienen una conexión a tierra conjunta, el registro de las curvas características de entrada y de salida se debe r ealizar sucesivamente. A este fin, según el caso, retire las conexiones del canal B del circuito para obtener una curva de entrada clara y, por el contrario, las del canal A para el registro correcto de la curva de salida.

IC en en mA

IB en µA

0_____________________ 0_____________________

30____________________ 30____________________

9_____________________ 9_____________________

46____________________ 46____________________

15____________________ 15____________________

62____________________ 62____________________

20____________________ 20____________________

80____________________ 80____________________

29____________________ 29____________________

110___________________ 110___________________

36____________________ 36____________________

148___________________ 148___________________

40____________________ 40____________________

184___________________ 184___________________

41____________________ 41____________________

220___________________ 220___________________

43____________________ 43____________________

230___________________ 230___________________

44____________________ 44____________________

240___________________ 240___________________

98

Ahora calcule la ganancia ganancia de corriente del transistor. Esta viene dada por la relación existente entre entre la corriente del colector y la de la base:

Las corrientes se calculan a partir de la caída de tensión en las resistencias.

Calcule la ganancia de corriente.

IBE = 0,11 mA

ICE = 29__ mA

¡Correcto!

G = 260_

99

Reemplace ahora el resistor R2 por uno de 300 ohmios. Calcule nuevamente la ganancia de corriente.

IBE = 0,15 mA

ICE = 15__ mA

¡Correcto!

V = 99__

100



101


Ajustes Canal A

Canal B

Sensibilidad

1 V/división

1 V/división

Acoplamiento

CC

CC

Inversa

Norm

0

0


4 ms/división

Modo

X/Y

Canal de disparo

-

Flanco de disparo

-

Forma de la curva

Sinusoidal

Amplitud

14 Vpp


1

Frecuencia

50 Hz

102


103

Realización del ejercicio y tareas Seleccione en el osciloscopio y el generador de funciones las opciones indicadas anteriormente y use el osciloscopio para registrar la característica de entrada del transistor.

¿Cuál de las siguientes afirmaciones acerca de la característica de entrada del transistor es correcta? La característica corresponde a la de una resistencia. 

La característica corresponde a la de un diodo.



La corriente que circula por la base del transistor aumenta inicialmente de manera muy débil para, a continuación, hacerlo abruptamente.

¡Correcto!

La tensión de la base es proporcional a la corriente que circula por la resistencia. 

La corriente que circula por la resistencia es proporcional a la tensión presente en la resistencia.

104



105


Opciones Canal A

Canal B

Sensibilidad

2 V/división

2 V/división

Acoplamiento

CC

CC

Inversa

Normal

0

0


4 ms/división

Modo

X/Y

Canal de disparo

-

Flanco de disparo

-

Forma de la curva

Sinusoidal

Amplitud

20 Vpp


1

Frecuencia

50 Hz

Entrada positiva

V

Entrada negativa

Masa

Selector giratorio

V-- (CC)

106


Realización del ejercicio y tareas Seleccione en el osciloscopio y en el generador de funciones las opciones que se indicaron anteriormente. Ajuste el potenciómetro de manera que una tensión de 1,0 V caiga en el resistor R1. Registre eloscilograma de la curva de salida pasando al modo de operación XY y transfiera tr ansfiera el resultado al diagrama. Repita el experimento con diferentes tensiones.

107

U1 = 1,5 V

U1 = 1,75 V

U1 = 2 V

U1 = 3 V

¿Cuáles son los valores de las corrientes que fluyen a través del resistor R1 de la base?

1,5

V en el resistor de 1 kohmio corresponde a

1500__________________ µA

1,75


1750__________________ µA

2,0


2000__________________ µA

3,0


3000__________________ µA

¡Correcto!

108

¿Cuál es la razón de la inflexión típica de la curva característica de salida? El osciloscopio no puede representar valores más altos en el eje Y. La ganancia constante de corriente del transistor limita la corriente predeterminada de la base.

¡Correcto!

La resistencia del colector limita el flujo de corriente que circula por el transistor.

109

Circuitos sencillos de transistores

110

Metas de aprendizaje e introducción En este módulo se analizará la respuesta de los transistores en dos de las configuraciones básicas más utilizadas: el circuito de emisor común y el de colector común.

Contenidos de aprendizaje Punto de operación (por defecto). Circuito de emisor común y de colector común.

Introducción Los ejercicios de este módulo se ocupan de dos configuraciones de circuitos básicos en las que se utilizan transistores. Estas reciben la denominación de «circuitos de emisor común y de colector común». común». Ambos poseen una estructura muy similar. La diferencia radica en que, en el circuito de emisor común, la entrada está situada entre la base y el emisor, mientras que la salida se encuentra entre el colector y el emisor (es decir, el emisor es el punto de referencia que comparten las señales de entrada y salida). En el circuito de colector común, por el contrario, el colector es el punto de referencia que comparten las señales de entrada y salida, y esta última se conecta al emisor. Las propiedades de la tensión de estos dos circuitos se mejoran integrando un bucle de realimentación a través del cual se reciba la señal de salida y se mezcle con la señal de entrada en la base. Es posible implementar esta realimentación mediante un resistor (realimentación óhmica) o condensadores (realimentación capacitiva). capacitiva). En los siguientes ejercicios se estudiarán los efectos de estos dos tipos de realimentación.

Circuito de emisor común

Circuito de colector común

111

Por lo demás, el circuito de base común se común se encuentra entre los de alta frecuencia. En razón de su alta frecuencia de corte, se suele utilizar en las etapas de entrada con frecuencias de señal de más de 100 MHz. Por otra parte, una baja resistencia de entrada permite una fácil adaptación, por ejemplo, a la impedancia de las antenas. Circuito de base común

112

Ejercicio: Circuito de emisor común


113


Ajustes Canal A

Canal B

Sensibilidad

500 mV/división

2 V/división

Acoplamiento

CA

CA

Normal

Normal

0

0


200 µs/división

Modo

X/T

Canal de disparo

A

Flanco de disparo

Positivo

Tensión CC

15 V

Forma de la curva

Sinusoidal

Amplitud

2 Vpp


1k

Frecuencia

1 kHz

Entrada positiva

V

Entrada negativa

Masa

Selector giratorio

V-- (CC)

114


Realización del ejercicio y tareas Seleccione el punto de operación del transistor de manera que la tensión entre el colector y el emisor sea aproximadamente igual a la mitad de la tensión suministrada por la fuente f uente de alimentación (7,5 V). Use el voltímetro para medir la tensión. Tenga en cuenta que incluso las más pequeñas variaciones en los parámetros del potenciómetro causan grandes cambios en el valor del voltaje. Conecte ahora el generador de funciones y el osciloscopio al circuito tal como se mostró anteriormente. Seleccione una tensión de onda sinusoidal de 1 V. Registre la señal con el osciloscopio y copie la imagen en el siguiente diagrama. 115

Introduzca los valores registrados y calcule el factor de ganancia del circuito.

Tensión de entrada Uin = 2______ Tensión de salida U out = 6______ Factor de ganancia = 3______

¡Correcto!

116

Ejercicio: Circuito de colector común


117


Ajustes Canal A

Canal B

Sensibilidad

500 mV/división

500 mV/división

Acoplamiento

CA

CA

Normal

Normal

0

0


400 µs/división

Modo

X/T

Canal de disparo

A

Flanco de disparo

Positivo

Tensión CC

15 V

Forma de la curva

Sinusoidal

Amplitud

2 Vpp


1k

Frecuencia

1 kHz

Entrada positiva

V

Entrada negativa

Masa

Selector giratorio

V-- (CC)

118


119

Realización del ejercicio y tareas Active el circuito sin conectar conectar el generador de funciones, pero con con el puente B1 insertado. El puente B2 debe estar desconectado. Ajuste el punto de operación del transistor girando el potenciómetro 1 de manera que la tensión t ensión UCE del transistor equivalga a aproximadamente la mitad de la tensión de alimentación (7,5). ¿Qué valor de tensión se mide en el emisor del transistor? V Tensión del emisor = 7,5___________________ V

¡Correcto!

Seleccione ahora en el generador de funciones una tensión alterna de onda sinusoidal de 2 Vpp con una frecuencia de 1 kHz y conéctelo al circuito. Mida las tensiones de entrada y de salida y copie las curvas en el oscilograma que se encuentra a continuación: Tensión de entrada Uin1 = Tensión de salida Uout =

Vpp 2_____________________ V ¡Correcto! Vpp 2_____________________ V

120

Calcule la ganancia del circuito dividiendo la tensión de salida por la de entrada. Ganancia = 1___

¡Correcto!

Ahora se determinará la impedancia impedancia de entrada del circuito. Con este este fin, retire el puente B1 de manera que la resistencia R V de 10 Ω quede conectada en serie con la entrada. Uin2 = 0,8___________________ 0,8___________________ V V

¡Correcto!

Calcule ahora la resistencia de entrada por medio de la siguiente ecuación:

Resistencia de entrada = 5,5___________________ 5,5___________________ kΩ

¡Correcto!

¿Qué afirmaciones acerca del circuito de colector común son correctas? La señal de salida está invertida en relación con la de entrada. 

La señal de salida no está invertida en relación con la de entrada.



En esta clase de circuitos, el colector se conecta directamente a la tensión de alimentación.

¡Correcto!

En esta clase de circuitos, el colector se conecta directamente a masa.

121

Transistor de efecto de campo (FET)

122

Metas de aprendizaje e introducción En este ejercicio se medirán y analizarán las propiedades de los transistores de efecto de campo en función de diversas curvas características.

Contenidos de aprendizaje Funcionamiento básico de los transistores de efecto de campo o FET. Medición de la característica de salida.

Introducción Transistores de efecto de campo Los transistores de efecto de campo se dividen en dos grupos: los de unión FET y los de unión MOSFET. El siguiente gráfico muestra un resumen de esta clasificación.

Salvo en algunos diseños especiales, los transistores tienen tres terminales que r eciben el nombre de «fuente», «fuente», «puerta» y «puerta» y «drenaje» y «drenaje» y que corresponden respectivamente al emisor, la base y el colector de los transistores bipolares. 123

A continuación se representan representan los correspondientes correspondientes símbolos de circuito:

Denominación

Tipo canal N

Tipo canal P

FET de capa de barrera

MOSFET en modo de empobrecimiento

MOSFET en modo de enriquecimiento

124

Funcionamiento El diseño básico de un transistor tr ansistor bipolar se compone de tres capas de silicio con dopajes tipo N y P, además de dos uniones P-N. Entretanto, este transistor t ransistor bipolar ha sido reemplazado en muchas aplicaciones por otro tipo de componentes más modernos con solo una unión P-N. Estos reciben el nombre de «transistores de efecto de campo o FET (por sus siglas en inglés)». Por regla general, su fabricación es más barata y sencilla que la de los bipolares y su estructura se presta todavía más a la miniaturización. La mayoría de los transistores que forman parte de circuitos integrados y microprocesadores son de este tipo. Un transistor de efecto de campo sencillo está formado por un fino bloque de silicio dopado. En la mitad de este bloque se integra una región también dopada pero con el tipo de material opuesto. Esto se hace agregando las impurezas adecuadas en un punto único, que luego se propaga por el silicio. Se crea, además, una conexión eléctrica con esa región. Adicionalmente, se implementan dos conexiones más en los extremos del bloque. La conexión de la región media, de dopaje contrario, se denomina «puerta», mientras que las dos conexiones de los extremos reciben el nombre de «fuente» y «fuente» y «drenaje». «drenaje». El tamaño de la zona de diferente dopaje al de la puerta se determina de manera que permanezca un delgado puente de silicio con el dopaje original. Si el silicio original tiene un dopaje tipo N, la puerta recibe un dopaje tipo P y se deja un canal delgado con dopaje N. Por esta razón dichos componentes se conocen como «FET de canal n» (véase n» (véase la siguiente ilustración). Si, de la misma manera, se usa material de dopaje P con una puerta de dopaje N, se tendrá como resultado un transistor de efecto de campo de canal P. P . Los transistores de efecto de campo de canal N se emplean con más frecuencia que los de canal P. La razón radica en que sus portadores de carga más importantes son electrones, cuya movilidad es mayor que la de los huecos, elementos que asumen el rol de portadores de carga en los transistores de efecto de campo de canal P. En consecuencia, los transistores de efecto de campo del tipo de canal N, usualmente, son más rápidos que los del tipo P.

125

Los transistores de efecto de campo N presentan normalmente en la puerta una tensión más negativa que en la fuente. Esto significa que la unión P-N cuenta con polarización inversa. Este efecto del transistor se produce debido a la capa de barrera o barrera o de agotamiento, que se forma en la unión, en el sentido de polarización inversa. Una capa de barrera surge si los electrones del material de dopaje N, localizado en la superficie su perficie de la unión, se combinan con los huecos del material de dopaje P. Esto conduce a que, hacia ambos lados de la unión, exista una relativa falta de los portadores de carga mayoritarios correspondientes. El material de dopaje N, que se encuentra en la proximidad de la unión, pierde electrones, y el material de dopaje tipo t ipo P pierde huecos. Si se aplica una tensión a través de la unión, que debe generar una polarización en sentido inverso, los portadores de carga minoritarios, los electrones del material de dopaje P y los huecos del material de dopaje N se ven atraídos por la unión, de manera que se producen nuevas recombinaciones en su entorno y la capa de barrera se ensancha. VGS = 1 V

VGS = -3 V

Todo ensanchamiento de la capa de barrera del transistor de efecto de campo conduce a un estrechamiento del canal conductor. La capa de barrera, en sí misma, conduce menos porque presenta, comparativamente, menos portadores de carga. Así, la ampliación de esta capa, debido a la tensión negativa de la puerta, conduce a un estrechamiento del canal y, por lo tanto, a un flujo de corriente más débil entre el drenaje y la fuente. De manera similar, si se aplica una tensión más positiva en la puerta, la capa de agotamiento se reduce. El canal se hace más amplio y aumenta el flujo de corriente entre el drenaje y la fuente. Los cambios pequeños en la tensión de la puerta producen variaciones considerables considerables en la corriente drenaje-fuente y, en consecuencia, en la propia tensión de drenaje. Por esa razón, los transistores de efecto de campo, al igual que los bipolares, se usan como amplificadores de corriente y tensión. Al igual que en el caso de los componentes componentes bipolares, bipolares, también existen configuraciones configuraciones estándar para circuitos amplificadores con transistores de efecto de campo. Las dos más importantes son la configuración de fuente común, que corresponde a la de emisor común de los transistores bipolares, y el modo de drenaje común que, en muchos aspectos, se asemeja al circuito de colector común. Ambos configuraciones configuraciones se analizarán en los siguientes siguientes ejercicios.

126

Transistor de efecto de campo con unión (JFET)

127



128


Ajustes

Opciones

Canal A

Canal B

1 V/división

1 V/división

CC

CC

Normal

Inversa

0

0

Acoplamiento Polaridad Posición del eje Y Barrido

2 ms/división

Modo

X/Y

Canal de disparo

-

Flanco de disparo

-

Forma de la curva

Sinusoidal

Amplitud

10 Vpp


1

Frecuencia

50 Hz

129


130

Realización del ejercicio y tareas Registre la característica del circuito y copie el oscilograma en el siguiente recuadro (no olvide seleccionar el modo XY en el osciloscopio:

¿Qué afirmaciones son correctas? 

El transistor opera en modo de agotamiento. El transistor opera en modo de enriquecimiento. El factor de ganancia es constante.



La resistencia de entrada de los transistores de efecto de campo es mayor que la de los transistores bipolares.

¡Correcto!

La corriente de entrada de los transistores de efecto de campo, en comparación con la de los transistores bipolares, es claramente mayor.

131



132


Ajustes Canal A

Canal B

Sensibilidad

1 V/división

2 V/división

Acoplamiento

CC

CC

Normal

Inversa

0

0


2 ms/división

Modo

X/Y

Canal de disparo

-

Flanco de disparo

-

Forma de la curva

Sinusoidal

Amplitud

16 Vpp


1

Frecuencia

50 Hz

Entrada positiva

V

Entrada negativa

Masa

Selector giratorio

V-- (CC)

133


134

Realización del ejercicio y tareas Registre la característica de salida de un JFET. A este fin, conecte los componentes como se observa en la imagen anterior. La tensión UGS carece de signo. Seleccione en el osciloscopio el modo XY.

UGS= 1,2 V

UGS= 2,0 V

UGS= 3,0 V

UGS= 4,0 V

Si la tensión entre el drenaje y la fuente es baja, el canal se comporta como una resistencia óhmica lineal y, si se deja que la tensión UGS, partiendo de 0, se vuelva cada vez más negativa, las zonas de la capa de barrera se agrandan dentro del canal. De ahí que disminuya la sección transversal del canal y aumente su r esistencia. Si el voltaje de la l a puerta ha llegado a lo que se conoce como «tensión de estrangulamiento», las capas de bloqueo se cierran y el transistor de efecto de campo no conduce corriente.

¿Con qué tensión U GS bloquea el FET por completo la corriente? UGS = 4___ V

¡Correcto!

135

Transistor de efecto de campo de metal óxido semiconductor (MOSFET)

136



137


Ajustes Canal A

Canal B

Sensibilidad

2 V/división

2 V/división

Acoplamiento

CC

CC

Normal

Inversa

0

0


4 ms/división

Modo

X/Y

Canal de disparo

-

Flanco de disparo

-

Forma de la curva

Sinusoidal

Amplitud

16 Vpp


1

Frecuencia

50 Hz

138


139

Realización del ejercicio y tareas Registre la característica del circuito con el osciloscopio y copie el oscilograma en el siguiente recuadro. No olvide seleccionar el modo XY en el osciloscopio:

¿Con qué tensión de control conduce el MOSFET? UGS = 2,5_ V

¡Correcto!

¿Qué afirmaciones son correctas? 

El MOSFET aquí usado es un transistor t ransistor de canal N. Este transistor consta de cuatro capas semiconductoras. La resistencia diferencial es constante.



El MOSFET opera hasta su zona de estrangulamiento.



Este transistor opera en modo de enriquecimiento

¡Correcto!

140



141


Ajustes Canal A

Canal B

Sensibilidad

1 V/división

1 V/división

Acoplamiento

CC

CC

Normal

Inversa

0

0


4 ms/división

Modo

X/Y

Canal de disparo

-

Flanco de disparo

-

Forma de la curva

Sinusoidal

Amplitud

16 Vpp


1

Frecuencia

50 Hz

Entrada positiva

V

Entrada negativa

Masa

Selector giratorio

V-- (CC)

142


143

Realización del ejercicio y tareas Registre la curva característica característica de salida de un MOSFET. Para Para ello, conecte los componentes como se muestra en la imagen anterior. La tensión UGS carece de signo. Seleccione en el osciloscopio el modo XY.

UGS= 2,0 V

UGS= 2,5 V

UGS= 3,0 V

UGS= 3,5 V

Ajuste la tensión de la puerta en 3 V. ¿Qué valor tiene la corriente de estrangulamiento? estrangulamiento? Iestr. = 1,5_ mA

¡Correcto!

144

Asigne correctamente las las siguientes afirmaciones. JFET

MOSFET

Mayor resistencia de entrada Modo de agotamiento

¡Correcto!

Modo de enriquecimiento Resistencia diferencial constante

145

Tiristor

146

Metas de aprendizaje e introducción Este ejemplo muestra de qué manera se puede utilizar un tiristor como conmutador electrónico. Se analizará el mecanismo de encendido y el retorno al estado inicial del componente.

Contenidos de aprendizaje Funcionamiento de los tiristores. Activación y desactivación. desactivación. Uso de un condensador como fuente de voltaje para el impulso de reposición del componente.

Introducción Los tiristores son elementos semiconductores que se usan en muchas aplicaciones en lugar de conmutadores mecánicos y relés. Al igual que los diodos, tienen una una curva característica de conducción conducción y bloqueo. bloqueo. No obstante, al contrario que los diodos, solo conducen en sentido directo si una tensión adecuada se aplica a su tercer electrodo de control, conocido también como «puerta». El tiristor se enciende sencillamente, sin embargo, no es fácil su retorno al estado de bloqueo. Esto se puede comprender examinando su estructura interna y su circuito equivalente.

Kathode = Cátodo Gate = Puerta Anode = Ánodo 147

Las cuatro capas semiconductoras, con tres uniones P-N, forman, por lo menos, una capa de barrera que depende de la polaridad de la l a tensión aplicada. Si el ánodo es negativo con respecto al cátodo, se generan dos capas de barrera, pero si es positivo, solamente aparecerá una. Si se aplica una tensión adecuada al terminal de control (puerta) y si el ánodo es positivo, la capa de barrera se contrae y el tiristor se activa, es decir, empieza a conducir. Tal estado se mantiene hasta que la corriente que fluye a través del tiristor caiga por debajo de un valor determinado, denominado «corriente de mantenimiento», con lo que el tiristor se desactiva. Las capas de barrera vuelven a aparecer. Con esto podemos concluir que, para desactivar el tiristor, se necesitan circuitos especiales o que la curva de corriente, tal como se desplaza cuando se trata de corriente alterna, pase por cero. El funcionamiento de este componente se ilustra por medio del gráfico siguiente, donde se muestra su estructura y el circuito equivalente con dos transistores complementarios:

La corriente de la puerta activa la base de uno de los transistores, el mismo que, a su vez, activa el segundo transistor. Si los dos permanecen encendidos, se mantendrá el estado de conducción.

148

Ejercicio: Curva característica del tiristor


149


Ajustes Canal A

Canal B

Sensibilidad

5 V/división

5 V/división

Acoplamiento

CC

CC

Normal

Inversa

0

0


4 ms/división

Modo

X/T

Canal de disparo

-

Flanco de disparo

-

Forma de la curva

Sinusoidal

Amplitud

20 Vpp


1

Frecuencia

50 Hz

150


151

Realización del ejercicio y tareas Ajuste el potenciómetro P1 de manera que el disparo de control por ángulo de fase se produzca con 5 V. A continuación, almacene el oscilograma.

Modifique el ajuste del potenciómetro. ¿Qué se puede observar? No hay absolutamente ningún cambio en el oscilograma. La posición de fase del punto de conmutación cambia y el tiristor cambia de estado en otro momento.

¡Correcto!

El tiristor siempre conmuta en el mismo momento.

¿Qué observación puede hacer con respecto a la característica del tir istor? Las semiondas positiva y negativa tienen un trazo idéntico. La característica del tiristor presenta una simetría especular. 

El tiristor conduce durante la semionda positiva y bloquea durante la negativa: por este motivo la característica no es simétrica.

¡Correcto!

152

Ejercicio: El tiristor como conmutador


153


Ajustes

Tensión CC

20 V

Entrada positiva

V

Entrada negativa

Masa

Selector giratorio

V-- (CC)

154


155

Realización del ejercicio y tareas Si se aplica al terminal de control G un impulso positivo a través del conmutador, el tiristor pasa a un estado de baja resistencia y permanecerá en dicho estado hasta que la corriente de mantenimiento caiga por debajo de su valor nominal, con lo que volverá a oponer una alta resistencia. En nuestro ejercicio, se aplica una tensión positiva en la entrada de control G del tiristor, a través de un conmutador, para que el componente actúe como conductor. Con el tiristor en estado de baja resistencia, esta tensión puede tener un valor de unos pocos miliohmios. Para evitar que el componente se queme, se conecta una resistencia lo suficientemente elevada en el circuito del tiristor y, de ese modo, se limita la corriente. Si se presiona el pulsador se aplica en el cátodo del tiristor un pulso breve y positivo en relación con la puerta G, con lo que el componente retorna al estado de bloqueo presentando una alta resistencia. De esta manera se interrumpe el flujo de corriente.

Seleccione un voltaje de 20 V en la fuente de alimentación de tenisón continua . Encienda brevemente el circuito y, entonces, apáguelo. ¿Qué se puede observar? La bombilla se enciende y se vuelve a apagar. La bombilla permanece apagada.

¡Correcto!

La bombilla se enciende y se mantiene en ese estado.

Accione ahora el pulsador. pulsador. ¿Qué se puede observar? observar? La bombilla se apaga de nuevo. La bombilla empieza a iluminarse. La bombilla se enciende brevemente y después se apaga.

¡Correcto!

La bombilla se apaga brevemente y luego se enciende.

Pulse nuevamente el conmutador de modo que la bombilla se encienda. Mida la tensión en el tiristor. Udirecta = 0,5___________________ 0,5___________________ V V

¡Correcto!

156

Ahora pulse el interruptor para que la bombilla bombilla se apague. Mida la tensión tensión en el tiristor. Uinversa = 20____________________ V V

¡Correcto!

157

Ejemplo práctico: Regulador («dimmer»)

158

Metas de aprendizaje e introducción Control de fase con DIAC o TRIAC Aquí aprenderá cómo utilizar un DIAC DIAC o un TRIAC para regular la potencia potencia suministrada a la carga de un circuito de corriente alterna.

Contenidos de aprendizaje Funcionamiento de un DIAC y un TRIAC. Activación y desactivación desactivación de un TRIAC.

Introducción DIAC Un DIAC, también conocido como «diodo bidireccional», es un dispositivo compuesto por tres diferentes capas semiconductoras (ver figura). Básicamente, se trata de un circuito antiparalelo de dos diodos. La polarización del diodo bidireccional no desempeña ningún papel en su funcionamiento. Una de las dos uniones P-N opera siempre polarizada en sentido inverso. A diferencia de los diodos «convencionales», «convencionales», el DIAC DIAC solo conduce cuando cuando alcanza su tensión disruptiva. Si la tensión cae por debajo de determinado valor, llamado «tensión de mantenimiento», el DIAC vuelve a su estado de alta resistencia.

159

TRIAC El TRIAC es un dispositivo semiconductor que se utiliza en muchas aplicaciones en lugar de los interruptores mecánicos, los relés, de los transistores de conmutación o de reguladores de tensión o potencia. A diferencia de un tiristor, el TRIAC tiene en ambas ambas direcciones una característica característica de conducción conducción y es comparable en su respuesta y curva característica a dos tiristores conectados en antiparalelo. El funcionamiento del TRIAC se puede explicar dividiéndolo en dos tiristores. Las cuatro capas semiconductoras de los dos, con sus tres uniones P-N, forman, en función de la polaridad de la tensión aplicada, al menos, una capa de barrera. Si se aplica una tensión adecuada al terminal de control (puerta) y el ánodo es positivo, la capa de barrera de uno de los tiristores se contrae y este componente se activa, es decir, empieza a conducir. Tal estado se mantiene hasta que la corriente que fluye a través t ravés del TRIAC haya caído por debajo de un determinado valor, denominado «corriente de mantenimiento» con lo que el componente se desactiva. Las capas de barrera vuelven a aparecer. Esto significa que un TRIAC solo se apaga si la corriente pasa por cero (cae por debajo del valor de la corriente de mantenimiento), hecho que ocurre normalmente con la tensión alterna. El funcionamiento del TRIAC se ilustra por medio del gráfico siguiente, donde se muestra su estructura y el circuito equivalente de los dos tiristores:

La corriente activa la puerta de uno de los tiristores y este pasa al estado de conducción en sentido directo. Un TRIAC no se puede desactivar por medio de la puerta.

160

Ejercicio: DIAC


161


Ajustes Canal A

Canal B

Sensibilidad

5 V/división

5 V/división

Acoplamiento

CC

CC

Normal

Inversa

0

0

Polaridad Posición del eje Y Barrido Modo

2 ms/división X/T

Canal de disparo

A

Flanco de disparo

Positivo

Tensión CA

24 V

162


163

Realización del ejercicio y tareas Dado que el osciloscopio tiene un límite de representación de 5 voltios por división, para evitar este problema en el ejercicio actual resulta necesario, en lugar de las conexiones comunes comunes,, ajustar un ciclo de trabajo de 1:10 para las sondas de prueba (regulador deslizante en la posición «X10») (véase el ejemplo de montaje). A continuación, en el canal correspondiente, seleccione la opción de «X10» en el menú de división de muestreo. Así es también posible la visualización de la señal de medición incluso con la configuración presente hasta ahora de 5 voltios por división.

Seleccione en el osciloscopio los valores especificados anteriormente. Gire el potenciómetro desde el tope derecho hasta el izquierdo y observe el oscilograma. Ahora ajuste el potenciómetro de forma que pueda ver la máxima tensión de la curva característica (puntos de inflexión de los valores pico) y regístrela:

164

Interprete el resultado. ¿Cuáles de las siguientes afirmaciones son correctas? La característica del DIAC es simétrica debido al hecho de que los diodos tienen características de esa naturaleza. La característica del DIAC es asimétrica. 

La característica del DIAC es simétrica. Posee las mismas propiedades en las dos direcciones de conducción de corriente.



La corriente que pasa a través del DIAC aumenta lentamente a medida que el voltaje lo hace, hasta que alcanza la tensión disruptiva; a partir de ese momento la corriente se eleva bruscamente.

¡Correcto!

La corriente que circula a través del DIAC no cambia en lo absoluto. La corriente que circula a través t ravés del DIAC presenta la misma respuesta que tendría ante una carga resistiva.

¿Cuál es el valor de la tensión disruptiva?: Udisruptiva = 30_____ V

¡Correcto!

165

Ejercicio: TRIAC


166

Equipos Para el ejercicio se necesitan los siguientes elementos con sus ajustes correspondientes:

Equipo

Ajustes Canal A

Canal B

Sensibilidad

5 V/división

5 V/división

Acoplamiento

CC

CC

Normal

Inversa

0

0

Polaridad Posición del eje Y Barrido Modo

2 ms/división X/T

Canal de disparo

A

Flanco de disparo

Positivo

Tensión CA

24 V

167


Realización del ejercicio y tareas Dado que el osciloscopio tiene un límite de representación de 5 voltios por división, para evitar este problema en el ejercicio actual resulta necesario, en lugar de las conexiones comunes, comunes, ajustar un ciclo de trabajo de 1:10 para las sondas de prueba (regulador deslizante en la posición «X10») (véase el ejemplo de montaje). A continuación, en el canal correspondiente, seleccione la opción de «X10» en el menú de división de muestreo. Así es también posible la visualización de la señal de medición incluso con la configuración presente hasta ahora de 5 voltios por división.

168

Seleccione en el osciloscopio los valores especificados anteriormente y registre las tensiones. A tal fin, gire el potenciómetro hasta el tope derecho. derecho. UT = voltaje que circula a través del TRIAC; UL= voltaje que circula a través de la carga (L); UG= voltaje aplicado en la puerta (G) del TRIAC.

UT // UL

UT //

UG

¿Con qué valor de tensión se activa un TRIAC? UG = 0,9____ V

¡Correcto!

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