principios de electrÓnica

TUTORIAL: PRINCIPIOS DE ELECTRONICAING. MSC. MBA. MARIO ROJAS MONTAÑO

CONCEPTOS GENERALES

Electricidad.- Forma de energía que se obtiene mediante procesos mecánicos, químicos, etc. manifiesta su efecto mediante fenómenos mecánicos luminosos, y químicos.

La electricidad se puede generar mediante ciertos procesos:

Químicos, el caso de las baterías en las que se producen una serie de reacciones químicas donde se libera electrones

Mecánicos se obtiene principalmente por el rozamiento de cuerpos o moléculas como es el caso de las descargas atmosféricas

Electromecánicos.- en los generadores de energía eléctrica se pone en movimiento una bobina en un campo eléctrico lo cual hace que se genere una corriente eléctrica. Sin embargo, también lo opuesto genera una corriente eléctrica (Hacer mover un campo eléctrico cerca de una bobina)

Electrónica.- Rama de la física que estudia todo lo relacionado con el electrón, su comportamiento y los fenómenos a los que da lugar.

Cargas eléctricas.- Existen dos tipos de cargas eléctricas: negativa (electrones) y positiva (átomos que han perdido electrones) tiene unidades Coulombs

La materia ordinaria esta hecha de átomos que contiene un núcleo que esta compuesta por protones con carga positiva y neutrones con carga negativa. Alrededor del núcleo en orbitas (similar al sistema solar), se encuentran los electrones que tienen cargas negativa.

La carga eléctrica se cuantifica en términos de la carga de un electrón. De la siguiente manera

Campo eléctrico

El campo eléctrico esta definido como la fuerza eléctrica por unidad de carga. La dirección el campo eléctrico es radial a la carga eléctrica y se considera saliente en una carga positiva y entrante a una carga negativa.

Ley de Coulomb.

1

Carga del Protón e = 1.602 x 10-19 Coulombs

Carga del Electrón -e = 1.602 x 10-19 Coulombs

Dirección del Campo Eléctrico

Cilindro Cargado

Esfera Cargada

Placas Paralelas Cargadas

Cargas Puntuales

Cargas en Múltiples Puntos


Cargas iguales se repelen, cargas distintas se atraen.

La fuerza eléctrica que actúa sobre un a carga puntual q1 es el resultado de la presencia de una segunda carga puntual q2 y esta dada por la ley de Coulomb

Donde ε0 = Permitividad del Espacio

Voltaje.-

Es la energía potencial eléctrica por unidad de carga, medida en Juoles por coulomb, tiene unidades Voltios, también se conoce como Potencial Eléctrico. Son términos similares Diferencia de potencial que es la diferencia entre los potenciales eléctricos o voltaje entre dos puntos y tensión o voltaje de un punto que seria el potencial de ese punto.

Corriente eléctrica

Se define corriente eléctrica como el flujo de cargas eléctricas por unidad de tiempo; tiene unidades Amperios (A) que es igual a Coulombs/seg.

Si bien, los electrones son los responsables del movimiento de cargas eléctricas en conductores tales como los cables, la dirección del flujo de corriente, por convención se supone que tiene la misma dirección del flujo de cargas positivas (de positivo a negativo). Sin embargo algunos textos toman la dirección de la corriente en el mismo sentido del flujo de electrones (de negativo a positivo)

La definición de corriente eléctrica supone además el movimiento de cargas positivas. Esto solo puede darse en el caso de movimiento de masa (átomos cargados), existen situaciones en las que es posible el movimiento de átomos cargados, ejemplo de esto son los gases ionizados en los que sí existen movimiento de átomos ionizados (cargados positivamente).

Campo Magnético

La circulación de corriente a través de un conductor genera un campo magnético cuya dirección esta dada por la regla de la mano derecha

Es necesario observar que un campo eléctrico se produce por la presencia de cargas eléctrica (cargas estáticas o estacionarias) y el campo magnético resulta del movimiento de cargas eléctricas como es el caso del movimiento de electrones a través de un conductor

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Cargas Iguales se Repelen

Cargas Opuestas se Atraen

Generación de campo magnético mediante la circulación de corriente eléctrica

Sentido de la Corriente

Sentido del Campo Magnético


Resistencia eléctrica.- Es la dificultad que opone un cuerpo al paso de la corriente eléctrica; tiene unidades OHM ()

Donde

= Resistividad del material l = Longitud del material A = Sección transversal del material

De la anterior formula es posible observar que a mayor longitud del material, se tendrá mayor resistencia y a mayor grosor o área se tendrá menor resistencia

La resistividad del material es una medida de cuanto de resistencia tiene un material por longitud de conductor (los materiales conductores tienen una resistividad baja, los materiales aislantes tienen una resistividad elevada)

Inductancia.- Es la capacidad de almacenar energía en un campo magnético tiene unidades Henrios (H). Esta unidad es demasiado grande por lo cual se utilizan sus submúltiplos; en este caso el miliHenrio [mH] y el microHenrio [μH]. La inductancia es un parámetro que caracteriza a las bobinas.

Reactancia inductiva: Es la oposición que ejerce una bobina al paso de la corriente alterna. Esta dada por la siguiente formula:

Si reemplazamos la frecuencia f = 0 (que seria el caso de la corriente continua), se tendria que la reactancia inductiva o oposición que ejerce una bobina al paso de la corriente alterna es igual a cero (0Ω)

Capacitancia.- Es la capacidad de almacenar energía en un campo eléctrico tiene unidades de faradios (F). pero esta unidad resulta demasiado grande por lo cual se utilizan sus submúltiplos como son los microfaradios, los pico faradios y los nanofaradios

;

Donde C capacidad en FaradiosQ = carga en CoulombV en Volts

La engría que almacena un capacitor esta relacionada con su capacidad y el voltaje este almacena:

Reactancia capacitiva: Es la oposición que ejerce un capacitor al flujo de corriente alterna. Esta dada por:

Si en la anterior formula reemplazamos f = 0 (caso de corriente continua) se tendrá que la reactancia capacitiva es de valor infinito. Esto solo puede darse si el capacitor es un circuito abierto

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= constante dieléctrica A = área de las placas D = distancia entre placas


Impedancia.- es la resistencia total aparente que ofrece un circuito complejo al paso de la corriente alterna (circuito que contiene resistores, capacitores e inductores) tiene unidades OHM ()

= Resistencia + j Reactancia

Reactancia.- Parte compleja de la impedancia tiene unidades OHM ()

Donde

j = = unidad imaginaria

XL = reactancia inductiva; XC = Reactancia capacitiva; f = frecuencia del voltaje aplicado en ciclos por segundo o HertzL = inductancia de bobina C = Capacitancia del capacitor

Se define además la admitancia

Donde

Y = Admitancia

G = Conductancia

B = Suceptancia

Voltaje continuo (DC)

Voltaje continuo o voltaje en corriente continua no cambia de polaridad con el tiempo, esto quiere decir que se tiene un Terminal positivo y otro negativo que permanecerá para siempre (ejemplo : las pilas, baterías)

Voltaje alterno (AC)

Voltaje alterno o voltaje en corriente alterna cambia periódicamente de polaridad con el tiempo. Esto quiere decir que cada Terminal cambiara periódicamente de polariza y será alternativamente positivo y negativo (ejemplo el voltaje de la red de distribución domiciliaria

Corriente continua (DCA)

Corriente que fluye en un solo sentido tiene Unidades Amperios (A) (un voltaje continuo provoca que circule por un circuito una corriente continua). La corriente continua puede ser interpretada como una corriente alterna con frecuencia igual a cero

Corriente alterna (ACA).- corriente que fluye en ambas direcciones periódicamente. Unidades Amperios (A)

Formas de onda periódicas

Una onda periódica, es una onda que se repite a intervalos regulares. La forma de onda periódica mas comúnmente encontrada en la naturaleza es la senoidal (o cosenoidal), es la misma forma de onda que se encuentra en la corriente alterna domiciliaria. Debido a su pureza (no contiene harmónicos) es la forma de onda que mejor se comporta en las diferentes aplicaciones. La siguiente figura muestra este tipo de onda, junto con los diferentes parámetros que lo caracterizan

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La onda senoidal puede ser descrito mediante la siguiente ecuación

Donde V(t) es el voltaje en función del tiempo con

Otras formas de onda

Las formas de onda periódicas que no son senoidales como las dos anteriores pueden ser obtenidos mediante la suma de una onda senoidal de la misma frecuencia que la onda original (llamada fundamental) y una serie de ondas senoidales con frecuencia que son múltiplos de la fundamental (llamados harmónicos).

El valor eficaz VEF de una onda periódica, se asocia con el voltaje de esta onda periódica que produce el mismo efecto que una determinada cantidad de voltaje en corriente continua

Valor pico es el máximo valor de la onda (VMAX)

Valor pico a pico es el valor de la onda medido desde su valor máximo negativo a su valor máximo positivo. En el caso de la onda senoidal de la figura Vpp= 2VMAX

En el caso de la corriente continua, el valor eficaz, el valor medio, y el valor pico carecen de significado (en todo caso todos estos valores serian iguales )

Fuentes de Energía Eléctrica

5

VMAX

T T

VEF

VMAX

VEF

Diente de sierraOnda cuadrada

VMAX

VMAX

VEF

T t

Onda Senoidal


Existen dos tipos de fuentes de energía eléctrica: fuentes de voltaje y fuentes de corriente que a su ves pueden ser de AC o DC

Las Fuentes de voltaje idealmente proporcionan un voltaje constante entre sus terminales para una amplia variación de cargas (resistencia conectada entre sus terminales). Variando únicamente el valor de la corriente que circula por la resistencia.

Fuente de voltaje CC Fuente de voltaje de CA

Las fuentes de Corriente, contrariamente a las fuentes de tensión, la corriente que proporciona es constante para una amplia variación de la carga, lo que varia es el voltaje entre los terminales de la carga para poder proporcionar una corriente constante.

Fuente de corriente en CC Fuente de corriente en CA

Medición de Voltaje. El instrumento mediante el cual se mide el voltaje es llamado voltímetro y debe conectarse en paralelo con la carga como se muestra en la siguiente figura

Para no influir en el comportamiento del circuito, el voltímetro debería tener una resistencia interna muy grande. Esta resistencia interna esta representada por la sensibilidad del instrumento que esta dado generalmente en KΩ/V y puede ser obtenido multiplicando la escala por la sensibilidad

Medición de corriente. El instrumento con el cual se mide la corriente es el amperímetro el cual deberá insertarse entre la fuente y la carga (en serie) como se muestra en la siguiente figura

Para no modificar el funcionamiento del circuito, el amperímetro deberá tener una impedancia interna muy pequeña, en lo posible próximo a cero. En ningun caso deberia conectarse un amperimetro en paralelo (como voltimetro); debido a su baja resistencia interna probacaria un corto circuito

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VBATTERY

12

RESISTOR

BATTERY

12

RESISTOR

A

+

-~

+

-

+


Medición de Potencia

Es una combinación de la medición de voltaje y corriente (de hecho la potencia se puede obtener midiendo por separado la corriente y el voltaje y multiplicando los valores medidos)

Circuitos Eléctricos

Un circuito eléctrico es un camino que se le da a la corriente para que fluya

CIRCUITOS DE CORRIENTE CONTINUA

CIRCUITOS DE CORRIENTE ALTERNA

Donde

V(t) = el voltaje que proporciona la fuente de alimentación (en nuestro medio 220V, 50 ciclos por

segundo)

S = potencia aparente con unidades VA (volts * amperes)

v*i cos = potencia activa (vatios ó Watt)

7

510V

BATTERY

12

RESISTOR

W

R

10

L

5

C15

+

-


Cos = factor de potencia

V*i sen = Potencia reactiva (VAR)

= ángulo que forman la corriente con el voltaje ( )

con = 2*f

f = frecuencia (50 Hz)

j = unidad imaginaria (i) utilizado para no confundir con la corriente

CLASIFICACION DE LOS MATERIALES

Conductores 1 a 150 - CmSemiconductores 150 a 1000 - CmAislantes mas de 1000 - Cm

PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS METALES

En la siguiente tabla se muestran algunos de los materiales más importantes que se utilizan en electrónica junto con algunas de sus propiedades

METALCONDUCTIVIDAD

TERMICA RESISTIVIDAD A 100 o (W/m-K) A 20 Oc (-Cm)

ALUMINIO 238 2.67COBRE 397 1.694

ESTAÑO 73.2 12.6GALIO 41 -

GERMANIO 56.4 89*103

HERRO 78.2 10.1ORO 315.5 2.2

PLATA 425 1.63PLOMO 34.9 20.6SILICIO 138 103 - 106

NIQUEL 88 6.9

PROPIEDADES DE MATERIALES DIELECTRICOS PARA CONDENSADORES

Se utilizan en la construcción de capacitares debido a que Ayudan en el almacenamiento de cargas eléctricas (creación de cargas eléctricas).

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MATERIAL CONSTANTE FACTOR DE TEMPERATURA COSTO DIELECTRICA DISIPACION (%) DE SERVICIO (C) RELATIVOPOLICARBONATO 3.0 0.1 -1.0 110 7TERAFTALATO DE POLIETILENO 3.2 0.2 - 2.0 85 3.6POLIIMIDA 3.5 0.2 240 68POLIPROPILENO 2.2 0.01 - 0.03 90 1.8POLIESTIRENO 2.5 0.01 0.1 75 1.3POLITETRAFLUOROETILENO 2 0.003 - 0.025 250 21POLISULFONA 3.1 0.1 - 0.4 150 23CLORURO DE POLIVINILIDENO 11 0.01 - 0.12 160

MATERIALES MAGNETICOS

Tienen la característica que ayudan o contribuyen al flujo magnético, se utilizan en los núcleos de los transformadores y bobinas

MATERIAL DENSIDAD DE FLUJO DENSIDAD REISTIVIDAD PERMEABILIDAD DE SATURACION (G) GR/Cmm3 - Cmm MAXIMA

HIERRO 21500 7.85 9.6 6000COBALTO 19000 8.84 9 250NIQUEL 6080 8.89 2500

Fe al 3% de si no Orientado 20000 7.65 47 8000

Fe al 3% de si orientado 20000 7.65 50 50000

ferrita Mn - Zn 3800 5.54 100 1500Ferrita Ni - Zn 3500 5.54 100 1500

MATERIALES EMISIVOS

Materiales que al ser calentados emiten electrones. se usan en los filamentos de las pantallas de TV y monitores

TungstenoTungsteno recubierto de oxidoTungsteno impregnado de oxido (bario estroncio, calcio)Tungsteno toriado

MATERIALES FOTOSENSIBLES

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Puede ser gaseoso líquido o sólido, los de mayor interés son los cristales líquidos utilizados en pantalla y vidrios ópticos

COMPONENTES ELECTRÓNICOS

Clasificación De Componentes Electrónicos.

Los componentes electrónicos pueden ser clasificados en dos grandes grupos: Componentes Pasivos y Componentes Activos

Los Componentes Pasivos son aquellos que no contribuyen con la ganancia de energía o amplificación dentro de un circuito o sistema electrónico. Estos componentes no tienen acción de control y no necesitan ninguna otra entrada más que una señal para realizar su función. A este grupo pertenecen las resistencias, los condensadores, las bobinas, los conectores, los interruptores y los conductores.

Los Componentes activos son aquellos que tienen la capacidad de controlar voltajes o corrientes y que pueden crear una acción de amplificación o de conmutación. Entre ellos se tiene los diodos, los transistores, los tiristores y los circuitos integrados.

En general los componentes activos mas importantes son los semiconductores; se basan en la propiedad que tienen ciertos materiales de comportarse como conductores o aislantes bajo determinadas condiciones o estímulos externos. Se conocen también como Dispositivos de Estado Sólido (solid state device) y son los verdaderos responsables de la revolución de la electrónica.

COMPONENTES ELECTONICOS PASIVOS

Resistores

Son dispositivos que consumen energía, esta energía se transforma en calor Lo cual provoca la elevación de la temperatura del dispositivo. Se usan para controlar el flujo de corriente.

Símbolo

Designación - R

Unidades Ohm [Ω], kOhm [kΩ], MOhm [MΩ]

TIPOS DE RESISTORES

Resistores de Composición de Carbono.

Existen dos tipos de resistores de carbón: resistores de carbón aglomerado y resistores de película de carbón. Los resistores de carbón aglomerado actualmente se encuentran casi en desuso debido a que presentaba poca estabilidad.

Ventajas: bajo precio amplio intervalo de valores baja inductancia y excelente capacidad para soportar oscilaciones de carga Desventajas: tolerancias > a 5%

Poca estabilidad a largo plazo

Resistores de Película de Carbono

10

R1

2.2k

http://electronred.iespana.es/electronred/resistencia.htm?%00%E5%A1%B9%EF%92%81%E1%B4%BB%E4%A1%BF%E2%B2%AF%E5%B6%82%E8%97%84%E6%8C%A7%00%00%EA%AE%A5#RESISTENCIA%23RESISTENCIA%00


Ventajas: Bajo costo, mayor estabilidad, mejor rendimiento a altas frecuencias, presentan menor ruido: su característica distintiva es que tiene un coeficiente negativo de temperatura

Tiene la desventaja en relación al anterior debido a que tiene una mayor inductancia

Resistores de Película Metálica

Están formadas por una película delgada de metal sobre un núcleo aislante, para valores elevados esta formado por un oxido o algún compuesto metálico. Se encuentran resistencia con tolerancias hasta de 0.1 a 1%. Son superiores en estabilidad a los dos anteriores.

Resistores de Alambre Arrollado

De uso general, de bajo costoDe potencia de hilo arrolladoDe precisión de hilo arrollado

Existen con tolerancias desde 0.01 hasta 1% , tienen buena estabilidad

Resistores de Pastilla (chip)

Resistores de pequeña potencia utilizados para reducir el tamaño de los circuitos, tienen excelente estabilidad y son de montaje superficial (SMD = Surface Mounted Device)

Resistores de circuitos microelectrónicos

Resistores de película gruesaResistores de película delgada

Propiedades de los Resistores

Tolerancia EstabilidadCoeficiente térmicoCoeficiente de voltaje Efectos de la humedadDisipación de potenciaEfectos de las frecuencias

Tolerancia.

Esta expresada como porcentaje, mediante ella el fabricante esta garantizando que el valor de la resistencia esta comprendido dentro de un rango valores. Por ejemplo en una resistencia de 1000Ω al 5% su valor, en ningún caso deberá ser menor a 950Ω (1000 – 5% de 1000) ni mayor a 1050Ω (1000 + 5% de 1000). La tolerancia esta expresada mediante la ultima banda en el cuerpo de la resistencia. (Para tolerancias ≤ 10%)

Estabilidad

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http://recursos.cnice.mec.es/bancoimagenes2/buscador/imagen.php?idimagen=17806&zona=col&nivel1=42&start=120%00%E5%A1%B9%EF%92%81%E1%B4%BB%E4%A1%BF%E2%B2%AF%E5%B6%82%E8%97%84%E6%8C%A7%00%00%EA%AE%A5


La estabilidad se refiere al cambio que experimenta la resistencia después de la exposición a un esfuerzo ambiental específico. Los esfuerzos más importantes que se consideran son: alta o baja temperatura durante el almacenamiento, larga duración en almacenamiento, aplicación de potencia nominal completa humedad, Calor de soldadura, tiempos cortos de sobrecarga y exposición a radiación

Coeficiente Térmico

Llamado también coeficiente de temperatura se define como la variación del valor de la resistencia expresado en partes por millón por cada grado Celsius (ppm/°C). Este coeficiente es mayor para resistencias de mayor valor y a temperaturas elevadas puede ser significativo.

Coeficiente de Voltaje

Se conoce como coeficiente de voltaje al cambio porcentual que experimenta una resistencia por cada voltio aplicado Por lo general cuando se aplica voltaje a un resistor, el valor de este puede experimentar una ligera disminución (además de los cambios debido a la temperatura)

Efectos de Humedad

La humedad puede provocar los siguientes dos efectos que pueden ser revertidos

Fugas de corriente sobre la superficie de resistencias de alto valor reduciendo de esta manera la resistencia aparente Si se absorbe la humedad a través del cuerpo de la resistencia puede hacer variar el valor

Estos dos efectos pueden ser revertidos mediante horneado de la resistencia (secado en horno).

Disipación de Potencia

La potencia disipada es el trabajo realizado por la corriente eléctrica al circular a través de la resistencia. Este trabajo se convierte en calor y hace elevar la temperatura de la resistencia. La potencia de las resistencias esta especificada en Watts; en algunas resistencias de valores relativamente grandes como es el caso de las resistencias de alambre, la potencia esta impresa en el cuerpo de la resistencia. En general el tamaño de la resistencia esta relacionada con su potencia. Para aplicaciones electrónicas, existe en el mercado resistencias desde 1/20 Watts hasta aproximadamente 100Watts.

Una consideración importante en la disipación de potencia es el incremento de temperatura, ya que esta puede reducir la disipación de potencia, especialmente cuando esta montada cerca de dispositivos que emiten calor, en tal caso será necesario disminuir la potencia que puede disipar la resistencia o en su defecto mejorar la ventilación.

Efectos de las Frecuencias

El valor de la resistencia permanece constante solo a bajas frecuencias, la respuesta a altas frecuencias es afectada por las inductancias y capacitancias distribuidas en la trayectoria resistiva, inductancia de los conductores, capacitancia entre la envoltura y tierra, efecto de superficie y perdidas dieléctricas.

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Código de Colores para Resistencias

EjemplosRojo, negro, rojo, dorado = 2000 +- 5%Amarillo, violeta, rojo, rojo, café =47200 +- 1% Naranja, naranja, dorado, dorado = 3.3 +- 5%

Medicion de Resistencias:

La medición de las resistencias se efectúa mediante el instrumento llamado Ohmetro este instrumento lo que en realidad mide es la corriente que deja circular la resistencia; por tanto a mayor valor de resistencia circulará menor corriente. Es por esta razón, tratándose de un ohmetro analógico, la escala deberá estar graduada de derecha a izquierda (con el cero a la derecha). En el caso del ohmetro analógico deberá elegirse la escala que nos permita mejor visibilidad de la lectura y en el caso del ohmetro digital debería elegirse la escala inmediatamente superior al valor que se desea medir. El valor obtenido en la medición deberá estar dentro de los márgenes establecidos por la tolerancia (Valor especificado tolerancia). Sin embargo esta medida estará sujeta al error propio del instrumento con el cual se esta midiendo (cualquier valor fuera del rango, supone desechar el resistor).

Termistores

Son resistores cuyo valor varía en función de la temperatura

Símbolo Aspecto físico

Existen de dos tipos:

PTC ó PTR (coeficiente positivo de temperatura)

El valor de la resistencia varía (aumenta) con el aumento de temperatura

NTC ó NTR (coeficiente negativo de temperatura)

El valor de su resistencia disminuye a medida que aumenta su temperatura

Dado que la resistencia del termistor varía con su temperatura, para poder medirse debería calentarse este dispositivo y observar la variación conforme calienta o enfría.

Varistores

Llamados también VDR (resistencia dependiente de voltaje) o MOV (metal oxide varistor) Son resistores cuyo valor varía en función del voltaje aplicado, se utilizan como protectores contra sobretenciones y supresores de picos

Color valor Multiplicador ToleranciaNegro 0 1 Café 1 10 ±1% (F)Rojo 2 100 ±2% (G)Naranja 3 1000 (1K)

Amarillo 4 104 (10K)

Verde 5 105 (100K) ±0,5%

Azul 6 106 (1 M) ±0,25%

Violeta 7 107 (10 M) ±0,10%Gris 8 ±0,05% Blanco 9 Dorado 0.1 ±5% (J)Plateado 0.01 ±10% (K)

Ninguno ±20% (M)

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Si se trata de medir con un ohmetro, normalmente y varistor no debería medir resistencia alguna (R = ∞ ) sin embargo esta medida no nos da el valor de su voltaje eficaz. Un circuito que nos permita medir el voltaje eficaz es el que se muestra en la figura.

Fotorresistencias

El LDR (Light dependant resistor) es una resistencia que varía su valor dependiendo de la cantidad de luz que la ilumina. Los valores de una fotorresistencia cuando está totalmente iluminada y cuando está totalmente a oscuras varía, puede medir de 50 ohmios a 1000 ohmios (1K) en iluminación total y puede ser de 50K (50,000 Ohms) a varios megaohmios cuando está a oscuras.


El valor de la fotorresistencia (en Ohmios) no varía de forma instantánea cuando se pasa de luz a oscuridad o al contrario, y el tiempo que dura en este proceso no siempre es igual si se pasa de oscuro a iluminado o si se pasa de iluminado a oscuro.

Esto hace que el LDR no se pueda utilizar en muchas aplicaciones, especialmente aquellas que necesitan de mucha exactitud en cuanto a tiempo para cambiar de estado (oscuridad a iluminación o iluminación a oscuridad) y a exactitud de los valores de la fotorresistencia al estar en los mismos estados anteriores. Su tiempo de respuesta típico es de aproximadamente 0.1 segundos.

Pero hay muchas aplicaciones en las que una fotorresistencia es muy útil. En casos en que la exactitud de los cambios no es importante como en los circuitos:

- Luz nocturna de encendido automático, que utiliza una fotorresistencia para activar una o más luces al llegar la noche.

- Relé controlado por luz, donde el estado de iluminación de la fotorresistencia, activa o desactiva un Relay (relé), que puede tener un gran número de aplicaciones

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+

-

100k

+

-

Fuente de Corriente Alterna

Voltímetro de corriente alterna


El LDR o forresistencia es un elemento muy útil para aplicaciones en circuitos donde se necesita detectar la ausencia de luz de día

Para poder probar una fotorresistencia es necesario exponer este dispositivo a la luz y la oscuridad para poder observa la variación de su valor

Valores Normalizados de Resistencias

Los valores de resistencias que pueden encontrarse depende esencialmente de las tolerancia con las que se fabrican, el objetivo es cubrir el rango de todos los valores posible. En la siguiente tabla se muestra los valores normalizados.

Tolerancia 10 % Tolerancia 5 % Tolerancia 2 %

1.0 1.0, 1.1 1.00, 1.05, 1.1, 1.15

1.2 1.2, 1.3 1.21, 1.27, 1.33, 1.40, 1.47

1.5 1.5, 1.6 1.54, 1.62, 1.69, 1.78

1.8 1.8, 2.0 1.87, 196, 2.00, 2.05, 2.15

2.2 2.2, 2.4 2.26, 2.37, 2.49, 2.61

2.7 2.7, 3.0 2.74, 2.87, 3.01, 3.16

3.3 3.3, 3.6 3.32, 3.48, 3.65, 3.83

3.9 3.9, 4.3 4.02, 4.22, 4.42, 4.64

4.7 4.7, 5.1 4.87, 5.11, 5.36

5.6 5.6, 6.2 5.62, 5.90, 6.19, 6.49

6.8 6.8, 7.5 6.81, 7.15, 7.50, 7.87

8.2 8.2, 9.1 8.25, 8.66, 9.09, 9.53

La anterior tabla representa los valores de resistores y sus múltiplos que pueden encontrarse en el mercado según su tolerancia (ejemplo: una resistencia de 51 Ω solo puede encontrarse con una tolerancia de 5%)

Código Alfa Numérico para Resistores

Las resistencias tipo chip y algunos otros tipos, para indicar su valor llevan impresa un código numérico en tres o cuatro cifras similar al que se muestra en la figura:

Para obtener el valor en simplemente se debe reemplaza la ultima cifra por el numero de ceros que indica. En el ejemplo anterior se tiene 100000 = 100K y 1000 = 1K respectivamente.

Para valores decimales, en lugar del punto de pone la letra R. Como puede observarse en los siguientes ejemplos resistencias

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(2%)Primer Digito

Segundo DigitoTercer Digito

Exponente

47 1 1.2 0.33 0


Otros tipos de Resistores.

Resistores variables o potenciómetros

Simbolo

Variación Lineal,Variación logarítmica Variación cuadrática

Los potenciómetros se utilizan como controles en todo tipo de equipos electrónicos analógicos (control de brillo, contraste, volumen, etc:)

Asociación de Resistores

Asociación en serie

Asociación en paralelo

Sabiendo que la admitancia

Para el caso de en que la impedancia Z = R

Generalizando

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%R %R %R

R1

Asociación en serieAsociación en Paralelo




Por tanto, al contrario de las resistencias, la admitancia equivalente de las admitancias en paralelo es igual a la suma de las admitancias individuales y en el caso de admitancias en serie; el reciproco de la admitancia equivalente es igual a la suma de los recíprocos de las admitancias individuales, como se puede observar en las anteriores formulas

Conversión y

En ocasiones los circuitos se presentan bastante complejos y no es posible simplificarlos, para estos casos se dispone de herramientas como son la conversión de circuitos delta en circuitos estrella y viceversa; mediante el uso de estas herramientas, circuitos complejos pueden ser simplificados a simples circuitos serie y paralelo.

Conversión

Conversión

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R5R4

R6

A B

C

R1

R2

R3

A B

C

CIRCUITO

CIRCUITO


Capacitores ó Condensadores

Símbolo

Designación C

Unidades: Faradio [F], microfaradio (μF), Nano Faradio [nF]

Pico Faradio [pF]

Se llama capacitor a un dispositivo que almacena carga eléctrica. El capacitor está formado por dos conductores próximos uno a otro, separados por un aislante, de tal modo que puedan estar cargados con el mismo valor, pero con signos contrarios.

En su forma más sencilla, un capacitor está formado por dos placas metálicas o armaduras paralelas, de la misma superficie y encaradas, separadas por una lámina no conductora o dieléctrico. Al conectar una de las placas a un generador, ésta se carga e induce una carga de signo opuesto en la otra placa. Por su parte, teniendo una de las placas cargada negativamente (Q -) y la otra positivamente (Q+) sus cargas son iguales y la carga neta del sistema es 0, sin embargo, se dice que el capacitor se encuentra cargado con una carga Q.

El capacitor tiene una serie de características tales como capacidad, tensión de trabajo, tolerancia y polaridad, que deberemos aprender a distinguir

En la figura, se muestra esquematizado un condensador, con las dos láminas = placas = armaduras, y el dieléctrico entre ellas. En la versión más sencilla del condensador, no se pone nada entre las armaduras y se las deja con una cierta separación, en cuyo caso se dice que el dieléctrico es el aire.

Capacidad: Se mide en Faradios (F), aunque esta unidad resulta tan grande que se suelen utilizar varios de los submúltiplos, tales como microfaradios (µF=10-6 F ), nanofaradios (nF=10-9 F) y picofaradios (pF=10-12 F).

Tensión de trabajo: Es la máxima tensión que puede aguantar un condensador, que depende del tipo y grososr del dieléctrico con que esté fabricado. Si se supera dicha tensión, el condensador puede perforarse (quedar cortocircuitado) y/o explotar. En este sentido hay que tener cuidado al elegir un condensador, de forma que nunca trabaje a una tensión superior a la máxima.

Tolerancia: Igual que en las resistencias, se refiere al error máximo que puede existir entre la capacidad real del condensador y la capacidad indicada sobre su cuerpo.

Polaridad: Los condensadores electrolíticos y en general los de capacidad superior a 1 µF tienen polaridad, eso es, que se les debe aplicar la tensión prestando atención a sus terminales positivo y negativo. Al contrario que los inferiores a 1µF, a los que se puede aplicar tensión en cualquier sentido, los que tienen polaridad pueden explotar en caso de ser ésta la incorrecta.

La batería transportará carga de una placa a la otra hasta que el voltaje producido por la carga sea igual al voltaje de la batería

18

+

+q

-q

+

-VcBatería

+

-

Capacitor


Modelo equivalente del capacitor

Los capacitores ideales no disipan energía como lo hacen los resistores. En cambio, los capacitores reales normalmente presentan una resistencia asociada en paralelo. Esta resistencia proporciona una trayectoria de conducción entre placas. Es a través de esta resistencia que el capacitor se descarga lentamente. A continuación figura un modelo práctico (simplificado) de capacitor.

Rp representa las pérdidas dieléctricas, cuyo valor ronda los 100Mohms -excepto en los capacitores electrolíticos donde es mucho menor; Rs representa las resistencias de contacto y las pérdidas en los conductores Un modelo más completo contempla además una inductancia (L) en serie con el circuito anterior. y L representa la inductancia propia del capacitor más la de los conductores.

Funcionamiento del Capacitor

El valor de la capacitancia C esta dada por:

Donde

= es la constante dieléctrica del material utilizado

A = área de las placas del capacitor

D = distancia de las placas del capacitor

Variación (valor final – valor inicial)

Vc = Voltaje en los terminales del capacitor

En la anterior formula es posible observar que la capacitancia C es directamente proporcional a la constante y al área de las placas (al incrementar y/o A la capacitancia aumenta) e inversamente proporcional a la distancia entre las placas (al incrementar la distancia entre las placas, la capacitancia disminuye). Sin embargo, el voltaje de un capacitor entre otras cosas también es función de la distancia de las placas (a mayor distancia mayor voltaje)

Para comprender mejor el comportamiento de un capacitor analizaremos que sucede con el voltaje y la corriente en el capacitor primeramente un instante muy pequeño después de conectarse el circuito para que se cargue el capacitor y luego de un tiempo considerable después de conectarse, suponiendo que el capacitor inicialmente se encuentra descargado.

Para t = 0+ (un tiempo infinitamente pequeño después de cerrado el interruptor)

De al ecuación de voltaje, y corriente se tiene

19

Rp

Rs C


Para t = (tiempo muy grande)

Considerando que el voltaje entre los terminales de un componente que está funcionando en un circuito por el cual circula una corriente es cero. Solo puede darse cuando este elemento no tiene resistencia (es un conductor o un corto circuito). Se deduce que el capacitor se comporta como corto circuito para t = 0+.

Por otra parte, si en un circuito al que se aplica un voltaje de cualquier magnitud circula corriente de valor cero es que este circuito esta abierto. En consecuencia, un capacitor cuando esta cargado (t = ) se comporta como circuito abierto.

Otra conclusión a la que se podría arribar es que el voltaje entre los terminales de un capacitor no puede cambiar instantáneamente porque un cambio instantáneo de valor requeriría un flujo de corriente de valor infinito

Reactancia Capacitiva (XC)

La reactancia capacitiva es la oposición que ejerce un capacitor al flujo de la corriente alterna. Y esta definida por la siguiente ecuación

Donde

= frecuencia angular del voltaje aplicado = frecuencia en ciclos por segundo del voltaje aplicado

C = capacidad en faradios del capacitor

En la anterior ecuación, es posible observar que la oposición que ejerce un capacitor al flujo de corriente alterna es menor cuando el capacitor tiene mayor valor, también disminuye cuando la frecuencia aumenta, en el caso de corriente continua (donde la frecuencia es igual a cero), la oposición que ejerce el capacitor es infinito (no circula corriente continua en un capacitor)

Prueba de Capacitares

Para poder probar un capacidor es necesario disponer de un medidor de capacitores, sin embargo este instrumento solo mide el valor de la corriente que circula por el capacitor (indirectamente la capacitancia) sin importar si esta se debe a la capacitancia o a las resistencias RS y RP. Un instrumento que nos permite medir además de la capacitancia, las resistencias RS y RP es el Capacheck. Con este instrumento puede medirse capacitares inclusive en funcionamiento. También es posible medir un capacitor con un ohmetro pero en este caso solo nos proporcionara información de que si el capacitor esta en cortocircuito o no y en el caso de un ohmetro analógico también es posible observar la carga y descarga del capacitor de nos da una información aproximada de que este aun recibe cierta carga y no así si esta con el valor correcto o no.

20


Asociación de Capacitores

Serie

Para n = 2

Entonces

n indica el numero de capacitares que se pone en serie

Paralelo

Serie – Paralelo

Para obtener el valor de Ceq, es necesario primero resolver el paralelo de C2 y C3 y después la Serie entre el resultado obtenido y C1

De donde se obtiene

Ceq = 4.2μF

CONVERSIÓN

21

C1 6.8uF

C3 10uFC2 1uF

Ceq

A B

C

C1

C2

C3


TIPOS DE CAPACITORES

Una primera clasificación se puede realizar de acuerdo a que si tienen polaridad o no:

Polarizados

Estos capacitores tienen polaridad (sus terminarles vienen marcado + y –; al conectarse deberá conservarse esta polaridad). Se usan exclusivamente en corriente continua. En caso de invertirse la polaridad se dañan

No polarizado

Son capacitares que no tienen polaridad (sus terminales no tiene marca de polaridad y pueden conectarse indistintamente), generalmente se utilizan en corriente alterna pero también pueden utilizarse en corriente continua.

Una segunda clasificación se realiza de acuerdo al material dieléctrico que tienen entre las placas

Capacitores Electrolíticos de Aluminio

Los capacitores electrolíticos de aluminio son bastante populares debido a su bajo costo y gran capacitancia por unidad de volumen, se utilizan en aplicaciones de filtrado. En las que se requiere gran capacitancia, pueden ser polarizados o no polarizados.

Los capacitores electrolíticos de aluminio son de tipo de hojas metálicas con un electrolito que puede ser acuoso en pasta o seco, el ánodo se forma con láminas de aluminio de alta pureza anodinado (se forma una capa de oxido de aluminio), el cátodo es una segunda lámina de aluminio; si el capacitor es no polarizado también se anodiza la lamina del cátodo. Para los tipos polarizados la lamina del cátodo no tiene oxido o si la tiene es muy delgada.

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A B

C

C4 C5

C6

+




En el mercado existen capacitores electrolíticos de aluminio desde 0.1μF hasta 1Fcon voltajes nominales hasta de 600V. Sus tolerancias suelen variar desde -10 % hasta 150%; además la capacitancia esta estrechamente relacionada en con la temperatura y disminuye con el descenso de temperatura

Capacitores Electrolíticos de Tantalio

Son más flexibles y confiables y presentan mejores características que los electrolíticos de aluminio pero también su costo es mucho mas elevado. Existen de dos tipos: los de hojas metálicas húmedo y sólido.

Los capacitores de tantalio existen en el mercado en tamaños que varían desde 0.1μF hasta 3300μF con voltajes hasta de 450V

Capacitores de Cerámica

Los capacitores de cerámica se fabrican en forma de disco, como capacitores de capas múltiples o monolíticas, o también en forma tubular. El material dieléctrico es principalmente titanato de bario, titanio de calcio o dióxido de titanio con pequeñas cantidades de otros aditivos para obtener las características deseadasLos valores de capacitancia varían desde 2pF hasta 2μF con voltajes de hasta de 5kv.

Capacitores de Poliéster

Se fabrican con dos cintas muy finas de de algún material plástico como ser poliestireno, propileno, policarbonato estiroflex milar o poliéster los cuales se encuentran metalizados por una cara dejando en el borde de cada una de ellas una banda sin cubrir, en lados opuestos. Dichas cintas se enrollan en si mismas y cada uno de los terminales esta unido a uno de las cintas metalizadas. Se usan principalmente en circuitos que manejan frecuencias bajas o medias como condensadores de paso. En algunas ocasiones, se utilizan para altas frecuencias; sin embargo presentan perdidas bastante elevadas. Se fabrican con capacidades relativamente altas y voltajes de operación hasta 2000V

Capacitores de Mica

Reciben este nombre debido a que su dieléctrico es de mica. Son usados principalmente en aquellos circuitos donde se necesita una gran estabilidad y altos voltajes de operación debido a que la mica es un material muy estable y un gran aislante. Se fabrican con capacites entre 1pF a 220nF.con tolerancias de 0.5% y con voltajes desde 50V hasta 35kV

Por ultimo es posible clasificar los capacitores de acuerdo al hecho de que su capacidad se mantiene fija o puede ser variable

Capacitores Fijos

El valor de su capacitancia se mantiene constante (no puede ser variado)

Capacitores Variables

23







El valor de su capacitancia puede ser variado manualmente entre ciertos límites; esta variación puede ser lineal, logarítmica o cuadrática como se ilustra en la siguiente figura

Codificación de Capacitores

Para indicar el valor, los capacitares se utilizan diferentes métodos:

a) Impresión del valor mediante números y letras: Utilizado en capacitares grandes donde es posible imprimir el valor de su capacitancia y su voltaje (ejemplo electrolíticos de aluminio)

b) Código de colores: En la actualidad casi en desuso, se pintaba una serie de franjas de colores que indicaban el valor del capacitor así como su voltaje

c) Código numérico. Al igual que los resistores tipo chip se imprime un código numérico que indica el valor de la capacidad en picofaradios , seguido de una letra que indica la tolerancia del capacitor

Tolerancias para capacitores

LETRA B C D F G H J K M P R S Z C < 10PF 0.1 0.25 0.5 1 2 (+- PF) C>=10PF 0.5 1 2 2.5 5 10 20 0 +100 -20 +30 20 +50 -20 +80

24

C = 22000pF = 22nF 20%, 50V

223M1H 474J

C = 470000pF = 470nF = 0.47F 5%, 100V

2A


(+- %)

Voltaje Maximo De Operación De Los Capacitores

VOLTAJE MAXIMO DE OPERACION

CONBINACION VOLTAJE

1H 50V

2A 100V

2T 150V

2D 200V

2E 250V

2G 400V

2J 630V

Código de Colores para Capacitores

INDUCTORES ó bobinas

Símbolo

Designación L

Unidades: Henrio [H], miliHenrio [mH], microHenrio [μH]

Los inductores o bobinas son elementos lineales y pasivos que pueden almacenar y liberar energía basándose en fenómenos relacionados con campos magnéticos. Básicamente, todo inductor consiste en un arrollamiento de hilo conductor aislado o esmaltado alrededor de un núcleo magnético. La inductancia resultante es directamente proporcional al número y diámetro de las espiras y a la permeabilidad del interior del arrollamiento (el núcleo), y es inversamente proporcional a la longitud de la bobina.

La energía que almacena una bobina esta relacionado con su inductancia y la corriente que circula por ella:

25


Al hacer circular una corriente por una bobina la bobina se convertirá en un imán (electroimán) en sentido del campo magnético esta dada por la regla de la mano derecha

El voltaje o fuerza electromotriz (fem) en la bobina esta dada por:

Donde significa variación

La anterior formula implica que en un inductor la fem será diferente de cero solo si la corriente aplicada varia en el tiempo (la corriente I no es constante).

Si analizamos las anteriores dos ecuaciones suponiendo que la bobina inicialmente se encuentra descargada. Al cerrarse el interruptor, la bobina empezara a cargarse siguiendo una función exponencial dada por la ecuación iL: el valor de la corriente en la bobina inmediatamente después de cerrarse el interruptor (para t = 0+), será iL = 0. Así mismo para un tiempo muy grande (t = ), donde se

supone que la bobina ya está completamente cargada, la corriente será iL= .

Por otra parte, si se realiza el mismo análisis en la ecuación del voltaje en la bobina. Tendremos que:

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Núcleo

Arrollamiento

Corriente

Sentido del Campo Magnético


Para t = 0+ vL= V

Para t = vL = 0

Del anterior análisis podemos sacar las siguientes conclusiones:

Para t = 0+, la bobinas se comporta como circuito abierto

Para t = (cuando esta completamente cargada), la bobina se comporta como corto circuito

Una conclusión adicional a la que se arriba es que:

La corriente en la bobina no puede cambiar instantáneamente de valor porque esto requeriría un que se induzca un voltaje en la bobina de valor infinito

Si se realiza una comparación entre las ecuaciones de los voltajes y corrientes en el capacitor y la bobina, las ecuaciones de voltaje del capacitor tienen la forma de las ecuaciones de corriente por la bobina y las ecuaciones de corriente por el capacitor tiene la forma del voltaje por la bobina y además cuando el capacitor se comporta como circuito abierto, la bobina se comporta como circuito cerrado y viceversa

El voltaje en el capacitor no puede cambiar instantáneamente de valor pero si la corriente (inclusive cambiar de sentido)

La corriente en una bobina no puede cambiar instantáneamente de valor. Pero si puede hacerlo el voltaje (inclusive cambiar de polaridad)

Reactancia Inductiva (XL)

La reactancia inductiva es la oposición que ejerce una bobina al paso de la corriente alterna. Y esta dada por la siguiente ecuación

Donde

= frecuencia angular = frecuencia en ciclos por segundo

L = valor de la inductancia en Henrios

La oposición que ejerce la bobina al paso de las corrientes mayor cuando mayor es el valor de la inductancia y aumenta con la frecuencia del voltaje aplicado. En la realidad lo bobina no consume energía simplemente la almacena en un semiciclo y en el otro la devuelva a la red (se llama semiciclo a la mitad de cada ciclo entonces existe semiciclo positivo y semiciclo negativo)

Modelo Equivalente

Los inductores ideales no disipan energía como lo hacen los resistores. Pero en la práctica, el inductor real presenta una resistencia de devanado que disipa energía. A continuación figura un modelo práctico (simplificado) de inductor.

27


R representa las pérdidas en el devanado, cuyo valor generalmente es pequeño pero puede llegar a varios cientos de ohms. Un modelo más completo contempla además la capacidad parásita o distribuida debido a la capacidad entre las vueltas del bobinado (Cp en paralelo con el circuito anterior).

Prueba de Bobinas

Para determinar el valor exacto de una bobina, se requiere también el uso de un medidor de inductancia que al igual que el capacimetro inyecta un voltaje de corriente alterna en los terninales de la bobina y mide la corriente que fluye por esta, esta corriente es proporcional al valor de la inductancia por tanto esta medida representa la inductancia de la bobina. Obviamente que el valor medido esta afectado por la resistencia interna de la bobina y podría dar valores erróneos especialmente en bobinas pequeñas con alambre delgado y de muchas espiras. Una medida aproximada también puede realizarse mediante un Ohmetro, en tal caso solo es posible medir la continuidad de la bobina.

CLASIFICACIÓN

Según el núcleo o soporte:

Núcleo de aire: el devanado se realiza sobre un soporte de material no magnético (fibra, plástico, etc.). En los casos donde no se utiliza soporte, la bobina queda conformada sólo debido a la rigidez mecánica del conductor.

Núcleo de hierro: como tiene mayor permeabilidad que el aire (10 a 100), aumenta el valor de la inductancia. Sin embargo, sólo se emplea en bajas frecuencias porque a altas frecuencias las pérdidas son elevadas. Ejemplo de estos son los transformadores y se aplican en fuentes de alimentación y amplificadores de audio.

Núcleo de ferrita: las ferritas son óxidos de metales magnéticos, de alta permeabilidad (10 a 10000) que además son dieléctricos. Existe una gran variedad en el mercado en función de la frecuencia de trabajo. Se utilizan en altas frecuencias como en fuentes conmutadas

2.2 Según la forma constructiva:

Solenoides o solenoidales

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http://recursos.cnice.mec.es/bancoimagenes2/buscador/imagen.php?idimagen=17897&zona=col&nivel1=42&start=20


Tiroides o toroidales

Según la frecuencia de la corriente aplicada:

Alta frecuencia: de reducido tamaño y número de espiras Baja frecuencia: de mayor tamaño y número de espiras

Según el recubrimiento: -, plástico, resina, metal (apantalladas).

Según la característica de su valor: fijos y ajustables.

Según el tipo de montaje: de inserción y SMD. (SMD = montaje superficial)

CODIFICACIÓN

Los inductores moldeados suelen presentar un sistema de código de colores similar al de los resistores.

Alternativa: de acuerdo con el estándar EIA (Electronic Industries Asociation), si una de las bandas que corresponden a las cifras significativas es dorada, ésta representa al punto decimal y la banda que antes actuaba como multiplicador pasa a ser ahora otra cifra significativa.

Ejemplos:

Marrón - verde - dorado - plateado = 1 - 5 - 10-1 10 = 1.5 [uH] 10%

Marrón - dorado - verde - plateado = 1 - punto decimal - 5 -10 = 1.5 [uH] 10%

Asociación de Inductores

La asociación de inductores sigue la misma ley que de las resistencias. Esto es:

Serie

Paralelo

29

LnL2L1

LnL2L1


Ley de OHM

La ley de Ohm establece que la corriente en un circuito es directamente proporcional al voltaje aplicado e inversamente proporcional a la resistencia del circuito. Esta dada por la siguiente formula.

De la ley de Ohm podemos establecer que:

Un incremento del voltaje en un circuito manteniendo su resistencia invariable, la corriente que fluye por el circuito se incrementa.

Un incremento en la resistencia de un circuito manteniendo el voltaje aplicado invariable, la corriente que fluye por el circuito disminuye.

DIVISOR DE TENSIÓN

Para circuitos con resistores o inductivos

Para circuitos con capacitores

DIVISOR DE CORRIENTE

Para circuitos con resistencias o bobinas

Calculando I = 0.145A = 145mA

30

+V

R2

R1

V2

V1

+

+

+

-V

C1

C2V2

V1

+

+

I

I1

I2

R2 2.2kR1 1k+

V 100V


Entonces

I1 = 0.1AI2 = 0.045A

Para Circuitos con Capacitores

LEYES DE KIRCHHOFF

Ley de Nodos

En cualquier unión en un circuito a través del cual fluye una corriente constante, la suma de las intensidades (Corrientes) que llegan a un nudo es igual a la suma de las intensidades que salen del mismo.

En el primer caso, por ser una fuente de corriente, I1= 500ma

Aplicando divisor de corrientes, se tiene

I2 = 239mA

I3 = 195mA

I4 = 66mA

El mismo ejemplo pero con una fuente de tensión de 10V

Obteniendo la resistencia equivalente del circuito

Req = 2005Ω

31

R4

4.7k

R1

1k

R5 3.3kR3 2.7kR2 2.2kIs1 500mA

I1

I3

I4

I2

Nodo

+10V

R4

4.7k

R1

1k

R5 3.3kR3 2.7kR2 2.2k

NodoI1

I2I3

I4

+

-

10V C2 2.2uFC1 4.7uF

I1

I2I


Por tanto

I1 = 4.98mA

I2 = 2.36mA

I3 = 1.93mA

I4 = 0.65

Ley de Mallas

La ley de las mallas afirma que, comenzando por cualquier punto de una red y siguiendo cualquier trayecto cerrado de vuelta al punto inicial, la suma neta de las fuerzas electromotrices halladas será igual a la suma neta de los productos de las resistencias halladas y de las intensidades que fluyen a través de ellas. Esta segunda ley es sencillamente una ampliación de la ley de Ohm.

La ley de mallas puede ser expresando matemáticamente de la siguiente manera

Donde

Es la suma o sumatoria de todas las fuentes de tensión (suma algebraica) en la que si la corriente coincide con el

sentido de la fuentes (- a +) entra con signo positivo, de lo contrario con signo negativo)

Si elegimos como flujo de la corriente en el sentido de la fuente V1, se tendría:

(a)

Pero si se elige en el sentido de las fuentes V2 y V3 , se tendrá:

(b)

si en el resultado e obtiene un valor negativo de la corriente, significa que el sentido elegido no es el correcto y deberá ser cambiado

En el ejemplo, mediante la ecuación a), se tiene:

De donde

32

R3

3.3k

R2 1k

+V3 5V

R1 2.2k

+V2 3.6V

+V1 10V


El valor obtenido es positivo; por tanto el sentido de la corriente elegida es el correcto. Si el calculo hubiera sido realizado mediante la ecuación (b), se hubiese obtenido el mismo valor pero de signo contrario.

Caída de tensión

Se define caída de tensión como el voltaje que aparece entre los terminales de un componente pasivo por el cual circula una corriente. En el caso de una resistencia será:

Donde V

VR = Caída de tensión a través de la resistencia IR = corriente que circula por la resistenciaR = Valor en Ω de la resistencia

Potencia Disipada

Se define como potencia disipada por un componente pasivo al producto de la corriente que circula por el componente y el voltaje que aparece entre sus terminales. En el caso de una resistencia, se tiene

COMPONENTES ELECTRÓNICOS ACTIVOS

Materiales semiconductores

1. Redes cristalinas de, Si y Ge.

Si echamos un vistazo a la tabla periódica, veremos que en la columna donde se encuentra el carbono, también aparecen el silicio y el germanio. Todos ellos se caracterizan porque en la última capa de electrones de su estructura atómica poseen cuatro electrones.

Se sabe que estos elementos tienen una estructura más estable si comparten electrones, formando enlaces covalentes, de forma que al compartir estos electrones con átomos vecinos todos ellos tengan en la última capa ocho electrones, situación que es muy estable.

33


Esto hace que se forme una malla de átomos que se denomina red cristalina. El diamante es un ejemplo de este tipo de estructura cristalina formada por átomos de carbono. El silicio y el germanio forman redes similares.

En estas condiciones todos los electrones tienen su lugar en la red, así que estos materiales no permiten la movilidad de electrones y por lo tanto son aislantes.

Semiconductores Intrínsecos

Un semiconductor se denomina intrínseco cuando no tiene átomos extraños al material semiconductor y tiene una estructura perfectamente cristalina.

Un semiconductor intrínseco tiene la propiedad de ser aislante a cero grados Kelvin. Los electrones de valencia están ligados al enlace covalente y los electrones de la capas interiores lo están al núcleo. Al aplicar un campo eléctrico no circula corriente porque no hay cargas móviles: el semiconductor es un aislante.

Un electrón que forma parte de un enlace covalente esta fuertemente ligado a el. Hace falta proporcionarle como mínimo una energía Eg para conseguir arrancarlo del enlace y que pueda moverse libremente por el cristal esta energia Eg se denomina energía de la banda prohibida (en ingles la banda prohibida recibe el nombre de gap, por lo que a veces es llamada energía gap).

Semiconductores extrínsecos

Un semiconductor extrínseco es un monocristal que, además de los átomos propios del semiconductor contiene otros denominadas impurezas. Las impurezas se clasifican en donadoras y aceptoras, para el silicio, las impurezas donadoras son átomos pentavalentes (cinco electrones de Valencia) y las aceptoras son átomos trivalentes, Las impurezas donadoras dan lugar a un semiconductor tipo N y las aceptoras a uno de tipo P

Semiconductor tipo N. Ge o Si dopada con As.

Las impurezas en un cristal semiconductor extrinceso siempre están en una concentración menor que los átomos propios del semiconductor. Cuando se introduce un átomo de impureza pentavalente (por ejemplo el fósforo o el arsénico) en un cristal, este sustituye a un átomo de silicio en un nudo de la red cristalina. El átomo de impureza dedica cuatro de sus cinco electrones de valencia a construir los cuatro enlaces covalentes que demanda la estructura cristalina (figura). Estos cuatro electrones están fuertemente ligados a su posición y se requiere como mínimo la energía Eg para liberarlos, el quinto electrón queda débilmente unido al átomo a través de la fuerza atractiva de Coulomb entre el electrón y el núcleo y se requiere muy poca energía para desligarlo

34


Semiconductor tipo P. Ge o Si dopado con B.

Si en lugar de impurezas pentavalentes se introducen en el cristal de Si impurezas trivalentes, se obtiene un semiconductor tipo P. Cuando un átomo de impureza trivalente (por ejemplo el Boro, el aluminio sustituye un átomo de silicio en la red cristalina, emplea a sus tres electrones de valencia en formar tres enlaces covalentes para unirse a sus vecinos: Queda sin embargo, el “cuarto enlace” sin completar.Este enlace covalente incompleto, asociado a la impureza trivalente, ejerce una fuerza de atracción sobre los electrones de valencia vecinos. Cuando uno de estos electrones absorbe una pequeña cantidad de energía salta a completar el enlace y, por tanto, ioniza negativamente la impureza (por tener un electrón demás). En este proceso, el electrón que ha saltado tras de si un enlace covalente roto idéntico a los que se producen cuando un electrón de Valencia salta a la banda de conducción. Se ha generado pues un hueco, sin que se haya generado un electrón de conducción (figura) ya que el electrón queda fijado en la impureza.

Diodo

El diodo es un dispositivo con dos terminales cuyo comportamiento no es lineal: deja pasar corriente en un sentido y la boquea en sentido contrario (deja pasar corriente cuando se aplica un voltaje positivo al ánodo y voltaje negativo al cátodo, no deja pasar corriente cuando el ánodo es negativo y el cátodo positivo)

35Región de agotamiento

Voltaje Umbral+ -


La batería que se observa en el grafico (c) representa el voltaje de polarización directa del diodo llamado voltaje umbral. La región de agotamiento se reduce cuando se aplica polarización directa (para un voltaje aplicado igual a 0.7 V que es el voltaje umbral para un diodo de Si, teóricamente esta región de agotamiento se extingue y el diodo puede conducir). Cuando se polariza inversamente el diodo, la región de agotamiento se incrementa haciendo que no pueda existir circulación de corriente

1. Funcionamiento

Cuando se conecta un diodo como en la siguiente figura, circula corriente por el circuito y enciende el foco Decimos que está polarizado de una forma directa. Si el diodo es de silicio, se observa una caída de tensión de 0,7 voltios, que es la tensión que se necesita para el proceso de la combinación entre huecos y electrones en la zona de unión de los semiconductores. En las dos siguientes figuras se observa circuitos con polarización directa e inversa de un diodo.

Si se invierte la polaridad de la pila, no circula corriente por el circuito y el foco no enciende

Gráfico Intensidad - Voltaje

El diodo que se encuentra en la realidad no es exactamente igual que el teórico como se ve en la gráfica

Comportamiento del diodo

Por ejemplo, se ve que en inversa circula una pequeña corriente, que puede ser del orden de decenas de microamperios. Esta corriente tan pequeña normalmente es despreciable.

En polarización directa, la caída de tensión no es estrictamente constante, pero para fines de cálculo será considerado constante e igual a 0.3V para los diodos de Ge y 0.7V para los diodos de Si.

36

IAK

VAK

Polarización Directa

Polarización Inversa

Vz

+10V

D

L1

+ -

Polarización Directa

Foco Encendido

+10V

D

L1

+-

Polarización Inversa

Foco Apagado


Clasificación de diodos

Diodos rectificadoresDiodos pinDiodos zener Diodos varactorFotodiodos Diodos ledDiodo tunelDiodo schottky

Diodos Rectificadores

Están formados por una unión PN y son ampliamente utilizados como rectificadores

Características de los diodos rectificadores

- Corriente directa máxima (If). - Tensión directa (VF), para una corriente If determinada. - voltaje pico inverso máxima (PRV). - corriente directa de pico máximo repetitivo (IFRM). - Tiempo de recuperación inversa ( trr)

If Es la máxima corriente que puede conducir el diodo en forma permanente

VF Es la caída de voltaje directo del diodo cuando esta conduciendo If

PRV Es la tensión pico inversa máxima con la que puede trabajar el diodo

IFRM es la corriente de pico inverso máximo que puede soportar el diodo en forma repetitiva

trr es el tiempo que le toma al diodo en pasar del estado de conducción al de no conducción

Medición de Diodos

En general los diodos deberán conducir corriente en un solo sentido. La prueba puede ser realizado mediante un ohmetro analógico en la estaca R x100 o superior y deberá presentar una lectura cuando se conecta el Terminal negativo al ánodo y el Terminal positivo al cátodo. Invirtiendo los terminales deberá presentar una lectura de valor infinito. Los multimetros digitales disponen de una escala dedicada exclusivamente a la medida de diodos. En esta escala el diodo deberá presentar una lectura cuando se conecta el Terminal positivo al ánodo y negativo al cátodo (de forma opuesta al del multimetro analógica). Cualquier medida que difiera de las anteriores medidad (mide en ambos sentidos o en ningun sentido), supone que el diodo esta dañado

Diodos Pin

Un diodo pin reconstruye con una capa de alta resistividad colocada entre el material p y el material n, tales diodos se caracterizan por una capacitancia relativamente constante, dada por:

37

P N


Diodo zener

El diodo Zener es un diodo que ha sido diseñado para trabajar en la región Zener.

De acuerdo con la definición, se puede decir que el diodo Zener ha sido diseñado para trabajar con voltajes negativos (con respecto a él mismo).

Es importante mencionar que la región Zener (en un diodo Zener) se controla o se manipula variando los niveles de dopado. Un incremento en el número de impurezas agregadas, disminuye el potencial o el voltaje de Zener VZ.

Así, se obtienen diodos Zener con potenciales o voltajes de Zener desde -1.8 V a -200 V y potencias de 1/4 a 50 W.

El diodo Zener se puede ver como un dispositivo el cual cuando ha alcanzado su potencial VZ se comporta como un corto circuito. Es un "switch" o interruptor que se activa con VZ volts. Se aplica en reguladores de voltaje o en fuentes de alimentación.

En el circuito que se muestra, se desea proteger la carga contra sobrevoltajes, el máximo voltaje que la carga puede soportar es 4.8 volts. Si se elige un diodo Zener cuyo VZ sea 4.8 volts, entonces este se activará cuando el voltaje en la carga sea 4.8 volts, protegiéndola de esta manera.

Características de los diodos Zener

Los parámetros que le caracterizan a un diodo Zener son:

Potencia: Es la máxima potencia que puede disipar el diodo

Voltaje Zener: es el voltaje de estabilización del diodo Zener

Medición del diodo Zener

El diodo zener puede ser medido al igual que cualquier diodo mediante un Ohmetro simplemente verificando que este pueda conducir en un solo sentido la corriente, sin embargo esa prueba no nos permite verificar el voltaje de estabilización del diodo. Para este efecto se utiliza el siguiente circuito de prueba.

38

R

+10V

+

-Vz Carga

+ +

-

1k

VzVoltímetroFuente variable


El voltímetro medira el voltaje de estabilización del diodo zener. Por supuesto que la fuente variable deberá tener la capacidad de proporcionar un nivel de voltaje superior a Vz

Ejemplo de Utilización

Como ejemplo de utilización se presenta el siguiente circuito denominado recortador de onda mediante diodos zener. Se trata de un transformador que funciona desde una red de 220VAC y proporciona un voltaje de de salida de 10 VAC. La forma de onda de entrada al igual que la de salida del transformador es una onda senoidal como se muestra en la figura.

La forma de onda a la salida será la misma onda senoidal pero recortada en 5.7V (5 + VD = 5 + 0.7) en su semiciclo positivo y en 8.2V en su semiciclo negativo (7.5 + 0.7).

Diodos Varactores (Varicap)

Los diodos varactores [llamados también varicap (diodo con capacitancia-voltaje variable) o sintonizadores] son semiconductores dependientes del voltaje, capacitores variables. Su modo de operación depende de la capacitancia que existe en la unión P-N cuando el elemento está polarizado inversamente. En condiciones de polarización inversa, se estableció que hay una región sin carga en cualquiera de los lados de la unión que en conjunto forman la región de agotamiento.

El valor de un capacitor esta dado por

Conforme aumenta el potencial de polarización inversa, se incrementa el ancho de la región de agotamiento, lo que a su vez reduce la capacitancia de transición.

Fotodiodos

El fotodiodo es un dispositivo de unión p-n semiconductor cuya región de operación ésta limitada por la región de polarización inversa. La aplicación de luz a la resultara resultará en una transferencia de energía de las ondas luminosas incidentes (en forma de fotones) para a estructura atómica, resultando en un aumento del número de portadores minoritarios y un aumento del nivel de la corriente inversa. En la siguiente figura se muestra un circnuto de funcionamiento de un fotodiodo.

39

7.5V

5V

R

2220

220210

7.5

2.8

Fotodiodo

R1

+ V1


El fotodiodo cuando esta polarizado inversamente conducirá corriente solamente en presencia de luz y esta corriente depende de la cantidad de luz que incide sobre el diodo. Por esta característica este dispositivo se usa como sensor de luz.

Diodo LED (diodo emisor de luz)

El LED es un tipo especial de diodo, que trabaja como un diodo común, pero que al ser atravesado por la corriente emite luz.

Existen diodos LED de varios colores y estos dependen del material con el cual fueron construidos. Hay de color rojo, verde, Amarillo, ámbar, infrarrojo.

Tiene enormes ventajas sobre las lámparas indicadoras comunes, debido a su bajo consumo de energía, y su larga duración (alrededor de 50000 Hras). En la siguiente figura, se muestra la forma en que deberá conectarse un diodo led para su funcionamiento.

La resistencia en serie depende del voltaje de la fuente, el voltaje y la corriente de operación del diodo; tiene el objetivo limitar la corriente que fluye a través del diodo led. También es posible conectar un diodo Led directamente a un voltaje de corriente alterna, en la caso actuara además como rectificador, solo conducirá corriente durante medio ciclo, lo que implica que el led estará parpadeando 50 veces por segundo si la frecuencia de la red es de 50Hz.

Características de los diodos Led

Características de los diodos LED

Los parámetros que caracterizan a los diodos Led son:

Color Corriente nominal

Diodo tunnel

En este tipo de diodos, la polarizacion directa produce una conduccion inmediata . La corriente alcanza su valor maximo (I p ) cuando el voltaje en el diodo es Vp. Entonces la corriente disminuye a un valor mínimo IV para un voltaje Vv . a la región entre el pico y valle se le conoce como región de resistencia negativa. Esta región negativa es muy útil en circuitos osciladores de alta frecuencia

Material longitud de onda

(nm) Color Voltaje (V)AsGa 904 IR 1

InGaAsP 1300 IR 1AsGaAl 750 -850 Rojo 1.5AsGaP 590 Amarillo 1.6

InGaAlP 560 Verde 2.7Csi 480 Azul 3

40

R1

+ V1LED1

http://www.unicrom.com/Tutoriales/diodo.asp


Diodo Schottky

A bajas frecuencias un diodo ordinario puede fácilmente dejar de conducir cuando la polarización cambia de directa a inversa, pero a altas frecuencias, el diodo alcanza un punto donde no pude dejar de conducir debido al reducido tiempo que dispone para recuperarse.

El diodo schottky utiliza una parte metálica normalmente de oro, plata o platino en uno de los lados de la unión y silicio contaminado, generalmente de tipo N debido a que el metal no tiene huecos (ausencia de electrones), no existe almacenamiento de cargas ni tiempos inversos de recuperación.

Prueba de Diodos.-

Un diodo tiene la característica de que permite el flujo de corriente en un solo sentido de ánodo a cátodo: la prueba consiste en aplicar un voltaje entre ánodo y cátodo del diodo y observar si circula corriente: un diodo en buen estado

Circuitos con diodos

Rectificador de media onda

Rectificador de onda completa

Rectificador de onda completa con transformador con punto medio

Doblador de voltaje

41

- +

v

V22

+

+


Doblador de voltaje con Switch

EL TRANSISTOR BJT

El transistor bipolar de unión, conocido también como BJT (siglas en ingles bipolar junction transitor), es un dispositivo de tres terminales denominados emisor, base y colector. La propiedad más destacada de este dispositivo es que se aproxima a una fuente dependiente de corriente: dentro de ciertos márgenes la corriente de colector es controlada por la corriente de base.

La estructura física de un transistor bipolar consta de dos uniones PN dispuestas una a continuación de otra. Entre los terminales emisor y base existe una unión PN que se denomina unión emisora y entre los de colector y base otra union PN que se denomina unión colectora

Cuando seleccionamos un transistor tendremos que conocer el tipo de encapsulado, así como el esquema de identificación de los terminales. También tendremos que conocer una serie de valores máximos de tensiones, corrientes y potencias que no debemos sobrepasar para no destruir el dispositivo. El parámetro de la potencia disipada por el transistor es especialmente crítico con la temperatura, de modo que esta potencia disminuye a medida que crece el valor de la temperatura, siendo a veces necesaria la instalación de un radiador o aleta refrigeradora. Todos estos valores críticos los proporcionan los fabricantes en las hojas de características de los distintos dispositivos. Una forma de identificar un transistor NPN o PNP es mediante un polímetro: Este dispone de dos orificios para insertar el transistor, uno para un NPN y otro para el PNP. Para obtener la medida de la ganancia es necesario insertarlo en su orificio apropiado, con lo que queda determinado si es un NPN o un PNP.

Zonas de funcionamiento del transistor bipolar: 1. ACTIVA DIRECTA: El transistor sólo amplifica en esta zona, y se comporta como una fuente de corriente constante

controlada por la intensidad de base (ganancia de corriente).Este parámetro lo suele proporcionar el fabricante dándonos un máximo y un mínimo para una corriente de colector dada (Ic); además de esto, suele presentar una variación acusada con la temperatura y con la corriente de colector, por lo que en principio no podemos conocer su valor. Algunos polímetros son capaces de medir este parámetro pero esta medida hay que tomarla solamente como una indicación, ya que el polímetro mide este parámetro para un valor de corriente de colector distinta a la que circulará por el BJT una vez en el circuito.

42

-+

+

+

S?

SW SPST

v

N P N

EBC

P N P

EBC

IC IBIC IB


2. SATURACIÓN: En esta zona el transistor es utilizado para aplicaciones de conmutación (potencia, circuitos digitales, etc.), y lo podemos considerar como un cortocircuito entre el colector y el emisor.

3. CORTE: el transistor es utilizado para aplicaciones de conmutación (potencia, circuitos digitales, etc.), y podemos considerar las corrientes que lo atraviesan prácticamente nulas (y en especial Ic).

4. ACTIVA INVERSA: Esta zona se puede considerar como carente de interés.

Características de los Transistores:

Las principales características eléctricas de los transistores son:

Voltaje de colector - Emisor (VCEO): es el máximo voltaje que se puede aplicar entre colector y emisor con la base desconectada (base abierta), con voltajes superiores a este valor el transistor se dañara.

Voltaje colector - base (VCBO): es el máximo voltaje que se puede aplicar entre colector y base con el emisor desconectado (emisor abierto).

Voltaje base – emisor (VEBO): es el máximo voltaje que se puede aplicar ente el emisor y la base a colector abierto.

Corriente de colector (IC): es la máxima corriente que puede circular por el colector del transistor (esta corriente esta dada para ciertas condiciones de refrigeración y temperatura ambiente)

Potencia disipada (PD): es la máxima potencia que puede disipar el transistor (esta dada también para ciertas condiciones de refrigeración y temperatura ambiente).

Ganancia de corriente (hFE): llamada también beta (β) es la relación de amplificación de corriente del transistor.

Frecuencia de trabajo o de corte

Encapsulados de transistores. Se refiere a las apariencias físicas que tienen los transistores

43

PNP

NPN


44


Identificación de transistores:

Los transistores al igual que la mayoría de los dispositivos electrónicos, se identifican mediante letras y números impresas en el cuerpo de los transistores: existen básicamente tres sistemas para identificar los transistores.

En el sistema americano, establecidos por el JEDEC se identifica mediante el numero 2 seguido por la letra N y luego un numero entre 100 y 9999, en algunos casos se agrega una letra que indica la ganancia.(A baja ganancia, B ganancia media y C para ganancia alta) Ejemplo: 2N2222A, 2N3055,etc.

En el sistema japonés, establecido por el JIS se identifica con el numero 2 seguido de la letra S, luego otra letra (A, B, C y D) según el tipo y la frecuencia de trabajo y por ultimo varios números entre 10 y 9999. Ejemplo 2SA733 y 2SC1172. Sin embargo algunos fabricantes eliminan 2S y solo marcan las letras A, B, C, o D seguido de un numero ejemplo A733 C945, etc.

En el sistema Europeo, se utiliza las letras A o B si el material es de germanio o silicio luego otra letra (C, D, F, L, y U) según la potencia y la frecuencia, después otra letra (W, X, Y y Z) según el uso y por ultimo varias letras. Eejmplo: BC548, BAW68, BFY51.

Circuito de Polarización de un transistor BJT

En la siguiente figura, se muestra un circuito básico de polarización de un transistor NPN

45

IB

IC

VEB ≈ 0.7 V


De la figura se obtiene

Además:

Donde

IE = corriente que circula por el emisor

IB = corriente que circula por la base

IC = corriente que circula por el colector

= hfe = Ganancia de corriente del transistor

Remplazando . Se tiene

Para un transistor normal en funcionamiento, el voltaje entre Base y Emisor siempre será ≈ 0.7. Sin embargo, el voltaje entre colector y

emisor depende de la corriente que circula entre base y emisor , el voltaje de la fuente de alimentación y la resistencia

Definiendo α = IC/IE

Dividiendo la anterior ecuación entre IE

OPERACIÓN DEL TRANSISTOR

En circuitos digitales.... opera como interruptor En circuitos lineales.......opera como amplificador

Líneas de carga en corriente continúa

Puede trazarse una línea de carga en las curvas de colector para tener más información del transistor y de la región en que opera. La forma de hacerlo es similar a la usada con el diodo. En el circuito de la siguiente figura, el voltaje proporcionado por la fuente V CC

polariza inversamente el diodo colector a través de RC. el voltaje aplicado a este resistor es VCC - VEC, por tanto la corriente a través de este es igual a:

46


La anterior ecuación representa la línea de carga en corriente continua

Punto de corte y de saturación

EL punto donde la línea de carga interseca a lB = 0 se conoce como el punto de corte. En este punto, la corriente de base es cero y la del colector es extremadamente pequeña (solo circula la corriente de fuga ICEO ). En el punto de corte, el diodo emisor ha salido de polarización directa y la operación normal del transistor se ha perdido. Con una buena aproximaci6n, el voltaje colector-emisor es igual al extremo inferior de la línea de carga:

La intersección de la línea de carga y la curva para /B = IB(Sat) se denomina Saturación. En este punto, la corriente de base es igual a IB(Sat),

y la corriente quo circula por el colector es máxima. En saturación, el diodo colector sale de la polarizaci6n inversa y la acci6n normal del transistor se pierde otra vez. Con una buena aproximación, la corriente del colector en saturación es igual al extremo superior de la línea de carga.

IB(Sat) representa la cantidad de corriente de base que es suficiente para producir saturación; si la corriente de base es menor que IB(Sat), el transistor opera en la región activa en algún punto situado entre saturación y corte. En otras palabas, el punto de operación esta entre la trayectoria de la línea de carga de cc. Por otra parte, si la corriente de base es mayor de I B(Sat), la corriente de colector es aproximadamente igual a VCC/RC que el valor máximo posible. Gráficamente esto significa que la intersección de la línea de carga con cualquier corriente de base mayor a IB(Sat), produce el punto de saturación

47

IC


Operación como Interruptor

La forma más fácil de utilizar un transistor es como interruptor, significa que debe operarse en el punto de saturación o de corte y no en alguna otra parte de la trayectoria de la línea de carga. Cuando un transistor se satura actúa como un interruptor cerrado entre el colector y el emisor. Cuando un transistor esta en corte actúa como un interruptor abierto

Corriente de base

Aplicando ley de mallas a lo largo de la malla de la base, se tiene

Despejando IB se obtiene

La anterior ecuación representa la ley de OHM para el resistor de base

Si la corriente de base es mayor o igual a IB(Sat) el punto de operación Q esta en la parte superior de la línea de carga. En este caso, el transistor actúa como un interruptor cerrado. Por otra parte, si la corriente de base es cero, el transistor opera en la parte inferior de la línea de carga y actúa como interruptor abierto

Un transistor opera en saturación, cuando se hace circular una corriente de saturación entre base y emisor. Esta corriente ocasionará que aparezca un voltaje entre Base y emisor de 0.7V o algo mas y entre colector y emisor el voltaje de saturación que esta en el orden 0.1 – 0.2 V

El estado de corte se consigue cuando se hace circular una corriente muy baja (o cero) entre la base y el emisor. En estas circunstancias, la corriente que circula entre colector y emisor será muy pequeña (o casi cero) por lo cual se asemeja a un circuito abierto.

48

IB = IB(Saturación)

VEB ≈ 0.7VEC ≈ 0.1V

VCC VCE

Punto de saturación

Punto de corte

Vcc 25 V

Vbb 10 V

Rb

1.0k

Re 100

Rc

430


Como ejemplo, se obtendrá la recta de carga en corriente continua para el siguiente circuito

Aplicando ley de mallas a la malla del colector, se tiene

Como

Se obtiene

Como la corriente de colector puede variar desde cero hasta aproximadamente VCC/(RC+RE), una corriente de reposo

Dara la máxima excusión simétrica de la corriente de colector, si se aplica una corriente de base senoidal para producir esta variación, la corriente total de colector será

Donde:

La corriente de colector iC esta compuesta de una parte de corriente continua ICQ y otra parte de corriente alterna que representa la señal de entrada ic

49


Prueba de Transistores

Los transistores pueden ser vistos como dos diodos tal como se muestra en la figura.

Las medidas deberán ser realizadas como dos diodos (ánodo común para un transistor NPN y Cátodo común para un transistor PNP)

Es fácil determinar el Terminal de base ya que será el que mida tanto con el emisor como con el colector. Sin embargo, cual es el emisor y el colector es mucho más difícil. Esto se determina verificando las lecturas Base – Emisor, Base – Colector. La medida correspondiente a Base- Emisor será levemente mayor a la medida Base - Colector.

Transistores Digitales

Transistores de baja potencia que están diseñados para funcionar exclusivamente en circuitos digitales, dentro de su estructura interna puede contener una serie de diodos y resistencias de diferentes valores como las que se muestra en la figura. Existen transistores digitales tanto NPN como PNP El valor de las resistencias depende del transistor por lo cual es muy difícil de probarlos. De hecho la única prueba realmente confiable es reemplazar con otro que se sepa esta en buen estado

50

B B

CCE E

B

CEC

B

E

NPN PNP


En la siguiente tabla se muestran algunos transistores digitales junto con el valor de su resistencia

CIRCUITOS DE POLARIZACIÓN DE TRANSISTORES

Es la forma como se obtiene los diferentes voltajes para el funcionamiento del transistor es la Polarización del transistor

Polarización de base

Polarización por retroalimentación de emisor

51

También conocida como polarización Fija, esta es la forma más difícil de polarizar un transistor porque el punto de operación es muy inestable

Se basa en el incremento de la corriente de colector, produciendo más voltaje en el resistor de emisor, lo cual reduce la corriente de base, consecuentemente la corriente

de colector. Teóricamente la idea es buena. Pero el circuito no trabaja bien con valores prácticos de resistencias. Para ser efectivo, el circuito necesita una resistencia de emisor lo mas grande posible

+V

Rb Rc

Re

+V

Rb Rc


Polarización por retroalimentación de colector

Polarización por divisor de voltaje

Polarización del Emisor

EL TRANSISTOR COMO AMPLIFICADOR

Configuración emisor común

52

También llamado polarización universal, es la polarización mas ampliamente usada en circuitos lineales, es el circuito de polarización más estable

Utilizado en situaciones en que se dispone de fuentes de alimentación simétrica

También llamado auto polarización. Este tipo de polarización, es de alguna manera más efectiva que la polarización por retroalimentación de emisor a parte de ser mas sencillo que este

También llamado amplificador con emisor a tierra. Produce una elevada ganancia en corriente. La señal de salida esta desplazado 180 en relación a la entrada

+V

+

+

Rc

ReR2

R1

+

-

Sal

+V

RbRc

ReR2

+V

R1 Rc

ReR2

Rc

-VE

+VC


Configuración base común

Configuración de colector común

Amplificador Push Pull

Ampliamente utilizado en la antigüedad en amplificadores de audio debido a que permitía una elevada amplificación de corriente, este amplificador requiere de dos transformadores que lo hacían voluminoso y pesado. actualmente ha sido sustituido por el ampliador complementario.

Amplificador complementario

53

Esta configuración no produce ganancia de corriente, a frecuencias elevadas tiene propiedades útiles

Esta configuración se caracteriza porque la ganancia de tensión es menor que la unidad, una elevada impedancia de entrada y una baja impedancia de salida, generalmente se utiliza como transformador de impedancia en circuitos de entrada y salida de sistemas amplificadores

SalENT

NPN

NPN

T?T?

++

-Vin

+

RL

Vsal

+V

Rb Rc

Re

+

-Vin


Utilizado en amplificadores de audio, esta compuesto por un transistor tipo NPN completado por otro transistor de tipo PNP. Para su operación requiere una fuente de alimentación simétrica (dos voltajes del mismo valor pero de polaridades opuestas

Condensador de Desacoplo Infinito

La resistencia de emisor Re se intercala en el circuito para obtener la corriente de reposo de emisor deseada. Sin embargo, la inserción de Re produce una disminución de la amplificación. Por lo tanto en la mayor parte de las aplicaciones se conecta un condensador de desacoplo con el resistor de emisor como se indica en la figura.

Recta de carga en cc

Como Ic Ie

Recta de carga en corriente alterna

54

ENT

RL

Q?

BT?

C?

C?

El capacitor Re se comporta como circuito abierto en corriente continua y como corto circuito (debido a su valor ) en corriente alterna


Condensador de acoplamiento Infinito

Frecuentemente el resistor de carga (RL) debe acoplarse para corrientes alternas al transistor de modo que no circule corriente continua a través de la carga. Generalmente esto se consigue intercalando un condensador de acoplamiento entre el colector y la carga. Este capacitor sirve para bloquear la corriente continua mientras permite el paso de las frecuencias de la señal

TRANSISTORES UNIPOLARES O FETs

La operación de un transistor unipolar depende de un solo tipo de carga ya sea de huecos o electrones dependiendo de que si el FET es de canal N o Canal P (En un FET de canal N la conducción es debido a electrones y en uno de canal P es debido a huecos).

Se consideran dos tipos principales de FET

1.- JFET

2.- MOSFET

Ventajas y desventajas del FET

Los FET presentan las siguientes Ventajas y desventajas respecto a los transistores BJT

Ventajas.-

1.- son dispositivos sensibles a la tensión (voltaje) con alta impedancia de entrada (del orden de 1010 Ω). Debisdo a esto se prefiere los FET en lugar de los BJT para la etapa de entrada en los amplificadores multietapa.

2.- Los FET generan un nivel de ruido menor que los BJT3.- Los FET son más estables con la temperatura que los BJT4.- Los FET son, en general más fáciles de fabricar que los BJT pues suelen requerir menos pasos de enmascaramiento y

difusiones, es posible fabricar un mayor número de dispositivos en un circuito integrado (se puede conseguir una densidad mayor de interacción)

5.- Los FET se comportan como resistores variables controlados por tensión para valores pequeños de tensión entre drenador y fuente.

55

+V

V110V

RL

+Cc

+

Ce

+

-

Vi

Rb

Rc

ReCe =

Cc =


6.- La alta impedancia de los FET les permite almacenar carga el tiempo suficiente para permitir su utilización como elemento de almacenamiento.

7.- Los FET de potencia pueden disipar una potencia mayor y conmutar corrientes grandes.

Desventajas

1.- Los FET exhiben una respuesta en frecuencia pobre debido a la alta capacitancia de entrada 2.- Algunos tipos de FET presentan una linealidad muy pobre.3.- Los FET se pueden dañar al manipularlos debido a que son sensibles a la electricidad estática.

TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO DE UNIÓN (JFET)

Es un componente de tensión controlada (amplificador de voltaje) con una impedancia de entrada hasta (10 14 ) y una impedancia de salida también Muy elevada.

Zonas de funcionamiento del transistor de efecto de campo (FET):

1. ZONA ÓHMICA o LINEAL: En esta zona el transistor se comporta como una resistencia variable dependiente del valor de VGS.Un parámetro que aporta el fabricante es la resistencia que presenta el dispositivo para VDS=0 (rds on), y distintos valores de VGS.

2. ZONA DE SATURACIÓN: En esta zona es donde el transistor amplifica y se comporta como una fuente de corriente gobernada por VGS

3. ZONA DE CORTE: La intensidad de drenador es nula (ID=0).

56

D = Drain = DrenadorS = Source = Surtidor o fuenteG = Gate = Compuerta o graduador


A diferencia del transistor BJT, los terminales drenador y surtidor del FET pueden intercambiar sus papeles sin que se altere apreciablemente la característica V-I (se trata de un dispositivo simétrico).

La operación de un FET de CANAL P es complementaria a la de un FET de CANAL N, lo que significa que todos los voltajes y corrientes son de sentido contrario.

Funcionamiento

Entre la compuerta G y Fuente S se conforma un diodo PN para el cual el canal N y un diodo NP para el canal P.La tensión VGS se debe polarizar en forma inversa y en directa siempre y cuando en forma no se sobrepase la tensión de arranque V (= 0,6V, Si). AL sobrepasar 0,6 V el diodo conduce y se destruye, porque está fabricado para baja corriente directa.En síntesis, es una barra de Si, con impurezas controladas, N si el canal es N, e impurezas P para el de canal P, que tiene cierta resistenciaR canal = r L r = resistividad SAl polarizar al diodo Gs, en forma inversa, fundamenta la baja corriente de entrada aprox. 10 nA (en definitiva es la polarización inversa de un diodo común).La interpretación de la característica de salida, tiene 3 zonas: VDS (aumenta)

1- Zona lineal. Ley de Ohm ID =

2- Zona alineal o de codo.3- Zona de saturación, es la utilización como amplificador

Aquí ID = cte. Es interesante ver que las variaciones de VDS no afectan a ID :

si VDS RCANAL en igual proporción

si VDS Rcanal Rcanal en igual proporción

Esto se mantiene hasta la ruptura, que si no se limita externamente a la corriente el transistor se destruye.

Transconductancia del JFET

Se define transconductancia gm como la relación de la variación de la corriente de drenador con respecto a la variación del voltaje de compuerta. Esta relación define la capacidad de amplificación de voltaje del JFET

gm tiene unidades MHO o Siemens

Un circuito práctico para funcionamiento de un JFET

57


TRANSISTOR MOSFET

El transistor de efecto de campo MOS, también denominado MOSFET (iniciales inglesas de Metal Oxide Field Effect Transistor) es un dispositivo de tres terminales denominados drenador (D, del ingles Drain), Puerta (G, del ingles Gate) y surtidor o fuente (S, del ingles Source). La corriente que circula entre drenador es controlada por la tensión aplicada a la puerta.

La gran diferencia fundamental con el JFET, es que entre compuerta G y Fuente S hay un material aislante (Si O2), que contiene una constante dieléctrica relativa (Rr), baja pero estable.

Podemos decir sin dudas, que entre G y S hay un dieléctrico por lo tanto es un CAPACITOR.

Las corrientes de entradas IG = pA ( 1 pA= 10-12 A ) 1000 veces o mas menores al JFET.

La Rgs oscila 1010 a 1015 Ω

Hay dos tipos de MOSFET:

1.- MOSFET de acumulación o enriquecimiento 2.- MOSFET de deflexión o de empobrecimiento

Ambos tipos de MOSFET pueden ser de canal N o carnal P

Simbología

MOSFET de Acumulación Canal N

Este dispositivo esta construido por un semiconductor tipo P en el que se han creado regiones tipo N que constituyen el drenador (D) y el surtidor (S). Entre estas dos regiones N. se forma el condensador de puerta constituido por una placa metálica, en la que hace contacto el Terminal de puerta (G), un oxido de puerta, que actúa como dieléctrico y por el semiconductor que forma la segunda placa el cuarto Terminal denominado sustrato (B), hace contacto con el semiconductor P como puede observarse en la siguiente figura.

58

S G D S (-) G (+) D (++)

Aluminio

N N N N

Si O2

Canal Inducido

Sustrato P Sustrato P

Sin Polarización El canal no esta Formado

Con Polarización El canal se Forma

++++++

Si O2

Canal P Canal N

MOSFET de Deflexión

D

SGG

D

S

MOSFET de Acumulación

Canal NCanal P

G G

D D

S S


Cuando se aplica una tensión positiva al Terminal de puerta, se crea un campo eléctrico entre las placas del condensador con dirección perpendicular a la superficie del semiconductor, este campo eléctrico atrae cargas negativas hacia la superficie y repele las cargas positivas. Si el campo eléctrico tiene la intensidad suficiente, logra crear en la proximidad de la superficie del semiconductor, una región muy rica en cargas negativas que se denomina canal N este canal de longitud L y ancho W conecta las regiones N y permite el paso de corriente entre drenador y surtidor. Se el campo eléctrico transversal se hace mas intenso, el canal se hace mas rico en cargas negativas, disminuye su resistencia y permite la circulación de mayor corriente. El transistor MOSFET se denomina de efecto de campo porque la corriente que circula entre los terminales del drenador y surtidor esta controlada por el campo eléctrico perpendicular a la superficie del semiconductor entre drenador y surtidor.

En la siguiente figura, se representa un transistor MOSFET de acumulación de canal P, donde es posible observar que es una estructura dual al del MOSFET de acumulación de canal N. El sustrato es de tipo N y las regiones de drenador y surtidor son de tipo P. para crear una canal P debe aplicarse una tensión negativa al Terminal de puerta en relación al sustrato. Esta tensión creara un campo eléctrico perpendicular a la superficie del semiconductor que tendrá el sentido que va del semiconductor hacia la placa metálica y que en consecuencia atraerá las cargas positivas en la superficie del semiconductor, creando de esta manera el canal P, el cual conectara las dos regiones P correspondientes al drenador y el surtidor, la hacerse mas negativa la tensión en G, habrá mas cargas positivas en el canal, disminuyendo su resistencia e incrementando la corriente que fluye entre drenador y surtidor.

En algunos MOSFET, el Terminal de substrato viene al exterior y se puede colocar a masa o VDD.

Lo normal es en canal P a +VDD y para canal N a masa.

59

S G D

Aluminio

P P

Si O2

Sustrato N

Sin Polarización El canal no esta Formado

P P

Sustrato N

Canal Inducido

Con polarizacion El canal se Forma

D (- -)G (-)S (+)


Curva característica de salida de un MOSFET de Enriquecimiento

Donde Vt = tensión umbral o tensión mínima para establecer una conducción entre drenados y fuente

El MOSFET de empobrecimiento a diferencia del de enriquecimiento, en el proceso de fabricación, se ha implementado un canal de conducción. Por eso, en ausencia de tensión aplicada a la puerta, existe un camino de conducción entre el drenador y el surtidor que permite el paso de la corriente. Para anular la corriente es necesario vaciar de cargas el canal prefabricado, lo que se consigue aplicando una tensión negativa para el caso de un MOSFET de de empobrecimiento de canal N y una tensión positiva para el caso de un MOSFET de empobrecimiento de canal P.

Curva característica de salida de un MOSFET de Empobrecimiento

60

Vg(t)

VSal


Características de los MOSFET

gfs Transconductancia en µmhos

BVDSS Voltaje de corte entre drenado y fuente

BVGS Voltaje de corte entre compuerta y fuente

ID corriente de drenador de flujo continuo

VGS Voltaje umbral compuerta Fuente

rDS Resistencia drenador Fuente en Ohm

Ciss Capacitancia de entrada en pf

PD Disipación de potencia

Prueba de MOSFETs

La prueba de los MOSFETs es algo mas complicado que los transistores. Puede ser probado tanto con multimetros analógicos (en escala Rx100) como con multimetros digitales (escala diodo). Esta prueba depende del tipo de Mosfet y del canal de éste, es mas algunos que tienen voltaje umbral compuerta - fuente demasiado elevados no podrán ser probados del todo.

La prueba consiste en poner en conducción el MOSFET al aplicar una carga a la compuerta en caso de los mosfet de acumulación y sacar de de conducción al aplicar una carga a la compuerta en el caso de los mosfet de deflexión.

Procedimiento de prueba para un MOSFET de acumulación canal N mediante un mutímetro digital

1) En la Funcion de diodo, conectar el Terminal negativo a fuente

2) Conectrar el Terminal rojo a Drenador (no debe medir)

3) Tocar compuerta con el Terminal positivo (no debe medir) Se carga el capacitor interno del MOSFET

4) Conectar el Terminal rojo a Drenador (debe presentar una medida baja )

5) Para descargar tocar los terminales Drenador y compuerta a la vez (Con la mano o cualquier objeto conductor)

Para el caso del MOSFET de canal P de acumulación, lo único que variara será la polaridad de los terminales.

La diferencia en la medición de los MOSFET de deflexión esta en que en el punto 2 se presentara una medida relativamente baja y tocando compuerta esta medida se volverá aun mas baja pero si se invierte la polaridad (solo en el instante de tocar compuerta), la medida entre drenador y fuente se volverá muy alta

EL TRANSISTOR DE UNIJUNTURA (UJT)

61


Esta compuesto por dos regiones contaminadas y tres terminales; dos bases y un emisor, el emisor está fuertemente contaminado. La región n, sin embargo esta ligeramente contaminado, entonces la resistencia entre las bases es relativamente alta (de 5 a 10 K). Estando el emisor abierto

El diodo del emisor excita de dos resistencias internas (R1 y R2). Cuando el diodo no esta conduciendo, la resistencia, RBB es igual a la suma de R1 y R2. Cuando se aplica un voltaje de alimentación entre las dos bases, el voltaje en R1 esta dado por

B1

B2

EmisorR2

R1

Rectificador Controlado de Silicio (SCR) o Tiristor

Es un dispositivo de cuatro capas pnpn que presenta una acción regenerativa de conmutación fue desarrollado en 1957. En esencia el tiristor es un par de transistores npn y pnp en los que la base de uno esta conectado al colector del otro. Cuando se aplica un voltaje positivo al ánodo y no hay corriente que fluya dentro de la compuerta del dispositivo, entonces el transistor npn estará “apagado” y ya que la corriente de base del transistor pnp es abastecida por el colector del transistor npn cuando el transistor npn esta apagado también lo esta el transistor pnp. A este modo se denomina modo de bloqueo directo.

Cuando se aplica voltaje positivo al cátodo, ninguno de los transistores puede conducir, y el SCR parece un rectificador con polarización invertida; se dice entonces de el dispositivo esta en el modo de bloqueo inverso. Cuando se aplica un voltaje positivo al anodo y se hace pasar corriente entre la compuerta y el cátodo, el transistor npn comenzará a conducir, accionando así la base del transistor pnp.

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IA

IK

IG

P PN

N P N

A

G

A K

G

NPN


Como valores importantes para definir el funcionamiento de un tiristor se suelen considerar:-Tensión máxima inversa soportable (Vinvmax) entre A y K.-Tensión directa máxima soportable (Vdmax).-Caída de tensión directa durante la conducción (Vd).-Corriente de continua o eficaz en funcionamiento (Ic).-Corrientes de fuga directa (If) e inversa (Ir).-Corriente de reposo (Ih).-Temperatura de funcionamiento (T).

Además es importante analizar las características de mando del tiristor que nos permitirán definir la potencia necesaria para el arranque. Según la FIG.2 debemos considerar los siguientes parámetros:

-Tensión máxima directa de puerta Vgmax).-Tensión inversa máxima de puerta (Vginmax).-Corriente máxima de puerta (Igmax).-Potencia máxima disipable (Pgdis).-Tensión mínima directa de puerta (Vgmin).-Corriente mínima de puerta (Igmin).

La zona 1 representa los valores de tensión e intensidad de puerta en los que no se consigue el disparo del tiristor. La zona 2 es el conjunto de valores que consigue un disparo adecuado. La zona 3 es de destrucción del tiristor. En lo que se refiere a las características dinámicas del tiristor, según el circuito del que forme parte, interesa conocer los siguientes parámetros:

1) Tensión inversa accidental ánodo-cátodo.

2) Angulo de conducción.

2) Tiempo de retardo.

3) Tiempo de subida.

4) Tiempo de respuesta.

5) Factor de conmutación (dv/dt).

Cuando se dispone un tiristor en un circuito electrónico trabajando en conmutación, se utiliza para cebarlo un impulso de puerta que genera una corriente inicial entre la puerta y el cátodo, para después propagarse la conducción al resto del dispositivo de forma muy rápida. Además hay que considerar que el tiristor no tendrá un cebado efectivo antes de que la corriente de ánodo alcance un valor denominado "corriente de enganche" por lo que no debe retirarse el pulso de puerta antes de alcanzar dicho valor. La extinción del tiristor se produce cuando la corriente de ánodo cae por debajo de un valor denominado "corriente de mantenimiento".

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K


Si el circuito exterior exige un crecimiento de la corriente rápido en el cebado, como la tensión entre ánodo y cátodo no disminuye de forma instantánea, puede producirse un consumo de potencia importante que puede llevar a la destrucción del tiristor por variación de la corriente (di/dt).

Cuando se produce un crecimiento muy rápido de la tensión entre ánodo y cátodo en el bloqueo, esta dv/dt puede producir el cebado del tiristor aún en ausencia de la señal de puerta.

La elección del modelo a utilizar depende fundamentalmente de la aplicación práctica, sin embargo, en general habrá que considerar los siguientes criterios:

La tensión a bloquear: No solo la tensión máxima o valor de cresta de la red, si no también las sobretensiones de conmutación o elementos parásitos.

La intensidad de la corriente eficaz y la de pico, sin olvidar las posibles corrientes de cortocircuito. Los parámetros de conmutación (dv/dt y di/dt) que pueden ser primordiales. La sensibilidad, siendo preferidos elementos de sensibilidad media, ya que poseen mayor inmunidad ante los parásitos.

Entre los tiristores se pueden encontrar diferentes categorías atendiendo a sus distintos procedimientos de fabricación y constitución propios. Pueden destacar: Los tiristores sensibles, los tiristores rápidos, el tipo darlistor, el complementario, el de doble puerta, el tiristor bloqueable, los fototiristores, el triac, etc.

El TRIAC

El triac es un semiconductor controlable por puerta similar al tiristor, con la particularidad de que conduce en ambos sentidos y puede ser bloqueado por inversión de la tensión o al disminuir la corriente por debajo del valor de mantenimiento. El triac puede ser disparado independientemente de la polarización de puerta, es decir, mediante una corriente de puerta positiva o negativa.Debe tenerse en cuenta que si se aplica una variación de tensión importante al triac (dv/dt) aún sin conducción previa, el triac puede entrar en conducción directa. Cuando se encuentra en conmutación la dv/dt puede producir también el cebado. En lo referente a la variación di/dt aparecen dificultades idénticas a las de los tiristores En la FIG.3 puede verse una aplicación práctica de gobierno de un motor de c.a. mediante un triac (TXAL228). La señal de control (pulso positivo) llega desde un circuito de mando exterior a la puerta inversora de un ULN2803 que a su salida proporciona un 0 lógico por lo que circulará corriente a través del diodo emisor perteneciente al MOC3041 (optoacoplador). Dicho diodo emite un haz luminoso que hace conducir al fototriac a través de R2 tomando la tensión del cátodo del triac de potencia. Este proceso produce una tensión de puerta suficiente para excitar al triac principal que pasa al estado de conducción provocando el arranque del motor. Debemos recordar que el triac se desactiva automáticamente cada vez que la corriente pasa por cero, es decir, en cada semiciclo, por lo que es necesario redisparar el triac en cada semionda o bien mantenerlo con la señal de control activada durante el tiempo que consideremos oportuno. Como podemos apreciar, entre los terminales de salida del triac se sitúa una red RC cuya misión es proteger al semiconductor de potencia, de las posibles sobrecargas que se puedan producir por las corrientes inductivas de la carga, evitando además cebados no deseados.Es importante tener en cuenta que el triac debe ir montado sobre un disipador de calor constituido a base de aletas de aluminio de forma que el semiconductor se refrigere adecuadamente.

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MT1 MT2

G


EL DIAC

Es un dispositivo bidireccional que conduce cuando el voltaje a través de el excede el voltaje de ruptura en cualquiera de las dos direcciones. Una vez que el diac esta conduciendo, la única forma de pararlo es a través de la apertura del circuito, esto significa reducir la corriente por debajo de la corriente de mantenimiento nominal del dispositivo

CIRCUITOS INTEGRADOS

Los circuitos integrados son unidades funcionales completas. Esto no quiere decir que por si mismos son capaces de cumplir la función para los que estén diseñados. Para ello serán necesarios unos componentes pasivos y activos para completar dicha funcionalidad. Si los circuitos integrados no existieran las placas de circuito impreso para los aparatos serían muy grandes y además estarían llenos de componentes. Este tipo de dispositivos, por su diseño, son capaces de albergar en su interior y de forma casi microscópica gran cantidad de componentes, sobre todo, semiconductores.

No todos los componentes electrónicos se pueden integrar con la misma facilidad:Como antes se indicó los semiconductores, básicamente, los transistores y diodos, presentan menos problemas y menor costo en la integración. También se puede integrar las resistencias de pequeña potencia, los capacitares de pequeño valor. Las resistencias de elevada potencia, los capacitores de gran valor y en general las bobinas no se pueden integrar debido a la dificultad física que entrañan, así mismo ocurre con relés, cristales de cuarzo, displays, transformadores y componentes tanto pasivos como activos que disipan una potencia considerable respecto de la que podrían soportar una vez los circuitos integrados.

El proceso de fabricación de un circuito integrado es como se observa en la figura de un modo esquemático:

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T2T1

i

V


a) Diseño del circuito que se quiere integrar.

b) Máscara integrada con los semiconductores necesarios según el diseño del circuito.

c) Oblea de silicio donde se fabrican en serie los chips.

d) Corte del microchip.

e) Ensamblado del microchip en su encapsulado y a los pines correspondientes.

f) Terminación del encapsulado.

Ventajas de los Circuitos Integrados

- Bajo costo.- Debido a su integración, es más fácil almacenarlos por el espacio que ocupan.- Tienen un consumo energético inferior al de los circuitos anteriores.- Permiten que las placas de circuitos impresos de las distintas aplicaciones existentes tengan un

tamaño bastante más pequeño.- Son más fiables.

Desventajas

- Reducida potencia de salida.- Limitación en los voltajes de funcionamiento.- Dificultad en la integración de determinados componentes (bobinas, resistencia y condensadores

de valores considerables...).

Tipos de Tecnología en la Fabricación de Circuitos Integrados

Los diseñadores de circuitos integrados solucionan los problemas que se plantean en la integración, esencialmente, con el uso de transistores. Esto determina las tecnologías de integración que, actualmente, existen y se deben a dos tipos de transistores que toleran dicha integración: los bipolares y los CMOS y sus variantes.

Escalas de Integración

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Las escalas de integración hacen referencia a la complejidad de los circuitos integrados, dichas escalas están normalizadas por los fabricantes.

Escala de integración Nº componentes Aplicaciones típicas

SSI: pequeña escala de integración <100 Puertas lógica y biestablesMSI: media escala de integración +100 y -1000 Codificadores, sumadores, registros...LSI: gran escala de integración +1000 y -100000 Circuitos aritméticos complejos, memorias...

VLSI: Muy alta escala de integración

+100000 y -106 Microprocesadores, memorias, microcontroladores...

ULSI: Ultra alta escala de integración

+ 106 Procesadores digitales y microprocesadores avanzados

Clasificación de los Circuitos Integrados por su Aplicación

Circuitos de aplicación especifica: circuitos diseñados para una función concreta (tarjeta de sonido, de video, amplificadores, temporizadores, reguladores..)

Circuitos de propósito general: aquellos circuitos que pueden realizar diferentes funciones (microcontroladores, familia 74XX y 40XX).

Circuitos programables: presentan características intermedias a los anteriores (Dispositivos Lógicos Programables (PLD), Arrays de Puertas Programables (FPGA).

ENCAPSULADOS

Se refiere al aspecto físico que tienen los circuitos integrados. Entre los principales, se tiene:

Encapsulado DIP o DIL (Dual In Line)

Encapsulado flat-packEncapsulado SOIC (Small Outline

Integrated Circuit)

Encapsulado PLCC (Plastic Lead Chip Carrier)

Encapsulado LCCC ( Leaded Ceramic Chip Carrier)

Encapsulado SIP

ENCAPSULADO DIP o DIL.- Este es el encapsulado más empleado en montaje por taladro pasante en placa. Este puede ser cerámico (marrón) o de plástico (negro). Un dato importante en todos los componentes es la distancia entre pines que poseen, en los circuitos integrados es de vital importancia este dato, así en este tipo el estándar se establece en 0,1 pulgadas (2,54mm).Se suelen fabricar a partir de 4, 6, 8, 14, 16, 22, 24, 28, 32, 40, 48, 64 pines, estos son los que más se utilizan.

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Otra norma que también suele cumplirse se refiere a la identificación de la numeración de las patillas o pines: la patilla número uno se encuentra en un extremo señalada por un punto o una muesca en el encapsulado y se continua la numeración en sentido antihorario (sentido contrario a las agujas del reloj), mirando al integrada desde arriba. Por regla general, en todos los encapsulados aparece la denominación del integrado, así como, los códigos particulares de cada fabricante.

ENCAPSULADO FLAT-PACK.- se diseñan para ser soldados en máquinas automáticas o semiautomáticas, ya que por la disposición de sus patillas se pueden soldar por puntos. El material con el que se fabrican es cerámico. La numeración de sus patillas es exactamente igual al anterior. Sus terminales tienen forma de ala de gaviota. La distancia entre pines es de 1,27mm, la mitad que en los DIP.

ENCAPSULADO SOIC.- Circuito integrado de pequeño contorno. Son los más populares en los circuitos de lógica combinacional, tanto en TTL como en CMOS. También la terminación de las patillas es en forma de ala de gaviota. Se sueldan directamente sobre las pistas de la placa de circuito impreso, en un área denominada footprint. La distancia entre patillas es de 1,27mm (0,05"). La numeración de los pines es exactamente igual a los casos anteriores.

ENCAPSULADO PLCC.- Se emplea en técnicas de montaje superficial pero, generalmente, montados en zócalos, esto es debido a que por la forma en J que tienen sus terminales la soldadura es difícil de verificar con garantías. Esto permite su uso en técnicas de montaje convencional. Se fabrican en material plástico. En este caso la numeración de sus patillas varía respecto de los anteriores. El punto de inicio se encuentra en uno de los lados del encapsulado, que coincide con el lado de la cápsula que acaba en chaflán, y siguiendo en sentido antihorario. La distancia entre terminales es de 1,27mm.

ENCAPSULADO LCC.- Al igual que el anterior se monta en zócalo y puede utilizarse tanto en montaje superficial como en montaje de taladro pasante. Se fabrica en material cerámico y la distancia entre terminales es cerámico.

Los encapsulados que aparecen en este tema son los más importantes y los más utilizados. Como es lógico esta es una pequeña selección de la infinidad de tipos de cápsulas que existen. Si pulsas en el siguiente botón verás una clasificación de circuitos integrados bajo dos criterios que se refieren a la forma física y disposición de sus pines, así como, al montaje en placa de circuito impreso (Montaje convencional y SMD).

Montaje convencional Montaje Superficial

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principios de electrÓnica

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