Circuito de polarización de base
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Tema 1: Elementos Pasivos Las Resistencias Se denomina resistencia eléctrica, R, de una sustancia, a la oposición que encuentra la corriente eléctrica para circular a través de dicha sustancia. Su valor viene dado en ohmios, se designa con la letra griega omega mayúscula, Ω, y se mide con el ohmímetro. Se suele utilizar esa misma unidad, así como dos de sus múltiplos: el Kilo-Ohmio (1KΩ) y el Mega-Ohmio (1MΩ=106Ω). SIMBOLO Características Resistencia nominal: Es el valor teórico esperado al acabar el proceso de fabricación. Tolerancia: Diferencia entre las desviaciones superior e inferior. Se da en tanto por ciento. Nos da una idea de la precisión del componente. Cuando el valor de la tolerancia es grande podemos decir que la resistencia es poco precisa, sin embargo cuando dicho valor es bajo la resistencia es más precisa. Potencia nominal: Potencia que el elemento puede disipar de manera continua sin sufrir deterioro. Los valores normalizados más utilizados son: 1/8, ¼, ½, 1, 2..... El valor resistivo puede ser fijo o variable. En el primer caso hablamos de resistencias comunes o fijas y en el segundo de resistencias variables, ajustables, potenciómetros y reóstatos. No centraremos en el primer tipo, las fijas. Las resistencias fijas pueden clasificarse en dos grupos, de acuerdo con el material con el que están constituidas: "resistencias de hilo", solamente para disipaciones superiores a 2 W, y "resistencias químicas" para, en general, potencias inferiores a 2 W. Resistencias de hilo o bobinadas Generalmente están constituidas por un soporte de material aislante y resistente a la temperatura (cerámica, esteatita, mica, etc.) alrededor del cual hay la resistencia propiamente dicha, constituida por un hilo cuya sección y resistividad depende de la potencia y de la resistencia deseada. En los extremos del soporte hay fijados dos anillos metálicos sujetos con un tornillo o remache cuya misión, además de fijar en él el hilo de resistencia, consiste en permitir la conexión de la resistencia mediante soldadura. Por lo general, una vez construidas, se recubren de un barniz especial que se somete a un proceso de vitrificación a alta temperatura con el objeto de proteger el hilo y evitar que las diversas espiras hagan contacto entre sí. Sobre este barniz suelen marcarse con serigrafía los valores en ohmios y en vatios, tal como se observa en esta figura. En ella vemos una resistencia de 250 Ω, que puede disipar una potencia máxima de 10 vatios 1 / 99 Aquí vemos el aspecto exterior y estructura constructiva de las resistencias de alta disipación (gran potencia). Pueden soportar corrientes relativamente elevadas y están protegidas con una capa de esmalte. A. B. C. D. hilo de conexión soporte cerámico arrollamiento recubrimiento de esmalte. Aquí vemos otros tipos de resistencias bobinadas, de diferentes tamaños y potencias, con su valor impreso en el cuerpo. Resistencias químicas Las resistencias de hilo de valor óhmico elevado necesitarían una cantidad de hilo tan grande que en la práctica resultarían muy voluminosas. Las resistencias de este tipo se realizan de forma más sencilla y económica empleando, en lugar de hilo, carbón pulverizado mezclado con sustancias aglomerantes. La relación entre la cantidad de carbón y la sustancia aglomerante determina la resistividad por centímetro, por lo que es posible fabricar resistencias de diversos valores. Existen tipos de carbón aglomerado, de película de carbón y de película metálica. Normalmente están constituidas por un soporte cilíndrico aislante (de porcelana u otro material análogo) sobre el cual se deposita una capa de material resistivo. En las resistencias, además del valor óhmico que se expresa mediante un código de colores, hay una contraseña que determina la precisión de su valor (aproximación), o sea la tolerancia anunciada 2 / 99 por el fabricante. Esta contraseña está constituida por un anillo pintado situado en uno de los extremos del cuerpo. Aquí abajo vemos unos ejemplos de resistencias de película de carbón y de película metálica, donde se muestra su aspecto constructivo y su aspecto exterior: Las resistencias llevan grabadas sobre su cuerpo unas bandas de color que nos permiten identificar el valor óhmico que éstas poseen. Esto es cierto para resistencias de potencia pequeña (menor de 2 W.), ya que las de potencia mayor generalmente llevan su valor impreso con números sobre su cuerpo, tal como hemos visto antes. En la resistencia de la izquierda vemos el método de codificación más difundido. En el cuerpo de la resistencia hay 4 anillos de color que, considerándolos a partir de un extremo y en dirección al centro, indican el valor óhmico de este componente El número que corresponde al primer color indica la primera cifra, el segundo color la segunda cifra y el tercer color indica el número de ceros que siguen a la cifra obtenida, con lo que se tiene el valor efectivo de la resistencia. El cuarto anillo, o su ausencia, indican la tolerancia. Podemos ver que la resistencia de la izquierda tiene los colores amarillo-violeta-naranja-oro (hemos intentado que los colores queden representados lo mejor posible en el dibujo), de forma que según la tabla de abajo podríamos decir que tiene un valor de: 4-7-3ceros, con una tolerancia del 5%, o sea, 47000 Ω ó 47 KΩ. La tolerancia indica que el valor real estará entre 44650 Ω y 49350 Ω (47 KΩ±5%). La resistencia de la derecha, por su parte, tiene una banda más de color y es que se trata de una resistencia de precisión. Esto además es corroborado por el color de la banda de tolerancia, que al ser de color rojo indica que es una resistencia del 2%. Éstas tienen tres cifras significativas (al contrario que las anteriores, que tenían 2) y los colores son marrón-verdeamarillo-naranja, de forma que según la tabla de abajo podríamos decir que tiene un valor de: 3 / 99 1-5-4-4ceros, con una tolerancia del 2%, o sea, 1540000 Ω ó 1540 KΩ ó 1.54 MΩ. La tolerancia indica que el valor real estará entre 1509.2 KΩ y 1570.8 KΩ (1.54 MΩ±2%). Por último, comentar que una precisión del 2% se considera como muy buena, aunque en la mayoría de los circuitos usaremos resistencias del 5%, que son las más corrientes. Código de colores en las resistencas COLORES Banda 1 Banda 2 Banda 3 Multiplicador Tolerancia Plata x 0.01 10% Oro x 0.1 5% Negro 0 0 0 x1 Marrón 1 1 1 x 10 1% Rojo 2 2 2 x 100 2% Naranja 3 3 3 x 1000 Amarillo 4 4 4 x 10000 Verde 5 5 5 x 100000 Azul 6 6 6 x 1000000 Violeta 7 7 7 Gris 8 8 8 Blanco 9 9 9 --Ninguno-- - - - 0.5% 20% Nota: Estos colores se han establecido internacionalmente, aunque algunos de ellos en ocasiones pueden llevar a una confusión a personas con dificultad de distinguir la zona de colores rojo-naranja-marrón-verde. En tales casos, quizá tengan que echar mano en algún momento de un polímetro para saber con certeza el valor de alguna resistencia cuyos colores no pueden distinguir claramente. También es cierto que en resistencias que han tenido un "calentón" o que son antiguas, a veces los colores pueden haber quedado alterados, en cuyo caso el polímetro nos dará la verdad. Otro caso de confusión puede presentarse cuando por error leemos las bandas de color al revés. Estas resistencias de aquí abajo son las mismas que antes, pero dadas la vuelta. En la primera, si leemos de izquierda a derecha, ahora vemos oro-naranja-violeta-amarillo. El oro no es un color usado para las cifras significativas, así que algo va mal. Además el amarillo no es un color que represente tolerancias. En un caso extremo, la combinación naranjavioleta-amarillo (errónea por otro lado porque la banda de tolerancia no va a la izquierda de las otras) nos daría el valor de 370 KΩ, que no es un valor normalizado. En la segunda, ahora vemos rojo-naranja-amarillo-verde-marrón. La combinación nos daría el valor 234000000 Ω = 234 MΩ, que es un valor desorbitado (generalmente no suele haber resistencias de más de 10 MΩ), además de no ser un valor normalizado. Eso sí, la resistencia 4 / 99 tendría una tolerancia del 1% (marrón), que no tiene sentido para un valor tan alto de resistencia. Valores normalizados de resistencias Vamos a mostrar ahora una tabla con los valores normalizados de resistencias, que ayudará a encajarlas según valores establecidos internacionalmente. 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 Resistencias variables Componentes pasivos de tres terminales, que permiten manipular la señal que hay en un circuito (volumen de un equipo de música). Símbolos Potenciómetro de película de carbón Potenciómetro de hilo Normalmente el terminal central corresponde al cursor o parte móvil del componente y entre los extremos se encuentra la resistencia. Características 5 / 99 Resistencia nominal: Es el valor teórico que debe presentar en sus extremos. Se marca directamente sobre el cuerpo del componente. Ley de variación. Indica el tipo de variación y son: antilogaritmitos, en "S", lineal y logarítmico. Resistencias no Lineales Foto-Resistores o LDR (Resistencias dependientes de la Luz) La resistencia de estos tipos de componentes varía en función de la luz que recibe en su superficie. Así, cuando están en oscuridad su resistencia es alta y cuando reciben luz su resistencia disminuye considerablemente. Los materiales que intervienen en su construcción son Sulfuro de Cadmio, utilizado como elemento sensible a las radiaciones visibles y sulfuro de plomo se emplean en las LDR que trabajan en el margen de las radiaciones infrarrojas. Estos materiales se colocan en encapsulados de vidrio o resina. + LUZ » - RESISTENCIA - LUZ » + RESISTENCIA Aspecto físico real de las fotocélulas o LDR Símbolo Su uso más común se encuentra en apertura y cierre de puertas, movimiento y paro de cintas trasportadoras, ascensores, contadores, alarmas, control de iluminación... TERMISTORES Son dispositivos cuya resistencia varía en función de la temperatura.Existen dos tipos de termistores: Termistor NTC (Coeficiente de temperatura negativo) Es un componente, al igual que la PTC, que varia su resistencia en función de la temperatura. Así, cuando reciben una temperatura mayor que la de ambiente disminuye su valor óhmico y cuando es baja o de ambiente aumenta. + TEMPERATURA » - RESISTENCIA - TEMPERATURA » + RESISTENCIA 6 / 99 Símbolo Identificación por bandas de colores Aspecto físico real de una NTC También, en su aspecto físico, pueden presentar franjas de colores. En este caso, para conocer su valor, se emplea el código de colores de resistencias, observando los colores de abajo hacia arriba: Las franjas 1ª, 2ª y 3ª expresan el valor en ohmios a 25º C y la franja 4ª indica su tolerancia en %. Suelen construirse con óxido de hierro, de cromo, de manganeso, de cobalto o de níquel. El encapsulado de este tipo de resistencia dependerá de la aplicación que se le vaya a dar. Por ello nos encontramos NTC de disco, de varilla, moldeado, lenteja, con rosca para chasis... Los fabricantes identifican los valores de las NTC mediante dos procedimientos: serigrafiado directo en el cuerpo de la resistencia, y mediante bandas de colores, semejante a las resistencias y siguiendo su mismo código, teniendo en cuenta que el primer color es el que está más cercano a las patillas del componente según se observa en la figura. Su curva característica se realiza entre dos parámetros, la resistencia y la temperatura. Sus aplicaciones más importantes están: medidas, regulación y alarmas de temperatura, regulación de la temperatura en procesos de elaboración, termostatos, compensación de parámetros de funcionamiento en aparatos electrónicos (radio, TV...). Termistor PTC (Coeficiente de temperatura positivo) En este componente un aumento de temperatura se corresponde con un aumento de resistencia. Se fabrican con titanato de bario. Sus aplicaciones más importantes son: en motores para evitar que se quemen sus bobinas, en alarmas, en TV y en automóviles (temperatura del agua). + TEMPERATURA » + RESISTENCIA - TEMPERATURA » - RESISTENCIA El concepto de los encapsulados de las PTC se rige por los mismos criterios que una NTC, siendo sus aspectos muy parecidos a los mismos. Símbolo de la PTC Identificación por banda de colores Aspecto físico real de una PTC 7 / 99 VARISTORES ó VDR (Resistencias Dependiente del Voltaje) La propiedad que caracteriza esta resistencia consiste en que disminuye su valor óhmico cuando aumenta bruscamente la tensión. De esta forma bajo impulsos de tensión se comporta casi como un cortocircuito y cuando cesa el impulso posee una alta resistividad. - VOLTAJE » + VOLTAJE » Símbolo de la VDR + RESISTENCIA - RESISTENCIA Aspecto físico real de una VDR Se utilizan en su construcción carburo de silicio, óxido de zinc, y óxido de titanio. Sus aplicaciones aprovechan esta propiedad y se usan básicamente para proteger contactos móviles de contactores, relés, interruptores.., ya que la sobre intensidad que se produce en los accionamientos disipa su energía en el varistor que se encuentra en paralelo con ellos, evitando así el deterioro de los mismos, además, como protección contra sobre tensiones y estabilización de tensiones, adaptación a aparatos de medida... 8 / 99 Los Condensadores Un condensador o capacitor es un dispositivo que almacena energía eléctrica, es un componente pasivo. Está formado por dos armaduras metálicas paralelas (generalmente de aluminio) separadas por un material dieléctrico. Va a tener una serie de características tales como capacidad, tensión de trabajo, tolerancia y polaridad, que deberemos aprender a distinguir Aquí a la izquierda vemos 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. Características Técnicas 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 grosor 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. Símbolos 9 / 99 Tipos de condensadores Vamos a mostrar a continuación una serie de condensadores de los más típicos que se pueden encontrar. Todos ellos están comparados en tamaño a una moneda española de 25 pesetas.. Electrolíticos. Tienen el dieléctrico formado por papel impregnado en electrólito. Siempre tienen polaridad, y una capacidad superior a 1 µF. Arriba observamos claramente que el condensador nº 1 es de 2200 µF, con una tensión máxima de trabajo de 25v. (Inscripción: 2200 µ / 25 V). Símbolo Abajo a la izquierda vemos un esquema de este tipo de condensadores y a la derecha vemos unos ejemplos de condensadores electrolíticos de cierto tamaño, de los que se suelen emplear en aplicaciones eléctricas (fuentes de alimentación, etc...). 10 / 99 Diversas fallas en los electrolíticos Una falla en la uniformidad de la capa de óxido formada en algún punto de las placas produce un cortocircuito o una disminución de la tensión de trabajo del condensador. Esta condición aumenta una corriente de fuga que provoca el sobrecalentamiento interno y la consiguiente expansión y evaporación del ácido, que al superar por presión el hermetismo del tapón de goma puede destruir por explosión al condensador. Si el sellado hermético del condensador no es bueno, el ácido se seca y deja de actuar como dieléctrico. En este caso, el valor de capacidad se reduce progresivamente. Un condensador que en un período de aproximadamente 4 años no recibe tensión (es decir, no se utiliza), comienza a deformarse internamente. En efecto, la capa de óxido de electrolito se reduce por sí misma si el condensador no es conectado a una fuente de tensión continua, acercándose gradualmente a su condición primitiva de protocondensador , cuando en fábrica estaba siendo formado. Es por eso que debería tenerse especial cuidado en conocer la fecha de fabricación de estos componentes casi perecederos, o preguntar el tiempo de inactividad de un aparato electrónico, si se apresta a repararlo. Un caso similar ocurre cuando se utiliza a un condensador con tensiones mucho menores a su tensión nominal de trabajo; al estar prácticamente sin polarización de corriente continua, la capa de óxido se irá haciendo cada vez más angosta, hasta provocar la falla del circuito electrónico en donde trabaja. Al estar los terminales del condensador unidos por remaches o puntos de soldadura a las placas, existe en ambos casos una cierta resistencia de contacto. Si el condensador trabaja en una condición de alto rizado (ripple) como, por ejemplo, el filtrado una fuente conmutada (switching), estas uniones eléctricas se calientan y se oxidan. Al calentarse y enfriarse, se dilatan y contraen respectivamente; estas sucesivas contracciones y dilataciones provocarán el aflojamiento de las uniones de los terminales, llegando incluso a dejar al condensador en un estado de circuito abierto o con intermitencias, comúnmente llamadas falsos contactos. Por otra parte, estos falsos contactos producen un sobrecalentamiento, que acelera el proceso, en una especie de círculo vicioso. Esta condición especial es la que suele confundir a los técnicos más experimentados, pues un aparato puede funcionar correctamente en el instante inicial de encendido y fallar al alcanzar apenas unos grados de temperatura y viceversa. Electrolíticos de tántalo o de gota. Emplean como dieléctrico una finísima película de óxido de tantalio amorfo , que con un menor espesor tiene un poder aislante mucho mayor. Tienen polaridad y una capacidad superior a 1 µF. Su forma de gota les da muchas veces ese nombre. Símbolo 11 / 99 Poliester metalizado MKT. Suelen tener capacidades inferiores a 1 µF y tensiones de trabajo a partir de 63v. Más abajo vemos su estructura: dos láminas de policarbonato recubierto por un depósito metálico que se bobinan juntas. Aquí al lado vemos un detalle de un condensador plano de este tipo, donde se observa que es de 0.033 µF y 250v. (Inscripción: 0.033 K/ 250 MKT). Poliéster. Son similares a los anteriores, aunque con un proceso de fabricación algo diferente. En ocasiones este tipo de condensadores se presentan en forma plana y llevan sus datos impresos en forma de bandas de color, recibiendo comúnmente el nombre de condensadores "de bandera". Su capacidad suele ser como máximo de 470 nF. Poliéster tubular. Similares a los anteriores, pero enrollados de forma normal, sin aplastar. Cerámico "de lenteja" o "de disco". Son los cerámicos más corrientes. Sus valores de capacidad están comprendidos entre 0.5 pF y 47 nF. En ocasiones llevan sus datos impresos en forma de bandas de color. Aquí abajo vemos unos ejemplos de condensadores de este tipo. 12 / 99 Cerámico "de tubo". Sus valores de capacidad son del orden de los picofaradios y generalmente ya no se usan, debido a la gran deriva térmica que tienen (variación de la capacidad con las variaciones de temperatura). Codificación por bandas de color Hemos visto que algunos tipos de condensadores llevan sus datos impresos codificados con unas bandas de color. Esta forma de codificación es muy similar a la empleada en las resistencias, en este caso sabiendo que el valor queda expresado en picofaradios (pF). Las bandas de color son como se observa en esta figura En el condensador de la izquierda vemos los siguientes datos: verde-azul-naranja = 56000 pF = 56 nF (recordemos que el "56000" está expresado en pF). El color negro indica una tolerancia del 20%, tal como veremos en la tabla de abajo y el color rojo indica una tensión máxima de trabajo de 250v. En el de la derecha vemos: amarillo-violeta-rojo = 4700 pF = 4.7 nF. En los de este tipo no suele aparecer información acerca de la tensión ni la tolerancia. 13 / 99 Código de colores en los condesadores COLORES Banda 1 Banda 2 Multiplicador Negro -- 0 x1 Marrón 1 1 x 10 100 V. Rojo 2 2 x 100 250 V. Naranja 3 3 x 1000 Amarillo 4 4 x 104 5 Verde 5 5 x 10 Azul 6 6 x 106 Violeta 7 7 Gris 8 8 Blanco 9 9 COLORES Tensión 400 V. 630 V. Tolerancia (C > 10 pF) Tolerancia (C < 10 pF) Negro +/- 20% +/- 1 pF Blanco +/- 10% +/- 1 pF Verde +/- 5% +/- 0.5 pF Rojo +/- 2% +/- 0.25 pF Marrón +/- 1% +/- 0.1 pF Codificación mediante letras Este es otro sistema de inscripción del valor de los condensadores sobre su cuerpo. En lugar de pintar unas bandas de color se recurre también a la escritura de diferentes códigos mediante letras impresas. A veces aparece impresa en los condensadores la letra "K" a continuación de las letras; en este caso no se traduce por "kilo", o sea, 1000 sino que significa cerámico si se halla en un condensador de tubo o disco. Si el componente es un condensador de dieléctrico plástico (en forma de paralelepípedo), "K" significa tolerancia del 10% sobre el valor de la capacidad, en tanto que "M" corresponde a tolerancia del 20% y "J", tolerancia del 5%. 14 / 99 LETRA Tolerancia "M" +/- 20% "K" +/- 10% "J" +/- 5% Detrás de estas letras figura la tensión de trabajo y delante de las mismas el valor de la capacidad indicado con cifras. Para expresar este valor se puede recurrir a la colocación de un punto entre las cifras (con valor cero), refiriéndose en este caso a la unidad microfaradio (µF) o bien al empleo del prefijo "n" (nanofaradio = 1000 pF). Ejemplo: Un condensador marcado con 0,047 J 630 tiene un valor de 47000 pF = 47 nF, tolerancia del 5% sobre dicho valor y tensión máxima de trabajo de 630 v. También se podría haber marcado de las siguientes maneras: 4,7n J 630, o 4n7 J 630. Código "101" de los condensadores Por último, vamos a mencionar el código 101 utilizado en los condensadores cerámicos como alternativa al código de colores. De acuerdo con este sistema se imprimen 3 cifras, dos de ellas son las significativas y la última de ellas indica el número de ceros que se deben añadir a las precedentes. El resultado debe expresarse siempre en picofaradios pF. Así, 561 significa 560 pF, 564 significa 560000 pF = 560 nF, y en el ejemplo de la figura de la derecha, 403 significa 40000 pF = 40 nF. 0,047 J 630 C=47 nF 5% V=630 V. 403 C=40 nF 15 / 99 0,068 J 250 C=68 nF 5% V=250 V. 47p C=47 pF 22J C=22 pF 5% 2200 C=2.2 nF 10K +/-10% 400 V C=10 nF 10% V=400 V amarillo-violetanaranja-negro C=47 nF 20% n47 J C=470 pF 5% verde-azul-naranjanegro-rojo C=56 nF 20% V=250 V. 22K 250 V C=22 nF V=250 V. 3300/10 400 V C=3.3 nF 10% V=400 V. 330K 250V C=0.33 µF V=250 V. 0,1 J 250 C=0.1 µF 5% V=250 V. µ1 250 C=0.1 µF V=250 V. n15 K C=150 pF 10% 16 / 99 azul-gris-rojo y marron-negronaranja C1=8.2 nF C2=10 nF .02µF 50V C=20 nF V=50 V. amarillo-violeta-rojo C=4.7 nF amarillo-violeta-rojo, rojonegro-marrón y amarillovioleta-marrón C1=4.7 nF C2=200 pF C3=470 pF Condensadores variables Constan de un grupo de armaduras móviles, de tal forma que al girar sobre un eje se aumenta o reduce la superficie de las armaduras metálicas enfrentadas, variándose con ello la capacidad. El dieléctrico empleado suele ser el aire, aunque también se incluye mica o plástico. Condensadores ajustables Denominados también trimmers, los tipos más utilizados son los de mica, aire y cerámica. 17 / 99 La s Bobinas Un inductor o bobina es un componente pasivo de un circuito eléctrico que, debido al fenómeno de la autoinducción, almacena energía en forma de campo magnético. Un inductor está constituido usualmente por una cabeza hueca de una bobina de material conductor, típicamente alambre o hilo de cobre esmaltado. Existen inductores con núcleo de aire o con núcleo de un material ferroso, para incrementar su capacidad de magnetismo entre la Intensidad (inductancia). Los inductores pueden también estar construidos en circuitos integrados, usando el mismo proceso utilizado para realizar microprocesadores. En estos casos se usa, comúnmente, el aluminio como material conductor. Sin embargo, es raro que se construyan inductores dentro de los circuitos integrados; es mucho más práctico usar un circuito llamado "girador" que, mediante un amplificador operacional, hace que un condensador se comporte como si fuese un inductor. El inductor consta de las siguientes partes: Pieza polar: Es la parte del circuito magnético situada entre la culata y el entrehierro, incluyendo el núcleo y la expansión polar. Núcleo: Es la parte del circuito magnético rodeada por el devanado inductor. Devanado inductor: Es el conjunto de espiras destinado a producir el flujo magnético, al ser recorrido por la corriente eléctrica. Expansión polar: Es la parte de la pieza polar próxima al inducido y que bordea al entrehierro. Polo auxiliar o de conmutación: Es un polo magnético suplementario, provisto o no, de devanados y destinado a mejorar la conmutación. Suelen emplearse en las máquinas de mediana y gran potencia. Culata: Es una pieza de sustancia ferromagnética, no rodeada por devanados, y destinada a unir los polos de la máquina. Su unidad de medida es el Henrio (H) en el Sistema Internacional pero se suelen emplear los submúltiplos mH y µH. 18 / 99 Sus símbolos normalizados son los siguientes: 1. Bobina 2. Inductancia 4. Bobina con núcleo ferromagnético 5. Bobina con núcleo de ferroxcube 6. Bobina blindada 3. Bobina con tomas fijas 7. Bobina electroimán 8. Bobina ajustable 9. Bobina variable Existen bobinas de diversos tipos según su núcleo y según tipo de arrollamiento. Su aplicación principal es como filtro en un circuito electrónico, denominándose comúnmente, choques. Características Técnicas 1. FIJAS Con núcleo de aire El conductor se arrolla sobre un soporte hueco y posteriormente se retira este quedando con un aspecto parecido al de un muelle. Se utiliza en frecuencias elevadas. Una variante de la bobina anterior se denomina solenoide y difiere en el aislamiento de las espiras y la presencia de un soporte que no necesariamente tiene que ser cilíndrico. Se utiliza cuando se precisan muchas espiras. Estas bobinas pueden tener tomas intermedias, en este caso se pueden considerar como 2 o más bobinas arrolladas sobre un mismo soporte y conectadas en serie. Igualmente se utilizan para frecuencias elevadas. Con núcleo sólido Poseen valores de inductancia más altos que los anteriores debido a su nivel elevado de permeabilidad magnética. El núcleo suele ser de un material ferromagnético. Los más usados son la ferrita y el ferroxcube. Cuando se manejan potencias considerables y las frecuencias que se desean eliminar son bajas se utilizan núcleos parecidos a los de los transformadores (en fuentes de alimentación sobre todo). Así nos encontraremos con las configuraciones propias de estos últimos. Las secciones de los núcleos pueden tener forma de EI, M, UI y L. 19 / 99 Bobina de ferrita Bobinas con núcleo toroidal Bobinas de ferrita para SMD Bobina de ferrita de nido de abeja SMD (Surface Mount Device). Dispositivos de Montaje Superficial Las bobinas de nido de abeja se utilizan en los circuitos sintonizadores de aparatos de radio en las gamas de onda media y larga. Gracias a la forma del bobinado se consiguen altos valores inductivos en un volumen mínimo. Las bobinas de núcleo toroidal se caracterizan por que el flujo generado no se dispersa hacia el exterior ya que por su forma se crea un flujo magnético cerrado, dotándolas de un gran rendimiento y precisión. Las bobinas de ferrita arrolladas sobre núcleo de ferrita, normalmente cilíndricos, con aplicaciones en radio es muy interesante desde el punto de vista práctico ya que, permite emplear el conjunto como antena colocándola directamente en el receptor. Las bobinas grabadas sobre el cobre, en un circuito impreso tienen la ventaja de su mínimo coste pero son difícilmente ajustables mediante núcleo. 20 / 99 El Relé Es un dispositivo que consta de dos circuitos diferentes: un circuito electromagnético (electroimán) y un circuito de contactos, al cual aplicaremos el circuito que queremos controlar. En la siguiente figura se puede ver su simbología así como su constitución (rele de armadura). Símbolo del relé de un circuito Símbolo del relé de dos circuitos Partes de un relé de armaduras Su funcionamiento se basa en el fenómeno electromagnético. Cuando la corriente atraviesa la bobina, produce un campo magnético que magnetiza un núcleo de hierro dulce (ferrita). Este atrae al inducido que fuerza a los contactos a tocarse. Cuando la corriente se desconecta vuelven a separarse. Los símbolos que aparecen en las figuras poseen solo 1 y dos circuitos, pero existen relés con un mayor número de ellos. 21 / 99 Características Técnicas Parte electromagnética Corriente de excitación.- Intensidad, que circula por la bobina, necesaria para activar el relé. Tensión nominal.- Tensión de trabajo para la cual el relé se activa. Tensión de trabajo.- Margen entre la tensión mínima y máxima, garantizando el funcionamiento correcto del dispositivo. Consumo nominal de la bobina.- Potencia que consume la bobina cuando el relé está excitado con la tensión nominal a 20ºC. Contactos o Parte mecánica Tensión de conexión.- Tensión entre contactos antes de cerrar o después de abrir. Intensidad de conexión.- Intensidad máxima que un relé puede conectar o desconectarlo. Intensidad máxima de trabajo.- Intensidad máxima que puede circular por los contactos cuando se han cerrado. Los materiales con los que se fabrican los contactos son: plata y aleaciones de plata que pueden ser con cobre, níquel u óxido de cadmio. El uso del material que se elija en su fabricación dependerá de su aplicación y vida útil necesaria de los mismos. RELES MAS UTILIZADOS DE ARMADURA El electroimán hace vascular la armadura al ser excitada, cerrando los contactos dependiendo de si es normalmente abierto o normalmente cerrado. DE NÚCLEO MÓVIL Tienen un émbolo en lugar de la armadura. Se utiliza un solenoide para cerrar los contactos. Se suele aplicar cuando hay que manejar grandes intensidades. Relé de armaduras Relé de armaduras Relé Reed 22 / 99 Relé en encapsulado tipo DIP Relé en encapsulado tipo DIP Aplicación de los reles como módulos de interface Las aplicaciones de este tipo de componentes son múltiples: en electricidad, en automatismos eléctricos, control de motores industriales; en electrónica: sirven básicamente para manejar tensiones y corrientes superiores a los del circuito propiamente dicho, se utilizan como interfaces para PC, en interruptores crepusculares, en alarmas, en amplificadores... 23 / 99 Tema 2: Fuentes de Tensión y de Corriente Para el correcto conocimiento de la electrónica es necesario saber algunas leyes y teoremas fundamentales como la Ley de Ohm, las Leyes de Kirchhoff, y otros teoremas de circuitos. Ley de Ohm La intensidad de corriente que circula por un circuito eléctrico, es directamente proporcional al voltaje o tensión aplicado al circuito, e inversamente proporcional a la resistencia que ofrece dicho circuito al paso de la corriente eléctrica. La expresión matemática que cumple con esta definición es la siguiente: Donde V es la tensión que se mide en voltios (V). Donde I es la intensidad de la corriente que atraviesa la resistencia, y que se mide en Amperios (A). Donde R es la resistencia que se mide en Ohmios (Ω). POTENCIA La potencia se define como el producto entre la tensión aplicada a un circuito eléctrico y la intensidad que es absorbida por este. Su unidad de medida es el vatio, y se representa por la letra W. Si tenemos en cuenta además la ley de OHM, y sustituimos en la expresión anterior, podemos obtener las siguientes fórmulas: 24 / 99 Leyes de Kirchhoff Ley de Kirchhoff de tensiones La suma de las caídas de tensiones de todos los componentes de una malla cerrada debe ser igual a cero. V2 + V3 + V4 - V1 = 0 Ley de Kirchhoff de corrientes La suma de corrientes entrantes en un nodo es igual a la suma de corrientes salientes del nodo. 25 / 99 I1 = I2 + I3 + I4 Resistencias Las resistencias se pueden conectar entre si, de manera que podemos obtener las siguientes asociaciones posibles: Asociación de resistencias en serie, asociación en paralelo y asociación mixta. A continuación pasamos a detallar cada una de ellas. CIRCUITO SERIE RESISTENCIA TOTAL: RT = R1+R2+R3 - La intensidad en un circuito serie, es la misma en cada resistencia: I1 = I2 = I3 = IT Además según la ley de Ohm IT = VT/RT 26 / 99 - La tensión total ( VT ) se reparte proporcionalmente al valor de cada resistencia. - Esto quiere decir que cuanto mayor sea el valor óhmico de la resistencia, mayor será la caída de tensión en ella. V1 = R1 . I1 V2 = R2 . I2 V3 = R3 . I3 - Por lo tanto el voltaje total ( VT ) será: VT = V1 + V2 + V3 O también VT = RT . IT CIRCUITO PARALELO RESISTENCIA TOTAL: - La tensión en un circuito paralelo, es la misma en cada resistencia: V1 = V2 = V3 = VT 27 / 99 VT = RT . IT - La intensidad se reparte inversamente al valor de cada resistencia: Esto quiere decir que cuanto mayor sea el valor de la resistencia, menor será la intensidad que circule por ella. I1 = VT/R1 I2 = VT/R2 I3 = VT/R3 Por lo tanto la intensidad total será: IT = I1 + I2 + I3 O también: IT = VT/RT CIRCUITO MIXTO Es un circuito compuesto por resistencias conectadas entre si en serie, y en paralelo. Ejemplos: 1. Partimos de un circuito mixto, y lo convertimos en un circuito paralelo: 2. Partimos de un circuito mixto, y lo convertimos en un circuito serie: 28 / 99 Generadores Generadores de Continua Pueden ser tanto fuentes de corriente como de tensión, y su utilidad es suministrar corriente o tensión, respectivamente de forma continua. Generador de corriente continua Generador de tensión continua Generadores de Alterna Pueden ser tanto fuentes de corriente como de tensión, y su utilidad es suministrar corrientes o tensiones, respectivamente de forma alterna (por ejemplo: de forma senoidal, de forma triangular, de forma cuadrada., etc....). Generador de corriente alterna Generador de tensión alterna 29 / 99 Aparatos de medición. Voltímetro. Aparato que mide tensiones eficaces tanto en continua como en alterna, y su colocación es de forma obligatoria en "paralelo" al componente sobre el cual se quiere medir su tensión. Voltímetro de continua dc = direct current (corriente directa, corriente de contínua) Voltímetro de alterna ac = altern current (corriente alterna) Amperímetro. Aparato que mide el valor medio de la corriente, y su colocación es de forma obligatoria en "serie" con el componente del cual se quiere saber la corriente que le atraviesa. Amperímetro de continua 30 / 99 Amperímetro de alterna Óhmetro Aparato que mide el valor de las resistencias, y que de forma obligatoria hay que colocar en paralelo al componente estando éste separado del circuito (sin que le atraviese ninguna intensidad). Mide resistencias en Ohmios (Ω). 31 / 99 Corriente Alterna (CA / AC) Además de la existencia de fuentes de FEM de corriente directa o continua (C.D.) (como la que suministran las pilas o las baterías, cuya tensión o voltaje mantiene siempre su polaridad fija), se genera también otro tipo de corriente denominada alterna (C.A.), que se diferencia de la directa por el cambio constante de polaridad que efectúa por cada ciclo de tiempo. Una pila o batería constituye una fuente de suministro de corriente directa, porque su polaridad se mantiene siempre fija Propiedades corriente Alterna (CA) La diferencia de la corriente alterna con la corriente continua, es que la corriente continua circula sólo en un sentido. La corriente alterna (como su nombre lo indica) circula por durante un tiempo en un sentido y después en sentido opuesto, volviéndose a repetir el mismo proceso en forma constante. De acuerdo con su forma gráfica, la corriente alterna puede ser: Rectangular o pulsante Triangular Diente de sierra Sinusoidal o senoidal (A)Onda rectangular o pulsante. (B) Onda triangular. (C) Onda diente de sierra. (D) Onda sinusoidal o senoidal. De todas estas formas, la onda más común es la sinusoidal o senoidal. 32 / 99 Cualquier corriente alterna puede fluir a través de diferentes dispositivos eléctricos, como pueden ser resistencias, bobinas, condensadores, etc., sin sufrir deformación. La onda con la que se representa gráficamente la corriente sinusoidal recibe ese nombre porque su forma se obtiene a partir de la función matemática de seno. En la siguiente figura se puede ver la representación gráfica de una onda sinusoidal y las diferentes partes que la componen: De donde: A = Amplitud de onda P = Pico o cresta N = Nodo o valor cero V = Valle o vientre T = Período Amplitud de onda: máximo valor que toma una corriente eléctrica. Se llama también valor de pico o valor de cresta. Pico o cresta: punto donde la sinusoide alcanza su máximo valor. Nodo o cero: punto donde la sinusoide toma valor “0”. Valle o vientre: punto donde la sinusoide alcanza su mínimo valor. Período: tiempo en segundos durante el cual se repite el valor de la corriente. Es el intervalo que separa dos puntos sucesivos de un mismo valor en la sinusoide. El período es lo inverso de la frecuencia y, matemáticamente, se representa por medio de la siguiente fórmula: T=1/F Como ya se vio anteriormente, la frecuencia no es más que la cantidad de ciclos por segundo o hertz (Hz), que alcanza la corriente alterna. Es el inverso del período y, matemáticamente, se representa de la manera siguiente: F=1/T Este tipo de corriente es la que nos llega a nuestras casas y la usamos para alimentar la TV, el equipo de sonido, la lavadora, la refrigeradora, etc. En el siguiente gráfico se muestra el voltaje (que es también alterno) y tenemos que la magnitud de éste varía primero hacia arriba y luego hacia abajo (de la misma forma en que se comporta la corriente) y nos da una forma de onda llamada: onda senoidal. 33 / 99 El voltaje varía continuamente, y para saber que voltaje tenemos en un momento específico, utilizamos la fórmula; V = Vp x Seno (Θ) donde Vp = V pico (ver gráfico) es el valor máximo que obtiene la onda y Θ es una distancia angular y se mide en grados. Aclarando un poco esta última parte y analizando el gráfico, se ve que la onda senoidal es periódica (se repite la misma forma de onda continuamente) Si se toma un período de ésta (un ciclo completo), se dice que tiene una distancia angular de 360 grados. Y con ayuda de la fórmula que ya dimos, e incluyendo Θ (distancia angular para la cual queremos saber el voltaje) obtenemos el voltaje instantáneo de nuestro interés. Para cada distancia angular diferente el valor del voltaje es diferente, siendo en algunos casos positivo y en otros negativo (cuando se invierte su polaridad). Frecuencia:(f) Si se pudiera contar cuantos ciclos de esta señal de voltaje suceden en un segundo tendríamos: la frecuencia de esta señal, con unidad de ciclos / segundo, que es lo mismo que Hertz o Hertzios. Periodo:(T) El tiempo necesario para que un ciclo de la señal anterior se produzca, se llama período (T) y tiene la fórmula: T = 1 / f, o sea el período (T) es el inverso de la frecuencia. (f) Voltaje Pico-Pico:(Vpp) Analizando el gráfico se ve que hay un voltaje máximo y un voltaje mínimo. La diferencia entre estos dos voltajes es el llamado voltaje pico-pico (Vpp) y es igual al doble del Voltaje Pico (Vp)(ver gráfico). Valor RMS La corriente alterna y los voltajes (cuando son alternos) se expresan de forma común por su valor efectivo o RMS (Root Mean Square – Raíz Media Cuadrática). 34 / 99 Cuando se dice que en nuestras casas tenemos 120 o 220 voltios, éstos son valores RMS o eficaces ¿Qué es RMS y porqué se usa? Un valor en RMS de una corriente es el valor, que produce la misma disipación de calor que una corriente continua de la misma magnitud. En otras palabras: El valor RMS es el valor del voltaje o corriente en C.A. que produce el mismo efecto de disipación de calor que su equivalente de voltaje o corriente directa Ejemplo: 1 amperio (ampere) de corriente alterna (c.a.) produce el mismo efecto térmico que un amperio (ampere) de corriente directa (c.d.) Por esta razón se utiliza el termino “efectivo” El valor efectivo de una onda alterna se determina multiplicando su valor máximo por 0.707. Entonces VRMS = VPICO x 0.707 Ejemplo: Encontrar el voltaje RMS de una señal con VPICO = 130 voltios 130 Voltios x 0.707 = 91.9 Voltios RMS Valor Pico Si se tiene un voltaje RMS y se desea encontrar el voltaje pico: VPICO = VRMS / 0.707 Ejemplo: encontrar el voltaje Pico de un voltaje RMS VRMS = 120Voltios VPICO= 120 V / 0.707 = 169.7 Voltios Pico Valor promedio El valor promedio de un ciclo completo de voltaje o corriente es cero (0). Si se toma en cuenta solo un semiciclo (supongamos el positivo) el valor promedio es: VPR = VPICO x 0.636 La relación que existe entre los valores RMS y promedio es: VRMS = VPR x 1.11 VPR = VRMS x 0.9 Ejemplo Valor promedio de sinusoide = 50 Voltios, entonces: VRMS = 50 x 1.11 = 55.5 Voltios VPICO = 50 x 1.57 Voltios= 78.5 Voltios 35 / 99 36 / 99 Tema 3: Semiconductores Antes de ver el funcionamiento de Diodos, Transistores y circuitos integrados, estudiaremos los materiales Semiconductores. Estos, que no son ni conductores ni aislantes, tienen electrones libres, pero lo que les caracteriza especialmente son los huecos. Conductores Un conductor es un material que, en mayor o menor medida, conduce el calor y la electricidad. Son buenos conductores los metales y malos, el vidrio, la madera, la lana y el aire. NOTA: Definimos la unidad de carga +1 como +1,6·10-19 culombios. Así un electrón tiene una carga -1 equivalente a -1,6·10-19 culombios. El conductor más utilizado y el que ahora analizaremos es el Cobre (valencia 1), que es un buen conductor. Su estructura atómica la vemos en la siguiente figura. Su número atómico es 29. Esto significa que en el núcleo hay 29 protones (cargas positivas) y girando alrededor de él hay 29 electrones girando en diferentes órbitas. En cada órbita caben 2n2 siendo n un número entero n = 1, 2, 3, ... Así en la primera órbita (n = 1) caben 212 = 2 electrones. En la segunda órbita 2·22 = 8 electrones. En la tercera órbita 2·32 = 18 electrones. Y la cuarta órbita solo tiene 1 electrón aunque en ella caben 2·42 = 32 electrones. Lo que interesa en electrónica es la órbita exterior, que es la que determina las propiedades del átomo. Como hay + 29 y - 28, queda con + 1. Por ello vamos a agrupar el núcleo y las órbitas internas, y le llamaremos parte interna. En el átomo de cobre la parte interna es el núcleo (+ 29) y las tres primeras órbitas (- 28), con lo que nos queda la parte interna con una carga neta de +1. 37 / 99 Como el electrón de valencia es atraído muy débilmente por la parte interna, una fuerza externa puede liberarlo fácilmente, por eso es un buen Conductor. Nos referiremos a ese electrón de valencia, como electrón libre. Lo que define a un buen conductor es el hecho de tener un solo electrón en la órbita de valencia (valencia 1). Semiconductores Son elementos, como el germanio y el silicio, que a bajas temperaturas son aislantes. Pero a medida que se eleva la temperatura o bien por la adicción de determinadas impurezas resulta posible su conducción. Su importancia en electrónica es inmensa en la fabricación de transistores, circuitos integrados, etc... Los semiconductores tienen valencia 4, esto es 4 electrones en órbita exterior ó de valencia. Los conductores tienen 1 electrón de valencia, los semiconductores 4 y los aislantes 8 electrones de valencia. Los 2 semiconductores que veremos serán el Silicio y el Germanio: 38 / 99 Como vemos los semiconductores se caracterizan por tener una parte interna con carga + 4 y 4 electrones de valencia. Cristales de silicio Al combinarse los átomos de Silicio para formar un sólido, lo hacen formando una estructura ordenada llamada cristal. Esto se debe a los "Enlaces Covalentes", que son las uniones entre átomos que se hacen compartiendo electrones adyacentes de tal forma que se crea un equilibrio de fuerzas que mantiene unidos los átomos de Silicio. Vamos a representar un cristal de silicio de la siguiente forma: Cada átomo de silicio comparte sus 4 electrones de valencia con los átomos vecinos, de tal manera que tiene 8 electrones en la órbita de valencia, como se ve en la figura. La fuerza del enlace covalente es tan grande porque son 8 los electrones que quedan ( aunque sean compartidos ) con cada átomo, gracias a esta característica los enlaces covalentes son de una gran solidez. Los 8 electrones de valencia se llaman electrones ligados por estar fuertemente unidos en los átomos. El aumento de la temperatura hace que los átomos en un cristal de silicio vibren dentro de él, a mayor temperatura mayor será la vibración. Con lo que un electrón se puede liberar de su órbita, lo que deja un hueco, que a su vez atraerá otro electrón, etc... 39 / 99 A 0 ºK, todos los electrones son ligados. A 300 ºK o más, aparecen electrones libres. Semiconductores intrínsecos Es un semiconductor puro. A temperatura ambiente se comporta como un aislante porque solo tiene unos pocos electrones libres y huecos debidos a la energía térmica. Dopado de un semiconductor Para aumentar la conductividad (que sea más conductor) de un SC (Semiconductor), se le suele dopar o añadir átomos de impurezas a un SC intrínseco, un SC dopado es un SC extrínseco. Caso 1 Impurezas de valencia 5 (Arsénico, Antimonio, Fósforo). Tenemos un cristal de Silicio dopado con átomos de valencia 5. 40 / 99 Los átomo de valencia 5 tienen un electrón de más, así con una temperatura no muy elevada (a temperatura ambiente por ejemplo), el 5º electrón se hace electrón libre. Esto es, como solo se pueden tener 8 electrones en la órbita de valencia, el átomo pentavalente suelta un electrón que será libre. Siguen dándose las reacciones anteriores. Si metemos 1000 átomos de impurezas tendremos 1000 electrones más los que se hagan libres por generación térmica (muy pocos). A estas impurezas se les llama "Impurezas Donadoras". El número de electrones libres se llama n (electrones libres/m3). Caso 2 Impurezas de valencia 3 (Aluminio, Boro, Galio). Tenemos un cristal de Silicio dopado con átomos de valencia 3. 41 / 99 Los átomo de valencia 3 tienen un electrón de menos, entonces como nos falta un electrón tenemos un hueco. Esto es, ese átomo trivalente tiene 7 electrones en la orbita de valencia. Al átomo de valencia 3 se le llama "átomo trivalente" o "Aceptor". A estas impurezas se les llama "Impurezas Aceptoras". Hay tantos huecos como impurezas de valencia 3 y sigue habiendo huecos de generación térmica (muy pocos). El número de huecos se llama p (huecos/m3). Semiconductores extrínsecos Son los semiconductores que están dopados, esto es que tienen impurezas. Hay 2 tipos dependiendo de que tipo de impurezas tengan: Semiconductor tipo n Es el que está impurificado con impurezas "Donadoras", que son impurezas pentavalentes. Como los electrones superan a los huecos en un semiconductor tipo n, reciben el nombre de "portadores mayoritarios", mientras que a los huecos se les denomina "portadores minoritarios". Al aplicar una tensión al semiconductor de la figura, los electrones libres dentro del semiconductor se mueven hacia la izquierda y los huecos lo hacen hacia la derecha. Cuando un hueco llega al extremo derecho del cristal, uno de los electrones del circuito externo entra al semiconductor y se recombina con el hueco. Los electrones libres de la figura circulan hacia el extremo izquierdo del cristal, donde entran al conductor y fluyen hacia el positivo de la batería. Semiconductor tipo p Es el que está impurificado con impurezas "Aceptoras", que son impurezas trivalentes. Como el número de huecos supera el número de electrones libres, los huecos son los portadores mayoritarios y los electrones libres son los minoritarios. Al aplicarse una tensión, los electrones libres se mueven hacia la izquierda y los huecos lo hacen hacia la derecha. En la figura, los huecos que llegan al extremo derecho del cristal se recombinan con los electrones libres del circuito externo. 42 / 99 En el circuito hay también un flujo de portadores minoritarios. Los electrones libres dentro del semiconductor circulan de derecha a izquierda. Como hay muy pocos portadores minoritarios, su efecto es casi despreciable en este circuito. El diodo no polarizado Los semiconductores tipo p y tipo n separados no tienen mucha utilidad, pero si un cristal se dopa de tal forma que una mitad sea tipo n y la otra mitad de tipo p, esa unión pn tiene unas propiedades muy útiles y entre otras cosas forman los "Diodos". El átomo pentavalente en un cristal de silicio (Si) produce un electrón libre y se puede representar como un signo "+" encerrado en un circulo y con un punto relleno (que sería el electrón) al lado. El átomo trivalente sería un signo "-" encerrado en un circulo y con un punto sin rellenar al lado (que simbolizaría un hueco). Entonces la representación de un SC tipo n sería: Y la de un SC tipo p: La unión de las regiones p y n será: 43 / 99 Al juntar las regiones tipo p y tipo n se crea un "Diodo de unión" o "Unión pn". Zona de deplexión Al haber una repulsión mutua, los electrones libres en el lado n se dispersan en cualquier dirección. Algunos electrones libres se difunden y atraviesan la unión, cuando un electrón libre entra en la región p se convierte en un portador minoritario y el electrón cae en un hueco, el hueco desaparece y el electrón libre se convierte en electrón de valencia. Cuando un electrón se difunde a través de la unión crea un par de iones, en el lado n con carga positiva y en el p con carga negativa. Las parejas de iones positivo y negativo se llaman dipolos, al aumentar los dipolos la región cerca de la unión se vacía de portadores y se crea la llamada "Zona de deplexión". Barrera de potencial Los dipolos tienen un campo eléctrico entre los iones positivo y negativo, y al entrar los electrones libres en la zona de deplexión, el campo eléctrico trata de devolverlos a la zona n. La intensidad del campo eléctrico aumenta con cada electrón que cruza hasta llegar al equilibrio. El campo eléctrico entre los iones es equivalente a una diferencia de potencial llamada "Barrera de Potencial" que a 25 ºC vale: 0.3 V para diodos de Ge. 0.7 V para diodos de Si. Polarizar: Poner una pila. No polarizado: No tiene pila, circuito abierto o en vacío. z.c.e.: Zona de Carga Espacial o zona de deplexión (W). 44 / 99 Polarización directa Si el terminal positivo de la fuente está conectado al material tipo p y el terminal negativo de la fuente está conectado al material tipo n, diremos que estamos en "Polarización Directa". La conexión en polarización directa tendría esta forma: En este caso tenemos una corriente que circula con facilidad, debido a que la fuente obliga a que los electrones libres y huecos fluyan hacia la unión. Al moverse los electrones libres hacia la unión, se crean iones positivos en el extremo derecho de la unión que atraerán a los electrones hacia el cristal desde el circuito externo. Así los electrones libres pueden abandonar el terminal negativo de la fuente y fluir hacia el extremo derecho del cristal. El sentido de la corriente lo tomaremos siempre contrario al del electrón. 45 / 99 Lo que le sucede al electrón: Tras abandonar el terminal negativo de la fuente entra por el extremo derecho del cristal. Se desplaza a través de la zona n como electrón libre. En la unión se recombina con un hueco y se convierte en electrón de valencia. Se desplaza a través de la zona p como electrón de valencia. Tras abandonar el extremo izquierdo del cristal fluye al terminal positivo de la fuente. Polarización inversa Se invierte la polaridad de la fuente de continua, el diodo se polariza en inversa, el terminal negativo de la batería conectado al lado p y el positivo al n, esta conexión se denomina "Polarización Inversa". En la siguiente figura se muestra una conexión en inversa: El terminal negativo de la batería atrae a los huecos y el terminal positivo atrae a los electrones libres, así los huecos y los electrones libres se alejan de la unión y la z.c.e. se ensancha. A mayor anchura de la z.c.e. mayor diferencia de potencial, la zona de deplexión deja de aumentar cuando su diferencia de potencial es igual a la tensión inversa aplicada (V), entonces los electrones y huecos dejan de alejarse de la unión. A mayor la tensión inversa aplicada mayor será la z.c.e. 46 / 99 Tema 4: El Diodo de Unión Las propiedades de los materiales semiconductores se conocían en 1874, cuando se observó la conducción en un sentido en cristales de sulfuro, 25 años más tarde se empleó el rectificador de cristales de galena para la detección de ondas. Durante la Segunda Guerra Mundial se desarrolló el primer dispositivo con las propiedades que hoy conocemos, el diodo de germanio. Analizamos de la misma forma el diodo: Se le van dando distintos valores a la pila y se miden las tensiones y corrientes por el diodo, tanto en directa como en inversa (variando la polarización de la pila). Y así obtenemos una tabla que al ponerla de forma gráfica sale algo así: Polarización directa: Es como sustituir un diodo por un interruptor cerrado. 47 / 99 Polarización inversa: Es como sustituir el diodo por un interruptor abierto. Como se ha visto, el diodo actúa como un interruptor abriéndose o cerrándose dependiendo si esta en inversa o en directa. Para ver los diferentes errores que cometeremos con las distintas aproximaciones vamos a ir analizando cada aproximación. POLARIZACIÓN DIRECTA el ánodo se conecta al positivo de la batería y el cátodo al negativo. INVERSA el ánodo se conecta al negativo y el cátodo al positivo de la batería CIRCUITO CARACTERÍSTICAS El diodo conduce con una caída de tensión de 0.6 a 0.7V. El valor de la resistencia interna seria muy bajo. Se comporta como un interruptor cerrado El diodo no conduce y toda la tensión de la pila cae sobre el. Puede existir una corriente de fuga del orden de uA. El valor de la resistencia interna sería muy alto Se comporta como un interruptor abierto. 48 / 99 SIMBOLOGÍA Diodo rectificador Diodo Schottky Diodo varicap Diodo Pin Fotodiodo Diodo zener Diodo túnel Diodo LED Puente rectificador CARACTERISTICAS TECNICAS Como todos los componentes electrónicos, los diodos poseen propiedades que les diferencia de los demás semiconductores. Es necesario conocer estas, pues los libros de características y las necesidades de diseño así lo requieren. En estos apuntes aparecerán las más importantes desde el punto de vista practico. Valores nominales de tensión: VF = Tensión directa en los extremos del diodo en conducción. VR = Tensión inversa en los extremos del diodo en polarización inversa. VRSM = Tensión inversa de pico no repetitiva. VRRM = Tensión inversa de pico repetitiva. VRWM = Tensión inversa de cresta de funcionamiento. Valores nominales de corriente: IF = Corriente directa. IR = Corriente inversa. IFAV = Valor medio de la forma de onda de la corriente durante un periodo. IFRMS = Corriente eficaz en estado de conducción. Es la máxima corriente eficaz que el diodo es capaz de soportar. IFSM = Corriente directa de pico (inicial) no repetitiva. AV= Average(promedio) RMS= Root Mean Square (raíz de la media cuadrática) 49 / 99 Valores nominales de temperatura Tstg = Indica los valores máximos y mínimos de la temperatura de almacenamiento. Tj = Valor máximo de la temperatura que soporta la unión de los semiconductores. TIPOS DE DIODOS DIODOS METAL-SEMICONDUCTOR.- Los más antiguos son los de germanio con punta de tungsteno o de oro. Su aplicación más importante se encuentra en HF, VHF y UHF. También se utilizan como detectores en los receptores de modulación de frecuencia. Por el tipo de unión que tiene posee una capacidad muy baja, así como una resistencia interna en conducción que produce una tensión máxima de 0,2 a 0,3v. El diodo Schottky son un tipo de diodo cuya construcción se basa en la unión metal conductor con algunas diferencias respecto del anterior. Fue desarrollado por la Hewlett-Packard en USA, a principios de la década de los 70. La conexión se establece entre un metal y un material semiconductor con gran concentración de impurezas, de forma que solo existirá un movimiento de electrones, ya que son los únicos portadores mayoritarios en ambos materiales. Al igual que el de germanio, y por la misma razón, la tensión de umbral cuando alcanza la conducción es de 0,2 a 0,3v. Igualmente tienen una respuesta notable a altas frecuencias, encontrando en este campo sus aplicaciones más frecuentes. Un inconveniente de esto tipo de diodos se refiere a la poca intensidad que es capaz de soportar entre sus extremos. El encapsulado de estos diodos es en forma de cilindro , de plástico o de vidrio. De configuración axial. Sobre el cuerpo se marca el cátodo, mediante un anillo serigrafiado. Diodo de punta de germanio Diodo Schottky DIODOS RECTIFICADORES Su construcción está basada en la unión PN siendo su principal aplicación como rectificadores. Este tipo de diodos (normalmente de silicio) soportan elevadas temperaturas (hasta 200ºC en la unión), siendo su resistencia muy baja y la corriente en tensión inversa muy pequeña. Gracias a esto se pueden construir diodos de pequeñas dimensiones para potencias relativamente grandes, desbancando así a los diodos termoiónicos desde hace tiempo. Sus aplicaciones van desde elemento indispensable en fuentes de alimentación como en televisión, aparatos de rayos X y microscopios electrónicos, donde deben rectificar tensiones altísimas. En fuentes de alimentación se utilizan los diodos formando configuración en puente (con cuatro diodos en sistemas monofásicos), o utilizando los puentes integrados que a tal efecto se fabrican y que simplifican en gran medida el proceso de diseño de una placa de circuito impreso. 50 / 99 Los distintos encapsulados de estos diodos dependen del nivel de potencia que tengan que disipar. Hasta 1w se emplean encapsulados de plástico. Por encima de este valor el encapsulado es metálico y en potencias más elevadas es necesario que el encapsulado tenga previsto una rosca para fijar este a un radiador y así ayudar al diodo a disipar el calor producido por esas altas corrientes. Igual le pasa a los puentes de diodos integrados. DIODO RECTIFICADOR COMO ELEMENTO DE PROTECCION.- La desactivación de un relé provoca una corriente de descarga de la bobina en sentido inverso que pone en peligro el elemento electrónico utilizado para su activación. Un diodo polarizado inversamente cortocircuita dicha corriente y elimina el problema. El inconveniente que presenta es que la descarga de la bobina es más lenta, así que la frecuencia a la que puede ser activado el relé es más baja. Se le llama comúnmente diodo volante. DIODO RECTIFICADOR COMO ELEMENTO DE PROTECCION DE UN DIODO LED EN ALTERNA.El diodo LED cuando se polariza en c.a. directamente conduce y la tensión cae sobre la resistencia limitadora, sin embargo, cuando se polariza inversamente, toda la tensión se encuentra en los extremos del diodo, lo que puede destruirlo. DIODOS ZENER.- Se emplean para producir entre sus extremos una tensión constante e independiente de la corriente que las atraviesa según sus especificaciones. Para conseguir esto se aprovecha la propiedad que tiene la unión PN cuando se polariza inversamente al llegar a la tensión de ruptura (tensión de zener), pues, la intensidad inversa del diodo sufre un aumento brusco. Para evitar la destrucción del diodo por la avalancha producida por el aumento de la intensidad se le pone en serie una resistencia que limita dicha corriente. Se producen desde 3,3v y con una potencia mínima de 250mW. Los encapsulados pueden ser de plástico o metálico según la potencia que tenga que disipar. DIODOS LED ( Light Emitting Diode).-Es un diodo que presenta un comportamiento parecido al de un diodo rectificador sin embargo, su tensión de umbral, se encuentra entre 1,3 y 4v dependiendo del color del diodo. Color Tensión en directo Infrarrojo 1.3v Rojo 1.7v Naranja 2.0v Amarillo 2.5v Verde 2.5v Azul 4.0v El conocimiento de esta tensión es fundamental para el diseño del circuito en el que sea necesaria su presencia, pues, normalmente se le coloca en serie una resistencia que limita la intensidad que circulará por el. Cuando se polariza directamente se comporta como una lamparita que emite una luz cuyo color depende de los materiales con los que se fabrica. Cuando se polariza inversamente no se enciende y además no deja circular la corriente. La intensidad mínima para que un diodo LED emita luz visible es de 4mA y, por precaución como máximo debe aplicarse 50mA. Para identificar los terminales del diodo LED observaremos como el cátodo será el terminal más corto, siendo el más largo el ánodo. Además en el encapsulado, normalmente de plástico, se observa un chaflán en el lado en el que se encuentra el cátodo. Se utilizan como señal visual y en el caso de los infrarrojos en los mandos a distancia. Se fabrican algunos LEDs especiales: 51 / 99 LED bicolor.- Están formados por dos diodos conectados en paralelo e inverso. Se suele utilizar en la detección de polaridad. LED tricolor.- Formado por dos diodos LED (verde y rojo) montado con el cátodo común. El terminal más corto es el ánodo rojo, el del centro, es el cátodo común y el tercero es el ánodo verde. Display.- Es una combinación de diodos LED que permiten visualizar letras y números. Se denominan comúnmente displays de 7 segmentos. Se fabrican en dos configuraciones: ánodo común y cátodo común. Estructura de un LED bicolor Estructura de un LED tricolor Display Display de cátodo común Display de ánodo común Disposición de los pines en un display FOTODIODO.- Son dispositivos semiconductores construidos con una unión PN, sensible a la incidencia de la luz visible o infrarroja. Para que su funcionamiento sea correcto se polarizarán inversamente, con lo que producirán una cierta circulación de corriente cuando sean excitados por la luz. Debido a su construcción se comportan como células fotovoltaicas, es decir, en ausencia de tensión exterior, generan una tensión muy pequeña con el positivo en el ánodo y el negativo en el cátodo. Tienen una velocidad de respuesta a los cambios bruscos de luminosidad mayores a las células fotoeléctricas. Actualmente, y en muchos circuitos estás últimas se están sustituyendo por ellos, debido a la ventaja anteriormente citada. DIODO DE CAPACIDAD VARIABLE (VARICAP).- Son diodos que basan su funcionamiento en el principio que hace que la anchura de la barrera de potencial en una unión PN varia en función de la tensión inversa aplicada entre sus extremos. Al aumentar dicha tensión, aumenta la anchura de esa barrera, disminuyendo así la capacidad del diodo. De este modo se obtiene un condensador variable controlado por tensión. Los valores de capacidad obtenidos van desde 1 a 500pF. La tensión inversa mínima tiene que ser de 1v. La aplicación de estos diodos se encuentra en la sintonía de TV, modulación de frecuencia en transmisiones de FM y radio, sobre todo. 52 / 99 En esta tabla no están todos los encapsulados en los que se fabrican los diodos, pero si están los más importantes DO-5 DO-35 DO-41 TO-220AC TO-3 PWRTAB PWRTABS SOT-223 SMA SMB SMC D618sl D2pak Dpak TO-200AB TO-200AC Puentes rectificadores B380C1000G(GS) KBPC(D46) KBB(D37) GBL GBU (IR) IN LINE 5S2(FAGOR) GBPC(D34) (IR) POWER-L(FAGOR) MB(D34) POWER (FAGOR) MT(D63) DF8(D71) DF(D70) 53 / 99 Tema 5: Circuitos con Diodos Un diodo rectificador, idealmente hablando, es un interruptor cerrado cuando se polariza en directa y una interruptor abierto cuando se polariza en inversa. Por ello, es muy útil para convertir corriente alterna en continua. Fuentes de alimentación ¿Que ocurre cuando se quiere alimentar un aparato cualquiera? VL tiene que ser continua en la mayoría de los casos, por eso se alimenta en continua, un circuito típico sería algo así: En medio del circuito tenemos transistores para amplificar, etc...Pero al final se tiene que alimentar en continua. Lo más fácil sería alimentar con pilas, pero esto es caro por esa razón hay que construir algo que nos de energía más barata, esto es, una Fuente de Alimentación que coge 220 V del enchufe y transforma la alterna en continua a la salida. Tenemos que diseñar la Fuente de Alimentación. Partimos de una senoidal del enchufe. 54 / 99 El periodo T, si tenemos 220 V y 50 Hz: 1º tenemos que reducir de 311 V a 12 V en continua, esto es, primero necesitamos un transformador que reduzca la tensión. 55 / 99 El transformador de entrada La tensión de la red es demasiado elevada para la mayor parte de los dispositivos empleados en circuitos electrónicos, por ello generalmente se usan un transformador en casi todos circuitos electrónicos. Este transformador reduce la tensión a niveles inferiores, más adecuados para su uso en dispositivos como diodos y transistores. Un transformador es un conjunto de chapas de hierro muy juntas que arrollamientos, uno a cada lado del conglomerado de chapas de hierro. tienen dos Nosotros para trabajar sobre el papel usaremos esta simbología: La bobina izquierda se llama "Arrollamiento Primario" y la derecha se llama "arrollamiento secundario". El número de vueltas en el arrollamiento primario es N1 y el del arrollamiento secundario N2.Las rayas verticales entre los arrollamientos primario y secundario indican que el conductor está enrollado alrededor de un núcleo de hierro. La relación entre el número de vueltas y la tensión es: Transformador elevador Cuando el arrollamiento secundario tiene más vueltas que el arrollamiento primario (N2 > N1), la tensión del secundario es superior a la del primario (V2>V1), es decir, N2 : N1 es mayor que 1 56 / 99 (N2 : N1 > 1). Por lo tanto si N2 tiene el triple de vueltas que N1, la tensión en el secundario será el triple que la tensión en el primario. A la vez que elevador de tensión este transformador es "Reductor de Corriente". Transformador reductor Cuando el arrollamiento secundario tiene menos vueltas que el arrollamiento primario (N2 < N1), se induce una tensión menor en el secundario de la que hay en el primario. En este caso N2 : N1 sería menor que 1 (N2 : N1 < 1). EJEMPLO: Por cada 9 espiras en N1 hay 1 espira en N2. Esta formula se cumple para V1 y V2 eficaces. Como se ha visto, ha habido una reducción muy grande. A este tipo de transformador se le llama "Transformador Reductor" (de tensión se entiende). A la vez que reductor es elevador de corriente también. 57 / 99 Efecto sobre la corriente En la figura siguiente se puede ver una resistencia de carga conectada al arrollamiento secundario, esto es, el transformador en carga A causa de la tensión inducida en el arrollamiento secundario, a través de la carga circula una corriente. Si el transformador es ideal (K = 1 y no hay perdidas de potencia en el arrollamiento y en el núcleo), la potencia de entrada es igual a la potencia de salida: Si aplicamos esta ecuación: Por lo tanto nos quedaría: Y al final tenemos esta ecuación: Hay que poner fusibles de protección en fuentes de alimentación. Se pueden poner en la malla del primario o del secundario ¿Donde es mejor? Como es más barato el fusible de 1 A, lo mejor será poner el fusible en el primario. 58 / 99 Rectificador de media onda Este es el circuito más simple que puede convertir corriente alterna en corriente continua. Este rectificador lo podemos ver representado en la siguiente figura: Las gráficas que más nos interesan son: Durante el semiciclo positivo de la tensión del primario, el bobinado secundario tiene una media onda positiva de tensión entre sus extremos. Este aspecto supone que el diodo se encuentra en polarización directa. Sin embargo durante el semiciclo negativo de la tensión en el primario, el arrollamiento secundario presenta una onda sinusoidal negativa. Por tanto, el diodo se encuentra polarizado en inversa. La onda que más interesa es VL, que es la que alimenta a RL. Pero es una tensión que no tiene partes negativas, es una "Tensión Continua Pulsante", y nosotros necesitamos una "Tensión Continua Constante". Analizaremos las diferencias de lo que tenemos con lo que queremos conseguir. Lo que tenemos ahora es una onda periódica, y toda onda periódica se puede descomponer en "Series de Fourier". 59 / 99 Lo ideal sería que solo tuviésemos la componente continua, esto es, solo la primera componente de la onda que tenemos. El valor medio de esa onda lo calcularíamos colocando un voltímetro en la RL, si lo calculamos matemáticamente sería: Y este sería el valor medio que marcaría el voltímetro. Como hemos visto tenemos que eliminar las componentes alternas de las componentes de Fourier. En estos caso hemos usaremos la 1ª aproximación o la 2ª aproximación. Por último diremos que este circuito es un rectificador porque "Rectifica" o corta la onda que teníamos antes, la recorta en este caso dejándonos solo con la parte positiva de la onda de entrada. 60 / 99 Rectificador de onda completa con 2 diodos La siguiente figura muestra un rectificador de onda completa con 2 diodos: Debido a la conexión en el centro del devanado secundario, el circuito es equivalente a dos rectificadores de media onda. El rectificador superior funciona con el semiciclo positivo de la tensión en el secundario, mientras que el rectificador inferior funciona con el semiciclo negativo de tensión en el secundario. Es decir, D1 conduce durante el semiciclo positivo y D2 conduce durante el semiciclo negativo. Así pues la corriente en la carga rectificada circula durante los dos semiciclos. En este circuito la tensión de carga VL, como en el caso anterior, se medirá en la resistencia RL. 61 / 99 Aplicamos Fourier como antes. Ahora la frecuencia es el doble que la de antes y el pico la mitad del anterior caso. Así la frecuencia de la onda de salida es 2 veces la frecuencia de entrada. Y el valor medio sale: 62 / 99 Rectificador de onda completa en puente En la figura siguiente podemos ver un rectificador de onda completa en puente: Mediante el uso de 4 diodos en vez de 2, este diseño elimina la necesidad de la conexión intermedia del secundario del transformador. La ventaja de no usar dicha conexión es que la tensión en la carga rectificada es el doble que la que se obtendría con el rectificador de onda completa con 2 diodos. Las gráficas tienen esta forma: 63 / 99 Durante el semiciclo positivo de la tensión de la red, los diodos D1 y D3 conducen, esto da lugar a un semiciclo positivo en la resistencia de carga. Los diodos D2 y D4 conducen durante el semiciclo negativo, lo que produce otro semiciclo positivo en la resistencia de carga. El resultado es una señal de onda completa en la resistencia de carga. Hemos obtenido la misma onda de salida VL que en el caso anterior. La diferencia más importante es que la tensión inversa que tienen que soportar los diodos es la mitad de la que tienen que soportar los diodos en un rectificador de onda completa con 2 diodos, con lo que se reduce el coste del circuito. 64 / 99 Filtro por condensador La misión de los rectificadores es conseguir transformar la tensión alterna en tensión continua, pero solamente con los rectificadores no obtenemos la tensión continua deseada. En este instante entra en juego el filtro por condensador. Conociendo las características de un Condensador, y viendo su capacidad de almacenamiento de energía, lo podemos utilizar como filtro para alisar la señal que obtenemos en la salida Condensador Como se ha dicho el condensador es un elemento que almacena energía. Este elemento se opone a las variaciones bruscas de la tensión que se le aplica. Se representa con la letra C y su unidad es el Faradio (F). Una capacidad (o condensador) pura adelanta la intensidad 90º con respecto a la tensión aplicada entre sus bornes. Cuando la tensión aplicada entre los bornes del condensador aumenta en el condensador se crea una diferencia de potencial de signo contrario a la aplicada entre los bornes oponiéndose así a la variación brusca de la tensión. 65 / 99 Rectificador de media onda con filtro por condensador Pero antes de empezar a hacer cálculos vamos a ver un concepto. Primeramente vamos a ver ese circuito sin C. En este caso la forma de onda de la intensidad es igual a la tensión en la resistencia. Como se ve, el valor de frecuencia más problemático es el de 50 Hz, ya que es el que más depende de la capacidad, y por lo tanto el que tiene un mayor valor de la impedancia. Si se consigue que a la frecuencia de 50 Hz tengamos un valor aceptable de la impedancia, para el resto de las frecuencias funcionará bien. Las ondas que tendríamos con y sin C serán estas, comparadas con la onda del secundario: Al añadir el C hay modificaciones en el comportamiento del circuito. Veamos los pasos que se dan: Inicialmente el C es un cortocircuito, y al enchufar el circuito a la red es C se carga de 0 a VP2. Se cargará la ritmo del transformador porque el diodo es ideal, con lo que es un cortocircuito. 66 / 99 Cuando el C se ha cargado del todo a VP2, a partir del valor máximo, el D entra en inversa y deja de conducir (D conduce hasta VP2), con lo que empieza a disminuir el valor de la tensión de salida. Ahora se descargará el C a través de RL. El C se va descargando hasta igualarse al valor de VL, entonces el D pasa a ON con lo que se vuelve a cargar hasta VP2 y se repite el proceso. Mientras el C se carga D conduce (D ON) y mientras C se descarga D no conduce (D OFF). Ahora el D está en ON en menos tiempo que antes y las corrientes son muy grandes porque el C se carga en poco tiempo. En poco tiempo necesita mucha energía, por lo tanto la intensidad es grandísima, y el resto del tiempo el D no conduce. La tensión en el D se da cuando está en OFF. El valor máximo de esa tensión es: A ese valor máximo de tensión en inversa se le llama "Tensión Inversa de Pico del Diodo". El cálculo de IPD ("Intensidad de Pico del Diodo") es muy difícil de calcular, hay que resolverlo por iteraciones y esto es muy largo por ello lo haremos con aproximaciones. 67 / 99 Rectificador de onda completa con 2 diodos con filtro por condensador El D1 conduce en el semiciclo positivo y sólo cuando se carga el C. El D2 conduce en el semiciclo negativo y sólo cuando se carga el C. La deducción de esa formula (VCCL) es como antes, aproximar a una triangular, y sale la misma fórmula. Las conclusiones de lo que nos conviene son las mismas de antes: Como en el caso anterior la intensidad media por el condensador es cero: ICCA = ICCL 68 / 99 Rectificador de onda completa en puente con filtro por condensador El C siempre se pone en paralelo con la RL. El circuito y las gráficas son las siguientes: Es parecido al anterior, cambia el valor de iT. Conducen D1 y D3 en positivo y conducen D2 y D4 en el semiciclo negativo. En el transformador el mismo bobinado sufre la intensidad, entonces tiene que soportar toda la intensidad, pero a veces hacia arriba y otras hacia abajo. Hay que diseñar el arrollamiento del hilo del secundario para que aguanten esos picos positivos y negativos. Para el condensador sigue sirviendo lo visto anteriormente: La única diferencia está en la iT y la VIP (tensión inversa de pico). La tensión inversa de pico (VIP) solo tiene que aguantar VP2 y no el doble de este valor como en el caso anterior. 69 / 99 El Regulador Zener Anteriormente habíamos visto este circuito: Primeramente supondremos que están conectados directamente, por lo tanto vC = vL entonces: Problemas que podemos tener: RL variable (variaciones de carga). Variaciones de tensión de red (variaciones de red). Debido a estos dos problemas la onda de salida de ese circuito puede variar entre dos valores y como nuestro objetivo es obtener una tensión constante a la salida tendremos que hacer algo. Para resolver este problema ponemos un regulador de tensión basado en el diodo zener. Ahora vamos a analizar este regulador de tensión. 70 / 99 EJEMPLO:1N961 VZ = 10 V RZ = 8,5 V VRentr. = 2 V Si quiero disminuir más el rizado pondría otro regulador que disminuiría más el rizado pico a pico: 71 / 99 La Familia 78XX y 79XX Los circuitos integrados de la familia 78XX permiten realizar fuentes de alimentación estabilizadas fiables, ya sean fijas o regulables, de una manera sencilla y sin complicaciones. Son adaptables a diferentes tensiones de salida, utilizando el regulador adecuado, y modificando los componentes asociados en función de la tensión de trabajo. En el comercio se dispone de las siguientes tensiones de salida: 5, 6, 8, 12, 15, 18, 20, 24 voltios. Todos pueden proporcionar una corriente máxima de 0,5A y si están convenientemente refrigerados, hasta 1A. Por norma general, la tensión del secundario del transformador, debe ser como mínimo 3v superior a la tensión nominal del regulador integrado. Esquema de una F.A. con un regulador de la familia 7805 Esquema de una F.A. con un regulador de la familia 7905 Estos dos circuitos están diseñados para obtener a la salida tensiones fijas (en este caso 5v). 72 / 99 Fuente de alimentación simétrica 15+15v Otra aplicación importante de este tipo de circuitos es como fuente de alimentación simétrica, muy utilizado con amplificadores operacionales. ENCAPSULADOS El encapsulado que más se utiliza es el TO-220, tanto para los 78XX como para los 79XX. Para intensidades mayores de 1A se utiliza el encapsulado TO-3, aunque este es raro debido a que es más caro y los anteriores se pueden adaptar para mayores intensidades mediante transistores. Existe una versión para SMD, el D-PAK. TO-220 (pdf) D-PAK o D2PAK 73 / 99 Multiplicadores de tensión A veces hay cargas que necesitan una tensión muy alta y que absorben una corriente pequeña EJEMPLO: Tubo de rayos catódicos (TV, monitor de ordenador, osciloscopio). Entonces hay que elevar la tensión de la red. Primero se pone un transformador elevador con todos los diodos y condensadores que necesite. Y tenemos un rizado casi nulo. El mayor problema es que el transformador elevador sería muy voluminoso porque necesitaría muchas espiras, además el campo eléctrico sería grande, VIP del diodo también (VIP = 2Vpico = 2·933 = 1833 V en inversa), mucha tensión en el C, etc... Por eso no se usa un transformador elevador sino que se utiliza un multiplicador de tensión. Hay varios tipos de multiplicadores de tensión, nosotros analizaremos estos cuatro: El Doblador de tensión El Doblador de tensión de onda completa El Triplicador El Cuadriplicador Doblador de tensión 74 / 99 Doblador de tensión de onda completa Triplicador Cuadriplicador Es como los anteriores, y la tensión se toma como se ve en la figura: Aplicación: Estos circuitos que hemos visto sirven para conseguir unas tensiones grandes y por ello se pueden usar en los "Tubos de Rayos Catódicos". 75 / 99 El Limitador Podemos tener dos tipos de diodos: De Pequeña Señal: Frecuencias mayores que la red, limitaciones de potencia menores que 0.5 W (corrientes de miliAmperios). o Limitadores. o Cambiadores de nivel. o Detector de pico a pico. De Gran Señal: Diodos de potencia, son los diodos que se usan en las fuentes de alimentación, tienen una limitación de potencia mayor que 0.5 W (corrientes de Amperios) Ahora vamos a analizar los diodos de pequeña señal. Limitador positivo Esta es la forma de un limitador positivo: No recorta de forma perfecta por no ser ideal el diodo. Limitador positivo polarizado Es como el anterior pero con una pila. Limitador negativo La diferencia con el limitador positivo radica en el cambio de dirección del diodo. 76 / 99 Para explicar el comportamiento del limitador negativo vamos a analizar un limitador doble, que esta compuesto por un limitador polarizado positivo y otro limitador polarizado negativo. Esto era para RL >> R. Si no se cumpliera esto no sería una senoidal cuando no conducen los diodos. Es un circuito recortador (limitador), es un circuito limitador positivo polarizado y limitador negativo polarizado. 77 / 99 Aplicación: Si se mete una onda de pico muy grande a la entrada, aparece una onda prácticamente cuadrada a la salida, que aunque no sea tan parecida se toma como si fuese una onda cuadrada (es imposible hacer una onda cuadrada perfecta). Primera aplicación: "Transformar una Senoidal a Cuadrada". Si recorto en + 5 V y en 0 V. Puedo aprovechar esto para electrónica digital Aplicación: Si tenemos un circuito que da alterna a su salida que es variable y nosotros queremos transmitir esa onda a la carga, podemos estropear la carga si conectamos directamente la carga a ese circuito. Por eso ponemos un recortador o limitador entre la carga y ese circuito para que no se estropee la carga. Es para protección de la carga ( se puede limitar la parte positiva, la negativa o las dos dependiendo del limitador que se utilice). 78 / 99 El cambiador de nivel de continua Cambiador de nivel positivo Hemos subido 10 V el nivel de continua. OFFSET = Nivel de continua Este es el cambiador de nivel positivo. Si quisiera cambiar hacia abajo sería el cambiador de nivel negativo que es igual cambiando el diodo de sentido. Cambiador de nivel negativo Como antes, el condensador siempre a 10 V. Se le resta 10 a la entrada. Es un "OFFSET Negativo". 79 / 99 Detector de pico a pico Detector de pico a pico = Medidor de pico a pico = Doblador de tensión Nos basamos en el cambiador de nivel y le vamos a añadir un rectificador de media onda con filtro por condensador. 80 / 99 Tema 6: El Transistor Dispositivo semiconductor que permite el control y la regulación de una corriente grande mediante una señal muy pequeña. El transistor esta compuesto por tres zonas de dopado, como se ve en la figura: La zona superior es el "Colector", la zona central es la "Base" y la zona inferior es el "Emisor". El Emisor está muy impurificado, la Base tiene una impurificación muy baja, mientras que el Colector posee una impurificación intermedia. En este ejemplo concreto el transistor es un dispositivo npn, aunque también podría ser un pnp. En principio es similar a dos diodos Un transistor es similar a dos diodos, el transistor tiene dos uniones: una entre el emisor y la base y la otra entre la base y el colector. El emisor y la base forman uno de los diodos, mientras que el colector y la base forman el otro. Estos diodos son denominados: "Diodo de emisor" (el de la izquierda en este caso) y "Diodo de colector" (el de la derecha en este caso). 81 / 99 Los símbolos que corresponden a este tipo de transistor son los siguientes: Estructura de un transistor NPN Transistor NPN Transistor PNP Estructura de un transistor PNP Veremos mas adelante como un circuito con un transistor NPN se puede adaptar a PNP. El nombre de estos hace referencia a su construcción como semiconductor. FUNCIONAMIENTO BASICO Cuando el interruptor SW1 está abierto no circula intensidad por la Base del transistor por lo que la lámpara no se encenderá, ya que, toda la tensión se encuentra entre Colector y Emisor. (Figura 1). Figura 1 Figura 2 Cuando se cierra el interruptor SW1, una intensidad muy pequeña circulará por la Base. Así el transistor disminuirá su resistencia entre Colector y Emisor por lo que pasará una intensidad muy grande, haciendo que se encienda la lámpara. (Figura 2). En general: IE > IC > IB ; IE = IB + IC ; VCE = VCB + VBE Una polarización correcta permite el funcionamiento de este componente. No es lo mismo polarizar un transistor NPN que PNP. Si se conectan fuentes de tensión externas para polarizar al transistor, se obtienen resultados nuevos e inesperados. Hay 3 configuraciones: 82 / 99 Base común (BC). Emisor común (EC). Colector común (CC). Configuración en BC La zona que más nos interesa es la zona activa, por lo tanto a continuación analizaremos esta zona. La zona p de base suele ser muy estrecha en la realidad, más tarde veremos porque. En el siguiente dibujo no dibujamos WE y W C para no emborronar el dibujo. Configuración en EC Esta configuración es la más utilizada. Como en la configuración en BC solo analizaremos la zona activa. Cada una de estas configuraciones a su vez puede trabajar en 4 zonas diferentes: Zona ACTIVA: UE en Directa y UC en Inversa. AMPLIFICADORES Zona de SATURACIÓN: UE en Directa y UC en Directa. CONMUTACIÓN Zona de CORTE: UE en Inversa y UC en Inversa. CONMUTACIÓN Zona ACTIVA INVERTIDA: UE en Inversa y UC en Directa. SIN UTILIDAD 83 / 99 CORTE.- No circula intensidad por la Base, por lo que, la intensidad de Colector y Emisor también es nula. La tensión entre Colector y Emisor es la de la batería. El transistor, entre Colector y Emisor se comporta como un interruptor abierto. IB = IC = IE = 0; VCE = Vbat SATURACION.- Cuando por la Base circula una intensidad, se aprecia un incremento de la corriente de colector considerable. En este caso el transistor entre Colector y Emisor se comporta como un interruptor cerrado. De esta forma, se puede decir que la tensión de la batería se encuentra en la carga conectada en el Colector. IB IC ; Vbat = RC X IC. CORTE Y SATURACIÓN: Conmutación (Corte abierto y Saturación cerrado). Cuando trabaja en la zona de corte y la de saturación se dice que trabaja en conmutación. En definitiva, como si fuera un interruptor. ACTIVA.- Actúa como amplificador. Puede dejar pasar más o menos corriente. 84 / 99 La ganancia de corriente es un parámetro también importante para los transistores ya que relaciona la variación que sufre la corriente de colector para una variación de la corriente de base. Los fabricantes suelen especificarlo en sus hojas de características, también aparece con la denominación hFE. Se expresa de la siguiente manera: β = I C / IB ENCAPSULADO DE LOS TRANSISTORES MAS POPULARES TO-18 TO-39 TO-92 TO-126 TO-3P TO-220AB TO-220AC TO-247AC TO-3 SOT-223 85 / 99 Tema 7: Polarización y Estabilización del Transistor Bipolar Circuito de polarización de base Vemos que la cc puede variar por varias razones, por lo tanto el punto Q es inestable. Como Q depende de IC, el circuito anterior es muy malo porque el punto Q es INESTABLE. Circuito de polarización con realimentación de emisor Para este propósito ahora se analizará el "Circuito de polarización de Emisor", que es el siguiente: El propósito es amplificar, por esa razón el transistor tiene que trabajar en la zona ACTIVA. 86 / 99 Si se quiere amplificar, se necesitan circuitos cuyos puntos Q sean inmunes a los cambios en la ganancia de corriente, esto es, interesa que el punto Q sea lo más estable posible. Circuito de polarización con realimentación de colector Este circuito no es bueno aunque sea mejor que los anteriores, es todavía bastante inestable. Circuito de polarización por divisor de tensión 87 / 99 En todo circuito que quiera que se auto compense tiene que haber una resistencia de realimentación, en este caso es RE, que hace que sea estable el punto Q. Circuito de polarización por divisor de emisor con 2 fuentes de alimentación Este último circuito es el mejor junto con el divisor de tensión Circuito de polarización con realimentación de emisor y realimentación de colector Con este circuito se intenta obtener polarizaciones más estables para los circuitos con transistores. Para ello se usa una combinación de una resistencia de emisor y una resistencia de colector. Pero el problema es que si RC y RE son muy grandes el valor de VCE tiene que ser pequeño y puede llegar a saturación, por eso no se puede hacer todo lo grande que se quiera. 88 / 99 Detección de averías Primeramente se comprueba que el transistor funciona correctamente separándolo del circuito y viendo con el Óhmetro los diferentes valores en el transistor. 89 / 99 Tipos de Transistores En electrónica es muy habitual el hablar de transistores de baja potencia (pequeña señal) y de transistores de potencia (gran señal). Es una forma muy sencilla de diferenciar a los transistores que trabajan con potencias relativamente pequeñas de los transistores que trabajan con potencias mayores. Transistores de baja potencia Se le llama transistor de baja potencia, o pequeña señal, al transistor que tiene una intensidad pequeña (IC pequeña), lo que corresponde a una potencia menor de 0,5 W. En este tipo de transistores interesará obtener ßcc grandes (ßcc = 100 ÷ 300). Transistores de potencia Se le llama transistor de potencia al transistor que tiene una intensidad grande (IC grande), lo que corresponde a una potencia mayor de 0,5 W. En este tipo de transistores la ßcc que se puede obtener en su fabricación suele ser bastante menor que en los de baja potencia (ßcc = 20 ÷ 100). El transistor Darlington es un tipo especial de transistor que tiene una alta ganancia de corriente. Está compuesto internamente por dos transistores bipolares que se conectan es cascada. El transistor T1 entrega la corriente que sale por su emisor a la base del transistor T2. 90 / 99 Transistor de efecto campo (Field-Effect Transistor o FET, en inglés) Es en realidad una familia de transistores que se basan en el campo eléctrico para controlar la conductividad de un "canal" en un material semiconductor. Los FET, como todos los transistores, pueden plantearse como resistencias controladas por voltaje. Con los transistores bipolares observábamos como una pequeña corriente en la base de los mismos se controlaba una corriente de colector mayor. Los Transistores de Efecto de Campo son dispositivos en los que la corriente se controla mediante tensión. Cuando funcionan como amplificador suministran una corriente de salida que es proporcional a la tensión aplicada a la entrada. Características generales: Por el terminal de control no se absorbe corriente. Una señal muy débil puede controlar el componente La tensión de control se emplea para crear un campo eléctrico Se empezaron a construir en la década de los 60. Existen dos tipos de transistores de efecto de campo los JFET (transistor de efecto de campo de unión) y los MOSFET. Los transistores MOS respecto de los bipolares ocupan menos espacio por lo que su aplicación más frecuente la encontramos en los circuitos integrados. Es un componente de tres terminales que se denominan: Puerta (G, Gate), Fuente (S, Source), y Drenaje (D, Drain). Según su construcción pueden ser de canal P o de canal N. Sus símbolos son los siguientes: Símbolo de un FET de canal N Símbolo de un FET de canal P Los transistores de efecto de campo o FET más conocidos son los JFET (Junction Field Effect Transistor), MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor FET) y MISFET (Metal-Insulator-Semiconductor FET). Tienen tres terminales, denominadas puerta (gate), drenador (drain) y fuente (source). La puerta es el terminal equivalente a la base del BJT. El transistor de efecto de campo se comporta como un interruptor controlado por tensión, donde el voltaje aplicado a la puerta permite hacer que fluya o no corriente entre drenador y fuente. , de Unión (JFE T) Transistor de Efecto de 91 / 99 Tema 8: Semiconductores de Potencia El Tiristor Es un dispositivo electrónico que tiene dos estados de funcionamiento: conducción y bloqueo. Posee tres terminales: Anodo (A), Cátodo(K) y puerta (G). Símbolo del tiristor Estructura interna del tiristor La conducción entre ánodo y cátodo es controlada por el terminal de puerta. Se dice que es un dispositivo unidireccional, debido a que el sentido de la corriente es único. CURVA CARACTERÍSTICA La interpretación directa de la curva característica del tiristor nos dice lo siguiente: cuando la tensión entre ánodo y cátodo es cero la intensidad de ánodo también lo es. Hasta que no se alcance la tensión de bloqueo (VBO) el tiristor no se dispara. Cuando se alcanza dicha tensión, se percibe un aumento de la intensidad en el ánodo (IA), disminuye la tensión entre ánodo y cátodo, comportándose así como un diodo polarizado directamente. Si se quiere disparar el tiristor antes de llegar a la tensión de bloqueo será necesario aumentar la intensidad de puerta (IG1, IG2, IG3, IG4...), ya que de esta forma se modifica la tensión de cebado de este. Este seria el funcionamiento del tiristor cuando se polariza directamente, esto solo ocurre en el primer cuadrante de la curva. Cuando se polariza inversamente se observa una débil corriente inversa (de fuga) hasta que alcanza el punto de tensión inversa máxima que provoca la destrucción del mismo. 92 / 99 APLICACIONES En amplificación se utiliza en las etapas de potencia en clase D cuando trabaja en conmutación. También se utilizan como relés estáticos, rectificadores controlados, inversores y onduladores, interruptores.... ENCAPSULADOS Como en cualquier tipo de semiconductor su apariencia externa se debe a la potencia que será capaz de disipar. En el caso de los tiristores los encapsulados que se utilizan en su fabricación es diverso, aquí aparecen los más importantes. T0 200AB TO 200AC d2pak 93 / 99 TO 209AE (TO 118) TO 208AD (TO 83) TO 247AC TO 220AB TO 208AC (TO 65) TO 209 AB (TO 93) El transistor uniunión (UJT) Es un tipo de transistor compuesto por una barra de silicio tipo N o P en cuyos extremos se tienen los terminales Base 1 (B1) y Base 2 (B2). En un punto de la barra más próximo a B2 se incrusta un material de tipo P o N dando lugar al terminal de emisor. Símbolo de un UJT de Circuito equivalente de un transistor uniunión tipo N Cuando se polariza el transistor la barra actúa como un divisor de tensión apareciendo una VEB1 de 0,4 a 0,8v. Al conducir el valor de RB1 se reduce notablemente. Observa el circuito equivalente. 94 / 99 Observando el circuito de polarización de la figura se advierte que al ir aumentando la tensión Vee la unión E-B1 se comporta como un diodo polarizado directamente. Si la tensión Vee es cero, con un valor determinado de Vbb, circulará una corriente entre bases que originará un potencial interno en el cátodo del diodo (Vk). Si en este caso aumentamos la tensión Vee y se superan los 0,7v en la unión E-B1 se produce un aumento de la corriente de emisor (IE) y una importante disminución de RB1, por lo tanto un aumento de VBE1. En estas condiciones se dice que el dispositivo se ha activado, pasando por la zona de resistencia negativa hacia la de conducción, alcanzando previamente la VEB1 la tensión de pico (Vp). Para desactivar el transistor hay que reducir IE, hasta que descienda por debajo de la intensidad de valle (Iv).De lo anterior se deduce que la tensión de activación Vp se alcanza antes o después dependiendo del menor o mayor valor que tengamos de tensión entre bases VBB. APLICACIONES Se utiliza en circuitos de descarga en generadores de impulso, circuitos de bases de tiempos y circuitos de control de ángulo de encendido de tiristores. El encapsulado de este tipo de transistores son los mismos que los de unión. 95 / 99 EL DIAC Es un componente electrónico que está preparado para conducir en los dos sentidos de sus terminales, por ello se le denomina bidireccional, siempre que se llegue a su tensión de cebado o de disparo(30v aproximadamente, dependiendo del modelo). Símbolo del diac Estructura interna de un diac Hasta que la tensión aplicada entre sus extremos supera la tensión de disparo VBO; la intensidad que circula por el componente es muy pequeña. Al superar dicha tensión la corriente aumenta bruscamente y disminuyendo, como consecuencia, la tensión anterior. La aplicación más conocida de este componente es el control de un triac para regular la potencia de una carga. Los encapsulados de estos dispositivos suelen ser iguales a los de los diodos de unión o de zener. EL TRIAC Al igual que el tiristor tiene dos estados de funcionamiento: bloqueo y conducción. Conduce la corriente entre sus terminales principales en un sentido o en el inverso, por ello, al igual que el diac, es un dispositivo bidireccional. Conduce entre los dos ánodos (A1 y A2) cuando se aplica una señal a la puerta (G). Se puede considerar como dos tiristores en antiparalelo. Al igual que el tiristor, el paso de bloqueo al de conducción se realiza por la aplicación de un impulso de corriente en la puerta, y el paso del estado de conducción al de bloqueo por la disminución de la corriente por debajo de la intensidad de mantenimiento (IH). Está formado por 6 capas de material semiconductor como indica la figura. 96 / 99 Símbolo del triac Tiristores en antiparalelo Estructura interna de un triac La aplicación de los triacs, a diferencia de los tiristores, se encuentra básicamente en corriente alterna. Su curva característica refleja un funcionamiento muy parecido al del tiristor apareciendo en el primer y tercer cuadrante del sistema de ejes. Esto es debido a su bidireccionalidad. La principal utilidad de los triacs es como regulador de potencia entregada a una carga, en corriente alterna. El encapsulado del triac es idéntico al de los tiristores. 97 / 99 Tema 9: Optoacopladores También se denominan optoaisladores o dispositivos de acoplamiento óptico. Basan su funcionamiento en el empleo de un haz de radiación luminosa para pasar señales de un circuito a otro sin conexión eléctrica. Fundamentalmente este dispositivo está formado por una fuente emisora de luz, y un fotosensor de silicio, que se adapta a la sensibilidad espectral del emisor luminoso. TIPOS Existen varios tipos de optoacopladores cuya diferencia entre sí depende de los dispositivos de salida que se inserten en el componente. Según esto tenemos los siguientes tipos: Fototransistor: o lineal, conmuta una variación de corriente de entrada en una variación de tensión de salida. Se utiliza en acoplamientos de líneas telefónicas, periféricos, audio... Optotiristor: Diseñado para aplicaciones donde sea preciso un aislamiento entre una señal lógica y la red. Optotriac: Al igual que el optotiristor, se utiliza para aislar una circuiteria de baja tensión a la red. En general pueden sustituir a relés ya que tienen una velocidad de conmutación mayor, así como, la ausencia de rebotes. Símbolo del optotransistor Símbolo de un optotransistor Símbolo de un optotransistor de en configuración Darlington encapsulado ranurado Símbolo del Optotiristor Símbolo Optotriac ENCAPSULADOS El encapsulado varia en función del tipo de optoacoplador y de su aplicación, así como del número de unidades que se encuentren en su interior. En el caso de optoacopladores sencillos la cápsula, de tipo DIL, suele tener 6 patillas, siendo estos los más utilizados (observa en la figura su construcción interna). Los dobles, también de tipo DIL tienen 8 pines; algunos pueden tener hasta cuatro unidades en cápsulas DIL de 16 patillas. Normalmente, los pines del elemento emisor están a un lado de la cápsula y los del sensor en el lado opuesto. 98 / 99 Existen unos encapsulados diferentes en los que, físicamente se puede interrumpir el haz luminoso (usados para control de posición, nº de revoluciones, cerraduras...). De esta forma el encapsulado presenta una ranura entre el emisor y el receptor. Se les denomina de cápsula ranurada o fotocélulas de herradura. Optotransistor insertado en cápsula tipo DIL Dos tipos de optoacopladores de cápsulas ranuradas Aspecto de un encapsulado DIL de 6 patillas Encapsulados DIP-8 y DIP-14 (pdf) 99 / 99
