Electronica Analogica I - Servidor de Apoyo al Sistema

1 .Circuitos de aplicación con Diodos
1.1 Polarización
Diodo pn.
Los diodos pn son uniones de dos materiales semiconductores extrínsecos tipos p y n, por lo
que también reciben la denominación de unión pn.
Formación de la zona de carga espacial
Al unir ambos cristales, se manifiestan dos procesos:
1. La difusión de huecos del cristal p al n ( Jh ) y
2. una corriente de electrones del cristal n al p ( Je ).
Al establecerse estas corrientes aparecen cargas fijas en una zona a ambos lados de la unión,
zona que recibe diferentes denominaciones, como zona de carga espacial, de agotamiento,
de deflexión, de vaciado, etc.
A medida que progresa el proceso de difusión, la zona de carga espacial va incrementando su
anchura profundizando en los cristales a ambos lados de la unión. Sin embargo, la
acumulación de cargas induce una diferencia de tensión (V) que actuará sobre los electrones
con una determinada fuerza de desplazamiento que se opondrá a la difusión de huecos y a la
corriente de electrones y terminará deteniéndolos.
Esta diferencia de tensión de equilibrio (V0) es de 0,7 V en el caso del silicio y 0,3 V si los
cristales son de germanio.
La anchura de la zona de carga de espacial una vez alcanzado el equilibrio suele ser del orden
de 0,5 micras pero cuando uno de los cristales está mucho más dopado que el otro, la zona de
carga espacial es mucho mayor.
Al dispositivo así obtenido se le denomina diodo, que en un caso como el descrito, tal que no
se encuentra sometido a una diferencia de potencial externa, se dice que no está polarizado. Al
extremo p, donde se acumulan cargas negativas se le denomina ánodo, representándose con la
letra A, mientras que la zona n, el cátodo, se representa con la letra C (o K).
A (p)
C ó K (n)
Representación simbólica del diodo pn.
Cuando se somete al diodo a una diferencia de tensión externa, se dice que el diodo está
polarizado. La polarización puede ser:


inversa: Vp > Vn o
directa: Vp < Vn.
Polarización inversa del diodo pn.
Polarización inversa.
En este caso, el polo negativo de la batería se conecta a la zona p (la de menor tensión), lo que
hace aumentar la zona de carga espacial, y por tanto la tensión en dicha zona hasta que se
alcanza el valor de la tensión de la batería.
En esta situación, el diodo no debería conducir la corriente; sin embargo, debido al efecto de la
temperatura se formarán pares electrón-hueco (véase semiconductor) a ambos lados de la
unión, lo que produce una pequeña corriente (del orden de 1 μA), denominada corriente
inversa de saturación.
Por efecto de la polarización inversa, las concentraciones de minoritarios (electrones en la
zona p (np ) y huecos en la zona n (pn )) disminuyen a medida que nos aproximamos a la unión,
desde los valores iniciales del diodo no polarizado hasta cero.
Polarización directa del diodo pn.
Polarización directa.
En este caso, al contrario que en el anterior, la batería disminuye la barrera de potencial de la
zona de carga espacial, permitiendo el paso de las corrientes de electrones y huecos a través de
la unión; es decir, el diodo polarizado directamente conduce la electricidad.
Las concentraciones de conductores minoritarios, se incrementan desde los valores iniciales a
medida que nos acercamos a la unión.
En la representación simbólica del diodo, la flecha indica el sentido de la polarización directa.
Curva característica del diodo
Tensión umbral, de codo o de partida (Vγ ):
La tensión umbral de polarización directa coincide en valor con la tensión de la zona de carga
espacial del diodo no polarizado. Al polarizar directamente el diodo, la barrera de potencial
inicial se va reduciendo, incrementando la corriente ligeramente, alrededor del 1% de la
nominal. Sin embargo, cuando la tensión externa supera la tensión umbral, la barrera de
potencial desaparece, de forma que para incrementos pequeños de tensión se producen
variaciones grandes de intensidad.
Corriente máxima (Imax ):
Es la intensidad de corriente máxima que puede conducir el diodo sin fundirse por el efecto
Joule. Dado que depende de la cantidad de calor que puede disipar el diodo, varía sobre todo
del diseño del mismo.
Corriente inversa de saturación (Is ):
Es la pequeña corriente que se establece al polarizar inversamente el diodo por la formación
de pares electrón-hueco. Depende de la temperatura del material, y se admite que se duplica
por cada incremento de 10° de la temperatura.
Tensión de ruptura (Vr ):
Teóricamente, al polarizar inversamente el diodo, conducirá la corriente inversa de saturación;
en la realidad, a partir de un determinado valor de la tensión, del orden de 5 V, el diodo
comienza a conducir también en polarización inversa.
La ruptura puede deberse a dos efectos:
 Efecto diodo inverso (diodos poco dopados). En polarización inversa se generan pares
electrón-hueco que provocan la corriente inversa de saturación; si la tensión inversa es elevada
los electrones se aceleran e incrementan su energía cinética, de forma que al chocar con
electrones de valencia pueden provocar que salten a la banda de conducción. Estos electrones
liberados, a su vez, se aceleran por efecto de la tensión, chocan con más electrones de valencia
y los liberan también. El resultado es una avalancha de electrones que provoca una corriente
grande. Este fenómeno se produce para valores de la tensión superiores a 6 V.
 Efecto Zener (diodos muy dopados). Cuanto más dopado está el material, menor es la
anchura de la zona de carga. Puesto que el campo eléctrico E puede expresarse como cociente
de la tensión V entre la distancia d; cuando el diodo esté muy dopado, y por tanto d sea
pequeño, el campo eléctrico será grande, del orden de 3·105 V/cm. En estas condiciones, el
propio campo puede ser capaz de arrancar electrones de valencia y aumentar la corriente. Este
efecto se produce para tensiones de 4 V o menores.
Para tensiones inversas de entre 4 y 6 V la ruptura del diodo se puede producir por ambos
efectos.
Modelos matemáticos.
El modelo matemático más empleado es el de Shockley (en honor de William Bradford
Shockley), que permite estimar el comportamiento del diodo en la mayoría de las aplicaciones.
La ecuación que liga la intensidad de corriente eléctrica y la diferencia de potencial es:
Donde:







I es la intensidad de la corriente que atraviesa el diodo y VD la
diferencia de tensión entre sus extremos.
IS es la corriente de saturación.
q es la carga del electrón.
T es la temperatura absoluta de la unión.
k es la constante de Boltzmann.
n es el coeficiente de emisión, que depende del proceso de
fabricación del diodo y suele adoptar valores entre 1 (para el
germanio) y aproximadamente 2 (para el silicio).
El término VT = kT/q = T/11600 es la tensión debida a la
temperatura, del orden de 26 mV a temperatura ambiente (300 K
ó 27 °C).
Con objeto de evitar el uso de exponenciales (a pesar de ser uno de los modelos más
sencillos), en ocasiones se emplean modelos más simples aún, que modelizan las zonas de
funcionamiento del diodo mediante tramos rectos; son los llamados modelos de continua o de
Ram-señal que se muestran en la figura. El más simple de todos (4) es el diodo ideal.
1.2 Aplicaciones
1.2.1 Rectificadores
Son circuitos que convierten señales alternas en señales de una sola polaridad
(positiva o negativa)
Según su configuración son de media onda o de onda completa y según la fuente AC
usada son monofásicos o polifásicos.
Para mirar los voltajes y corrientes en el diodo examinamos dos circuitos básicos a
continuación.
Como se aplica la polaridad positiva de la fuente al ánodo y negativa a través de la
resistencia al cátodo, el diodo es polarizado en directo, entonces: VD = 0.7v
VR = VF - VD = VF F
F/R
Si VF = 100v ; R = 200
VR
100v VD = 0.7 ID = I = 0.5A
Como la fuente aplica polaridad negativa al ánodo y positiva a través de la
resistencia hacia el cátodo el diodo es polarizado en inverso, entonces:
I = ID
VR = R·I = 0
VD = VF - VR = VF - 0 = VF (en inverso)
Al aplicar una fuente AC el diodo conduce en el ciclo positivo (1er circuito) y se abre
en el semiciclo negativo (2do circuito).
En la carga (R) aparece voltaje de una sola polaridad positiva, es una señal llamada
rectificada media onda.
El voltaje pico en el diodo corresponde al valor pico negativo de la fuente:
VDP = VFP
La corriente pico en el diodo se produce cuando la fuente llega a su pico positivo y
es:
Por la forma de onda la corriente promedio es:
Ejemplo: Sea VFef = 220 VRMS
VDP
Fef
P
IM = 0.18A
Del manual ECG se puede tomar el diodo ECG 116 que soporta VPR = 600v y IMmax =
1A.
Para obtener una onda rectificada negativa se coloca el diodo en sentido contrario.
1.2.2 Sujetadores
Un limitador de tensión es un circuito que impide que la tensión entre dos terminales supere
unas cotas prefijadas; además, para tensiones comprendidas entre dichas cotas, los valores
correspondientes no deben estar influidos por el limitador. Esto puede conseguirse mediante
un resistor no-lineal que actúe como un circuito abierto dentro del rango de tensiones
permitidas, y como una fuente de tensión para cada uno de los valores límite. Tal característica
se muestra en Fig. 8(a); y la operación de limitación de tensión se ilustra en la Fig. 8(b);
cuando la tensión de entrada supera los valores límite, la tensión en exceso entre la entrada y
las cotas fijadas por el resistor no-lineal cae en la resistencia de fuente.
Veamos ahora cómo realizar la característica de la Fig. 9(a) con diodos ideales. Esto puede
lograrse descomponiéndola en la suma, tensión a tensión, de las dos características mostradas
en la Fig. 9(b). Es inmediato comprobar que la denominada i+ -v corresponde a un diodo
conectado en serie con una fuente de tensión que produce un desplazamiento de la tensión
cero. Por otra parte, nótese que al girar 180º en sentido horario la característica i+ -v se
obtiene otra similar a la y que puede, por tanto, implementarse con la misma estructura de
circuito. Puesto que un giro de 180º equivale a cruzar los terminales de entrada, esto nos
permite obtener la característica i+ -v. Una vez obtenidas las dos características componentes
basta conectar los circuitos correspondientes en paralelo para que se sumen sus intensidades
tensión a tensión, obteniéndose finalmente el circuito mostrado en la Fig. 9(c).
1.2.3 Dobladores
El circuito multiplicador de voltaje es un circuito que permite tener un nivel de
continua igual a un factor entero del valor pico de una señal de entrada. El principio
de operación de estos circuitos es la carga sucesiva de condensadores debido a la
habilitación en cascada de diodos.
Este tipo de circuitos se utilizan para mantener el voltaje pico de un transformador
relativamente bajo, ya que elevan el voltaje de salida de pico a dos, tres, cuatro o
más veces el voltaje pico rectificado.
En este curso se van a tratar los "Multiplicador de tensión de ½ onda" o
"Cuadriplicador" y "Multiplicador de tensión de onda completa" o "Duplicador".
MULTIPLICADOR DE TENSIÓN DE ½ ONDA
Este método hace uso de los diodos y del efecto capacitivo en este caso para
cuadriplicar una tensión dada, pero con el inconveniente de no poder manejar una
intensidad elevada, es decir, se eleva la tensión pero solo se puede utilizar estas
para consumos pequeños.
Si explicamos el diagrama de un cuadriplicador, su funcionamiento sería el siguiente:
DIAGRAMA
EXPLICACION:
Como vemos este circuito también hace uso de la propiedad de almacenamiento de
energía de los condensadores así como del efecto de circulación en un solo sentido
del que gozan los diodos.
Su funcionamiento comienza con la carga de C1 a la tensión Vab cuando D1 se
polariza directamente (quedando en cortocircuito), tal y como se muestra en la
siguiente figura, debido al semiciclo negativo de entrada, quedando los otros diodos
polarizados inversamente (en circuito abierto), quedando de la siguiente forma:
D1 polarizado en directo
D2 , D3 y D4 quedan en inverso (circuito abierto)
0 < ?t < p Vab > 0
C1 = Vab = Vmax a través de D1
Vc1 = Vab y Vc2 = Vc3 = Vc4 = 0 V
En el ciclo siguiente D1 se polariza inversamente (circuito abierto), para la
conducción del C2 encontramos que D2 se polariza de forma directa (cortocircuito) y
así se obtiene la carga de C2, pero esta vez la carga se hace a una tensión que es la
suma de la almacenada en C1 y la proporcionada por Vab, es decir, C2 se carga a
una tensión 2Vmax ó, lo que es igual, C2 obtiene una tensión doble a la de entrada
del circuito. Mientras que D3 y D4 quedan como circuito abierto igual que D1,
representado en el siguiente diagrama:
D2 polarizado en directo
D1 , D3 y D4 quedan en circuito abierto (inverso)
p < ?t < 2p Vab < 0
Vc1 = Vmax Vc2 = 2Vmax y Vc3 = Vc4 = 0 V
En el ciclo que conduce C3, los diodos D1 y D2 se polarizan inversamente (en
circuito abierto), mientras D3 lo hace de forma directa (en cortocircuito) y así se
obtiene la carga de C3, pero la carga se obtiene es una tensión igual a la de C2 y a
su vez es la proporcionada por Vmax, es decir, C3 se carga a una tensión 2 Vmax.
D3 polarizado en directo
D1, D2, D3 y D4 quedan en inverso (circuito abierto)
2p < ?t < 3p Vab > 0
Vc1 = Vmax Vc2 = 2Vmax Vc3 = 2Vmax Vc4 = 0 V
En el último ciclo D1 , D2 y D3 se polarizan inversamente (quedando en circuito
abierto), por lo que D4 lo hace de forma directa (cortocircuito) y obteniéndose así la
carga para C4 , quedando del mismo valor que C2 y C3 siendo ésta la proporcionada
por Vmas, es decir, C4 se obtiene una tensión doble a la de entrada del circuito.
D4 polarizado en directo
D1, D2 y D3 quedan en inverso (circuito abierto)
3p < ?t < 4p Vab > 0
Vc1 = Vmax Vc2 = 2Vmax Vc3 = 2Vmax Vc4 = 2Vmax
Si la carga de entrada es pequeña y los capacitores tienen poca fuga, pueden
desarrollarse de dc voltajes muy altos mediante este tipo de circuito, utilizando
muchas secciones para aumentar el voltaje de dc.
DIAGRAMA DE LA RECTA DE RESPUESTA
MULTIPLICADOR DE TENSIÓN DE ONDA COMPLETA
El funcionamiento del "duplicador" funciona de manera similar al "cuadriplicador", con
una pequeña diferencia, la cual es que solo se cuenta con dos semiciclos, su
diagrama es el que se muestra a continuación.
1.2.4 Recortadores
Existe una gran variedad de redes de diodos llamadas recortadores que tienen la
habilidad de "recortar" una porción de la señal de entrada sin distorsionar la parte
restante de la forma de onda altemante. El rectificador de media onda de la sección
2.7 es un ejemplo de la forma más simple de recortador de diodo (una resistencia y
un diodo). Dependiendo de la orientación del diodo, la región positiva o negativa de
la señal de entrada es "recortada".
Existen dos categorías generales de recortadores: en serie y en paralelo. La
configuración en serie se define como una donde el diodo está en serie con la carga,
mientras que la variedad en paralelo tiene el diodo en una rama paralela a la carga.
En series
La respuesta de las configuraciones en serie de la figura 2.69a ante una variedad de
formas de onda altemantes la proporciona la figura 2.69b. Aunque primero se
introdujo como rectificador de media onda (para formas de onda senoidales), no hay
límites en el tipo de señales que se pueden aplicar a un recortador. La adición de una
fuente de dc tal como la que se muestra en la figura 2.70 puede tener un gran efecto
sobre la salida de un recortador. Nuestra discusión inicial estará limitada a los diodos
ideales, con el efecto de VT reservado para un ejemplo concluyente.
No hay un procedimiento general para analizar las redes como las del tipo de la
figura 2.70, pero hay algunos aspectos para tener en mente conforme usted trabaja
en busca de una solución.
1. Haga un esquema mental de la respuesta de la red basado en la dirección del
diodo y de los niveles aplicados de voltaje. Para la red de la figura 2.70, la dirección
del diodo sugiere que la señal Vi debe ser positiva para encenderlo. La fuente de dc
además requiere que el voltaje Vi sea mayor que V volts para encender el diodo. La
región negativa de la señal de entrada está "presionando" al diodo hacia el estado de
"apagado", apoyado además por la fuente de dc. En general, por lo tanto, podemos
estar seguros de que el diodo es un circuito abierto (estado "apagado") por la región
negativa de la señal de entrada.
2. Determine el voltaje aplicado (voltaje de transición) que causará un cambio en el
estado del diodo.
Para el diodo ideal la transición entre los estados ocurrirá en el punto sobre las
características donde vd = 0v e id = 0 A. Al aplicar la condición id = O y vd = 0 a la red
de la figura 2.70 dará como resultado la configuración de la figura 2.71, donde se
reconoce que el nivel de Vi que causará una transición en el estado es:
Vi = v
Para un voltaje de entrada mayor que V volts, el diodo se encuentra en el estado de
circuito - cerrado, mientras que para los voltajes de entrada menores que V volts éste
está en el estado "apagado" o de circuito abierto.
3. Estar concientes continuamente de las terminales definidas y de la polaridad de v o,
cuando el diodo está en el estado de circuito cerrado, como lo muestra la figura 2.72,
de voltaje de salida vo se puede determinar mediante la aplicación de la ley de voltaje
de Kirchhoff en la dirección de las manecillas del reloj:
Vi - V - Vo = 0 (dirección de las manecillas del reloj)
4. Puede ser útil dibujar la señal de entrada por encima de la de salida y determinar
la salida a valores instantáneos de la entrada.
Es entonces posible que el voltaje de salida pueda dibujarse con base en los puntos
de d tos resultantes de Vo como se demuestra en la figura 2.73. Tener en mente que
para un valor instantáneo de Vi, la entrada puede tratarse como una fuente de dc de
aquel valor y el correspondiente valor de dc (el valor instantáneo) de la salida
determinada. Por ejemplo, en Vi = V para la red de la figura 2.70, la red a analizar
aparece en la figura 2.74. Para Vm> V el diodo se encuentra en el estado de circuito
cerrado y Vo = Vm - V, como lo demuestra la figura 2.7
En Vi = V los diodos cambian de estado; en Vi = -Vm, Vo = 0 V; Y la curva completa p
Vo puede dibujarse como lo demuestra la figura 2.75.
1.2.5 Reguladores
Como en el caso anterior hay dos tipos de cambiadores de nivel positivo y negativo.
Cambiador de nivel positivo
Lo veremos con un ejemplo:
NOTA: La carga no tiene porque ser solo una resistencia, puede ser el equivalente de
Thévenin de otro circuito, etc...
Truco: Se empieza por el semiciclo en el que conduce un diodo y se carga un condensador.
Seguimos con el ejemplo. Semiciclo negativo.
Suponemos el diodo ideal. El condensador se carga en el semiciclo negativo. Una vez cargado,
el condensador se descarga en el semiciclo positivo:
Interesa que el condensador se descargue lo menos posible. Para que sea la descarga sea
prácticamente una horizontal se tiene que cumplir:
Si suponemos que el condensador se descarga muy poco, suponemos siempre cargado a 10 V
el condensador.
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".
Todo esto es cogiendo el diodo ideal. Si usamos 2ª aproximación, diodo a 0.7 V.
1.2.6 Otros diodos
DIODOS ZENER
En 1934 un científico llamado Carlos Zener propuso una teoría de ruptura eléctrica
en los sólidos, señalo que bajo cierta intensidad de campo, los portadores pueden
cruzar la unión o juntura mediante un proceso de mecánica cuántica. Tal como si los
portadores hubiese túneles en la barrera. Una vez que se produce la juntura, se
desarrolla con rapidez para convertirse en un avalancha de corriente.
Por supuesto se refería a corriente de unos cuantos µamperios; pero se trataba de
corriente inversa. El diodo Zener se diseño para que funcionara de acuerdo con esta
premisa, dicho componente funciona con polarización inversa y la polarización
operacional apropiada produce corriente en el centro de la zona de ruptura. Puesto
que el diodo Zener fue el primer dispositivo que funciona en estas condiciones, una
parte de la curva de corriente inversa se conoce como región Zener.
Figura 4.13. Región Zener
De acuerdo con la curva característica anterior, cuando un diodo Zener se polariza
en modo inverso, el diodo actúa como un interruptor cerrado (igual que un diodo de
unión normal). La corriente directa aumenta con la tensión aplicada y esta limitada
prácticamente por parámetros externos del circuito. Cuento el diodo está polarizado
en sentido inverso, produce una pequeña i inversa llamada de saturación, esta
permanece relativamente constante hasta que se alcanza la región de ruptura Zener
en la proximidad de la tensión Zener del dispositivo. A pesar del aumento de
polarización inversa cerca de la tensión de ruptura la i inversa aumenta rápidamente
a causa del efecto de avalancha. Finalmente la ruptura Zener (caracterizada por un
brusco cambio de corriente) tiene lugar cuando se alcanza la tensión Zener. En esta
región, pequeñas variaciones de tensión dan por resultado grandes variaciones de
corrientes. Evidentemente hay cambios muy bruscos de resistencia efectiva en la
union p-n.
La ruptura Zener no origina necesariamente la destrucción de dispositivos. Mientras
la corriente esta limitada en el diodo por el circuito exterior hasta un nivel que no
exceda la capacidad de potencia del diodo éste continua funcionando normalmente.
Por otra parte reduciendo la polarización inversa por debajo de la tensión Zener, se
puede variar el nivel de tensión hasta restaurar el nivel de corriente de saturación. El
proceso de conmutación del diodo entre sus estados de corriente Zener y de
saturación puede ser repetido tantas veces como sea necesario sobre que se
deteriore el elemento.
LED´S
LED (light Emitting Diode) o SSL (Solid State Lamp) lampara de estado sólido
Ventajas del SSL
1. Tienen una respuesta sumamente rápida de tiempo, esto es el encendido y
apagado que puede ser del orden de nseg o pocos µseg o inclusive pseg de tiempo,
también tiene una larga y una gran rigidez mecánica de tiempo, también tienen una
larga y una gran rigidez mecánica, además tiene baja impedancia lo que les permite
acoplarse a circuitos muy diversos en forma semejante a un diodo convencional.
2. La luz de salida es predominantemente monocromática.
En cualquier semiconductor se produce una conexión de par hueco electrón al
fusionarse un hueco y electrón intercambian energía
En el intercambio de energía desprende luz visible y calor, todas la uniones trabajan
caliente. El LED es un dispositivo en el que intencionalmente se busca el
aprovechamiento de luz.
Cualquier diodo emite luz. El LED es una unión p-n hecho intencionalmente para
aprovechar la luz.
En una mesa de material aislante se le pone una diminuta pastilla, esta pastilla se
encarga en radiar los electrones.
Los LED'S pueden trabajar hasta 100000 horas lo cual es un tiempo muy grande de
funcionamiento.
Si los alimentas con corriente alterna y lo switcheas te da mas utilidad.
Los colores estan dados por el tipo de agente contaminate. La luz es un factor muy
importante para estos elementos.
Otra de las aplicaciones de los LED´S es la transferencia de luz como datos.
La información que se ponga en la fuente f va a hacer transmitida por luz (por el
LED) y es recibida por el emisor que la convierte a una señal eléctrica. Esto genera
un acoplador óptico (optoacopladores).
Siempre va haber un LED de entrada y en la salida puede haber un semi-conductor.
El diodo Schottky
A frecuencias bajas un diodo normal puede conmutar fácilmente cuando la
polarización cambia de directa a inversa, pero a medida que aumenta la frecuencia el
tiempo de conmutación puede llegar a ser muy alto, poniendo en peligro el
dispositivo.
El diodo Schottky es la solución ya que puede conmutar más rápido que un diodo
normal. El diodo Schottky con polarización directa tiene 0,25 V de barrera de
potencial frente a los 0,7 V de un diodo normal. Puede rectificar con facilidad a
frecuencias superiores a 300 MHz.
El Varicap
El Varicap (Epicap, capacidad controlada por tensión o diodo de sintonía) es un
diodo que se comporta como un condensador donde la capacidad esta controlada
por la tensión.
Las regiones p y n se comportan como las placas de un condensador y la zona de
deplexión es como el dieléctrico.
En inversa la anchura de la "Zona de deplexión" aumenta con la tensión inversa y la
capacidad disminuye.
1.2.7 Diseño de una fuente regulada.
FUENTES REGULADAS
En la figura 6.1, el voltaje de línea de la entrada tiene un valor nominal de 115 V.
dependiendo de la demanda de electricidad en un área dada de localidad, este
voltaje de línea puede ser diferente de 115 V. de hecho, el voltaje de línea en la
instalación de potencia puede variar mucho entre hora pico y horas tranquilas. Como
este voltaje de línea es la entrada del puente rectificador, la salida filtrada de éste es
casi directamente proporcional al voltaje de línea. Como se puede ver en la figura
6.1, la salida filtrada del puente rectificador es la entrada del regulador de voltaje.
Figura 6.1. Regulación de la carga y de la fuente.
Otra forma de especificar la calidad de luna fuente de potencia regulada es su
regulación de la fuente (también se llama efecto de la fuente o regulación de la
línea). Se abrevia SR, la regulación de la fuente se define como el cambio en el
voltaje de la carga regulado para un intervalo específico del voltaje de línea,
generalmente 115± 10%.
La formula se define es
SR = VHL - VLL
Donde:
SR = regulación de la fuente.
VHL = voltaje de carga con voltaje de línea alto.
VLL = voltaje de carga con voltaje de línea bajo.
Por ejemplo, si el voltaje de la carga es 10 V± 0.3 V para un voltaje de línea de 115±
10%, entonces:
SR = 10.3 V - 9.7 V = 0.6 V
Comparando, una buena fuente de potencia tal como la 6214a de Hewlett-Packard
tiene una SR = 4 MV.
El porcentaje de regulación de la fuente es:
%SR = SR/Vnom X 100%
donde Vnom es el voltaje de carga nominal, es decir el voltaje de salida bajo
condiciones de funcionamiento características. Por ejemplo, si el cambio en el voltaje
de la carga es 0.6 V y el voltaje de carga nominal es 10 V, el porcentaje de la
regulación de la carga es:
%SR = 0.6/10V X 100% = 6%
Diseño
1. Introducción.
En este reporte técnico se procederá a explicar como es el diseño, armado y
funcionamiento de una fuente de poder regulada de 0 a 12 volts a 3 amperes, antes
de iniciar la descripción del diseño, elaboración y funcionamiento procedamos a
aclarar algunos conceptos básicos de ello.
Resulta sencillo armar una fuente de alimentación fija. El juego de palabras regulada,
fija y ajustable, responde a tres conceptos bien diferenciados en la práctica, ya que la
parte de regulada, se refiere a la operación interna que se encarga de realizar las
auto correcciones necesarias para que a la salida entregue la tensión establecida
como tal, el término de fija, responde al hecho que representa en sí misma que la
tensión de salida no varía en ± lo previsto en las especificaciones del fabricante que
puede ser alrededor de 0,05V y por último el término de ajustable evidencia que el
usuario puede ajustar la tensión de salida al nivel que en cada momento necesite.
En muchas ocasiones necesitamos una fuente de alimentación que nos proporcione
más de 1A y esto puede convertirse en un problema que aumenta, si además
queremos, por seguridad, que esa cortocircuitable. Bien, el primer paso es de relativa
sencillez y lo abordaremos sobre la marcha.
Cuando necesitamos disponer de una fuente de alimentación con ciertas
características, es buena práctica tomarse un tiempo meditando las necesidades que
queremos abarcar, es decir, hemos de considerar los márgenes de tensión entre los
que podemos vernos obligados a utilizar, entre los cuales es muy conveniente
disponer siempre de una tensión mínima de 0 Volts hasta lo que se requería para
alimentar ciertos dispositivos (en este caso la fuente a describir llegara hasta 12
volts, puesto que los rangos de tensión son muy usadas) o bien lo que nos permita la
economía.
Ahora bien resulta fácilmente adquirir un kit de armado de la fuente y proceder al
montaje como fines prácticos, pero para fines educativos es mucho mejor iniciar la
elaboración de las tabletas de armado, esto con el fin de comprender como se lleva a
cabo el funcionamiento y conexión de la fuente.
Así pues este trabajo iniciémonos explicando como es la elaboración del circuito
impreso en una tableta fenolica acorde al las necesidades que se requieren para las
tensiones e intensidades que nos proporcionaran la fuente.
2. Elaboración de la tableta de armado.
El primer punto a considerar es tener presente el diseño de la o las tabletas,
debemos tener en cuenta que la fuente que describiremos corresponde a una cuyo
rectificador estará compuesto con cuatro diodos, lo que debemos tomar en cuenta
para la elaboración del circuito impreso y que más adelante explicaremos el
funcionamiento, este punto en particular se tratara únicamente de cómo elaborar
cualquier circuito impreso en la tableta fenolica.
Debemos considerar que el método a señalar no es el único pero sí uno de los más
sencillos; este método se le conoce como "de forma directa"
Material Necesario:






Tableta fenolica de una cara
Pistas de rapit circuit o plumón de tinta indeleble.
Cloruro férrico (100 gr. Para una tableta aprox. 20 x 20)
Lija de agua del doble cero
Alcohol, tinner o aguaras
Brocas de 1/32 y 1/16 de pulgada.
Método directo de elaboración.









Primero pulir la tableta (quitar rugosidades, grasa y oxido).
Lavar con agua y jabón (quitar la grasa).
Secar perfectamente.
Pegar la pista o dibujarlas (oprimirlas fuertemente para que no se despeguen).
Hacer la solución del cloruro, (100 gr. Requieren de aproximadamente 200
mililitros de agua para ser diluidos).
Se introduce la tableta en la solución, y se va moviendo constantemente hasta
que desaparezca el cobre que no fue protegido.
Se seca la tableta y se enjuaga perfectamente (que no quede solución de
cloruro ferrico)
Con algodón o estopa impregnada de alcohol, tinher o agua ras se limpia la
tableta para borrar o desprender las pistas.
Se procede a perforar lo círculos donde se van a introducir los elementos.
Notas:
o
o
o
La solución del cloruro debe ser realizado en recipientes de vidrio,
plástico o barro, nunca en metal.
No exponerse a los gases emanados de la solución
Si la solución ya no se va a utilizar, no la tire por el drenaje, (es
corrosivo) y puede dañar la tubería, se recomiendo solo que se deseché donde solo
haya tierra para no dañar la ecología.
Componentes de la fuente de alimentación.
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

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Cable de línea con clavija
Interruptor un polo dos tiros
Fusible 250 v. 2A tipo americano
Porta fusible AMP F1
Transformador 12 volts 3A
Potenciómetro de alambre 2 K ohms
Diodos rectificadores 3 A (D1 – D4) IN 5401 ó IN 501
Condensador electrolítico 4700 mF 16 v
Condensador electrolítico 100 mF 25 v
Diodo emisor de luz LED 3 v
Resistencia 220 ohms ½ W (rojo, rojo, café)
Resistencia 330 ohms ½ W (naranja, naranja, café).
Circuito integrado LM 317 K
Disipador de aluminio
Cable (100R, 50N)
Caimanes rojo y negro
Plug
Soldadura (1.25 m)
Componentes De Armado.





Tornillos con tuercas (8G, 7CH)
Pijas No. 2 (4)
Gomas (8)
Perillas de tornillos
Gabinete acrílico
3. Generalidades de la fuente de alimentación.
Todo circuito requiere para su funcionamiento de una fuente eléctrica de energía,
puesto que la corriente y voltaje que proporciona la línea comercial no es la
adecuada para que su funcionamiento sea el correcto.
Un dispositivo a base de semiconductores que integran un circuito, funciona con
tensiones y corrientes directas lo mas continuas posibles, así pues, la fuente de
alimentación convierte la energía de la línea comercial en energía directa a los valore
requeridos.
La fuente de alimentación regulada para su correcto funcionamiento se constituye a
base de 4 etapas de funcionamiento que en el siguiente diagrama a bloques se
muestra.
4. Diagrama y funcionamiento de la fuente de poder regulada (0 a 12 volts, 3
amperes)
Antes de comprender el funcionamiento de la fuente de poder comencemos
analizando el diagrama de la mismas que a continuación se presenta.
Como puede notarse, esta fuente de poder regulada posee las cuatro etapas que
debe tener como mínimo para su correcto funcionamiento, así pues, cada uno de los
puntos que se pueden examinar en el diagrama iniciemos la descripción del
funcionamiento del circuito.
Primera etapa: transformador de poder.
Como puede notarse la primera etapa de la fuente corresponde al transformador de
poder.
Existen un sin fin de tipos de transformador de poder, entre ellos tenemos:


Transformador elevador: nos eleva la corriente
Transformador de baja potencia
El transformador es un dispositivo que permite obtener voltajes mayores o menores
que los producidos por una fuente de energía eléctrica de corriente alterna (C.A).
Un transformador se compone de dos enrollamiento o embobinados eléctricamente
aislados entre sí, devanados sobre el mismo núcleo de hierro o de aire.
Una corriente alterna que circula por uno de los devanados genera en el núcleo un
campo magnético alterno, del cual la mayor parte atraviesa al otro devanado e
induce en él una fuerza electro- motriz también alterna.
La potencia eléctrica es transferida así de un devanado a otro, por medio del flujo
magnético a través del núcleo.
El devanado al cual se le suministra potencia se llama primario, y el que cede
potencia se llama secundario.
En cualquier transformador, no todas las líneas de flujo están enteramente en el
hierro, porque algunas de ellas vuelven a través del aire. La parte de flujo que
atraviesa al primario y al secundario es la Llamada flujo mutuo,. la parte que sólo
atraviesa al primario es el flujo ligado al primario y la que atraviesa sólo al
secundario, se le llama flujo liga- do al secundario.
En este caso, la potencia eléctrica obtenida (potencia de salida) en el transformador
sera menor a la potencia de entrada o suministrada al mismo, debido a las
inevitables pérdidas por calentamiento en el primario y secundario, mismas que se
denominan perdidas del cobre, a demás, puesto que como se muestra en el
diagrama el primario es mayor al secundario, la tensión de salida será menor a la de
entrada, puesto que los requerimientos necesitados nos dan que la medición de
salida entre estos puntos será de 12 v c.a. (ver cuadro y diagrama de puntos de
medición).
Segunda etapa: rectificación.
La segunda etapa de nuestra fuente de alimentación es la que queda constituida por
la rectificación, en este punto, la señal inducida al secundario, será nuevamente
inducida pero ahora a una señal directa.
Nuestra fuente que es nuestro tema de estudio, en este caso posee una rectificación
a base de 4 diodos, por lo que su rectificación será de onda completa y esta
conectado en "tipo puente".
El funcionamiento de este rectificado es el siguiente:
Vemos que cuando la tensión V es positiva quedan polarizados en directa los diodos
y D2 circulando la corriente desde D1 pasando por la resistencia de carga y
cerrándose por D2, en el próximo semiciclo se cortan los diodos D1 y D2 pero se
ponen en directa los diodos D3 y D4 estableciéndose una corriente que sale de D3
pasa por la resistencia y se cierra a través de D4 circulando por la resistencia la
corriente en una sola dirección.
Esto provocara que los semiciclos de la corriente alterna se induzcan para formar
una onda muy similar a la de la figura de abajo, lo que provoca que nuestra C.A de
entrada quede mas parecida a la de C.D.
Ahora bien, la corriente proporcionada no es la requerida para alimentar un
dispositivo electrico, puesto que aun es pulsante. Ahora bien para ello existe la
tercera etapa de la fuente la cual nos alizara mas las crestas.
Tercera Etapa: Filtro
Esta etapa, tiene como función, "suavizar" o "alizar" o "reducir" a un mínimo la
componete de rizo y elevar el valor promedio de tensión directa.
El que a continuación describiremos es el ocupado por la fuente causa de nuestro
estudio, y es a base precisamente de elementos pasivos como es el capcitor.
Nuestra fuente tiene un capacitor de 4700 mF a 16 V, el cual tendra dicha funcion.
Este tipo de red de filtro, es el mas ocupado por ser el mas sencillo y economico,
como nuestra fuente posee pequeñas variaciones de carga y puede tolerarse algo de
sumbido, es ideal para el funcionamieto de filtraje.
El funcinamiento es el siguiente:
Por cada ciclo de la señal rectificada, el capacitor, se carga al valor pico, cuando la
amplitud del voltaje rectificado comienza a disminuir, el capacito empieza a
descargarse.
Su eficiencia depende de la constante de tiempo, puesto que un carga de bajo valor
pide mas corriente haciendo que el capacitor se descarge mas rapidamente y el
filtraje sea menor.
El capacitor es utilizado como filtraje, puesto que tiene de su lado la característica de
carga de 5 tiempos permitiendonos que sea eficiente para esta etapa de la fuente.
Cuarta Etapa: Regulador De Voltaje.
En muchas ocasiones necesitamos una fuente de alimentación que nos proporcione
más de 1A y esto puede convertirse en un problema que aumenta, si además
queremos, por seguridad, que esa cortocircuitable.
La solución es dopar (añadir) un transistor de potencia o los que sean necesarios
para que nos proporcione la corriente deseada.
La siguiente figura nos muestra la características físicas del transistor a ocupar, es
un LM 317 K.
La función de este transistor de potencia consiste en asumir el hecho de soportar la
alta corriente que necesitamos, veamos cómo se realiza esto. Si aplicamos
convenientemente la tensión de salida del regulador por ej. de 12V 1A a la base del
transistor de potencia, está claro que éste nos proporcionará más corriente a su
salida y estará regulada por otra parte debido a que el regulador es cortocircuitable
en cierta medida, tenemos la solución deseada.
No obstante, la efectividad que nos proporciona el regulador para la función de
cortocircuito, no la podemos dar por buena a la hora de aplicarlo al transistor de
potencia, ya que es un circuito añadido y puede que no responda con la rapidez
suficiente y para evitar estos inconvenientes, intervendremos en este apartado con
un circuito añadido.
El circuito es sencillo debido a la utilización de reguladores de tensión los cuales
proporcionan al montaje alta fiabilidad, robustez y características casi inmejorables..
El ajuste de la tensión de salida se realiza mediante la actuación sobre un
potenciómetro (P1) y una resistencia (R1) para mantener el valor mínimo. Con el fin
de mejorar la respuesta a los posibles transitorios, evitar auto oscilaciones y mejorar
el filtrado, se utilizan unos condensadores electrolíticos de baja capacidad a la
entrada y salida del reguladro
La tensión suministrada por el secundario del transformador T1, se rectifica mediante
el puente rectificador PR, y posteriormente se filtra mediante el condensadores
electrolíticos C1 el cual se cargarán a la tensión de pico
Mediante el potenciómetros P1 y se puede ajustar independientemente la salida del
regulador al valor deseado, en el margen de 0 a 12V. El condensador C2 mejoran la
respuesta de los reguladores frente a los transitorios de conmutación a la salida.
2 Transistor Bipolar (BJT)
2.1 Características y parámetros
Cuando seleccionamos un transistor tendremos que conocer el tipo de encapsulado,
así como el esquema de identificación de los terminales. También tendremos que
conocer una serie de valores máximos de tensiones, corrientes y potencias que no
debemos soprepasar para no destruir el dispositivo. El parametro de la potencia
disipada por el transistor es especialmente crítico con la temperatura, de modo que
esta potencia disminuye a medida que crece el valor de la temperatura, siendo a
veces necesario la instalacion de un radiador o aleta refrigeradora. Todos estos
valores críticos los proporcionan los fabricantes en las hojas de características de los
distintos dispositivos.
Una forma de identificar un transistor NPN o PNP es mediante un polímetro: Este
dispone de dos orificios para insertar el transistor, uno para un NPN y otro para el
PNP. Para obtener la medida de la ganancia es necesario insertarlo en su orificio
apropiado, con lo que queda determinado si es un NPN o un PNP.
2.2 Polarización de BJT
Zonas de funcionamiento del transistor bipolar:
1. ACTIVA DIRECTA: El transistor sólo amplifica en esta zona, y se comporta
como una fuente de corriente constante controlada por la intensidad de base
(ganancia de corriente).Este parámetro lo suele proporcionar el fabricante
dandonos un máximo y un mínimo para una corriente de colector dada (Ic);
además de esto, suele presentar una variación acusada con la temperatura y
con la corriente de colector, por lo que en principio no podemos conocer su
valor. Algunos polímetros son capaces de medir este parámetro pero esta
medida hay que tomarla solamente como una indicación, ya que el polímetro
mide este parámetro para un valor de corriente de colector distinta a la que
circulará por el BJT una vez en el circuito.
2. SATURACIÓN: En esta zona el transistor es utilizado para aplicaciones de
conmutación (potencia, circuitos digitales, etc.), y lo podemos considerar como
un cortocircuito entre el colector y el emisor.
3. CORTE: el transistor es utilizado para aplicaciones de conmutación
(potencia, circuitos digitales, etc.), y podemos considerar las corrientes que lo
atraviesan practicamente nulas (y en especial Ic).
3. ACTIVA INVERSA: Esta zona se puede considerar como carente de
interés.
El transistor PNP es complemento del NPN de forma que todos los voltajes y
corrientes son opuestos a los del transistor NPN.
Para encontrar el circuito PNP complementario:
1. Se sustituye el transistor NPN por un PNP.
2. Se invierten todos los voltajes y corrientes.
2.3 Estabilidad
FACTORES DE ESTABILIDAD
Estos factores son una medida de la variación de la corriente de colector de reposo
ICQ cuando varían las variable de las que dependen, por ejemplo:
La corriente ICBO la tensión VBE, e1 factor de amplificación , 1a fuente de
alimentación VCC, etc.
Los factores de estabilidad más importantes son:
Factor de estabilidad SI .- Se define como el incremento de la corriente de colector
con respecto a la corriente de saturación inversa ICBO, manteniéndose constante y
VBE es decir:
SI =
............ (2.1.1)
Normalmente, el resistor Re se escoge de manera que Re >> (1 - ) Rb la ecuación
entonces se reduce a;
SI =
»1+
............ (2.1.2)
Factor de estabilidad SV.- Se define como la variación de la corriente de colector con
respecto a la tensión VBE manteniéndose constante ICBO y es decir:
SV =
=
............ (2.1.3)
Nuevamente el resistor Re se escoge de manera que Re >> (l - a) Rb y como a = 1, la
ecuación se reduce a;
SV =
............. (2.1.4)
Factor de estabilidad Sb.- Se define como la variación de la corriente de colector con
respecto a las variaciones de b, manteniéndose constante ICBO y VBE es decir:
Sb =
.............. (2.1.5)
Factor de estabilidad SVCC.- Se define como la variación de la corriente de colector
con respecto a las variaciones de la tensión de la fuente de alimentación,
manteniéndose constante los demás parámetros, es decir:
SVCC =
............. (2.1.6)
Como el resistor Re se escoge de manera que Re >> (1 - a) Rb y a es
aproximadamente la unidad, la ecuación se reduce a:
SVCC =
.............. (2.1.7)
Factor de estabilidad SRe.- Se define como la variación de la corriente de colector con
respecto a las variaciones, de los resistores utilizados en el circuito (tolerancia),
manteniendose constante los demás parámetros, es decir:
SRe =
.............. (2.1.8)
Nuevamente, haciendo Re >> (1-a) Rb y a » 1, la ecuación se reduce a:
SRe » -
.............. (2.1.9)
Todos los factores de estabilidad estan relacionados a un amplificador convencional
de emisor común.
2.4 Circuitos Reguladores (serie y paralelo)
Regulador serie con transistor.
Análisis funcional.El más utilizado de los de los reguladores de tensión , es el regulador tipo serie.El transistor es la etapa de control y RL es la carga. El diodo zener alimentado a
través de R y del transistor y su corriente de base , suministra una tensión
constante de referencia aplicada al base del transistor.Al aumentar la corriente consumida por la carga IL , por cualquier razón , la tensión
VL sube e incrementa el valor de VBE llevando el emisor a un potencial más positivo
con respecto a base .
Por tanto la polaridad directa base – emisor se reduce y la corriente de colector
disminuye, disminuyendo así la corriente de carga IL.Se ve que a un aumento de la corriente IL , corresponde un efecto de control que
disminuye el valor de IL.. Existe entonces un efecto de compensación o de
regulación.El circuito detector de error , en este regulador , actúa por la característica base –
emisor del circuito, y el mismo transistor hace las veces de amplificador.Este circuito dividido en bloques, presenta : “etapa de control “ ;“etapa de
muestreo” ; “detector de error” ; “ amplificador de error”
Una fuente de tensión regulada , utiliza normalmente un circuito automático de
control, que detecta , prácticamente de un modo instantáneo las variaciones de
tensión y las corrige automáticamente .En general un sistema de control requiere de las siguientes etapas :
1.- ETAPA DE REFERENCIA :
Para determinar si una magnitud ha variado se precisa de una referencia , que
deberá ser lo más estable posible .- ( batería , diodo zener.).2.- ETAPA DE MUESTREO :
Su misión es detectar las variaciones de tensión que se producen en la salida . (
divisor de tensión.- ).3.- ETAPA COMPARADORA:
Su finalidad es comparar , en todo momento , las tensiones de referencia con las de
muestra , que pretendemos controlar.( amplificador operacional , amplificador diferencial.-).4.- ETAPA AMPLIFICADORA DE ERROR :
La tensión de error que no es más que la diferencia entre la muestra y la referencia ,
puede presentar un nivel de tensión pequeño que no sea capas de accionar la etapa
de control.En este caso se debe de amplificar.- ( amplificador transistorizado.- )
5.- ETAPA DE CONTROL :
Como su nombre lo indica controla las variaciones de tensión , contrarresta las
variaciones producidas en la salida .- ( transistor en zona lineal .- ).Asume las variaciones de tensión producidas por efecto de la carga o por efecto de
la línea o red.Principio de funcionamiento :
Una fracción de la tensión de salida % Vo , es comparada con la tensión de
referencia Vr.-si la tensión de muestra Vm es igual a la tensión de referencia Vr la
etapa de Control no actúa.Si la tensión de muestra Vm es menor que la tensión de referencia Vr , el elemento
de control debe reducir su caída de tensión en sus extremos.Si la tensión de muestra Vm es mayor que la tensión de referencia Vr , la caida de
tensión en el elemento de control ha de aumentar .El circuito de control , generalmente es un transistor con colector común o emisor
común.El circuito de referencia de tensión requiere de una fuente constante actuando como
tensión de referencia , que para este caso es un diodo zener.El amplificador , es un bloque que también lo realiza el mismo transistor y amplifica
lo que se conoce como tensión de error , donde dicha tensión controla la base del
transistor y lo hace conducir más o menos .Para este caso el transistor de control , asume las variaciones de tensión que se
pueden provocar por la tensión de línea o por el consumo de corriente de la carga.La regulación lograda por este circuito es pobre y se puede incrementar aumentando
la ganancia del amplificador de error o realimentando el circuito.-
3 Transistor Unipolar (FET)
3.1 Características y parámetros
Los símbolos del FET son:
Fet canal N
Fet canal P
Este dispositivo semiconductor, controla el flujo de corriente por un canal
semiconductor, aplicando un campo eléctrico perpendicular a la trayectoria de la
corriente.
El FET está compuesto de una parte de silicio tipo N, a la cual se le adicionan dos
regiones con impurezas tipo P llamadas compuerta (gate) y que están unidas entre
si. Ver la figura
3.2 Polarización de FET
Los terminales de este tipo de transistor se llaman Drenador (drain), Fuente (source)
y el tercer terminal es la compuerta (gate) que ya se conoce. La región que existe
entre el drenador y la fuente y que es el camino obligado de los electrones se llama
"canal". Ver el gráfico.
La corriente fluye de D a S
Este tipo de transistor se polariza de manera diferente al transistor bipolar. El
terminal de drenaje se polariza positivamente con respecto al terminal de fuente
(Vdd) y la compuerta o gate se polariza negativamente con respecto a la fuente (Vgg).
A mayor voltaje -Vgg, más angosto es el canal y más difícil para la corriente pasar
del terminal drenador (drain) al terminal fuente o source. La tensión -Vgg para la que
el canal queda cerrado se llama "punch-off" y es diferente para cada FET
El transistor de juntura bipolar es un dispositivo operado por corriente y requieren
que halla cambios en la corriente de base para producir cambios en la corriente de
colector. El FET es controlado por tensión y los cambios en tensión de la compuerta
(gate) a fuente (Vgs) modifican la región de rarefacción y causan que varíe el ancho
del canal
La curva característica del FET.
Este gráfico muestra que al aumentar el voltaje Vds (voltaje drenador - fuente), para
un Vgs (voltaje de compuerta) fijo, la corriente aumenta rápidamente (se comporta
como un resistor) hasta llegar a un punto A (voltaje de estricción), desde donde la
corriente se mantiene casi costante hasta llegar a un punto B (entra en la región de
disrupción o ruptura), desde donde la corriente aumenta rápidamente hasta que el
transistor se destruye.
Si ahora se hace este gráfico para más de un voltaje de compuerta a surtidor (Vgs),
se obtiene. Ver que Vgs es "0" o es un valor negativo.
Si Vds se hace cero por el transistor no circulará ninguna corriente. (ver gráficos)
Para saber cual es el valor de la corriente se utiliza la siguiente fórmula
ID = IDSS ( 1 - [ Vgs / Vgs (off) ] )
donde:
IDSS
es
el
valor
de
corriente
cuando
la
Vgs
=
0
- Vgs (off) es el voltaje cuando ya no hay paso de corriente entre drenaje y fuente
(ID
=
0)
- Vgs es el voltaje entre entre la compuerta y la fuente para la que se desea saber ID
Como Vgs es el voltaje que controla el paso de la corriente ID (regula el ancho del
canal), se puede comparar este comportamiento como una resistencia cuyo valor
depende del voltaje VDS. Esto es sólo válido para Vds menor que el voltaje de
estricción (ver punto A en el gráfico).
Entonces si se tiene la curva característica de un FET, se puede encontrar La
resistencia RDS con la siguiente fórmula:
RDS = VDS / ID
3.3 Tipos de FET (MOSFET, JFET)
MOSFET
El transistor MOSFET es la estructura actualmente más utilizada en la tecnología
microelectrónica VLSI. Varias razones explican esta preeminencia. Primero es una
estructura autoaislada eléctricamente no siendo necesario fabricar islas de material
aisladas por uniones. Este hecho permite colocar transistores MOS juntos en el chip
con el consiguiente ahorro de espacio y de pasos de proceso. Segundo, puede ser
fabricado en el substrato sin la necesidad de crecer costosas capas epitaxiales. Sin
embargo cada vez se usan más las epitaxias para mejorar las características de
funcionamiento de los dispositivos MOS. Finalmente es un dispositivo de alta
impedancia por lo que su consumo de potencia es bajo. A continuación
describiremos el proceso de fabricación de una estructura MOS básica: el transistor
NMOS. Mencionar que continuamente aparecen modificaciones de esta estructura
para diversas aplicaciones o mejora de características.
Proceso de fabricación de un transistor NMOS
La figura muestra el corte transversal de un MOSFET con canal n. Se observa la
estructura n (fuente/zona roja) p (puerta/zona azul)) n (drenado/zona roja) típica de
un transistor. La aplicación de tensión al electrodo puerta (zona amarilla) provocará
una inversión superficial bajo el óxido de puerta (zona azul bajo puerta) creando un
canal n que pondrá en contacto fuente y drenado (zonas rojas). (Field Effect
Transistor FET).
El proceso de fabricación de este dispositivo sería el siguiente.
1) Se parte de un substrato de silicio monocristalino
.cm y orientado según una dirección <100>
3) El área activa del dispositivo es definida mediante fotolitografía creándose un
canal de parada por implantación de boro a través del óxido/nitruro
4) Se elimina el nitruro no protegido por la fotoresina y el wafer es introducido en un
horno de oxidación con el objetivo de crecer el óxido de
0.55) La capa óxido/nitruro es eliminada de la zona activa y a continuación se crece el
óxido de puerta de algunos centenares de angstroms de espesor. En la tecnología
punta actual el espesor de este óxido de silicio es de solo decenas de angstroms.
Para ajustar la tensión umbral, tensión puerta-fuente por encima de la cual se
produce el canal n y el dispositivo conduce, se implanta la dosis de iones adecuada
en el canal
6) Se crece el polisilicio del electrodo puerta , zona amarilla en la figura, el cual es
fuertemente dopado mediante difusión o implantación de fósforo hasta conseguir una
resistencia de hoja de 20anteriormente.
7) Una vez definida mediante fotolitografía el electrodo puerta se crean la fuente y el
drenado
1016 cm-2, utilizando como máscara el electrodo puerta
8) Deposición de una capa de PSG mediante CVD y posterior tratamiento térmico
para conseguir una topografía suave
9) Proceso fotolitográfico de apertura de ventanas para contactos e interconexiones.
10) Deposición de capa de aluminio mediante sputtering y proceso fotolitográfico
para la definición de contactos e interconexiones en la capa metálica. El contacto al
electrodo puerta se realiza fuera de la zona activa del dispositivo para evitar posibles
daños a la capa delgada de óxido de puerta.
En este proceso NMOS hay seis operaciones de crecimiento de película, cuatro
pasos de fotolitografía, tres implantaciones iónicas y cuatro operaciones de ataque
ahorrándose dos operaciones de fotolitografía y un proceso de implantación en
comparación con el proceso bipolar básico.
JFET
TRANSISTOR DE EFECTO DE CAMPO DE UNION (JFET)
Un JFET de canal N se fabrica difundiendo una región de tipo P en un canal de tipo
N, tal y como se muestra en la Figura 1. A ambos lados del canal se conectan los
terminales de fuente (S, Source) y drenaje (D, Drain). El tercer terminal se denomina
puerta (G, Gate).
Figura 1: Esquema del transistor JFET de canal N
Los símbolos de este tipo de dispositivos son:
Figura 2: Símbolos de los transistores JFET
Las explicaciones incluidas en este capítulo se refieren fundamentalmente al
transistor NJFET, teniendo en cuenta que el principio de operación del PJFET es
análogo.
PRINCIPIO DE OPERACION DEL NJFET
A continuación se explica cómo se controla la corriente en un JFET. Al igual que
sucede con los transistores BJT el JFET tiene tres regiones de operación:



Región de corte
Región lineal
Región de saturación
Es preciso hacer notar que en este caso, la saturación alude a un fenómeno
completamente distinto al de los transistores BJT.
Región de corte
Centremos nuestra atención en la Figura 1. La zona de tipo P conectada a la puerta
forma un diodo con el canal, que es de tipo N. Como se recordará, cuando se forma
una unión PN aparecen en los bordes de la misma una zona de deplección en la que
no hay portadores de carga libres. La anchura de dicha zona depende de la
polarización aplicada. Si esta es inversa, la zona se hace más ancha,
proporcionalmente a la tensión aplicada. Aplicando una tensión VGS negativa
aumentamos la anchura de la zona de deplección, con lo que disminuye la anchura
del canal N de conducción.
Si el valor de VGS se hace lo suficientemente negativo, la región de agotamiento se
extenderá completamente a través del canal, con lo que la resistencia del mismo se
hará infinita y se impedirá el paso de ID (Figura 3). El potencial al que sucede este
fenómeno se denomina potencial de bloqueo (Pinch Voltage, VP).
Figura 3: Esquema del transistor JFET de canal N polarizado con la tensión de
bloqueo
Por lo tanto, para valores más negativos que VP el transistor NJFET se encuentra
polarizado en la región de corte, y la corriente de drenaje resulta ser nula.
Región lineal
Si en la estructura de la Figura 1 se aplica una tensión VDS mayor que cero,
aparecerá una corriente circulando en el sentido del drenaje a la fuente, corriente que
llamaremos ID. El valor de dicha corriente estará limitado por la resistencia del canal
N de conducción. En este caso pueden distinguirse dos situaciones según sea VDS
grande o pequeña en comparación con VGS.
Valores pequeños del voltaje drenaje-fuente
La Figura 4 presenta la situación que se obtiene cuando se polariza la unión GS con
una tensión negativa, mientras que se aplica una tensión entre D y S menor.
Figura 4: Esquema del transistor JFET de canal N polarizado con VGS < 0
Por el terminal de puerta (G) no circula más que la corriente de fuga del diodo GS,
que en una primera aproximación podemos considerar despreciable. La corriente ID
presenta una doble dependencia:


La corriente ID es directamente proporcional al valor de VDS
La anchura del canal es proporcional a la diferencia entre VGS y VP. Como ID
está limitada por la resistencia del canal, cuanto mayor sea VGS - VP, mayor
será la anchura del canal, y mayor la corriente obtenida.
Los dos puntos anteriores se recogen en la siguiente expresión:
Por lo tanto, en la región lineal obtenemos una corriente directamente proporcional a
VGS y a VDS.
Valores altos del voltaje drenaje-fuente
Para valores de VDS comparables y superiores a VGS la situación cambia con
respecto al caso anterior: la resistencia del canal se convierte en no lineal, y el JFET
pierde su comportamiento óhmico. Veamos por qué sucede esto.
Cuando se aplica un voltaje VDS al canal de 5 voltios, por ejemplo, este se distribuye
a lo largo del canal, es decir, en las proximidades del terminal D la tensión será de 5
V, pero a medio camino la corriente circulante habrá reducido su potencial a la mitad
(2,5 V), y en el terminal S el potencial será nulo. Por otra parte, si VGS es negativa (2 V, por ejemplo), la tensión se distribuirá uniformemente a lo largo de la zona P, al
no existir ninguna corriente (Figura 5). (NOTA: se desprecia la caída de tensión en
las zonas situadas por debajo de los contactos).
Figura 5: Esquema del transistor JFET de canal N polarizado con VGS = -2 V y VDS =
5V
Sigamos adelante. En las proximidades del terminal S la tensión inversa aplicada es
de 2 V, que se corresponde con la VGS = -2 V. Sin embargo, conforme nos
acercamos a D esta tensión aumenta: en la mitad del canal es de 4,5 V, y en D
alcanza 7 V. La polarización inversa aplicada al canal no es constante, con lo que la
anchura de la zona de deplección tampoco lo será (Figura 6). Cuando VDS es
pequeña, esta diferencia de anchuras no afecta a la conducción en el canal, pero
cuando aumenta, la variación de la sección de conducción hace que la corriente de
drenaje sea una función no lineal de VDS, y que disminuya con respecto a la obtenida
sin tener en cuenta este efecto.
Figura 6: Esquema del transistor JFET de canal N en la región de conducción no
lineal
Región de saturación
Si VDS se incrementa más, se llegará a un punto donde el espesor del canal en el
extremo del drenaje se acerque a cero. A partir de ese momento, la corriente se
mantiene independiente de VDS, puesto que los incrementos de tensión provocan un
mayor estrechamiento del canal, con lo que la resistencia global aumenta (Figura 7).
Figura 7: Esquema del transistor JFET de canal N en la región de corriente constante
La región de saturación se da cuando se estrangula el canal en el drenaje, lo que
sucede cuando la tensión puerta-drenaje es más negativa que VP, es decir:
VGD < VP => VGS - VDS < VP => VDS > VGS - VP
Antes de seguir adelante, comparemos las figuras Figura 3 y Figura 7. En el caso del
bloqueo, todo el canal resulta afectado por la zona de deplección, que es constante
porque la tensión VGS se aplica uniformemente a lo largo de la unión. En cambio, en
la región de corriente constante sólo parte del canal ha llegado al bloqueo
(provocado por VDS, que varía a lo largo del mismo), y es lo que permite la circulación
de la corriente.
3.4 Circuitos Mixtos
Ahora que el análisis de dc de una variedad de configuraciones bjt y fet. Se ha
realizado se presenta la oportunidad de analizar redes con ambos tipos de
dispositivos presentes. Este análisis, fundamentalmente requiere de un primer
acercamiento del dispositivo que proporcionara un voltaje o nivel de corriente en una
terminal. Posteriormente se encontrará la puerta vierta para calcular otra cantidad y
concentrarse en las incógnitas y restantes.
Determine los nivels de Vd y Vc para la red de la figura 6.46
Solución
A partir de la experiencia anterior, ahora sabemos que al analizar redes JFET, V GS
es general mente una cantidad importante por determinar o desarrollar una ecuación
para ella. Dado que VGS es un nivel cuya solución inmediata no es obvia, debemos
recurrir a la configuración del transistor. La configuración por divisor de voltaje es una
configuración donde es posible aplicar la técnica de aproximación (βRE = (180 X 1.6
kΩ) = 288 kΩ > 10R2 =240 kΩ), lo cual permite determinar V B utilizando la regla del
divisor de voltaje en el circuito de entrada.
Para VB:
24 k(16v)
VB 
 3.62v
82 k  24 k
La cuestión con respecto a cómo determinar V c no es obvia. Tanto VCE como VDS
son cantidades desconocidas, lo cual evita que establezcamos una relación entre VD
y VD. Una revisión más cuidadosa de la figura 6.46 revela que Vc s con VB mediante
VGS (si asumimos que VRG = 0V). Dado que conoceremos VB si podemos encontrar
VGS, Vc puede determinarse a partir de
VC=VB-VGS
4 Amplificadores con Transistores BJT y FET
4.1 Modelos equivalentes del BJT y FET
Modelado del transistor BJT.
La clave del análisis de pequeña señal de transistor es el empleo de los circuitos
equivalentes (modelos) que serán introducidos en este capítulo. Un modelo es la
combinación de elementos de circuito, seleccionados adecuadamente, que mejor
aproximan el comportamiento real de un dispositivo semiconductor en condiciones
específicas de operación,
Una vez determinado el circuito equivalente de ca, el símbolo gráfico del
dispositivo puede sustituirse en el esquema mediante este circuito, y se pueden
aplicar los métodos básicos del análisis de circuitos de ca (análisis de nodos,
análisis de mallas y el teorema de Thévenin) para determinar la respuesta del
circuito.
Hay dos teorías actuales acerca de cuál será el circuito equivalente que ha de
sustituir al transistor. Durante muchos años la industria y las instituciones
educativas confiaron ampliamente en los parámetros híbridos (que se presentarán
en breve). El circuito equivalente de parámetros híbridos seguirá siendo muy
popular, aun cuando en la actualidad debe competir con un circuito equivalente
derivado directamente de las condiciones de operación del transistor, el modelo re.
Los fabricantes siguen especificando los parámetros híbridos para una región de
operación particular en sus hojas de especificaciones. Los parámetros (o
componentes) del modelo re pueden derivarse directamente de los parámetros
híbridos en esta región. Sin embargo, el circuito equivalente híbrido adolece de
estar limitado a un conjunto particular de condiciones de operación si se considerara
preciso. Los parámetros del otro circuito equivalente pueden determinarse para
cualquier región de operación dentro de la región activa y no están limitados por un
solo grupo de parámetros incluidos en la hoja de especificaciones. A su vez, no
obstante, el modelo re no tiene un parámetro que defina el nivel de impedancia de
salida del dispositivo y el efecto de retroalimentación de la salida a la entrada.
Puesto que en la actualidad ambos modelos se emplean de manera extensa, los dos
se examinan en detalle en este libro. En algunos análisis y ejemplos se empleará el
modelo híbrido, en tanto que en otros se utilizará en forma exclusiva el modelo re.
No obstante, en el texto se hará todo lo necesario para mostrar la forma tan estrecha
en que se relacionan los dos modelos y cómo la habilidad en el manejo de uno de
ellos conduce a una destreza natural en el manejo del otro.
Con el fin de mostrar el efecto que tendrá el circuito equivalente de ca sobre el
análisis que sigue, considérese el circuito de la figura 7.3. Supongamos por e]
momento que el circuito equivalente de ca de pequeña señal para el transistor ya ha
sido determinado. Puesto que sólo nos interesa la respuesta de ca del circuito, todas
las alimentaciones de cd pueden sustituirse por equivalentes de potencial cero (corto
circuito), ya que determinan únicamente el nivel de cd (nivel quiesciente) o de
operación del voltaje de salida y no la magnitud de la excursión de la salida de ca.
Esto se muestra claramente en la figura 7.4. Los niveles de cd fueron importantes
simplemente para determinar el punto Q de operación adecuado. Una vez
determinado, es posible ignorar los niveles de cd en el análisis de ca de la red.
Además, los capacitores de acoplamiento C1 y C2 y el capacitor de desvío C3*** se
eligieron de modo que tuvieran una reactancia muy pequeña a la frecuencia de
aplicación. Por lo tanto, es posible también reemplazarlos para todos los propósitos
prácticos por medio de una trayectoria de baja resistencia (corto circuito). Nótese
que esto producirá el "corto circuito" de la resistencia de polarización de cd, RE.
Recuérdese que los capacitores tienen un equivalente de circuito abierto en
condiciones de estado estable cd, permitiendo un aislamiento entre etapas en los
niveles de cd y las condiciones de operación.
Figura 7.3 Circuito de transistor examinado en este análisis introductorio.
Figura 7.4 Red de la figura 7.3 después de eliminar la alimentación de cd.
La conexión común de tierra y el rearreglo de los elementos de la figura 7.4 dará
como resultado una combinación en paralelo de los resistores R1, R2, y RC que
aparecerá del colector al emisor como se muestra en la figura 7.5. Como los
componentes del circuito equivalente del transistor insertado en la figura 7.5 son
aquellos con los que ya nos hemos familiarizado (resistores, fuentes controladas,
etc.), las técnicas de análisis tales como superposición y el teorema de Thévenin,
entre otras, pueden aplicarse para determinar las cantidades deseadas.
Figura 7.5 Circuito de la figura redibujado para el análisis de pequeña señal ca.
Examinaremos aún más la figura 7.5 e identifiquemos las cantidades importantes
que se determinarán en el sistema. Puesto que sabemos que el transistor es un
dispositivo amplificador, esperaríamos alguna indicación de cómo se relacionan el
voltaje de salida Vo y el de entrada Vi, es decir, la ganancia en voltaje. Note en la
figura 7.5 que para esta configuración Ii = Ib, e Io = Ic lo cual define la ganancia en
corriente Ai = Io / Ii. La impedancia de entrada Zi y la impedancia de salida Zo
probarán ser de particular importancia en el análisis que se detalla a continuación.
Se proporcionará mucha más información acerca de estos parámetros en las
secciones siguientes. Por tanto, el equivalente de ca para una red se obtiene por
medio de:
1. El establecimiento de todas las fuentes de cd a cero y su reemplazo por un
corto circuito equivalente
2. El reemplazo de todos los capacitores por un corto circuito equivalente
3. La eliminación de todos los elementos sustituidos por los corto circuitos
equivalentes introducidos en los pasos 1 y 2
4. El dibujar de nuevo la red en una forma más lógica y conveniente.
En las secciones siguientes se presentarán los circuitos equivalentes re e híbrido
para completar el análisis de ca de la red de la figura 7.5
4.3 Parámetros importantes: Zi, Zo, Av, Ai,
Vi, Vo, Ii, Io. (Redes de dos puertos).
Antes de investigar los circuitos equivalentes para BJT con más detalle,
concentrémonos en los parámetros de un sistema de dos puertos que son de capital
importancia desde un punto de vista de análisis y diseño. Para el sistema de dos
puertos (dos pares de terminales) de la figura 7.6, el extremo de entrada (el lado
donde normalmente se aplica la señal) se encuentra a la izquierda y el extremo de
salida (donde se conecta la carga) se halla a la derecha. De hecho, para la mayoría
de los sistemas eléctricos y electrónicos el flujo general se tiene normalmente de
izquierda a derecha. Para ambos conjuntos de terminales la impedancia entre cada
par de terminales en condiciones normales de operación es bastante importante.
Figura 7.6 Sistema de dos puertos.
Impedancia de entrada, Zi
Para el extremo de entrada, la impedancia de entrada Z¡ se define por la ley de Ohm
como se indica a continuación:
Zi = Vi / Ii
Si se modifica la señal de entrada Vi, la corriente Ii, puede calcularse mediante el
uso del mismo nivel de impedancia de entrada. En otras palabras:
Para el análisis de pequeña señal una vez que se ha determinado la impedancia de
entrada, el mismo valor numérico puede utilizarse para modificar los niveles de la
señal aplicada.
De hecho, en las secciones siguientes encontraremos que la impedancia de entrada
de un transistor puede determinarse aproximadamente por medio de las condiciones
de polarización de cd, condiciones que no cambian sólo porque la magnitud de la
señal aplicada de ca se haya modificado.
Es particularmente interesante que para las frecuencias en el intervalo de los valores
bajos a los medios (normalmente <100 kHz):
La impedancia de entrada de un amplificador de transistor BJT es de naturaleza
puramente resistiva y, dependiendo de la manera en que se emplee el transistor,
puede variar de unos cuantos ohms hasta el orden de los megaohms.
Además:
No puede emplearse un óhmetro para medir la impedancia de entrada de pequeña
señal de ca puesto que el óhmetro opera en modo de cd.
La ecuación (7.1) es particularmente útil en la medida en que proporciona un
método para medir la resistencia de entrada en el dominio de ca. Por ejemplo, en la
figura 7.7 se ha agregado un resistor sensor al extremo de entrada para permitir una
determinación de Ii*** empleando la ley de Ohm. Un osciloscopio o un multimetro
digital (DMM) sensible puede utilizarse para medir el voltaje Vs y V¡. Ambos
voltajes pueden ser de pico a pico, pico o valores rms, siempre que ambos niveles
empleen el mismo patrón. La impedancia de entrada se determina entonces de la
siguiente manera:
Ii = (Vs - Vi) / Rsensor
y
Zi = Vi / Ii
Figura 7.7 Determinación de Zi.
La importancia de la impedancia de entrada de un sistema puede demostrarse mejor
mediante la red de la figura 7.8. La fuente de señal tiene una resistencia interna de
600  el sistema (posiblemente un amplificador de transistor) tiene una impedancia
de entrada de 1.2 k .
Figura 7.8 Demostración del impacto de Zi sobre una respuesta de amplificador.
Impedancia de salida, Zo
La impedancia de salida se define en forma natural para el conjunto de salida de las
terminales, pero la manera en la cual se define es bastante diferente de la
correspondiente a la impedancia de entrada. Es decir,
La impedancia de salida se determina en las terminales de salida viendo hacia
atrás. dentro del sistema con la señal aplicada fijada en cero.
En la figura 7.10, por ejemplo, la señal aplicada se ha establecido a cero voltios.
Para determinar Zo, se aplica una señal, Vs, a las terminales de salida, y el nivel de
Vo se mide con un osciloscopio o DMM sensible. La impedancia de salida se
determina entonces de la siguiente manera:
Io = (V - Vo) / Rsensor
y
Zo = Vo / Io
Figura 7.10 Deteminación de Zo.
En particular, para las frecuencias de rango bajo y medio (normalmente < 100 kHz):
La impedancia de salida de un amplificador de transistor BJT es resistiva por
naturaleza y depende de la configuración y de la colocación de los elementos
resistivos, Zo puede variar entre unos cuantos ohms y un nivel que puede exceder
los 2M .
Además:
No puede utilizarse un óhmetro para medir la impedancia de salida de pequeña
señal de ca debido a que el óhmetro opera en modo de cd.
Ganancia de voltaje Av
Una de las características más importantes de un amplificador es la ganancia de
voltaje de pequeña señal de ca, que se determina por
Av = Vo / Vi
Para el sistema de la figura 7.13, no se ha conectado una carga a las terminales de
salida y el nivel de ganancia determinado por la ecuación (7.6) se denomina como
la ganancia de voltaje sin carga. Es decir,
Figura 7.13 Determinación de la ganancia de voltaje sin carga
Para amplificadores de transistor, la ganancia de voltaje sin carga es mayor que la
ganancia de voltaje con carga.
Ganancia de corriente, Ai
La última característica numérica por discutir es la ganancia de corriente definida
por
Ai = Io / Ii
Aunque por lo regular recibe menos atención que la ganancia de voltaje, es, sin
embargo, una cantidad importante que puede tener un impacto significativo en la
eficiencia global de un diseño. En general:
Para amplificadores BJT, la ganancia de corriente oscila entre los valores apenas
menores que I y un nivel que puede exceder los 100.
Para la situación con carga presente de la figura 7.15,
Ii = Vi / Zi
y
Io = Vo / RL
Figura 7.15 Determinación de la ganancia de corriente con carga.
Ai = -Av(Zi / Ii)
La ecuación anterior permite la determinación de la ganancia de corriente a partir de
la ganancia de voltaje y los niveles de impedancia.
Relación de fase
La relación de fase entre las señales senoidales de entrada y salida es importante por
una variedad de razones prácticas. Sin embargo y por fortuna: Para el amplificador
de transistor típico, a frecuencias que permiten ignorar el efecto de elementos
reactivos, las señales de entrada y salida están ya sea en fase o desfasadas por
180°.
La razón de esta situación ambivalente con respecto a la fase se aclarará en los
capítulos siguientes.
Resumen
Los parámetros de principal importancia para un amplificador ya se han presentado;
la impedancia de entrada Zi, la impedancia de salida Zo, la ganancia de voltaje Av, la
ganancia de corriente Ai y las relaciones de fase resultantes. Otros factores, tales
como la frecuencia aplicada para los límites inferior y superior del espectro de
frecuencias, afectarán algunos de estos parámetros. En las secciones y capítulos
siguientes, todos los parámetros se determinarán para una variedad de redes de
transistores con el fin de permitir una comparación de las ventajas y desventajas de
cada configuración.
4.2 Teorema de Millar
4.3 Análisis en pequeña señal del BJT y FET
ANÁLISIS DE AMPLIFICADORES EN SEÑAL PEQUEÑA
3.0 PARÁMETROS. HÍBRIDOS
El diseño de amplificadores con transistores para señal debil se divide en dos partes,
la primera parte consiste en establecer la polarización de corriente continua y la
segunda parte consiste en hacer los cálculos de amplificación e impedancia de las
frecuencias de señal. Estos cálculos se realizan utilizando el circuito equivalente para
señales débiles.
Para determinar el circuito equivalente puede utilizarse la teoría de los cuadripolos.
La fig. 3.1.1 muestra un cuadripolo Para su análisis, se eligen dos variables como
variables independientes y las otras dos en función de estas.
La elección de las variables independientes no pueden hacerse arbitrariamente,
depende del dispositivo que represete el cuadripolo. Para el caso de un amplificador,
la corriente i1 y la tensión V2 son variables independientes y el cuadripolo queda
especificado por las siguientes ecuaciones;
V1 = h11 i1 + h12 V2
I2 = h21 i1 + h22V2
donde h11 =
|V2=0 = resistencia de entrada con salida en cortocircuito, (ohms).
h12 =
|i1=0 = ganancia de tensión inversa en circuito abierto (sin dimensiones)
h21 =
|V2=0 = ganancia de corriente con la salida en cortocircuito (sin dimensiones).
h22 =
|V1=0 = conductancia de salida con la entrada en circuito abierto (ohm -1 ).
Los valores h11, h21, h12, h22 se llaman parámetros híbridos, porque no tienen
dimensiones homogéneas. En los circuitos con transistores los subíndices numéricos
se sustituyen por letras que indican la naturaleza del parámetro. Las ecuaciones
anteriores se convierten ahora:
V1 = hi i1 + hr V2 ............ (3.1)
I2 = hf i1 + h0 V2 ............ (3.2)
El circuito de entrada de la fig. 3.1.1b, puede ser obtenido a partir de la ecuación
(3.1), usando la ley de tensiones de Kirchhoff. El circuito de salida puede ser
obtenido de la ecuación (3.2), usando la ley de corrientes de Kirchhoff.
Estos parámetros h están en función del punto de reposo determinado y son
diferentes para cada configuración utilizada. Pueden distinguirse añadiendo una letra
de identificación como segundo subíndice. Así, por ejemplo;
hfe representa la ganancia de corriente en emisor común.
hob representa la conductancia de salida en base común.
4.4 Construcción de amplificador de pequeña señal
5.1 Polarización por divisor de voltaje.
Los modelos de transistores que se presentan en el capítulo 3 se utilizarán ahora
para realizar el análisis de ca de pequeña señal de un buen número de
configuraciones estándar de redes con transistor. Las redes que se analizarán
representan la mayor parte de las que aparecen en la práctica actual. Las
modificaciones de las configuraciones estándar se examinarán con relativa facilidad
una vez que el contenido de este capitulo se haya revisado y entendido.
Ya que el modelo re es sensible al punto de operación real, será nuestro modelo
principal para el análisis que se realizará. Sin embargo, para cada configuración se
examina el efecto de una impedancia de salida como se proporciona mediante el
parámetro hoe del modelo equivalente híbrido. Para demostrar las semejanzas que
existen en el análisis entre los modelos, se ha dedicado una sección al análisis de
pequeña señal de redes BJT empleando únicamente el modelo equivalente híbrido.
Circuito equivalente para CD
Circuito equivalente para CA.

Zi:

Zo:
Zo = Rc

Av:
Vo = -IORL
IO = (ICRC)/(RC+RL)  VO = -(ICRC)RL /(RC+RL)
Vo = ViR'L / re  Vo / Vi = -R'L / re
Av = -R'L / re

Ai: Frecuentemente el valor de R' es muy cercano a  re por lo tanto no
puede ser ignorado.
Ib = R'Ii / (R' +  re)
ó
Ib / Ii = R' / (R' +  re)
En la salida
Efecto de ro: Zi no cambia pero Zo = ro Rc
ro = 1 / hoe
Ai = Io / Ii
Ejemplo:
Calcule el punto Q, re, Zi, Zo, Av, Ai para el amplificador que se muestra:
f = 1 kHz
Xc  0.1 R
C1  10 / 2 f  0.22 uF
C2  1.3 uF
C3  1.06 uF
Análisis de CD:
 RE = (90)(1.5 k ) = 135 k
10R2 = (10)(8.2 k ) = 82 k ,   RE > 10R2
 se puede emplear el análisis aproximado
VE = VB - VBE = 2.81 - 0.7 = 2.11 Vcd
IE = VE / RE =2.11 V / 1.5 k = 1.41 mA
VCE = VCC - IC(RC + RE), donde IC  IE
VCE = 22 - (1.41mA)(6.8 k + 1.5 k ) = 10.297 Vcd
Punto Qcd: (10.297 V, 1.41 mA)
Análisis de CA:
re = 26 mV / IE = 26 mV / 1.41 mA
re = 18.44 
 re =(90)(18.44) = 1.66 k
Zi = 1.35 k
Zo = Rc = 6.8 k , si se toma en cuenta ro suponga que el transistor es el 2N4123:
hoe = 14 u para Ic  1.41 mA
Av = 66.64
Ai = 59.84
5.2 Configuración de polarización de emisor
para emisor común.
Circuito equivalente de CD
Circuito equivalente de CA
Como Vi está en paralelo con RB y con la suma de  re +  RE  Vi = IRB RB ó
Vi = Ib re + IeRE = Ib re + ( + 1)IbRE
Zb = Vi / Ib =  re + ( +1)RE
Zb   (re + RE), si RE >> re  Zb   RE
Zi:
Ejemplo
Dado el siguiente circuito encuentre:
a.
b.
c.
d.
Punto Q y valor exacto para IE
Zi
Zo (sin ro y con ro) suponga que hoe = 55 uU
Av
e. Ai
a)
IE = ( + 1)IB = (121)(46.5 uA) = 5.63 mA
Ic =  IB =(120)(46.5 uA) = 5.58 mA
VCE = Vcc - Ic (Rc + RE) = 20 - (5.58 mA)(1.3k + 1.2k) = 6.05 Vcd
Punto Q (6.05 Vcd, 5.58 mA)
IE = 5.63 mA
b)
re = 26 mV / 5.63 mA = 4.62 ohms
Zi = 94.65 kohms
c)
Zo = Rc
Zo = 1.3 k (sin ro)
Si ro = 1 / hoe =1 / 55 uU =18.18 k
Zo = 1.21 k (con ro)
d)
Av = -0.3
e)
Ai = 40.52
Zo:
Si Vi = 0, Ib = 0 y  Ib es un corto circuito
Zo = Rc
Av:
Av: Frecuentemente la magnitud de RB es muy cercana a Zb, por lo
tanto no se puede aproximar Ib = Ii. Es necesario aplicar la regla del
divisor de corriente.
Efecto de ro: La colocación de ro para esta configuración es tal que
para los valores de parámetros típicos, el efecto de ro sobre la
impedancia de salida y ganancia de voltaje se pueden ignorar:
5.3 Configuración de emisor seguidor.
Cuando la salida se toma en la terminal del emisor, en lugar de en el colector, la red
recibe el nombre de emisor seguidor.
El voltaje de salida (CA) siempre es un poco menor que la señal de entrada, debido
a la caída de base a emisor, a pesar de esto la aproximación Av  1 casi siempre es
satisfactoria.
A diferencia del voltaje en el colector, el voltaje en el emisor está en fase con la
señal Vi, de ahí el nombre de "emisor seguidor".
En la figura se muestra la configuración más común de emisor seguidor. Como se
puede observar, para análisis de CA el colector está conectado a tierra, así que ésta
es una configuración de colector de colector común.
Esta configuración se utiliza con propósitos de acoplamiento de impedancia.
Presenta una elevada impedancia de entrada y una baja impedancia de salida, lo
cual es opuesto por completo a las configuraciones anteriores. El efecto resultante
es muy similar al que se obtiene con un transformador.
Circuito equivalente de CD
Malla de Entrada
Malla de Salida
Circuito equivalente de CA
Nótese que Vi está en paralelo con RB, pero también con  re +  R'L, así que: Vi =
ZbIb
Zi:
Así que
Zo:
, y en términos de Ie multiplicando por  + 1
Si se dibujara un circuito representando a esta ecuación:
Recuerde que para obtener Zo, Vi se establece a cero volts, así que:
Si se toma en cuenta ro  R'L está en paralelo con ro
Av: De la figura anterior se puede obtener la ganancia de voltaje.
Ai: De la figura del circuito equivalente:
La siguiente es también una red de emisor seguidor, pero se polariza por divisor de
voltaje.
En este caso para CA se sustituye RB por R1 paralela a R2 y para CD se aplica lo
visto para la polarización por divisor de voltaje, si  RE  10R2  Análisis
aproximado. En el caso contrario se aplica el análisis exacto.
La siguiente también es una red de emisor seguidor, la cual utiliza polarización por
divisor de voltaje y además se incluye una resistencia en el colector para controlar
el VCE.
Para el análisis en CA, la RC incluida no tiene efecto, ni en Zo, ni en la ganancia y
RB se sustituye por R1 paralela a R2.
Para CD es un circuito de polarización por divisor de voltaje.
Ejemplo:
Para la red de emisor seguidor que se muestra en la figura calcule:
a. Punto Q
b. re
c. Parámetros: Zi, Zo, Av, Ai.
a) Circuito equivalente de CD:
b)
c)