Modulo Electronica Basica - 201419

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
Escuela de ciencias Básicas Tecnología e Ingeniería
Ingeniería Electrónica
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS TECNOLOGÍA E INGENIERÍA
PROGRAMA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA
201419 – ELECTRÓNICA BÁSICA
BOGOTÁ
AGOSTO DE 2011
Réplica del primer transistor, desarrollado en Bell Labs, en 1947.
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GUÍA DIDÁCTICA - ELECTRÓNICA BÁSICA
@Copyright
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA
ISBN
2006
Centro Nacional de Medios para el Aprendizaje
Primera revisión Julio 20 de 2007.
Editado - 20 de agosto de 2011.
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ÍNDICE DE CONTENIDO
INTRODUCCIÓN
UNIDAD I: FUNDAMENTOS DE LOS SEMICONDUCTORES
Capitulo 1: Los Diodos
Lección 1: Diodos Semiconductores.
Lección 2: Análisis de circuitos con diodos.
Lección 3: Rectificación de media onda y rectificación de onda completa.
Lección 4: Circuitos recortadores, sujetadores, y multiplicadores de Voltaje.
Lección 5: Diodo Zener y LED.
Capitulo 2: Transistores Bipolares BJT
Lección 6: Construcción y operación de transistores.
Lección 7: Configuraciones del BJT.
Lección 8: Acción de amplificación del transistor.
Lección 9: Límite de operación, hoja de especificaciones, pruebas de transistores.
Lección 10: Punto de operación.
Capitulo 3: Polarización DC del transistor BJT
Lección 11: Circuito de polarización fija y de polarización estabilizada por emisor.
Lección 12: Polarización por divisor de voltaje y con retroalimentación de voltaje.
Lección 13: Operaciones de diseño.
Lección 14: Redes de conmutación con transistores.
Lección 15: Estabilización de polarización.
FUENTES DOCUMENTALES DE LA UNIDAD 1
UNIDAD II. FET Y OTROS DISPOSITIVOS PNPN
Capitulo 4: EL FET
Lección 16: Construcción y características de los JFET
Lección 17: MOSFET de tipo decremental e incremental.
Lección 18: Manejo de MOSFET.
Lección 19: VMOS (Vertical Metal Oxide Silicon)
Lección 20: CMOS (MOS con arreglo complementario)
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Capitulo 5: Polarizaciones del FET
Lección 21: Configuraciones de polarización del FET
Lección 22: MOSFET de tipo decremental e incremental.
Lección 23: Redes combinadas.
Lección 24: Diseño
Lección 25: FET de canal –P y curva de polarizaciones para JFET.
Capitulo 6: Otros Dispositivos PNPN
Lección 26: Diodos de cuatro capas
Lección 27: El SCR (Silicon Controled Rectifier)
Lección 28: Otros Tiristores
Lección 29: Disparo y Bloqueos de los Tiristores
Lección 30: Algunas Aplicaciones típicas de los Tiristores.
FUENTES DOCUMENTALES DE LA UNIDAD 2
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LISTADO DE GRÁFICOS Y FIGURAS
Figura 1. Diodo ideal. (a) Símbolo; (b) Característica
Figura 2. Cortocircuito
Figura 3. Circuito abierto
Figura 4. Estructura atómica de un conductor: el cobre (Cu).
Figura 5. Niveles de energía.
Figura 6. Bandas de conducción y valencia.
Figura 7. Representación de un cristal de silicio
Figura 8. Movimiento de electrones libres.
Figura 9. Enlace covalente roto
Figura 10. Grafica de movimiento de electrones en el silicio.
Figura 11. La Unión PN
Figura 12. Zona de deplexión
Figura 13. Polarización directa.
Figura 14. Sentido del movimiento del electrón libre (e-) y de la corriente (I).
Figura 15. Polarización inversa.
Figura 16. Sentido del movimiento del electrón libre y de la corriente.
Figura 17. Mapa Conceptual Diodo Semiconductor
Figura 18. Análisis de una resistencia.
Figura 19. Comportamiento de una resistencia en la región de polarización directa.
Figura 20. Comportamiento de una resistencia en polarización inversa.
Figura 21. Curva característica de una resistencia.
Figura 22. Comportamiento de un diodo.
Figura 23. Curvas de comportamiento en las dos zonas de polarización.
Figura 23. Tensión umbral (a) y similitud a la curva de una resistencia (b).
Figura 24. Cálculo de la resistencia en la zona de polarización inversa.
Figura 25. Pendiente de la recta en zona directa.
Figura 26. Curva de un diodo.
Figura 27. Grafica de corriente máxima.
Figura 28. Resistencia limitadora.
Figura 29. Disipación de potencia de un diodo
Figura 30. Polarización inversa.
Figura 31. Circuito
Figura 32. Diodo ideal en zona de conducción.
Figura 33. Circuito
Figura 34. 2ª aproximación.
Figura 35. 3ª Aproximación.
Figura 36. Circuito
Figura 37. Análisis con la recta de carga
Figura 38. Incorporación del efecto de capacitancia de transición.
Figura 39. Definición del tiempo de recuperación inverso.
Figura 40. Valores del diodo.
Figura 41. Comparación de la resistencia interna del diodo.
Figura 42. Resistencia con polarización inversa.
Figura 43. Medición de un diodo.
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Figura 44. Rectificación de media onda.
Figura 45. Rectificación de onda completa.
Figura 46. Ondas
Figura 47. Componentes
Figura 48. Rectificación de onda completa con puente.
Figura 49. Explicación gráfica de rectificación.
Figura 50. Graficas
Figura 51. Un multiplicador de tensión.
Figura 52. Doblador de tensión
Figura 53. Funcionamiento de un doblador de tensión.
Figura 54. Análisis del doblador.
Figura 56. Doblador de tensión de onda completa.
Figura 55. Resumen del funcionamiento de un doblador de media onda.
Figura 57. Análisis de un doblador de onda completa.
Figura 58. Triplicador
Figura 59. Triplicador de voltaje
Figura 60. Cuadriplicador de voltaje.
Figura 61. Limitador ó recortador positivo.
Figura 62. Limitador ó recortador con fuente de voltaje adicional.
Figura 63. Recortador Negativo.
Figura 64. Funcionamiento de un limitador negativo.
Figura 65. Aplicación de un recortador.
Figura 66. Aplicación de un limitador.
Figura 67. Circuito.
Figura 68. Truco de reemplazo de fuente adicional.
Figura 69. Utilización de un sujetador de nivel positivo
Figura 70. Funcionamiento de un circuito sujetador positivo.
Figura 71. Señal de salida del Sujetador
Figura 73. Grafica de la 2ª aproximación
Figura 74. Diodo Zener.
Figura 75. Curvas típicas de un diodo Zener.
Figura 76. Efecto de avalancha para diferentes materiales semiconductores.
Figura 77. Pendiente de la recta.
Figura 78. Curvas reales de un diodo Zener.
Figura 79. Modelo ideal del Zener.
Figura 80. Segunda aproximación del Zener.
Figura 81. Modelo equivalente del Zener.
Figura 82. Fuente de alimentación DC
Figura 83. Curvas de una fuente de alimentación DC.
Figura 84. Fuente DC regulada con diodo Zener.
Figura 85. Análisis del regulador
Figura 86. Comportamiento del diodo Zener
Figura 87. Rectificación con diodo Zener.
Figura 88. Curvas de respuesta de un diodo Zener.
Figura 89. Regulación con carga.
Figura 90. Análisis de la regulación con carga.
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Figura 91. Valores máximos y mínimos
Figura 92. Curvas reales en un circuito regulado.
Figura 93. Análisis del circuito regulado.
Figura 94. Ejemplo.
Figura 95. Fuente regulada con preregulador.
Figura 96. LED.
Figura 97. Aplicación del LED
Figura 98. Intensidad del LED.
Figura 99. El LED y su rango de funcionamiento.
Figura 100. Ejemplo de una mala aplicación.
Figura 53. Funcionamiento de un doblador de tensión.
Figura 54. Análisis del doblador.
Figura 56. Doblador de tensión de onda completa.
Figura 55. Resumen del funcionamiento de un doblador de media onda.
Figura 57. Análisis de un doblador de onda completa.
Figura 58. Triplicador
Figura 59. Triplicador de voltaje
Figura 60. Cuadriplicador de voltaje.
Figura 61. Limitador ó recortador positivo.
Figura 62. Limitador ó recortador con fuente de voltaje adicional.
Figura 63. Recortador Negativo.
Figura 64. Funcionamiento de un limitador negativo.
Figura 65. Aplicación de un recortador.
Figura 66. Aplicación de un limitador.
Figura 67. Circuito.
Figura 68. Truco de reemplazo de fuente adicional.
Figura 69. Utilización de un sujetador de nivel positivo
Figura 70. Funcionamiento de un circuito sujetador positivo.
Figura 71. Señal de salida del Sujetador
Figura 73. Grafica de la 2ª aproximación
Figura 74. Diodo Zener.
Figura 75. Curvas típicas de un diodo Zener.
Figura 76. Efecto de avalancha para diferentes materiales semiconductores.
Figura 77. Pendiente de la recta.
Figura 78. Curvas reales de un diodo Zener.
Figura 79. Modelo ideal del Zener.
Figura 80. Segunda aproximación del Zener.
Figura 81. Modelo equivalente del Zener.
Figura 82. Fuente de alimentación DC
Figura 83. Curvas de una fuente de alimentación DC.
Figura 84. Fuente DC regulada con diodo Zener.
Figura 85. Análisis del regulador
Figura 86. Comportamiento del diodo Zener
Figura 87. Rectificación con diodo Zener.
Figura 88. Curvas de respuesta de un diodo Zener.
Figura 89. Regulación con carga.
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Figura 90. Análisis de la regulación con carga.
Figura 91. Valores máximos y mínimos
Figura 92. Curvas reales en un circuito regulado.
Figura 93. Análisis del circuito regulado.
Figura 94. Ejemplo.
Figura 95. Fuente regulada con preregulador.
Figura 96. LED.
Figura 97. Aplicación del LED
Figura 98. Intensidad del LED.
Figura 99. El LED y su rango de funcionamiento.
Figura 100. Ejemplo de una mala aplicación.
Figura 101. Uniones en El Transistor.
Figura 102. Transistor (a) NPN, (b) PNP
Figura 103. Movimiento electrónico en un transistor.
Figura 104. Diferentes regiones de trabajo de un transistor.
Figura 105. Funcionamiento de la zona activa, configuración BC.
Figura 106. Barrera de potencial.
Figura 107. El Diodo
Figura 108. El Transistor.
Figura 109. Convención para las corrientes en el transistor.
Figura 110. Transistor en configuración de Emisor Común.
Figura 111. Transistor
Figura 112. Polarización de Emisor común para un transistor PNP.
Figura 113. Ejemplo de amplificación de voltaje.
Figura 114. Circuito
Figura 115. Límite de operación de un transistor.
Figura 116 Tabla de una hoja de especificaciones.
Figura 117. Circuito
Figura 118. Transistor con base abierta.
Figura 119. Transistor con corto entre emisor y base.
Figura 120. Prueba de un transistor.
Figura 121. Análisis por computador. Curvas características para el transistor
Figura 122. Distintos puntos de operación.
Figura 123. Circuitos de polarización de transistores BJT
Figura 124. Polarización fija
Figura 125. Recta de carga para polarización fija.
Figura 126. El BJT Como conmutador o como amplificador.
Figura 127. BJT polarizado estabilizado en emisor.
Figura 128. Grafica de BJT polarizado en emisor.
Figura 129. Polarización base.
Figura 130. Polarización en emisor.
Figura 131. Polarización por divisor de voltaje.
Figura 132. Circuito equivalente para polarización por divisor de voltaje.
Figura 133. Polarización por división de voltaje.
Figura 134. Polarización con retroalimentación.
Figura 135. Polarización con retroalimentación de colector.
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Figura 136. Retroalimentación en emisor y polarización por divisor de voltaje.
Figura 137. Análisis de retroalimentación.
Figura 138. Retroalimentación con señal AC.
Figura 139. Ejemplo de retroalimentación
Figura 140. BJT en configuración de retroalimentación en emisor y colector.
Figura 141. El transistor como conmutador
Figura 142. El transistor como conmutador y su símbolo en electrónica digital
Figura 143. Aplicaciones de conmutadores.
Figura 116 Tabla de una hoja de especificaciones.
Figura 144. (a) JFET canal N. (b) Símbolo de JFET canal N. (c) Símbolo canal P
Figura 145. Características de un FET N
Figura 146. Resistencia drain-source de un transistor NJFET en la región lineal.
Figura 147. Curvas características de un JFET.
Figura 148. Símbolos de transistores NMOS y PMOS.
Figura 149. Estructura física de un transistor NMOS
Figura 150. Curvas de características de un NMOS.
Figura 151. Estructura fisica de un VMOS
Figura 152. Estructura fisica de un CMOS
Figura 153. Circuito de polarización simple de un NJFET.
Figura 154. Autopolarización de un NJFET. (a) Diagrama circuital.
Figura 155. Polarización por divisor de voltaje de un JFET
Figura 156. Gráfica de JFET polarizado por divisor de voltaje.
Figura 157. MOSFET de tipo decremental
Figura 158. MOSFET de tipo Incremental
Figura 159. Ejemplo de una red combinada
Figura 160. Configuración de Autopolarización para diseñar.
Figura 161. Diodo de cuatro capas
Figura 162. Características tensión/corriente del diodo de cuatro capas.
Figura 163. SIDAC: a) estructura física, b) símbolo y c) características I-V.
Figura 164. Características I-V en conducción del MKP3V120.
Figura 165. SIDAC como generador de diente de sierra.
Figura 166. SBS: a) símbolo, b) circuito equivalente y c) Curva característica I-V
Figura 167. a) Símbolo del SCR, b) Modelo a nivel de transistor
Figura 168. Características I-V del SCR.
Figura 169. Circuitos de protección contra transitorios de a) tensión b) intensidad.
Figura 170. Circuito regulador de potencia basado en un SCR.
Figura 171. Formas de onda del circuito de la figura 170.
Figura 172. Foto-SCR o LASCR: a) Símbolo y b) ajuste de sensibilidad a la luz.
Figura 173. Símbolo de un GTO
Figura 174. a) Símbolo del PUT y b) oscilador basado en un PUT.
Figura 175. a) Símbolo del TRIAC y b) Modelo equivalente en SCR.
Figura 176. Esquema de un opto-TRIAC.
Figura 177. Esquema de un opto-acoplador TRIAC para activar un TRIAC
Figura 178. Transistor UJT.
Figura 179. Características eléctricas de un UJT
Figura 180. El UJT como oscilador de relajación
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Figura 181. Zona de seguridad de disparo del SCR TF521S.
Figura 182. Circuitos de disparo de SCR.
Figura 183. Regulador de luz
Figura 184. Regulador de luz con UJT.
Figura 186. Circuito de control de calor.
Figura 185. Control de velocidad de motores.
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INTRODUCCIÓN
La electrónica representa la maravilla del desarrollo de la tecnología en más de
medio siglo, Gracias a la electrónica existen los llamados electrodomésticos que
han cambiado la forma de trabajar e investigar de la humanidad, en la historia
ninguna herramienta creada por el hombre, tenía la capacidad de crear otras y
acelerar su evolución, en la actualidad muchos instrumentos y en general
cualquier dispositivo electrónico utilizan muchos componentes para optimizar su
funcionamiento.
La finalidad de este libro es didáctica y su edición se ha realizado para el uso de
los estudiantes de los programas de Tecnología e Ingeniería Electrónica de la
Universidad Nacional Abierta y a distancia – UNAD.
Se recomienda que cada estudiante lea el artículo: “Fabricación de los circuitos
integrados que mueven al mundo”.2
2 Anexo A del libro: Electrónica: Teoría de circuitos y dispositivos electrónicos.
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UNIDAD 1
Nombre de la Unidad FUNDAMENTOS DE LOS SEMICONDUCTORES
Introducción
Los semiconductores han revolucionado la electrónica
más que ninguna otra tecnología. No existe prácticamente
ningún circuito, sistema o equipo electrónico moderno que
no utilice semiconductores de una u otra forma. Esta
unidad explica a grandes rasgos la teoría básica de los
semiconductores y examina los principales tipos
disponibles actualmente, haciendo especial énfasis en los
diodos, los transistores bipolares, los transistores de
efecto de campo y los tiristores. Para cada uno se
analizan su funcionamiento, su simbología, sus variantes
o tipos, sus formas de identificación y sus aplicaciones
generales. En los capítulos siguientes se estudian en
detalle sus características y su comportamiento como
elementos circuitales.
Justificación
La propiedad especial de los materiales semiconductores
ha proporcionado a la electrónica un avance gigante en
dar respuesta a las necesidades que el ser humano
usando la tecnología, por esta razón al aprender
electrónica es necesario conocer a profundidad todo sobre
los materiales semiconductores, en este modulo se
plasma los fundamentos y aplicaciones de la tecnología
con que se logra construir sistemas electrónicos estables
para el desarrollo de soluciones a todo tipo de sectores
para de este modo el estudiante adquiera las
competencias necesarias para diseñar y mantener
sistemas electrónicos analógicos básicos.
Intencionalidades
Formativas
Con esta Unidad se pretende que el estudiante conozca
en profundidad los fundamentos de los dispositivos
semiconductores, su construcción, arquitectura, evolución
y aplicaciones
Denominación de
capítulos
Capitulo 1: Los Diodos
Capitulo 2: Transistores Bipolares BJT
Capitulo 3: Polarización DC del transistor BJT
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CAPITULO 1: LOS DIODOS
LECCIÓN 1: DIODOS SEMICONDUCTORES.
DIODO IDEAL
Nuestro primer elemento que estudiaremos es el Diodo, por su simplicidad y
utilidad. Es por analogía similar a un interruptor eléctrico. Su uso va desde diseños
sencillos hasta circuitos de gran complejidad. Además de presentar los detalles
acerca de su fabricación y de sus características, se observaran las hojas de datos
y las gráficas más relevantes que se encuentran en las hojas de especificaciones.
Cuándo un dispositivo tiene características perfectas lo conocemos como IDEAL.
Luego, un diodo ideal es un dispositivo construido con dos terminales y con unas
características tales como se muestran en las figuras 1a y 1b
Figura 1. Diodo ideal. (a) Símbolo; (b) Característica
El diodo ideal tiene características semejantes a las de un interruptor, permite la
conducción de corriente en una sola dirección. En la dirección que indica la flecha
en la figura 1a. Donde uno de sus terminales, el cual se llama ánodo, tiene
aplicado un potencial positivo (indicado en la gráfica con el signo +), y en el otro
terminal, el cual se llama cátodo, tiene aplicado un potencias negativo (indicado
en la gráfica con el signo -). De esta forma, el diodo ideal cumple con lo siguiente:
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Gráficamente podemos concluir:
a) Cuando un diodo ideal esta polarizado directamente tenemos un cortocircuito.
Figura 2. Cortocircuito
b) Cuando un diodo ideal esta polarizado inversamente tenemos un circuito
abierto.
Figura 3. Circuito abierto
Entonces nos quedan los siguientes interrogantes:
a) ¿Qué tan cercana será la resistencia en polarización directa o resistencia “de
encendido” de un diodo real al valor ideal de cero ohmios?
b) ¿La resistencia en polarización inversa será lo suficientemente grande para
permitir una aproximación a un circuito abierto?
MATERIALES SEMICONDUCTORES, NIVELES DE ENERGÍA Y
MATERIALES EXTRÍNSECOS.
La palabra semiconductor define en sí misma la característica y se aplica
normalmente a un rango de nivel entre dos límites. Los materiales se clasifican de
acuerdo con la facilidad para permitir el flujo de carga o conductividad cuando una
fuente de voltaje de magnitud limitada se aplica a sus terminales, así: conductores,
si el flujo de carga es generoso; aislante o dieléctrico cuando ese flujo es nulo o
casi nulo y semiconductor cuando el flujo de carga es mucho mayor al dieléctrico y
mucho menor al de un conductor.
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Entonces tenemos otro elemento que nos ayudará en la comprensión de este
tema, la resistividad o resistencia al flujo de carga. Es una magnitud relacionada
inversamente con la conductividad.
Mientras mayor sea la conductividad del material menor será la resistividad del
mismo.
Se define la resistividad (p, letra griega rho) como la magnitud característica que
mide la capacidad de un material para oponerse al flujo de una corriente eléctrica.
También recibe el nombre de resistencia específica. Es la inversa de la
conductividad eléctrica (o, letra griega sigma). La resistividad se representa por p y
se mide en ohmímetro.
La resistividad eléctrica de un material viene dada por la expresión R · S/l, donde
R es la resistencia eléctrica del material, l la longitud y S la sección transversal.
Donde, R equivale a la resistencia del cubo.
ρ equivale a la magnitud de la resistividad.
Conductor
p=10-6Q-m. Cobre
Semiconductor
ρ ≈ 50 Ω- cm. Germanio
ρ ≈ 50 * 103 Ω- cm. Silicio
Dieléctrico
ρ ≈ 1012 Ω- cm. Mica
Tabla 1. Valores representativos de la resistividad.
Podemos observar en la tabla No.1 los valores representativos de la resistividad
para las tres categorías amplias de materiales.
Nos centraremos en los semiconductores advirtiendo que el germanio (Ge) y el
silicio (Si) no son los únicos dos materiales semiconductores, pero ellos son los
que más se han trabajado en el desarrollo de dispositivos semiconductores. Pues
estos materiales poseen una consideración especial, se pueden fabricar con un
alto nivel de pureza. Se ha logrado una razón de una parte de impureza en diez
mil millones de partes de material (1:10.000.000.000). Esto es fundamental,
porque si los niveles de impurezas son mayores se puede pasar de un material
semiconductor a uno conductor.
La otra razón importante para que el silicio y el germanio sean tenidos en cuenta
en la fabricación de semiconductores está en la habilidad para transformar
significativamente las características del material en un proceso llamado dopaje.
Además, pueden ser modificados por otros métodos como la aplicación de luz o
de calor.
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Figura 4. Estructura atómica de un conductor: el cobre (Cu).
El silicio y el germanio tienen una estructura atómica bien definida que por
naturaleza es periódica, es decir, que se repite continuamente. El patrón completo
se denomina cristal y el arreglo periódico se denomina red. En un cristal puro de
germanio o de silicio, los átomos están unidos entre sí en disposición periódica,
formando una rejilla cúbica tipo diamante perfectamente regular. Cada átomo del
cristal tiene cuatro electrones de valencia, cada uno de los cuales interactúa con el
electrón del átomo vecino formando un enlace covalente. Al no tener los
electrones libertad de movimiento, a bajas temperaturas y en estado cristalino
puro, el material actúa como un aislante.
Pero es posible que estos electrones adquieran suficiente energía cinética de
origen natural para romper el enlace y asumir el estado de “libre”.
El término libre manifiesta que su movimiento será muy sensible a la aplicación de
potenciales eléctricos. Las causas naturales incluyen efectos como la energía
luminosa en forma de fotones o energía térmica que proviene del entorno.
El silicio tiene alrededor de 1,5 X 1010 portadores libres en un centímetro
cuadrado de material intrínseco de silicio. Los electrones libres generados por
causas naturales se denominan portadores intrínsecos.
La comparación entre el germanio y el silicio con respecto a los electrones libres a
temperatura ambiente es de 103 veces mayor en el germanio. El comportamiento
del germanio y del silicio con el incremento de temperatura presenta una
reducción de su resistencia. Esto es, tienen un coeficiente de temperatura
negativo.
Los cristales de germanio o de silicio contienen pequeñas cantidades de
impurezas que conducen la electricidad, incluso a bajas temperaturas. Las
impurezas tienen dos efectos dentro del cristal. Las impurezas de fósforo,
antimonio o arsénico se denominan impurezas donantes porque aportan un
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exceso de electrones. Este grupo de elementos tiene cinco electrones de valencia,
de los cuales sólo cuatro establecen enlaces con los átomos de germanio o silicio.
Por lo tanto, cuando se aplica un campo eléctrico, los electrones restantes de las
impurezas donantes quedan libres para desplazarse a través del material
cristalino. Por el contrario, las impurezas de galio y de indio disponen de sólo tres
electrones de valencia, es decir, les falta uno para completar la estructura de
enlaces interatómicos con el cristal. Estas impurezas se conocen como impurezas
receptoras, porque aceptan electrones de átomos vecinos. A su vez, las
deficiencias resultantes, o huecos, en la estructura de los átomos vecinos se
rellenan con otros electrones y así sucesivamente.
Estos huecos se comportan como cargas positivas, como si se movieran en
dirección opuesta a la de los electrones cuando se les aplica un voltaje.
En una estructura atómica aislada existen niveles de discretos de energía
asociados a cada electrón en las diferentes orbitas del átomo
Figura 5. Niveles de energía.
En la figura 5 observamos que entre los niveles de valencia existen bandas de
energía vacías, donde ningún electrón de la estructura atómica aislada puede
permanecer. Cuando lo átomos de un material se unen para formar una red de
estructura cristalina, existirá una interacción entre los átomos, donde los
electrones de una órbita particular de un átomo posea un nivel de energía
diferente a la del electrón de la misma órbita del átomo adyacente.
Mientras más distante se encuentre un electrón del núcleo, mayor será su estado
de energía. Tal como lo vemos en la figura 4. Además, en la figura 6, se observa
una región prohibida entre la banda de valencia y la banda de ionización. Donde
ionización es el mecanismo por medio del cual un electrón puede absorber
energía suficiente para escapar de la estructura atómica e ingresar a la banda de
conducción. Aparece el término de electrón volts. El cuál es la medida con la cual
se mide la energía asociada a cada electrón.
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Definimos la energía como el producto entre voltaje y carga asociada a cada
electrón y está dada en electrón voltios (eV).
Figura 6. Bandas de conducción y valencia.
Si sustituimos la carga de un electrón y una diferencia de potencial de 1 voltio en
ese producto, obtendremos como resultado un nivel de energía referido como un
electrón voltio. La energía se expresa también en joules y la carga de un electrón
en 1,6 X 10-19 coulomb, entonces:
W= QV = (1,6 X 10-19 C) * (1 V) (1.3)
1 Ev = 1,6 X 10-19 J (1.4)
Cuando la temperatura es de 0 K o cero absolutos (-273,15 °C), todos los
electrones de valencia de un material semiconductor estarán ligados a la
estructura atómica. Pero si la temperatura llegase a 300 K o 25 °C, un número alto
de electrones de valencia habrán adquirido la suficiente energía para abandonar la
banda de valencia, cruzar la banda de energía vacía definida por Eg e ingresar a
la banda de conducción. En la figura 6 se establece una tabla para diferentes
materiales semiconductores y el valor de Eg. Es evidente que a temperaturas
ambiente existirán portadores libres, más que suficiente para mantener un flujo
constante de carga o corriente.
Entre los semiconductores comunes se encuentran elementos químicos y
compuestos, como el silicio, el germanio, el selenio, el arseniuro de galio, el
seleniuro de zinc y el telururo de plomo. El incremento de la conductividad
provocado por los cambios de temperatura, la luz o las impurezas se debe al
aumento del número de electrones conductores que transportan la corriente
eléctrica. En un semiconductor característico o puro como el silicio, los electrones
de valencia (o electrones exteriores) de un átomo están emparejados y son
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compartidos por otros átomos para formar un enlace covalente que mantiene al
cristal unido. Estos electrones de valencia no están libres para transportar
corriente eléctrica.
Para producir electrones de conducción, se utiliza la luz o la temperatura, que
excita los electrones de valencia y provoca su liberación de los enlaces, de
manera que pueden transmitir la corriente. Las deficiencias o huecos que quedan
contribuyen al flujo de la electricidad (se dice que estos huecos transportan carga
positiva). Éste es el origen físico del incremento de la conductividad eléctrica de
los semiconductores a causa de la temperatura
Un cristal de germanio o de silicio que contenga átomos de impurezas donantes
se llama semiconductor negativo, o tipo N, para indicar la presencia de un exceso
de electrones cargados negativamente. El uso de una impureza receptora
producirá un semiconductor positivo, o tipo P, llamado así por la presencia de
huecos cargados positivamente.
Un cristal sencillo que contenga dos regiones, una tipo N y otra tipo P, se puede
preparar introduciendo las impurezas donantes y receptoras en germanio o silicio
fundido en un crisol en diferentes fases de formación del cristal. El cristal
resultante presentará dos regiones diferenciadas de materiales tipo N y tipo P.
La franja de contacto entre ambas áreas se conoce como unión PN. Tal unión se
puede producir también colocando una porción de material de impureza donante
en la superficie de un cristal tipo p o bien una porción de material de impureza
receptora sobre un cristal tipo n, y aplicando calor para difundir los átomos de
impurezas a través de la capa exterior.
Al aplicar un voltaje desde el exterior, la unión PN actúa como un rectificador,
permitiendo que la corriente fluya en un solo sentido. Si la región tipo P se
encuentra conectada al terminal positivo de una batería y la región tipo N al
terminal negativo, fluirá una corriente intensa a través del material a lo largo de la
unión. Si la batería se conecta al revés, no fluirá la corriente.
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:
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Figura 7. Representación de un cristal de silicio
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 7. 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.
Figura 8. Movimiento de electrones libres.
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A 0 °K, todos los electrones son ligados. A 300 °K o más, aparecen electrones
libres, tal como lo expresamos anteriormente.
Esta unión de un electrón libre y un hueco se llama "recombinación", y el tiempo
entre la creación y desaparición de un electrón libre se denomina "tiempo de vida".
Figura 9. Enlace covalente roto
Enlace covalente roto: Es cuando tenemos un hueco, esto es una generación de
pares electrón libre - hueco.
Según un convenio ampliamente aceptado tomaremos la dirección de la corriente
como contraria a la dirección de los electrones libres.
Figura 10. Grafica de movimiento de electrones en el silicio.
En la figura 10 vemos que los electrones libres (electrones) se mueven hacia la
izquierda ocupando el lugar del hueco. Los electrones ligados (huecos) se mueven
hacia la derecha.
Carga del electrón libre = -1.6x10-19 Culombios.
Carga de electrón ligado = +1.6x10-19 Culombios.
Semiconductores: Conducen los electrones (electrones libres) y los huecos
(electrones ligados).
DIODO SEMICONDUCTOR.
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".
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El átomo pentavalente en un cristal de silicio (Si) produce un electrón libre y se
puede representar como un signo "+" encerrado en un círculo y con un punto
relleno (que sería el electrón) al lado. El átomo trivalente sería un signo "-"
encerrado en un círculo y con un punto sin rellenar al lado (que simbolizaría un
hueco).
Entonces la representación de un semiconductor tipo n sería:
Y la de un SC tipo p:
La unión de las regiones p y n será:
Figura 11. La Unión PN
Al juntar las regiones tipo p y tipo n se crea un "Diodo de unión" o "Unión PN".
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".
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Figura 12. Zona de deplexión
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 equivale:
• 0.3 V para diodos de Ge.
• 0.68 V para diodos de Si.
Polarizar: Poner una pila o fuente de voltaje DC.
No polarizado: No tiene pila, circuito abierto o en vacío. z.c.e.: Zona de Carga
Espacial o zona de deplexión (W).
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:
Figura 13. Polarización directa.
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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.
Figura 14. Sentido del movimiento del electrón libre (e-) y de la corriente (I).
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.
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 figura 15 se
muestra una conexión en inversa:
Figura 15. Polarización inversa.
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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.
Figura 16. Sentido del movimiento del electrón libre y de la corriente.
Existe una pequeña corriente en polarización inversa, porque la energía térmica
crea continuamente pares electrón-hueco, lo que hace que haya pequeñas
concentraciones de portadores minoritarios a ambos lados, la mayor parte se
recombina con los mayoritarios pero los que están en la z.c.e. pueden vivir lo
suficiente para cruzar la unión y tenemos así una pequeña corriente. La zona de
deplexión empuja a los electrones hacia la derecha y el hueco a la izquierda, se
crea así una la "Corriente Inversa de Saturación"(IS) que depende de la
temperatura.
Además hay otra corriente "Corriente Superficial de Fugas" causada por las
impurezas del cristal y las imperfecciones en su estructura interna. Esta corriente
depende de la tensión de la pila (V ó VP).
Entonces la corriente en inversa (I ó IR) será la suma de esas dos corrientes:
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concluimos con el siguiente mapa conceptual:
Figura 17. Mapa Conceptual Diodo Semiconductor
LECCIÓN 2: ANÁLISIS DE CIRCUITOS CON DIODOS.
Se define un circuito equivalente como una combinación de elementos elegidos de
forma apropiada para representar de la mejor manera las características
terminales reales de un dispositivo, sistema o similar, para una región de
operación particular.
La idea es sustituir por un circuito equivalente que no afecte de forma importante
el comportamiento real del sistema. Para poder conseguir una red que pueda
resolverse con las técnicas tradicionales de análisis de circuitos.
La forma más fácil de hacerlo es mediante el uso de segmentos donde los
comportamientos son lineales. Aun cuando no se represente de forma exacta las
características reales del dispositivo o sistema. Sin embargo, el resultado está
muy aproximado a la curva real, lo cual, establece un circuito equivalente que
proporciona una muy buena aproximación al comportamiento real del dispositivo.
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Previamente debemos tener en cuenta, en el comportamiento la función resistiva
que posee el diodo. Antes de ver el diodo vamos a ver las características de la
resistencia.
La resistencia de carbón típica está formada por polvo de carbón pulverizado. Son
importantes las dimensiones del carbón.
Figura 18. Análisis de una resistencia.
Para analizar el comportamiento de esa resistencia la polarizaremos primero en
directa y luego en inversa. Se toman los valores con un Amperímetro y un
Voltímetro y se representa la I en función de V, con lo que tendremos el
comportamiento de la resistencia.
Figura 19. Comportamiento de una resistencia en la región de polarización directa.
Si polarizo al revés las ecuaciones son las mismas, pero las corrientes y
las tensiones son negativas.
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Figura 20. Comportamiento de una resistencia en la región de polarización
inversa.
Entonces al final nos quedará de la siguiente forma:
Figura 21. Curva característica de una resistencia.
A esta representación se le llama "Curva Característica" y es una recta, por ello se
dice que la resistencia es un "Elemento Lineal". Es más fácil trabajar con los
elementos lineales porque sus ecuaciones son muy simples.
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:
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Figura 22. Comportamiento de un diodo.
Esta es la curva característica del diodo (un diodo se comporta de esa forma).
Como no es una línea recta, al diodo se le llama "Elemento No Lineal" ó
"Dispositivo No Lineal", y este es el gran problema de los diodos, que es muy
difícil trabajar en las mallas con ellos debido a que sus ecuaciones son bastante
complicadas.
La ecuación matemática de esta curva es:
En directa, a partir de 0.7 V la corriente aumenta mucho, conduce mucho el diodo
y las corrientes son muy grandes. Debido a estas corrientes grandes el diodo
podría romperse, por eso hay que tener cuidado con eso (como máximo se tomará
0.8 V ó 0.9 V). En inversa tenemos corrientes negativas y pequeñas. A partir de
-1V se puede despreciar la e y queda aproximadamente I = - IS, que es muy
pequeña aunque no se ha tenido en cuenta la corriente de fugas, con ella
sería:
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I = -(IS + If)
A partir de -1 V si no hubiera If tendríamos una corriente pequeña y horizontal pero
como hay fugas que son proporcionales a la tensión inversa, bajando poco a poco.
Figura 23. Curvas de comportamiento en las dos zonas de polarización.
Si sigo aumentando la tensión inversa se llegará a un valor de ruptura, en este
ejemplo a VR = -50 V aparece la avalancha y ya la ecuación no vale, es otra
distinta. Y aquí el diodo se destruye a menos que sea especialmente fabricado (un
diodo Zener).
Al punto en el que se vence la barrera de potencial se le llama codo. La "Barrera
de Potencial" ó "Tensión Umbral" es el comienzo del codo, a partir de ahí conduce
mucho el diodo en directa.
En la zona directa tenemos dos características importantes:
•
Hay que vencer la barrera de potencial (superar la tensión umbral Vd) para
que conduzca bien en polarización directa (zona directa).
•
Aparece una resistencia interna (el diodo se comporta aproximadamente
como una resistencia.
Como ya se ha dicho antes es el valor de la tensión a partir del cual el diodo
conduce mucho. A partir de la Tensión Umbral ó Barrera de Potencial la intensidad
aumenta mucho variando muy poco el valor de la tensión.
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(a)
(b)
Figura 23. Tensión umbral (a) y similitud a la curva de una resistencia (b).
A partir de la tensión umbral se puede aproximar, esto es, se puede decir que se
comporta como una resistencia. La zona n tiene una resistencia y la zona p otra
resistencia diferente:
Figura 24. Cálculo de la resistencia en la zona de polarización inversa.
EJEMPLO:
1N4001
rp= 0.13 W
rn = 0.1 W
La resistencia interna es la suma de la resistencia en la zona n y la resistencia en
la zona p.
Y la pendiente de esa recta será el inverso de esta resistencia interna.
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Figura 25. Pendiente de la recta en zona directa.
Como la resistencia interna es pequeña, la pendiente es muy grande, con lo que
es casi una vertical, esto es, conduce mucho. Resumiendo hemos visto que
tenemos:
Figura 26. Curva de un diodo.
Máxima corriente continua en polarización directa,
valor de corriente permitido en la característica del diodo:
Figura 27. Grafica de corriente máxima.
es
el
mayor
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EJEMPLO:
1N4001
IFmáx = 1A (F = forward (directa))
En circuitos como el de la figura, hay que poner una resistencia porque si no el
diodo se estropearía fácilmente. Esto se ve dándole valores a la pila, y viendo las
intensidades que salen, que a partir de 0.7 V (suponiendo que el diodo es de
silicio) aumentan mucho como se ve claramente en la gráfica de la característica
del diodo.
Figura 28. Resistencia limitadora.
Entonces se pone una resistencia para limitar esa corriente que pasa por el diodo,
como se ve en la figura 28. Se calcula la resistencia para limitar la corriente, para
que no aumente a partir de 1 A por ejemplo.
La máxima corriente y la máxima potencia están relacionadas. Como ocurre con
una resistencia, un diodo tiene una limitación de potencia que indica cuanta
potencia puede disipar el diodo sin peligro de acortar su vida ni degradar sus
propiedades. Con corriente continua, el producto de la tensión en el diodo y la
corriente en el diodo es igual a la potencia disipada por éste. Normalmente en
diodos rectificadores no se suele emplear la limitación máxima de potencia, ya que
toda la información acerca de la destrucción del diodo (por calor) ya está
contenida en el límite máximo de corriente.
EJEMPLO: 1N4001. En la hoja de características indica una corriente máxima con
polarización directa Io de 1A. Siempre que la corriente máxima con polarización
directa sea menor que 1A, el diodo no se quemará.
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Figura 29. Disipación de potencia de un diodo
La potencia se disipa en el diodo en forma de calor. Como ya se ha dicho no se
debe pasar de ese valor de potencia.
En polarización inversa teníamos una corriente que estaba formada por la suma
de los valores de la corriente IS y la corriente de fugas If (Figura 30). Hay que tener
cuidado, no hay que llegar a VR porque el diodo se rompe por avalancha (excepto
si es un Zener).
Figura 30. Polarización inversa.
Los modelos de resolución de circuitos con diodos más usados son 4:
EXACTA POR TANTEO: Ecuación del diodo exponencial y ecuación de la malla.
MODELOS EQUIVALENTES APROXIMADOS: 1ª aproximación, 2ª aproximación
y 3ª aproximación.
DE FORMA GRÁFICA: Recta de carga.
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Primeramente analizaremos la resolución de forma
que queremos resolver es el de la figura 31.
exacta. El circuito
Figura 31.Circuito
Primeramente y mirando la temperatura en la que estamos trabajando tomamos
del catálogo los siguientes valores para Tª = 27 ºC (temperatura ambiente):
Con esto podremos continuar calculando:
De la ecuación exacta del diodo:
Tenemos 2 incógnitas y una ecuación, necesitamos otra ecuación que será la
ecuación de la malla:
Y ahora tenemos 2 incógnitas y 2 ecuaciones, resolvemos:
Nos queda que es imposible despejar la V, es una "ecuación trascendente". Para
resolver este tipo de ecuaciones hay que usar otro tipo de métodos, aquí lo
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resolveremos por "tanteo", que consiste en ir dándole valores a una de las
incógnitas hasta que los valores se igualen.
En este ejemplo hemos usado una malla, pero si tuviéramos más diodos,
tendríamos más exponenciales, más mallas, etc... Esto es muy largo, por eso no
se usa (a no ser que dispongamos de un PC y un programa matemático para
resolver este tipo de ecuaciones). Para poder hacerlo a mano, vamos a basarnos
en unos modelos aproximados más o menos equivalentes del diodo. Estos
modelos equivalentes aproximados son lineales, al ser aproximados cometeremos
alguna imprecisión.
1ª Aproximación (el diodo ideal). La exponencial se aproxima a una vertical y
una horizontal que pasan por el origen de coordenadas. Este diodo es ideal, no se
puede fabricar. Polarización directa: Es como sustituir un diodo por un interruptor
cerrado.
Figura 32. Diodo ideal en zona de conducción.
Con la 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 de si esta en inversa o en directa. Para ver los diferentes errores que
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cometeremos con las distintas aproximaciones vamos a ir analizando cada
aproximación.
EJEMPLO:
Figura 33. Circuito
En polarización directa:
2ª Aproximación. La exponencial se aproxima a una vertical y a una horizontal
que pasan por 0,7 V (este valor es el valor de la tensión umbral para el silicio,
porque suponemos que el diodo es de silicio, si fuera de germanio se tomaría el
valor de 0,3 V).
Figura 34. 2ª aproximación.
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El tramo que hay entre 0V y 0,7V es en realidad polarización directa, pero como
para efectos prácticos no conduce, se toma como inversa. Con esta segunda
aproximación el error es menor que en la aproximación anterior. Polarización
directa: La vertical es equivalente a una pila de 0,7V. Polarización inversa: Es un
interruptor abierto.
EJEMPLO: Resolveremos el mismo circuito de antes pero utilizando la segunda
aproximación que se ha visto ahora. Como en el caso anterior lo analizamos en
polarización directa:
Como se ve estos valores son distintos a los de la anterior aproximación, esta
segunda aproximación es menos ideal que la anterior, por lo tanto es más exacta,
esto es, se parece más al valor que tendría en la práctica ese circuito.
3ª Aproximación. La curva del diodo se aproxima a una recta que pasa por 0,7 V
y tiene una pendiente cuyo valor es la inversa de la resistencia interna. El estudio
es muy parecido a los casos anteriores, la diferencia es cuando se analiza la
polarización directa:
Figura 35. 3ª Aproximación.
EJEMPLO: En el ejemplo anterior usando la 3ª aproximación, tomamos 0,23 Ω
como valor de la resistencia interna.
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Esta tercera aproximación no merece la pena usarla porque el error que se
comete, con respecto a la segunda aproximación, es mínimo. Por ello se usará la
segunda aproximación en lugar de la tercera excepto en algún caso especial.
Para elegir que aproximación se va a usar se tiene que tener en cuenta, por
ejemplo, si son aceptables los errores grandes, ya que si la respuesta es
afirmativa se podría usar la primera aproximación. Por el contrario, si el circuito
contiene resistencias de precisión de una tolerancia de 1%, puede ser necesario
utilizar la tercera aproximación. Pero en la mayoría de los casos la segunda
aproximación será la mejor opción. La ecuación que utilizaremos para saber que
aproximación se debe utilizar es esta:
Fijándonos en el numerador se ve que se compara la VS con 0.7 V. Si VS es igual
a 7V, al ignorar la barrera de potencial se produce un error en los cálculos del 10
%, si VS es 14V un error del 5 %, etc...
Tabla No. 2
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Viendo el denominador, si la resistencia de carga es 10 veces la resistencia
interna, al ignorar la resistencia interna se produce un error del 10 % en los
cálculos. Cuando la resistencia de carga es 20 veces mayor el error baja al 5% y
así sucesivamente.
Tabla No. 3
En la mayoría de los diodos rectificadores la resistencia interna es menor que 1 Ω,
lo que significa que la segunda aproximación produce un error menor que el 5 %
con resistencias de carga mayores de 20 Ω. Por eso la segunda aproximación es
una buena opción si hay dudas sobre la aproximación a utilizar. Ahora veremos
una simulación para un ejemplo concreto de uso de estas aproximaciones.
Cualquier circuito tiene variables independientes (como tensiones de alimentación
y resistencias en las ramas) y variables dependientes (tensiones en las
resistencias, corrientes, potencias, etc.). Cuando una variable independiente
aumenta, cada una de las variables dependientes responderá, normalmente,
aumentando o disminuyendo. Si se entiende cómo funciona el circuito,
entonces se puede predecir si una variable aumentará o disminuirá.
EJEMPLO:
Figura 31.Circuito
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Si se analiza la resistencia RL y la tensión VS, se ve que los valores que se desean
son de 1 KΩ y 10 V en este caso, a estos se les llama "valores nominales", pero
los valores reales se rigen por unas tolerancias, que son unos rangos de valores
no un valor fijo. El diodo también puede variar su valor de tensión umbral.
Pero estas tres variables (RL, VS y Vj) dependen de la fabricación, estos es
dependen de sí mismas, son "variables independientes". Por otro lado están las
"variables dependientes", que dependen de las tres variables anteriores, que son:
VL, IL, PD, PL y PT. Estos quedan reflejados en la tabla No 4:
Tabla No 4
ANÁLISIS POR MEDIO DE LA RECTA DE CARGA.
La recta de carga es una herramienta que se emplea para hallar el valor de la
corriente y la tensión del diodo. Las rectas de carga son especialmente útiles para
los transistores, por lo que más adelante se dará una explicación más detallada
acerca de ellas.
Hasta ahora hemos visto las 2 primeras, la tercera forma de analizarlos es de
forma gráfica, esto es calculando su recta de carga.
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Figura 37. Análisis con la recta de carga
Si de la ecuación de la malla, despejamos la intensidad tenemos la ecuación de
una recta, que en forma de gráfica sería:
A esa recta se le llama "recta de carga" y tiene una pendiente negativa. El punto
de corte de la recta de carga con la exponencial es la solución, el punto Q,
también llamado "punto de trabajo" o "punto de funcionamiento". Este punto Q se
controla variando VS y RS. Al punto de corte con el eje X se le llama "Corte" y al
punto de corte con el eje Y se le llama "Saturación".
APROXIMACIÓN DE DIODOS.
En el capítulo anterior cuando se realizó el análisis del modelo equivalente
mediante la utilización de segmentos lineales no se utilizó en el análisis de la
recta de carga debido a que RS es típicamente mucho menor que los otros
elementos en serie de la red. Si recurriéramos a un análisis tan preciso donde
tengamos en cuenta las
variaciones
por
tolerancias,
temperaturas
etc.,
Concluiríamos que una solución es tan precisa como la otra.
Por esto, solamente debemos tener en cuenta el material con el cual está
fabricado nuestro diodo, silicio o germanio para determinar el voltaje de caída que
aporta en un análisis circuital.
Tipo de diodo
Silicio
Germanio
IDEAL
Valor de VD
0,7 V
0,3 V
0,0 V
Tabla No 5
CONFIGURACIONES DE DIODOS EN SERIE CON ENTRADAS DC.
En el desarrollo de circuitos fácilmente encontraremos una variedad de
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configuraciones de diodos en serie con entrada de DC. Debemos tener muy claro
que un diodo está en estado de conducción ó encendido si las corrientes aplicadas
por las fuentes son superiores a la corriente umbral y permiten una caída de
voltaje de acuerdo al tipo de material de construcción del diodo (VD> 0,7 V para el
silicio o 0,3 V para el germanio).
Para cada configuración, la técnica consiste en reemplazar los diodos por
elementos resistivos con una caída de voltaje siempre y cuando la dirección de la
corriente sea en el sentido que polarice de forma directa al diodo y este esté en
estado de conducción. Para este caso, reemplazamos el diodo por una fuente de
voltaje con el valor correspondiente al material, ver tabla No 5, y así, se realizará
un análisis que cumpla con la Ley de Kirchhoff, es decir, que la suma de los
voltajes de una malla debe ser cero. En caso contrario, un diodo polarizado
inversamente, se representará como un circuito abierto. Para cualquier caso,
siempre se debe cumplir con la Ley de Kirchhoff.
CONFIGURACIÓN DE DIODOS EN PARALELO Y SERIE –
PARALELO.
Siendo consecuente con lo visto en el apartado anterior, el análisis de las
configuraciones paralelo y serie – paralelo se realizarán de una forma similar. Se
cambiarán los diodos por fuentes de voltajes y/o circuitos abiertos y se procederá
a la realización del respectivo análisis.
Dentro de estas aplicaciones, podemos encontrar circuitos que se pueden
comportar como compuertas AND/OR.
HOJA DE ESPECIFICACIONES, PRUEBAS DE DIODOS
La mayor parte de la información que suministra el fabricante en las hojas de
características es solamente útil para los que diseñan circuitos, nosotros
solamente estudiaremos aquella información de la hoja de características que
describe parámetros que aparecen en este texto.
CAPACITANCIA DE TRANSICIÓN Y DIFUSIÓN
Todos los dispositivos electrónicos cambian su comportamiento cuando se
someten a las altas frecuencias. En los rangos de baja frecuencias los efectos
capacitivos pueden ignorarse porque su reactancia (XC= 1/2π f C) es muy alta en
esta zona de frecuencias y equivaldría a un circuito abierto. En un diodo
semiconductor pn se presentan dos efectos capacitivos que se deben tener en
cuenta. Ambos tipos se presentan tanto en la zona de polarización directa como
en la zona de polarización inversa. Uno de los efectos es superior al otro en cada
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zona. En la región de polarización directa, el efecto significativo se conoce como
capacitancia de difusión (CD). Y en la región de polarización inversa, se presenta
la capacitancia de transición (CT) o de región de agotamiento.
Figura 38. Incorporación del efecto de capacitancia de transición.
Los efectos capacitivos descritos se representan con un capacitor en paralelo al
diodo ideal. Figura 38. En aplicaciones de baja y mediana frecuencia, salvo en el
área de potencia, el capacitor no se incluye en el símbolo del diodo.
TIEMPO DE RECUPERACIÓN INVERSO.
En las hojas de especificaciones los fabricantes proporcionan entre otros datos, el
tiempo de recuperación inversa, el cual se representa por trr. Anteriormente vimos
que en la región de polarización directa, existe un gran número de electrones que
se desplazan del material tipo n hacia el material tipo p, y una gran cantidad de
huecos que se desplazan en sentido contrario de los electrones. Siendo este el
requisito para que exista conducción. Luego, los electrones en el tipo p y los
huecos que se difunden a través del material tipo n establecen una gran cantidad
de portadores minoritarios en cada material. Si se aplica un voltaje inverso al
estado anterior, el diodo cambia de estado de conducción a un estado de no
conducción. Pero, debido al gran número de portadores minoritarios en cada
material, la corriente del diodo sencillamente se invierte y se mantiene en este
nivel durante un tiempo ts (tiempo de almacenamiento), que requieren los
portadores minoritarios para regresar a su estado de portadores mayoritarios en el
material opuesto.
Figura 39. Definición del tiempo de recuperación inverso.
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Esto es, el diodo permanece en estado de circuito cerrado con una corriente Iinversa
determinada por los parámetros de la red. Una vez, el tiempo de almacenamiento
termine, la corriente se reducirá hasta alcanzar el estado de no conducción.
Esta segunda etapa se reconoce como el tiempo de recuperación y se designa por
tt, conocido como el intervalo de transición.
En la práctica los tiempos están en el orden de 1 microsegundo (1 μSeg) pero
pueden existir trr del orden de unos cientos de picosegundos (10-12).
TENSIÓN INVERSA DE RUPTURA.
Estudiaremos la hoja de características del diodo 1N4001, un diodo rectificador
empleado en fuentes de alimentación (circuitos que convierten una tensión alterna
en una tensión continua).
La serie de diodos del 1N4001 al 1N4007 son siete diodos que tienen las mismas
características con polarización directa, pero en polarización inversa sus
características son distintas.
Primeramente analizaremos las "Limitaciones máximas" que son estas:
Tabla No. 6
Estos tres valores especifican la ruptura en ciertas condiciones de funcionamiento.
Lo importante es saber que la tensión de ruptura para el diodo es de 50 V,
independientemente de cómo se use el diodo. Esta ruptura se produce por la
avalancha y en el 1N4001 esta ruptura es normalmente destructiva.
CORRIENTE MÁXIMA CON POLARIZACIÓN DIRECTA.
Un dato interesante es la corriente media con polarización directa, que aparece así
en la hoja de características:
Tabla No. 7
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Indica que el 1N4001 puede soportar hasta 1A con polarización directa cuando se
le emplea como rectificador. Esto es, 1A es el nivel de corriente con polarización
directa para el cual el diodo se quema debido a una disipación excesiva de
potencia. Un diseño fiable, con factor de seguridad 1, debe garantizar que la
corriente con polarización directa sea menor de 0,5A en cualquier condición de
funcionamiento.
Los estudios de las averías de los dispositivos muestran que la vida de éstos es
un tanto más corta cuanto más cerca trabajen de las limitaciones máximas. Por
esta razón, algunos diseñadores emplean factores de seguridad hasta de 10:1,
para 1N4001 será de 0,1A o menos.
CAÍDA DE TENSIÓN CON POLARIZACIÓN DIRECTA
Otro dato importante es la caída de tensión con polarización directa:
Tabla No. 8
Estos valores están medidos en alterna, y por ello aparece la palabra instantáneo
en la especificación. El 1N4001 tiene una caída de tensión típica con polarización
directa de 0,93 V cuando la corriente es de 1 A y la temperatura de la unión es de
25 ºC.
CORRIENTE INVERSA MÁXIMA
En esta tabla está la corriente con polarización inversa a la tensión continua
indicada (50 V para un 1N4001).
Tabla No. 9
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Esta corriente inversa incluye la corriente producida térmicamente y la corriente de
fugas superficial. De esto deducimos que la temperatura puede ser importante a la
hora del diseño, ya que un diseño basado en una corriente inversa de 0,05mA
trabajará muy bien a 25 ºC con un 1N4001 típico, pero puede fallar si tiene que
funcionar en medios donde la temperatura de la unión alcance los 100 ºC.
Siempre que se habla de continua, se quiere decir que es estática, que nunca
cambia, es una "Resistencia Estática". En la zona de polarización directa se
simboliza con RF y en la zona de polarización inversa con RR.
Lo estudiaremos para el diodo 1N914:
RESISTENCIA CON POLARIZACIÓN DIRECTA
En cada punto tenemos una resistencia distinta, esa resistencia es el equivalente
del diodo en polarización directa para esos valores concretos de intensidad y
tensión.
Figura 40. Valores del diodo.
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Si comparamos este valor de resistencia con la resistencia interna:
Figura 41. Comparación de la resistencia interna del diodo.
Como los 3 puntos tienen la misma pendiente quiere decir que para los 3 puntos el
modelo es el mismo. Entonces la RF anterior no es útil porque varía, pero la rB no
varía y por eso esta es la resistencia que se utiliza.
RESISTENCIA CON POLARIZACIÓN INVERSA
Exageramos la curva de la gráfica para verlo mejor:
Figura 42. Resistencia con polarización inversa.
Como en el caso anterior en cada punto tenemos una recta, por lo tanto un RR
(R = Reverse, inversa)
para cada punto.
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Como es un valor muy grande, se puede considerar infinito (idealmente circuito
abierto). Este valor no es útil, no se utiliza para hacer modelos o mallas, pero de
forma práctica en el laboratorio puede ser útil (el polímetro marca la resistencia
estática y se puede utilizar para detectar averías).
Figura 43. Medición de un diodo.
LECCIÓN 3: RECTIFICACIÓN DE MEDIA ONDA Y DE ONDA
COMPLETA.
Este es el circuito más simple que puede convertir corriente alterna en corriente
continua. Este rectificador lo podemos ver representado en la siguiente figura:
Figura 44. Rectificación de media onda.
Las gráficas que más nos interesan son:
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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".
La siguiente figura muestra un rectificador de onda completa con 2 diodos:
Figura 45. Rectificación de onda completa.
Debido a la conexión en el centro del devanado
circuito es equivalente a dos rectificadores de media onda.
secundario,
el
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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.
Figura 46.Ondas
Aplicamos Fourier como antes.
Ahora la frecuencia es el doble de 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:
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Figura 47. Componentes
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 Fourier. En estos casos hemos usado la
1ª 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.
En la figura siguiente podemos ver un rectificador de onda completa en puente:
Figura 48. Rectificación de onda completa con puente.
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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.
Figura 49. Explicación gráfica de rectificación.
Las gráficas tienen esta forma:
Figura 50. Graficas
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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 costo del circuito.
LECCIÓN 4: CIRCUITOS RECORTADORES, SUJETADORES, Y
MULTIPLICADORES DE VOLTAJE.
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.
Entonces hay que elevar la tensión de la red. Primero se pone un transformador
elevador con todos los diodos y condensadores que necesite.
Figura 51. Un multiplicador de tensión.
Y tenemos un rizado casi nulo.
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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
Figura 52. Doblador de tensión
Para comenzar a analizar este tipo de circuitos es interesante tener en cuenta este
truco. Truco: Empezar en el semiciclo (malla) donde se cargue un solo
condensador.
Figura 53. Funcionamiento de un doblador de tensión.
Entonces nos queda de esta forma si ponemos la carga en C2:
Figura 54. Análisis del doblador.
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La masa se coloca en la borna negativa del condensador. Y se carga C2 a 622 V.
Y como se ve, si se conectan las bornas a C2, esto es un doblador de tensión.
Como la corriente de descarga es pequeña, el C2 se descarga despacio con una
constante de tiempo de valor:
Resumiendo tenemos:
Figura 55. Resumen del funcionamiento de un doblador de media onda.
Si cambiamos un poco el circuito tendremos otro ejemplo:
Figura 56. Doblador de tensión de onda completa.
Quitamos la carga para analizarlo. Como ya se ha dicho antes empezamos por
donde haya un solo condensador. Si representamos VL en función del tiempo.
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Figura 57. Análisis de un doblador de onda completa.
Primero uno luego el otro, se van turnando los 2 condensadores, como cada uno
es de 60 Hz, los 2 a la vez son 120 Hz.
Este circuito tiene una ventaja respecto al anterior: El rizado es más pequeño. La
desventaja radica en que no sabemos dónde colocar la masa, en el caso anterior
lo teníamos fácil, pero ahora si ponemos debajo de RL no hay ningún borne de la
red a masa. Si conectamos una carga también a masa puede haber un
cortocircuito. Hay que andar con cuidado al usar ese circuito.
TRIPLICADOR.
Figura 58. Triplicador
Al de media onda se le añade algo. El principio es idéntico: Semiciclo negativo se
carga C1, semiciclo positivo se carga C2 a 622V, semiciclo negativo se carga C3 a
622V, 2 veces el pico.
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Ahora elegimos los bornes para sacar:
Figura 59. Triplicador de voltaje
Con esto se puede hacer un doblador y un triplicador dependiendo de dónde se
colocan las bornas. Y tenemos 933V a la salida. El truco consiste en que la
constante de tiempo de descarga sea:
Y si a este circuito se le añade una etapa más (diodo
convierte en un cuadriplicador.
y
condensador)
se
CUADRIPLICADOR
Es como los anteriores, y la tensión se toma como se ve en la figura:
Figura 60. Cuadriplicador de voltaje.
RECORTADORES Ó LIMITADORES
Podemos tener dos tipos de diodos:
•
De Pequeña Señal: Frecuencias mayores de red, limitaciones de potencia
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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.
RECORTADOR POSITIVO
Esta es la forma de un limitador positivo:
Figura 61. Limitador ó recortador positivo.
Se tomó RL >> R para que en el semiciclo negativo vaya todo a la salida.
Recorta los semiciclos positivos, limita o recorta. Si se usa la 2ª aproximación:
No recorta de forma perfecta por no ser ideal el diodo.
Limitador positivo polarizado. Es como el anterior pero con una fuente de voltaje
adicional.
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Figura 62. Limitador ó recortador con fuente de voltaje adicional.
LIMITADOR NEGATIVO
La diferencia con el limitador positivo radica en el cambio de dirección del diodo.
Figura 63. Recortador Negativo.
Para explicar el comportamiento del limitador negativo vamos a analizar un
limitador doble, que está compuesto por un limitador polarizado positivo y otro
limitador polarizado negativo.
Figura 64. Funcionamiento de un limitador negativo.
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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.
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.
Figura 65. Aplicación de un recortador.
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).
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Figura 66. Aplicación de un limitador.
EJEMPLO: Imaginemos que queremos limitar la parte positiva.
Figura 67. Circuito.
Así se protege la carga de tensiones mayores de + 5 V. Limitador = Fijador =
Recortador. Pero este circuito suele ser caro debido a la fuente de voltaje
adicional, que suele ser una fuente de alimentación con su condensador, diodos,
etc... Como la pila es cara se ponen muchos diodos:
Figura 68. Truco de reemplazo de fuente adicional.
El único inconveniente de
tensión a múltiplos de 0,7V.
este
circuito
es
que
nos
limita
esa
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SUJETADORES
Como en el caso anterior, de los limitadores, hay dos tipos de sujetadores de nivel
positivo y negativo.
SUJETADOR DE NIVEL POSITIVO
Lo veremos con un ejemplo:
Figura 69. Utilización de un sujetador de nivel positivo
NOTA: La carga no tiene por qué ser solo una resistencia, puede ser el
equivalente de Thévenin de otro circuito, etc. Se empieza por el semiciclo en el
que conduce un diodo y se carga un condensador. Seguimos con el ejemplo.
Semiciclo negativo.
Figura 70. Funcionamiento de un circuito sujetador positivo.
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
prácticamente una horizontal se tiene que cumplir:
Si suponemos que el condensador se descarga muy poco, entonces asumimos
una tensión permanente de 10V. Hemos subido 10 V el nivel de continua.
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Figura 71. Señal de salida del Sujetador
OFFSET = Nivel de continua. Este es el sujetador de nivel positivo. Si quisiera
cambiar hacia abajo sería el sujetador de nivel negativo que es igual cambiando el
diodo de sentido.
Sujetador de nivel negativo. Como antes, el condensador siempre a 10 V. Se le
resta 10 a la entrada. Es un "OFFSET Negativo".
Figura 72. Funcionamiento de un sujetador de nivel negativo.
Todo esto es cogiendo el diodo ideal. Si usamos 2ª aproximación, diodo a 0.7V.
Figura 73. Grafica de la 2ª aproximación
LECCIÓN 5: DIODO ZENER Y LED.
DIODO ZENER
La aplicación de estos diodos se ve en los Reguladores de Tensión y actúa como
dispositivo de tensión constante (como una pila).
Símbolo:
Figura 74. Diodo Zener.
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Característica: Su gráfica es de la siguiente forma:
Figura 75. Curvas típicas de un diodo zener.
Un diodo normal también tiene una zona de ruptura, pero no puede funcionar en
ella, con el Zener si se puede trabajar en esa zona.
La potencia máxima que resiste en la "Zona de Ruptura" ("Zona Zener"):
En la zona de ruptura se produce el "Efecto Avalancha" ó "Efecto Zener", esto es,
la corriente aumenta bruscamente. Para fabricar diodos con un valor determinado
de tensión de ruptura (VZ) hay que ver la impurificación porque VZ es función de la
impurificación (NA ó ND), depende de las impurezas.
Figura 76. Efecto de avalancha para diferentes materiales semiconductores.
La zona de ruptura no es una vertical, realmente tiene una inclinación debida a RZ:
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Figura 77. Pendiente de la recta.
En un "Diodo Zener Real" todos son curvas, pero para facilitar los cálculos se
aproxima siempre.
Figura 78. Curvas reales de un diodo Zener.
Las aproximaciones para el Zener son estas:
Modelo ideal (1ª aproximación)
Figura 79. Modelo ideal del Zener.
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Si buscamos su equivalente veremos que es una pila con la tensión VZ. Esto solo
es válido entre IZmín y IZmáx.
2ª aproximación:
Figura 80. Segunda aproximación del Zener.
Como en el caso anterior lo sustituimos por un modelo equivalente:
Figura 81. Modelo equivalente del Zener.
Anteriormente habíamos visto este circuito:
Figura 82. Fuente de alimentación DC
Primeramente supondremos que están conectados directamente, por lo tanto vC =
vL entonces:
Figura 83. Curvas de una fuente de alimentación DC.
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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.
Figura 84. Fuente DC regulada con diodo Zener.
Ahora vamos a analizar este regulador de tensión.
Regulador de tensión en vacío (sin carga). vS estará entre un mínimo y un
máximo, y el regulador tiene que funcionar bien entre esos 2 valores (vSmáx y
vSmín).En este caso vS lo pondremos como una pila variable.
Figura 85. Análisis del regulador
Además para que funcione correctamente el Zener tiene que trabajar en la zona
de ruptura.
Figura 86. Comportamiento del diodo Zener
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Para que esté en ruptura se tiene que cumplir:
EJEMPLO: Comprobar si funciona bien el siguiente circuito:
Figura 87. Rectificación con diodo Zener.
Hay que ver si en la característica los valores se encuentran entre IZmín e IZmáx
para comprobar si funciona bien.
Figura 88. Curvas de respuesta de un diodo Zener.
Funciona bien porque se encuentra entre los dos valores (máximo y mínimo). La
salida es constante, lo que absorbe la tensión que sobra es la R (que es la
resistencia limitadora).
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REGULADOR DE TENSIÓN CON CARGA.
Figura 89. Regulación con carga.
Para
comprobar
que
estamos
en
ruptura
equivalente de Thévenin desde las bornas de la tensión VZ:
calculamos
el
Figura 90. Análisis de la regulación con carga.
Como en el anterior caso los valores del circuito tienen que estar entre un máximo
y un mínimo:
Figura 91. Valores máximos y mínimos
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El Zener absorbe la corriente sobrante (IZ variable) y la resistencia (R) la tensión
sobrante. Entonces a la salida la forma de la onda es la siguiente:
2ª aproximación
Figura 92. Curvas reales en un circuito regulado.
El circuito equivalente sería de la siguiente forma. A ese circuito se le aplica la
superposición:
Figura 93. Análisis del circuito regulado.
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Como la superposición es la suma de estos 2 circuitos la solución será esta:
Con esto se ve que lo que hace el Zener es "Amortiguar el rizado". Veamos cuanto
disminuye el rizado:
EJEMPLO: 1N961 VZ = 10 V RZ = 8,5 V VRentr. = 2 V
Figura 94. Ejemplo.
Si quiero disminuir más el rizado pondría otro regulador que lo disminuiría pico a
pico:
Figura 95. Fuente regulada con preregulador.
DIODO EMISOR DE LUZ – LED
Se basa en:
Figura 96. LED.
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El negativo de la pila repele a los electrones que pasan de n a p, se encuentran
en p con un hueco, se recombinan con él y ya no son electrones libres, al bajar de
BC a BV pierde una energía E que se desprende en forma de luz (fotón de luz).
DIFERENCIAS ENTRE UN DIODO NORMAL Y UN LED:
•
Diodo normal, E en forma de calor. Diodo LED, E en forma de fotón.
(E = h*f, h = cte de Planck, f = frecuencia que da color a esa luz).
•
Diodo normal hecho de silicio. Diodo LED hecho de As, P, Ga y aleaciones
entre ellas. Para cada material de estos la distancia de BC y BV es distinta
y así hay distintos colores, y mezclándolos se consiguen todos, hasta de luz
invisible al ojo humano.
APLICACIÓN:
•
•
•
Lámparas de señalización. .
Alarmas (fotones no visibles). .
Etc...
El diodo LED siempre polarizado en directa, emitirá luz. Podemos usar esto en
una fuente de alimentación que hemos dado.
Figura 97. Aplicación del LED
La intensidad del LED:
Figura 98. Intensidad del LED.
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Normalmente para el valor de 10mA se suelen encender (ver en el catálogo). La
tensión en el LED:
Diferencia con el silicio, la tensión es mayor. Cuando no dice nada se asume
VLED = 2V. En la figura 97, aquí el diodo LED es un indicador que nos dice si la
fuente de alimentación está encendida o apagada.
EJEMPLO: TIL 222 LED verde, VLED = 1.8:3V
Hay que ver que luz da, si funciona bien en ese rango de valores. Se sacan las
intensidades para los 2 extremos:
Figura 99. El LED y su rango de funcionamiento.
La corriente varía muy poco, lo que implica que la iluminación varía muy poco,
está muy bien diseñado.
Figura 100. Ejemplo de una mala aplicación.
No es muy buen diseño porque la intensidad varía bastante, y la iluminación varía
mucho. En conclusión: Los circuitos con tensiones grandes y resistencias grandes
funcionan bien, por lo tanto, si se pueden tomar valores grandes.
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CAPITULO 2. TRANSISTORES BIPOLARES BJT
LECCIÓN 6: CONSTRUCCIÓN Y OPERACIÓN DE TRANSISTORES.
El transistor está compuesto por tres zonas de dopado, como se ve
en la figura:
Figura 101. Uniones en El Transistor.
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).
Figura 102. Transistor (a) NPN, (b) PNP
Antes y después de la difusión. Vamos a hacer un estudio del transistor NPN,
primeramente cuando está sin polarizar (sin pilas y en circuito abierto) se produce
una "Difusión" (como un gas en una botella), donde los electrones cruzan de la
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zona n a la zona p, se difunden, encuentran un hueco y se recombinan. Esto hace
que en las uniones entre las zonas n y p se creen iones positivos y negativos.
Figura 103. Movimiento electrónico en un transistor.
Esta difusión y recombinación se da hasta llegar al equilibrio, hasta conseguir una
barrera de potencial de 0,7 V (para el Si). Se crean 2 z.c.e., una en la unión E-B
(WE) y otra en la unión C-B.
Si se conectan fuentes de tensión externas para polarizar al transistor, se obtienen
resultados nuevos e interesantes. Hay 3 configuraciones:
•
•
•
Base común (BC).
Emisor común (EC).
Colector común (CC).
Cada una de estas configuraciones a su vez puede trabajar en 4 zonas diferentes:
Zona de trabajo
Condiciones
Utilización
Activa
UE en Directa y UC en Inversa.
Amplificadores
Saturación
UE en Directa y UC en Directa.
Conmutación
Corte
UE en Inversa y UC en Inversa.
Conmutación
Activa invertida
UE en Inversa y UC en Directa.
Sin utilidad
Tabla No.10 Posibilidades de uso de un transistor.
Con esto vemos que el transistor puede trabajar de 12 formas diferentes.
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Figura 104. Diferentes regiones de trabajo de un transistor.
LECCIÓN 7: CONFIGURACIONES DEL BJT.
CONFIGURACIÓN EN BASE COMÚN.
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 WC para no
emborronar el dibujo.
Figura 105. Funcionamiento de la zona activa, configuración BC.
El negativo de la pila VEE repele los electrones de la zona del emisor que cruzan la
UE. Algunos electrones cruzan la UE y pasan por la zona p de la base sin
recombinarse. Debido a la pila puede que un electrón cruce la barrera de potencial
de la UE. Después ese electrón baja la barrera de potencial de la UC para salir por
el colector.
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Figura 106. Barrera de potencial.
Esto es el efecto transistor de n a p, tiene que subir la barrera de potencial pero
luego es más fácil porque tiene que bajar la barrera. De los electrones emitidos
por el emisor, aproximadamente un 1 % se recombina en la base y un 99 % no se
recombina y llega al colector, esto es el efecto transistor. La palabra colector viene
de ahí, el colector "Colecta" los electrones, los recoge, eso es el "Efecto
transistor". La base es muy estrecha y además está muy poco impurificada, esa es
la razón de que la probabilidad de que un electrón se recombine sea muy pequeña
(por ejemplo el 1%). El emisor emite electrones, el colector los recoge, y la base
es un dispositivo de control.
El convenio que teníamos con el diodo era:
Figura 107. El Diodo
En el transistor también
entrantes, es como un nudo.
tomamos
criterios,
Figura 108. El Transistor.
todas
la
corrientes
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EJEMPLO: IE = 100mA, se recombinan el 1 % y no se recombinan el 99 %. Por lo
tanto: IB = 1mA y IC = 99mA. Los signos como siempre, si va a favor del electrón
es negativo y si va en contra positivo.
En los problemas por comodidad se suele cambiar de dirección a IE para que sea
positivo.
Figura 109. Convención para las corrientes en el transistor.
Aquí debemos definir una cantidad llamada alfa y se describe con la letra griega,
α. En condiciones de DC, los niveles de IC e IE, están relacionados de acuerdo a lo
ya explicado. Y esta relación está dada por la cantidad, α.
αDC= Ic / Ie
1.5
Los valores de alfa están entre 0,90 y 0,998. Alfa solamente define los portadores
mayoritarios, entonces, la ecuación 1.5 quedará así:
Ic = αIe + ICBO
1.6
Si IE = 0mA. IC será por lo tanto igual ICBO. Pero ICBO es una magnitud muy
pequeña. Por lo tanto, IC será igual a IE.
CONFIGURACIÓN EN EMISOR COMÚN.
Esta configuración es la más utilizada. Como en la configuración en
Base Común solo analizaremos la zona activa.
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Figura 110. Transistor en configuración de Emisor Común.
Como en el caso anterior solo el 1 % se recombina y el 99 % no se recombina. La
dirección de IE la cambiamos como en la configuración anterior.
Figura 111. Transistor
Ganancia de corriente βcc:
A veces (casi siempre) se desprecia la IB, por ser muy pequeña, en comparación
con la IC.
CONFIGURACIÓN EN COLECTOR COMÚN.
Figura 112. Polarización de Emisor común para un transistor PNP.
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En la figura 112 vemos la última de las tres posibles configuraciones de un
transistor con las direcciones de corriente y su notación de voltaje correcto. El uso
más común que a esta configuración se le da, es de un circuito de acople de
impedancias. En su entrada posee una impedancia muy alta y en su salida una
impedancia muy baja.
Si conectamos una resistencia R entre el emisor y tierra, con el colector también
conectado a tierra, fácilmente podríamos comprender que es un
circuito similar a la configuración de emisor común. Por lo tanto, no se requiere de
un conjunto de características de colector común para seleccionar los parámetros
del circuito al momento de realizar un diseño. La curvas se grafican como IE en
función de VCE para un rango de valores de IB.
LECCIÓN 8: ACCIÓN DE AMPLIFICACIÓN DEL TRANSISTOR.
En un amplificador de transistores bipolares aparecen dos tipos de corrientes y
tensiones: continúa y alterna. La componente en continua o DC polariza al
transistor en un punto de trabajo localizado en la región lineal. Este punto está
definido por tres parámetros: ICQ, IBQ y VCEQ. La componente en alterna o AC,
generalmente de pequeña señal, introduce pequeñas variaciones en las corrientes
y tensiones en los terminales del transistor alrededor del punto de trabajo. Por
consiguiente, si se aplica el principio de superposición, la IC, IB y VCE del transistor
tiene dos componentes: una continua y otra alterna, de forma que:
IC = ICQ + ic
1.7
IB = IBQ + ib
1.8
VCE = VCEQ + vce 1.9
donde ICQ, IBQ y VCEQ son componentes DC, e ic, ib y vce
componentes en alterna, verificando que ic << ICQ, ib << IBQ y vce << VCEQ.
Figura 113. Ejemplo de amplificación de voltaje.
son
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Si tenemos:
IE= Vi / Ri = 200mV / 20Ω = 10mA.
Y, tenemos que α = 1; (IC = IE), entonces:
IC = 10mA; VL = IL · R = (10mA) (5KΩ) = 50V.
Entonces, el voltaje de amplificación es:
AV = VL / Vi = 50V / 200mV = 250
El voltaje de amplificación tiene unos valores típicos para la configuración de base
común entre 50 y 300. La amplificación de corriente es siempre menor que 1,
puesto que, α es siempre menor que 1.
La amplificación se da por la transferencia de una corriente IE desde un circuito de
baja resistencia a uno de alta resistencia.
En general, los transistores bipolares de circuitos analógicos lineales están
operando en la región activa directa. En esta región existen cuatro zonas de
operación definidas por el estado de las uniones del transistor (Tabla 10)
saturación, lineal, corte y ruptura; estas zonas se indican claramente en la figura
104 que representa las zonas de operación de un transistor. A continuación se
describe las características del transistor en estos modos de operación
considerando el transistor NPN únicamente; similar resultado puede ser aplicado a
transistores PNP.
En la región activa lineal, la unión emisor-base está directamente polarizada y la
unión base-colector inversamente polarizada; la VBE está comprendida entre 0.4V
y 0.8V (valor típico de 0.7V) y la VBC > 100mV. En estas condiciones, las
ecuaciones de Ebers-Moll se pueden aproximar a.
IE = IESeVBE/VT + αRICS
1.10
IC = αF IESeVBE/VT + ICS
1.11
Operando con estas ecuaciones, se obtiene una relación entre ambas
intensidades de forma que
1.12
Donde
1.13
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Sustituyendo
1.14
Siendo
1.15
ßF, es la ganancia en corriente en continua del transistor que en las hojas de
características del fabricante se representa por hFE. Este parámetro es muy
importante en un transistor de unión y define la relación entre las corrientes de
colector y base. Al ser ICO una corriente muy baja, el segundo término de la
ecuación (1.14) puede ser despreciado frente al primero. Como resultado, se
obtiene una relación muy utilizada para analizar transistores que operen en esta
región
1.16
La ecuación (1.16) indica que en la región activa lineal la relación entre las
corrientes de colector y base es constante. Sin embargo, en la práctica la hFE de
los transistores varia hasta en un 500% debido principalmente a tres factores:
1. Proceso de fabricación. Los transistores sufren variaciones en el proceso
de fabricación que modifican sus características. El fabricante asigna un
valor típico (typ) a ese transistor con un rango de valores comprendido
entre un máximo (max) y un mínimo (min). Por ejemplo, el BC547B tiene,
para una IC=2mA, una hFE (min)=200, hFE (typ)=290 y hFE (max)=450.
2. Corriente de colector. La hFE varía también con la corriente de colector. El
fabricante proporciona curvas de características que permiten obtener la hFE
para diferentes IC. En la figura siguiente se muestra una de estas curvas
que incluye el valor típico de la hFE con un rango de valores máximo y
mínimo.
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3. Temperatura. La dependencia de la hFE con la temperatura se puede
observar en las gráficas que proporciona el fabricante para tal fin. En la
siguiente figura se describen diferentes curvas normalizadas a 25º de hFE
para temperaturas de -55ºC y 175ºC.
LECCIÓN 9: LÍMITE DE OPERACIÓN, HOJA DE
ESPECIFICACIONES.
El transistor bipolar que opera en la región lineal tiene unas características
eléctricas lineales que son utilizadas para amplificación. En estos circuitos, las
señales de entrada son amplificadas a la salida y, por consiguiente, hay un aporte
de energía realizado a través de fuentes de tensión externas denominadas fuentes
de alimentación o fuentes de polarización. Las fuentes de alimentación cubren dos
objetivos: proporcionar las corrientes y tensiones en continua necesarias para que
el transistor opere en la región lineal y suministrar energía al transistor, una parte
de la cual va a ser convertida en potencia (amplificación). Los valores de
corrientes y tensiones en continua en los terminales de un transistor se denomina
punto de trabajo y se suele expresar por la letra Q (Quiescent operating point).
Figura 114. Circuito
El transistor del circuito de la figura 114 esta polarizado con dos resistencias y una
fuente de tensión en continua VCC. En este circuito se verifica que:
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Si suponemos que el transistor se encuentra en la región directa lineal, entonces
se puede relacionar las intensidades de base y colector a través de la hFE y
asignar una tensión base-emisor típica de 0.7V. El cálculo de las tensiones e
intensidades del transistor proporciona su punto de trabajo Q. Para este circuito, Q
viene definido por las siguientes ecuaciones:
En la figura 115 se muestra la representación gráfica del punto de trabajo Q del
transistor, especificado a través de tres parámetros: ICQ, IBQ y la VCEQ. Este punto
se encuentra localizado dentro de una recta denominada recta de carga estática:
si Q se encuentra en el límite superior de la recta el transistor estará saturado, en
el límite inferior en corte y en los puntos intermedios en la región lineal. Esta recta
se obtiene a través de la ecuación del circuito que relaciona la IC con la VCE que,
representada en las curvas características del transistor de la figura 114,
corresponde a una recta. La tercera ecuación define la recta de carga obtenida al
aplicar KVL al circuito de polarización, de forma que:
Para dibujar esta recta de una manera sencilla en el plano (VCE, IC) del transistor
se seleccionan dos puntos:
a) VCE=0, entonces IC=VCC / RC.
b) IC=0, entonces VCE=VCC. Estos puntos se pueden identificar en la figura 115 y
representan los cortes de la recta de carga estática con los ejes de coordenadas.
Figura 115. Límite de operación de un transistor.
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Una de las primeras decisiones relacionadas con la polarización de un transistor
es seleccionar la ubicación del punto Q. La selección más práctica es situarle en la
mitad de la recta de carga estática para que la corriente de colector sea la mitad
de su valor máximo, condición conocida como excursión máxima simétrica.
Evidentemente esta es una condición de diseño que asegurara el máximo margen
del punto Q a incrementos de cualquier signo de la intensidad de colector. Sin
embargo, hay muchas otras condiciones de operación del transistor que exige un
desplazamiento de Q en uno u otro sentido. En estos casos la situación del punto
Q estará definida por las diferentes restricciones.
Un transistor de unión polarizado tiene unas tensiones y corrientes en sus
terminales que le hacen disipar energía. Esta potencia de disipación se puede
obtener aplicando la definición de potencia absorbida por un elemento tri-terminal,
que en caso del transistor, se expresa como
Debido a que generalmente la IB<<<IC y la VBE<<VCE, el primer término de esta
ecuación es despreciable frente al segundo, resultando que
Esta ecuación representa a una hipérbola en el plano (VCE, IC) de las curvas
características del transistor. El fabricante proporciona como dato la potencia de
disipación máxima de un transistor; como ejemplo, el BC547 tiene una Pcmax=500
mW. En la figura 115 se representa la hipérbola de potencia máxima de un
transistor. Es preciso que el punto del trabajo Q esté por debajo de esa curva ya
que sino el transistor se dañaría por efecto Joule.
Hoja de especificaciones:
Tensiones inversas de ruptura para el transistor 2N3904.
VCB………………………
60V (máximo valor en inversa).
VCEo…………………….
40V (máximo valor en inversa con la base abierta).
VEB………………………
6V (máximo valor en inversa).
En realidad en la hoja de características tenemos que diferenciar los transistores
en:
•
Transistores de pequeña señal (IC pequeña), por ejemplo: 2N3904.
•
Transistores de potencia (IC grande), por ejemplo: 2N3055.
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CORRIENTE Y POTENCIA MÁXIMAS
En las uniones del transistor se suelen dar unas temperaturas muy elevadas,
siendo la unión más problemática la unión CB, porque es la que más se calienta.
En un transistor se dan tres tipos de temperaturas:
•
•
•
Tj = Temperatura de la unión.
TC = Temperatura de la capsula.
TA = Temperatura del ambiente.
EJEMPLO: Tj = 200 ºC
Para sacar el calor de la unión tenemos que el flujo calorífico ha de pasar de la
unión al encapsulado y posteriormente al ambiente. Hay una resistencia térmica
unión-cápsula que dificulta que el calor pase de la unión a la cápsula (JjC). Hay
una resistencia térmica cápsula-ambiente que dificulta que el calor pase de la
cápsula al ambiente (JCA).
•
•
•
JjC = 125 ºC/W.
JCA= 232 ºC/W.
JjA = 357 ºC/W.
Son unas resistencias que se oponen al paso de calor.
Factor de ajuste
Indica como disminuye la PDmáx por cada grado de aumento de temperatura por
encima de un valor determinado.
EJEMPLO: Para el 2N3904 PDmáx = 350 mW (a 25 ºC) Factor de ajuste = -2,8
mW/ºC
Si TA aumenta a 60 ºC: PDmáx = 350 - 2,8 (60 - 25) = 252 mW
Ese factor de ajuste es el inverso de la resistencia térmica:
Factor de ajuste = 1 / JjA
Otro parámetro
Este parámetro es el bcc que ya hemos visto anteriormente (IC = bcc · IB Zona
Activa).
βcc = hFE
Seguimos con el ejemplo del transistor 2N3904. En el catálogo suele venir:
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Figura 116 Tabla de una hoja de especificaciones.
Este valor es para la zona activa. Como se ve en la gráfica, existe una tolerancia o
dispersión de valores en la fabricación que por ejemplo para IC = 10mA va desde
100 hasta 300.
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LECCIÓN 10: PRUEBA DE TRANSISTORES Y DETECCIÓN DE
AVERÍAS
Figura 117. Circuito
Veamos los tipos de averías típicos que podemos tener en un transistor con un
ejemplo:
1ª aproximación:
Esto es cuando no hay averías. Dos tipos de averías comunes que podemos tener
son que la base está abierta o que la base se encuentre cortocircuitada, veamos
estos dos casos:
• RB abierto = RBo
Figura 118. Transistor con base abierta.
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•
RB cortocircuito = RBs
Figura 119. Transistor con corto entre emisor y base.
En este caso de la base en cortocircuito, se puede estropear la unión BE.
Para realizar la prueba de un transistor, primeramente se comprueba que el
transistor funciona correctamente separándolo del circuito y viendo con el óhmetro
los diferentes valores en el transistor.
Figura 120. Prueba de un transistor.
Después se comprueba el transistor dentro del circuito.
Otras posibles averías:
•
RCs (short).
•
RCo (open).
•
VCC no me de tensión.
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Figura 121. Análisis por computador. Curvas características para el transistor
2N2222. Pspice (Ver 8.0) de MicroSim®, para Windows®
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CAPITULO 3. POLARIZACIÓN DC DEL TRANSISTOR BJT
LECCIÓN 11: CIRCUITO DE POLARIZACIÓN FIJA Y DE
POLARIZACIÓN ESTABILIZADA POR EMISOR
PUNTO DE OPERACIÓN
En un proceso de diseño o de análisis de un amplificador es necesario conocer la
respuesta del sistema tanto en DC como en AC. La selección del punto de trabajo
Q de un transistor se realiza a través de diferentes circuitos de polarización que
fijen sus tensiones y corrientes.
En la figura 123 se incluyen los circuitos de polarización más típicos basados en
resistencias y fuentes de alimentación; además, se indican las ecuaciones que
permiten obtener el punto de trabajo de los transistores. Estos circuitos presentan
diferencias en algunos casos importantes.
Por ejemplo, el circuito de la figura 114 es poco recomendable por carecer de
estabilidad; bajo ciertas condiciones se puede producir deriva térmica que
autodestruye el transistor. La polarización de corriente de base de la figura 123 es
mucho más estable aunque el que más se utiliza con componentes discretos es el
circuito de autopolarización. La polarización de colector-base asegura que el
transistor nunca entra en saturación al mantener su tensión colector-base positiva.
Retomando el tema de límites de operación de un transistor, ya visto en el capítulo
anterior, se habló del punto Q, ó punto de reposo. También, establecíamos que el
punto de operación para los amplificadores a transistor, es el resultante de la
corriente de DC y el voltaje sobre las características que define la región que será
empleada para la amplificación de la señal aplicada.
Figura 122. Distintos puntos de operación.
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De la figura 122 tenemos los valores máximos para IC y VCE, como también la
curva de potencia máxima. Asimismo, están definidas las zonas de
saturación donde VCE ≤ VCEsat y la de corte donde IB ≤ 0μA.
El dispositivo BJT o transistor puede operar fuera de estos límites máximos pero
su vida útil se disminuye considerablemente o simplemente el dispositivo se
destruirá.
Figura 123. Circuitos de polarización de transistores BJT
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CIRCUITO DE POLARIZACIÓN FIJA
Veamos el circuito de la figura 124, VBB es la misma VCC, pero para describir mejor
el circuito se muestran por separado.
Figura 124. Polarización fija
Realicemos un análisis de la malla de entrada:
Recta de carga (malla de salida):
Figura 125. Recta de carga para polarización fija.
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Conmutación: SATURACIÓN y CORTE.
•
Amplificación: ACTIVA.
Figura 126. El BJT Como conmutador o como amplificador.
Como hemos dicho anteriormente, el valor de IB depende de la RB, por lo tanto
podemos controlar la posición del punto Q variando el valor de la RB.
Analicemos brevemente la estabilidad de este circuito de polarización de base.
Vemos que la bcc puede variar por varias razones, por lo tanto el punto Q es
inestable.
EJEMPLO: βcc = 150 IB = 30A
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IC = 150·30 = 4,5mA
VCE = 1,5V.
EJEMPLO: βcc = 50 IB = 30mA
IC = 50 30 = 1,5mA
VCE = 10,5V.
Vemos que al variar la beta varía la VCE, también la posición del punto Q.
Circuito de polarización estabilizada por emisor.
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. Para este propósito ahora se analizará el "Circuito de polarización
de Emisor", que es el siguiente:
Figura 127. BJT polarizado estabilizado en emisor.
El propósito es amplificar, por esa razón el transistor tiene que trabajar en la zona
ACTIVA. Como estamos en activa VBE = 0.7V. Por lo tanto y viendo la malla de
entrada la tensión VC será de 4.3V. Entonces la intensidad IE por la resistencia RE
será de:
La malla de salida:
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Gráficamente:
Figura 128. Grafica de BJT polarizado en emisor.
¿Qué ocurre si el βcc varía? Si βcc = 150 solo varía IB.
Varía la IB pero lo demás se mantiene y Q no varía, el transistor se autorregula y
hace que varíe IB sin que nada más varíe, por lo tanto: "El punto Q es muy
estable". Pero esto no es del todo exacto, porque algo varía, esto se verá si no se
usa la aproximación de IC = IE. Sin esta aproximación tenemos:
Y ahora si influye el βcc.
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Y tendríamos: VCE = 8,77 V, con
Con
βcc = 150:
βcc = 50:
Varía algo, pero es bastante estable, es bueno para trabajar en activa.
LECCIÓN: 12 POLARIZACIÓN POR DIVISOR DE VOLTAJE Y CON
RETROALIMENTACIÓN DE VOLTAJE.
POLARIZACIÓN POR DIVISOR DE VOLTAJE
Este tema es una continuación del anterior, por ello primeramente vamos a hacer
un breve resumen de lo visto antes para situarnos mejor en el tema. Hasta ahora
hemos visto estos circuitos:
Circuito de polarización de base (resistencia en la base).
Figura 129. Polarización base.
Circuito de polarización de emisor (resistencia en emisor).
Figura 130. Polarización en emisor.
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En este tema analizaremos este último circuito más que ningún otro.
Figura 131. Polarización por divisor de voltaje.
Pero es muy caro instalar 2 fuentes de alimentación por eso se suele modificar el
circuito de tal forma que solo se use una fuente de alimentación. Como se ha
dicho ahora nos ahorraremos una fuente de alimentación.
Figura 132. Circuito equivalente para polarización por divisor de voltaje.
Ahora se mueve lo de la izquierda hacia arriba y como tenemos 10V en
los dos lados se pueden unir:
Figura 133. Polarización por división de voltaje.
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Y así nos hemos ahorrado una fuente de alimentación, este es el "Circuito de
polarización por división de tensión"
Análisis aproximado
Así despreciamos IB:
EJEMPLO: Aplicamos valores numéricos a lo que hemos hecho.
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Vemos si la aproximación es buena: se tiene que cumplir:
Tiene que funcionar bien para los tres valores del catálogo.
CATÁLOGO:
Para comprobarlo vamos a ver la recta de carga de continua.
¿Qué curva de IB pasa por ese punto Q? Si cambiamos el transistor, Q es el
mismo pero varía la IB. No cambia la recta de carga ni el punto Q, lo que cambia
es la IB, se "Auto adapta". El punto Q es muy estable, prácticamente no cambia de
sitio, para hacer los cálculos no hemos usado la β, solo para la IB.
POLARIZACIONES DC CON RETROALIMENTACIÓN DE VOLTAJE.
Polarización DC con retroalimentación de emisor. En este circuito la resistencia de
realimentación es RE.
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Figura 134. Polarización con retroalimentación.
Haremos la prueba de desestabilizar el punto Q.
IC intenta aumentar mucho. Pero al aumentar la IC, aumenta la VE.
Entonces vemos que se da un fenómeno de "autorregulación", intenta aumentar
mucho pero al final aumenta menos. Aunque no se estabiliza, se desestabiliza
menos, esa "auto corrección" se llama realimentación.
A este efecto de que una variable de salida afecte a la entrada se le llama
realimentación, la salida afecta a la entrada, se auto corrige. Además se le llama
"Realimentación negativa" porque un aumento supone una disminución. Si un
aumento supusiera otro aumento sería una "Realimentación positiva". En
amplificadores es muy importante la realimentación, como se verá más adelante.
Seguimos analizando el circuito. Malla de entrada:
EJEMPLO: Para ver como se mueve el punto Q.
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VCC = +15V RC = 910W RB = 430W
RE = 100W VBE = 0,7V
Recta de carga:
Se ha movido mucho pero menos que el anterior.
ΔIC = 9,33 - 3,25 = 6,08Ma
Cuanto menor sea este resultado, mejor será el circuito, esto sirve para comparar
circuitos. Para mejorar el circuito se puede hacer:
Se suele coger 100 veces mayor RE.
Veamos si se cumple en este circuito.
No se cumple. RE debería ser RE = 430kΩ. Pero poner RE = 430kΩ hace que casi
toda la tensión de VCC vaya a RE y la VCE es pequeña, y el circuito entra en
saturación y no funciona como amplificador, el remedio es peor.
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DIVERSAS CONFIGURACIONES DE POLARIZACIÓN.
Circuito de polarización con realimentación de colector. El circuito es el siguiente:
Figura 135. Polarización con retroalimentación de colector.
Veamos cómo se comporta la Tª.
Y la IC aumenta menos de lo que pretendía, realimentación negativa, se ha
compensado en parte. Malla de entrada:
Hacemos como antes:
Recta de carga. Malla de salida:
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Si los comparamos:
•
•
Circuito de polarización por realimentación de emisor: = 6mA
Circuito de polarización por realimentación de colector: = 3.81mA
Este último es mejor por ahora. De antes teníamos:
Para que se mueva lo menos posible, el b tiene que afectar lo menos posible,
interesa que RC influya más que RB/β, para eso:
RC normalmente no se puede elegir. Entonces la RB se elegirá la menor posible.
Hay que recordar que en el circuito anterior de realimentación de emisor si
cogíamos RB muy pequeña se saturaba. En este circuito, a medida que disminuya
RB se iba acercando a saturación, no se saturaba pero se acercaba mucho. Por
eso no es útil, porque se acerca mucho a saturación (aunque nunca llegue a los
VCE = 0.2V de saturación). ¿Qué debería hacer para que Q estuviera centrado?
Para que esto ocurra:
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No se pueden cumplir los dos, si está centrado no es estable y viceversa. Y este
circuito no es bueno por esa razón, aunque sea mejor que los anteriores, es
todavía bastante inestable.
LECCIÓN: 13 OPERACIONES DE DISEÑO.
Retomando la polarización con divisor de voltaje pero teniendo en cuenta la
retroalimentación. 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.
Figura 136. Retroalimentación en emisor y polarización por divisor de voltaje.
Veamos cómo se comporta si la temperatura o cambiamos de transistor (C.T.)
De esta forma se compensa en parte la IC, se mueve pero menos. Es un circuito
muy bueno, la compensación no es total pero casi, es una compensación muy
buena. Este circuito es el que se utiliza mayoritariamente por ser bueno, barato y
efectivo. Lo analizaremos como siempre de 2 formas: Análisis aproximado y
exacto.
Primeramente modificaremos un poco el circuito: Ahora aplicaremos Thévenin:
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Figura 137. Análisis de retroalimentación.
Aproximamos: RTH = 0. Malla de entrada:
El punto Q es estable. Tenemos lo ideal, no está la β. Lo único que varía algo es la
VBE, pero es una variación pequeña respecto a VTH, entonces es casi constante la
IC.
Aprovechamos lo calculado anteriormente:
Interesa que RTH/β influya poco respecto a RE. Hacemos RE 100 veces mayor que
RTH/β.
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Pero es difícil que se cumpla esto porque RTH es el paralelo de R1 y R2, y de estas
dos resistencias la más pequeña suele ser R2, entonces si aproximamos para
verlo mejor:
Para que esto funcione correctamente hemos dicho que se tiene que cumplir lo
siguiente:
Pero si pongo R2 muy pequeño, la IR2 es grande y es aproximadamente IR1 y esa
intensidad va a la F.A., entonces el condensador y los diodos de la F.A. tienen que
resistir mucha intensidad y podría dar problemas. Otro problema se da en alterna:
Figura 138. Retroalimentación con señal AC.
Cuando amplificamos la onda es muy importante la impedancia de entrada (Zi) y
tiene que ser de un valor concreto. Su valor es:
No se puede hacer la Zi todo lo pequeña que se quiera y eso es una dificultad, se
estropea la Zi en alterna. Hay situaciones que debemos analizar:
•
•
El consumo
La Zi
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Para resolver eso los diseñadores en lugar de 0,01RB*β suelen escoger un poco
mayor, 0,1RE*β.
Y así Q es bastante estable, aunque no sea tanto como antes.
EJEMPLO:
Figura 139. Ejemplo de retroalimentación
Como siempre aplicamos Thévenin y calculamos IB e IC para los distintos valores
de β.
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Ahora calculamos el VCE y dibujamos la gráfica:
Vemos que el punto Q varía muy poco para distintos valores de β.
Esto lo vemos con la variación de IC.
Para ver la estabilidad del circuito estudiaremos el caso más crítico, que es el
valor más pequeño de β, si se cumple para este valor se cumple en todos los
demás casos.
No se cumple el muy estable, veamos ahora el "Bastante Estable".
Es bastante estable porque se cumple la ecuación, esto quiere decir que está
bastante bien diseñado el circuito.
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.
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Figura 140. BJT en configuración de retroalimentación en emisor y colector.
Para que sea estable se tiene que cumplir:
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.
LECCIÓN: 14 REDES DE CONMUTACIÓN CON TRANSISTORES.
Figura 141. El transistor como conmutador
Tenemos un interruptor en posición 1, abierto:
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IB = 0.
IC = 0 CORTE (el transistor no conduce)
Recta de carga:
Esto era lo ideal, lo exacto sería:
Pero para electrónica digital no tiene mucha importancia ese pequeño margen, por
lo tanto se desprecia.
Interruptor en posición 2:
Finalmente tenemos una gráfica de la siguiente forma:
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Aplicación: Si tenemos en la entrada una onda cuadrada. Me invierte la Vsal,
invierte la onda de entrada en la salida. Ese circuito se utiliza en electrónica digital.
Figura 142. El transistor como conmutador y su símbolo en electrónica digital
A ese circuito le llamábamos "Circuito de polarización de base", que era bueno
para corte y saturación, para conmutación. Pero este que hemos hecho no es
exacto, lo exacto es:
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Entonces se cogen los márgenes, pero como están muy separados se desprecia y
no se le da importancia a ese pequeño error.
Analizaremos uno de los circuitos típicos que se usan en electrónica digital.
Figura 143. Aplicaciones de conmutadores.
Vamos a ver si la hipótesis es correcta:
La hipótesis es correcta, estamos en saturación. Ahora comprobaremos si es
saturación normal o fuerte:
Y la salida se aproxima a cero: V0 = 0 V.
Veamos qué ocurre si a la entrada le metemos por ejemplo una onda cuadrada:
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Así el circuito se comporta como un INVERSOR. Para que a la salida en lugar de
0 V y 15 V tengamos 0 V y 5 V, se cambia la fuente VCC de + 15 V a VCC = + 5 V.
LECCIÓN: 15 ESTABILIZACIÓN DE POLARIZACIÓN.
La estabilidad de un sistema es una medida de la sensibilidad de una red ante las
variaciones en sus parámetros.
La IC de un transistor es sensible a:
β: Al aumentar la temperatura aumenta esta magnitud.
|VBE|: Valor absoluto del voltaje Base-Emisor, disminuye cerca de 7,5mV por cada
incremento en un grado Celsius (°C).
ICO: Corriente de saturación inversa. Duplica su valor por el incremento en 10°C en
la temperatura.
Cualquiera de los factores antes mencionados puede ocasionar que el punto de
polarización se desvíe del punto de operación determinado. No podemos olvidar
que IB es muy sensible al nivel de VBE, especialmente para niveles más allá del
valor del umbral. De acuerdo a lo visto en los puntos anteriores sobre polarización.
FACTORES DE ESTABILIDAD.
Se define un factor de estabilidad S, para cada uno de los parámetros que afectan
la estabilidad de polarización:
S (ICO) = ΔIC / ΔICO
S (VBE) = ΔIC / ΔVBE
S (β) = ΔIC / Δβ
Las redes son muy estables y relativamente insensibles ante variaciones de la
temperatura, es decir tienen factores de estabilidad bajos. Por esto, es apropiado
considerar las cantidades definidas por las anteriores ecuaciones como factores
de sensibilidad porque mientras mayor sea el factor de estabilidad, más sensible
será la red ante variaciones en ese parámetro.
El estudiante con conocimiento de cálculo diferencial deberá profundizar más
sobre este tema.
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FUENTES DOCUMENTALES DE LA UNIDAD 1
Albert Paul Malvino "Principios de Electrónica", Editorial McGraw Hill.
Electrónica Analógica Para Ingenieros Pleite Guerra, Jorge
Floyd Electronic_Devices 7 edición
Curso fácil de electrónica básica CEKIT
Transistor Circuit Techniques discrete and integrated Third edition G.J.Ritchie
Lessons In Electric Circuits, Volume III Semiconductors By Tony R. Kuphaldt Third
Edition,
Electrónica - Hambley Allan R. (2da Edición)
Electrónica: Teoría De Circuitos Y Dispositivos Electrónicos por: Boylestad
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UNIDAD 2
Nombre de la Unidad
Introducción
FET Y CAMPO Y OTROS DISPOSITIVOS PNPN
En esta unidad encontraremos dos temas específicos como
son los transistores de efecto de campo y sus distintas
variaciones: JFET y MOSFET, como un abrebocas a la
microelectrónica y los circuitos integrados. El otro, los
dispositivos de cuatro capas o PNPN, con aplicaciones en
Potencia, instrumentación, control y comunicaciones.
En esta unidad se estudiara a Los transistores de efecto
de campo, conocidos generalmente como FET por sus
siglas en ingles. Los FET son llamados también
transistores unipolares, ya que la corriente existe tanto en
forma de electrones como de huecos. En un FET de canal
n, la corriente se debe a electrones, mientras que en un
FET de canal p, se debe a huecos. Ambos tipos de FET
se controlan por una tensión entre la compuerta y la
fuente.
Justificación
Además existen otros FET que utilizan metales y
materiales óxidos, dando como un resultado un FET que
se conocen como Transistor de Efecto de Campo de óxido
de metal y semiconductor, MOSFET por sus iníciales en y
ingles. Otro avance en el FET es un dispositivo con dos
terminales, llamados puertas frontal y puerta trasera, este
dispositivo es el FET tetrodo.
Por último se introduce al estudio de la electrónica de
potencia con los Tiristores, dispositivos generalmente
utilizados para controlar potencia y que en la actualidad
encontramos en electrodomésticos y equipos industriales.
Intencionalidades
Formativas
Con esta Unidad se pretende que el estudiante conozca en
profundidad los fundamentos de los Transistores de efecto de
campo y Tiristores, su construcción, arquitectura, evolución y
aplicaciones.
Denominación de
capítulos
Capítulo 4: EL FET.
Capítulo 5: POLARIZACIONES DEL FET
Capítulo 6: OTROS DISPOSITIVOS PNPN
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CAPITULO 4 TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO – FET.
LECCIÓN: 16 El JFET
Los transistores de efecto de campo o FET (Field Electric Transistor) son
particularmente interesantes en circuitos integrados y pueden ser de dos tipos:
transistor de efecto de campo de unión o JFET y transistor de efecto de campo
metal-oxido semiconductor (MOSFET). Son dispositivos controlados por tensión
con una alta impedancia de entrada (1012Ω). Ambos dispositivos se utilizan en
circuitos digitales y analógicos como amplificador o como conmutador. Sus
características eléctricas son similares aunque su tecnología y estructura física
son totalmente diferentes.
VENTAJAS DEL FET:
•
•
•
•
•
•
•
Son dispositivos controlados por tensión con una impedancia de entrada
muy elevada (107 a 1012Ω).
Los FET generan un nivel de ruido menor que los BJT.
Los FET son más estables con la temperatura que los BJT.
Los FET son más fáciles de fabricar que los BJT pues precisan menos
pasos y permiten integrar más dispositivos en un C1.
Los FET se comportan como resistencias controlados por tensión para
valores pequeños de tensión drenaje-fuente.
La alta impedancia de entrada de los FET les permite retener carga el
tiempo suficiente para permitir su utilización como elementos de
almacenamiento.
Los FET de potencia pueden disipar una potencia mayor y conmutar
corrientes grandes.
DESVENTAJAS QUE LIMITAN LA UTILIZACIÓN DE LOS FET:
•
•
•
Los FET presentan una respuesta en frecuencia pobre debido a la alta
capacidad de entrada.
Los FET presentan una linealidad muy pobre, y en general son menos
lineales que los BJT.
Los FET se pueden dañar debido a la electricidad estática.
Figura 144. (a) JFET canal N. (b) Símbolo de JFET canal N. (c) Símbolo canal P
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En este apartado se estudiaran brevemente las características de ambos
dispositivos orientadas principalmente a sus aplicaciones analógicas.
El JFET de canal n está constituido por una barra de silicio de material
semiconductor de tipo n con dos regiones (islas) de material tipo p situadas a
ambos lados. Es un elemento tri-terminal cuyos terminales se denominan drenador
(drain), fuente (source) y puerta (gate). En la figura 144a se describe un esquema
de un JFET de canal n, en la 144b el símbolo de este dispositivo y en la 144c el
símbolo de un JFET de canal P.
La polarización de un JFET exige que las uniones p-n estén inversamente
polarizadas. En un JFET de canal n, o NJFET, la tensión de drenador debe ser
mayor que la de la fuente para que exista un flujo de corriente a través de canal.
Además, la puerta debe tener una tensión más negativa que la fuente para que la
unión p-n se encuentre polarizado inversamente. Ambas polarizaciones se indican
en la figura 145.
Figura 145. Características de un FET N
CARACTERÍSTICA DE TRANSFERENCIA.
Las curvas de características eléctricas de un JFET son muy similares a las curvas
de los transistores bipolares. Sin embargo, los JFET son dispositivos controlados
por tensión a diferencia de los bipolares que son dispositivos controlados por
corriente. Por ello, en el JFET intervienen como parámetros: ID (intensidad drain o
drenador a source o fuente), VGS (tensión gate o puerta a source o fuente) y VDS
(tensión drain o drenador a source o fuente). Se definen cuatro regiones básicas
de operación: corte, lineal, saturación y ruptura. A continuación se realiza una
descripción breve de cada una de estas regiones para el caso de un NJFET.
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•
REGIÓN DE CORTE
En esta región la intensidad entre drenador y fuente es nula (ID=0). En este caso,
la tensión entre puerta y fuente es suficientemente negativa que las zonas de
inversión bloquean y estrangulan el canal cortando la corriente entre drenador y
fuente. En las hojas técnicas se denomina a esta tensión como de
estrangulamiento o pinch-off y se representa por VGS (off) o Vp. Por ejemplo, el
BF245A tiene una VGS (off)=-2V.
•
REGIÓN LINEAL
En esta región, el JFET se comporta como una resistencia no lineal que es
utilizada en muchas aplicaciones donde se precise una resistencia variable
controlada por tensión. El fabricante proporciona curvas de resistencia drenadorfuente (rds (on)) para diferentes valores de VGS tal como se muestra en la figura
146. En esta región el transistor JFET verifica las siguientes relaciones:
Figura 146. Resistencia drenador-fuente de un transistor NJFET en la región
lineal.
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•
REGIÓN DE SATURACIÓN
En esta región, de similares características que un BJT en la región lineal, el JFET
tiene unas características lineales que son utilizadas en amplificación. Se
comporta como una fuente de intensidad controlado por la tensión VGS cuya ID es
prácticamente independiente de la tensión VDS. La ecuación que relaciona la ID
con la VGS se conoce como ecuación cuadrática o ecuación de Schockley que
viene dada por:
(3.1)
Donde Vp es la tensión de estrangulamiento y la IDSS es la corriente de saturación.
Esta corriente se define como el valor de ID cuando VGS=0, y esta característica es
utilizada con frecuencia para obtener una fuente de corriente de valor constante
(IDSS). La ecuación 3.1 en el plano ID y VGS representa una parábola desplazada en
Vp. Esta relación junto a las características del JFET de la figura 145 permiten
obtener gráficamente el punto de trabajo Q del transistor en la región de
saturación. La figura 147 muestra la representación grafica de este punto Q y la
relación existente en ambas curvas las cuales permiten determinar el punto de
polarización de un transistor utilizando métodos gráficos.
Figura 147. Curvas características de un JFET.
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•
REGIÓN DE RUPTURA
Una tensión alta en los terminales del JFET puede producir ruptura por avalancha
a través de la unión de puerta. Las especificaciones de los fabricantes indican la
tensión de ruptura entre drenaje y fuente con la puerta cortocircuitada con la
fuente; esta tensión se designa por BVDSS y su valor está comprendido entra 20 y
50 V. Las tensiones de polarización nunca deben superar estos valores para evitar
que el dispositivo se deteriore. Por último, comentar las diferencias existentes
entre un NJFET y PJFET. Las ecuaciones desarrolladas anteriormente para el
JFET son validas para el PJFET considerando el convenio de signos indicados en
la tabla No. 11.
Tabla No. 11 Convenio de signos en las tensiones y corrientes de un NJFET y
PJFET.
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LECCIÓN: 17 ESPECIFICACIONES DEL JFET
Se describe el JFET 2N5457.4
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LECCIÓN: 18 EL MOSFET
Los transistores MOSFET o Metal-Oxido-Semiconductor (MOS) son dispositivos
de efecto de campo que utilizan un campo eléctrico para crear una canal de
conducción. Son dispositivos más importantes que los JFET ya que la mayor parte
de los circuitos integrados digitales se construyen con la tecnología MOS. Existen
dos tipos de transistores MOS: MOSFET de canal N o NMOS y MOSFET de canal
P o PMOS. A su vez, estos transistores pueden ser de acumulación
(enhancement) o deplexión (deplexión); en la actualidad los segundos están
prácticamente en desuso y aquí únicamente serán descritos los MOS de
acumulación también conocidos como de enriquecimiento. La figura 148 indica los
diferentes símbolos utilizados para describir los transistores MOS.
Figura 148. Símbolos de transistores NMOS y PMOS.
En la figura 149 se describe la estructura física de un MOSFET de canal N con sus
cuatro terminales: puerta, drenador fuente y substrato; normalmente el sustrato se
encuentra conectado a la fuente. La puerta, cuya dimensión es W·L, está
separado del substrato por un dieléctrico (Si02) formando una estructura similar a
las placas de un condensador. Al aplicar una tensión positiva en la puerta se
induce cargas negativas (capa de inversión) en la superficie del substrato y se
crea un camino de conducción entre los terminales drenador y fuente. La tensión
mínima para crear esa capa de inversión se denomina tensión umbral o tensión de
threshold (VT) y es un parámetro característico del transistor. Si la VGS<VT, la
corriente de drenador-fuente es nula; valores típicos de esta tensión son de de 0.5
V a 3 V.
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Figura 149. Estructura física de un transistor NMOS
Los transistores JFET y MOSFET tienen una estructura física muy diferente pero
sus ecuaciones analíticas son muy similares. Por ello, en los transistores MOS se
definen las mismas regiones de operación: corte, lineal, saturación y ruptura. En la
figura 150 se muestran las curvas de características eléctricas de un transistor
NMOS con las diferentes regiones de operación que son descritas brevemente a
continuación.
•
Región de corte
Se verifica que VGS<VT y la corriente ID es nula.
•
Región lineal
El transistor se comporta como un elemento resistivo no lineal controlado por
tensión. Verifica las siguientes ecuaciones:
Donde
Un parámetro característico del MOS que depende de la tecnología a través de la
constante k y del tamaño de la puerta del transistor (W la anchura y L la longitud).
Figura 150. Curvas de características de un NMOS.
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•
Región saturación
El transistor se comporta como una fuente de
por la tensión VGS. Verifica las siguientes ecuaciones:
corriente controlada
Siendo ß el parámetro descrito en la ecuación 5.4. En esta región, la relación
cuadrática entre VGS e ID se representa en la grafica de la izquierda de la figura
150, y de una manera similar a los transistores JFET, puede ser utilizada para
determinar por métodos gráficos el punto de polarización de los transistores
aunque rara vez se recurre a ellos.
•
Región de ruptura
Un transistor MOS puede verse afectado por fenómenos de avalancha en los
terminales drenador y fuente, y roturas en la capa de oxido fino de la puerta que
pueden dañar irreversiblemente al dispositivo.
Por último, señalar que en la tabla 12 se indican las diferencias en el signo y
sentido de las corrientes y tensiones existentes entre transistores NMOS y PMOS.
Tabla No. 12. Convenio de signos en las tensiones y corrientes de un NMOS y
PMOS.
MANEJO DE MOSFET
Por ser los MOSFET dispositivos con una capa delgada de SiO2 la cual se
encuentra situada entre la compuerta y el canal y tiene el efecto de ofrecer una
característica de alta impedancia de entrada, pero por ser esta capa demasiado
delgada se deben tener precauciones necesarias para su manejo. La acumulación
de carga estática, alrededor del dispositivo, la cual logra establecer una diferencia
de potencial a través de la delgada capa, de tal forma que se podría romper y
establecer conducción a través de ella. Para evitar este inconveniente se debe
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mantener el MOSFET con sus terminales cortocircuitados, normalmente se debe
mantener con el papel aluminio con el cual sale de fábrica para su manejo y
transporte. Para su uso, se debe tomar el transistor por su encapsulado. Cuando
se instale en una tarjeta, esta debe estar previamente desenergizada y ojala
descargada de cargas estáticas, además de utilizar los cables de descarga
estática fabricados para quien opere estos elementos.
LECCIÓN: 19 VMOS Y CMOS
VMOS (VERTICAL METAL OXIDE SILICON)
Figura 151. Estructura fisica de un VMOS
Los MOSFET tienen una desventaja frente a los BJT, el manejo de potencias.
Normalmente un MOSFET puede manejar potencias inferiores a 1 Watts. Para
superar este inconveniente o insuficiencia de los MOSFET, se realiza un cambio
en la forma de construcción del MOSFET. Para ello, se construye de tal forma que
el canal n-inducido tenga un crecimiento (Operación en modo incremental) y este
ahora en formado en dirección vertical. Estos dispositivos se conocen como
VMOS. Además su apariencia de un corte en “V” en la base del semiconductor es
la característica que se destaca para la memorización del nombre del dispositivo.
Las características más importantes del VMOS, son:
 Poseen niveles reducidos de resistencia en el canal y mayores valores
nominales, de corriente y de potencia.
 Poseen un coeficiente positivo de temperatura que contrarrestará la
posibilidad de una avalancha térmica.
 Tiempos de conmutación más rápidos por lo niveles reducidos de
almacenamiento de carga.
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CMOS (MOS CON ARREGLO COMPLEMENTARIO)
Figura 152. Estructura fisica de un CMOS
CMOS, acrónimo de Complementary Metal Oxide Semiconductor (semiconductor
complementario de óxido metálico). Es un dispositivo semiconductor formado por
dos transistores de efecto de campo de óxido metálico (MOSFET), uno del tipo n
(NMOS) y otro del tipo p (PMOS), integrados en un único chip de silicio. Utilizados
por lo general para fabricar memoria RAM y aplicaciones de conmutación, estos
dispositivos se caracterizan por una alta velocidad de acceso y un bajo consumo
de electricidad. Pueden resultar dañados fácilmente por la electricidad estática.
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LECCIÓN: 20 ESPECIFICACIONES DEL MOSFET
A continuación se muestra los datos técnicos para el MOSFET BSD022
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CAPITULO 5 POLARIZACIONES DEL FET
LECCIÓN: 21 CONFIGURACIONES DE POLARIZACIÓN DEL FET
CONFIGURACIÓN DE POLARIZACIÓN FIJA.
Los circuitos básicos que se utilizan para polarizar los BJT se pueden emplear
para los MOSFET. EL JFET tiene el inconveniente de que la tensión VGS debe ser
negativa en un NJFET (positiva en un PJFET) que exige unos circuitos de
polarización característicos para este tipo de dispositivos. En este apartado se
presentan uno de los circuitos más utilizados: polarización simple ó fija (Figura
153), se utiliza una fuente de tensión externa para generar una VGS<0.
Figura 153. Circuito de polarización simple de un NJFET. (a) Diagrama circuital.
(b) Ecuaciones analíticas. (c) Representación grafica del punto de trabajo.
CONFIGURACIÓN DE AUTO POLARIZACIÓN.
La configuración de autopolarización (figura 154), la caída de tensión en la
resistencia RS debida a ID permite generar una VGS<0.
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Figura 154. Autopolarización de un NJFET. (a) Diagrama circuital.
(b) Ecuaciones analíticas. (c) Representación grafica del punto de trabajo.
POLARIZACIÓN MEDIANTE DIVISOR DE VOLTAJE.
Tal como lo hicimos para el BJT, la polarización del JFET se puede realizar por
divisor de voltaje.
Su construcción básica es exactamente la misma, pero el análisis en DC es muy
diferente. Puesto que, la corriente de la compuerta (IG) es de cero amperios
mientras que para el BJT la corriente de la base (IB) afecta los niveles de DC de la
corriente y del voltaje tanto para el circuito de entrada como el de salida. Pues IB
proporcionaba la relación entre el circuito de entrada y el de salida mientras que el
VGS hará lo mismo para el JFET.
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Figura 155. Polarización por divisor de voltaje de un JFET
Entonces, realizando el análisis de la misma forma que para un BJT, tenemos:
VG = R2 * VDD / R1 + R2
(5.1)
Luego, aplicando las leyes de Kirchhoff, y teniendo en cuenta que IR2 = IR1,
entonces podremos encontrar el valor del voltaje de la compuerta: VG.
VG – VGS – VRS = 0 (5.2)
VGS = VG – VRS
Sustituyendo a VRS = IS * RS = IDRS, tenemos:
VGS = VG – IDRS
(5.3)
Los valores VG y RS los fija la red. Y la ecuación No. 5.3 corresponde a una línea
recta en el plano de ID – VGS.
Cuando ID sea cero el valor de VGS será igual a VG y cuando VGS sea cero, ID será
igual a la relación VG sobre RS.
De acuerdo a la figura No. 5.4, si RS se incrementa, entonces la recta cruzará por
un valor menor de ID cuando VGS sea cero. Pero esto ocasionará niveles menores
de estabilidad de los ID y más negativos de VGS.
VDS = VDD – ID (RD + RS)
(5.4)
IR1 = IR2 = VDD / (R1 +R2)
(5.5)
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Figura 156. Gráfica de JFET polarizado por divisor de voltaje.
LECCIÓN: 22 MOSFET DE TIPO DECREMENTAL E
INCREMENTAL.
MOSFET DE TIPO DECREMENTAL.
Figura 157. Mosfet de tipo decremental
Aun cuando existen grandes similitudes entre las curvas de transferencia de los
JFET y de los MOSFET y que permiten realizar un análisis muy parecido en el
dominio de DC, los MOSFET de tipo decremental permiten trabajar con puntos de
operación con valores VGS positivos y niveles de ID que exceden el valor de IDSS.
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Nos queda la pregunta: ¿Hasta donde deberá extenderse la curva de transferencia
hacia la región de valores positivos de VGS y hacia valores de ID mayores de IDSS?
Este intervalo estará bien definido en los parámetros del MOSFET.
MOSFET DE TIPO INCREMENTAL.
Figura 158. Mosfet de tipo Incremental
Las características de transferencia del JFET difieren a las encontradas en el
MOSFET de tipo incremental. Por lo tanto, la solución gráfica es diferente para los
dos casos ya vistos.
Debemos tener en cuenta que para un MOSFET de tipo incremental de canal-n, la
corriente de drenaje (ID) es cero para aquellos niveles de voltaje compuerta –
fuente menores al nivel de umbral VGS (TH).
La corriente de drenaje se define como un exponencial a partir del nivel de umbral:
ID = k (VGS – VGS (TH)) 2
(5.6)
En las hojas de características técnicas se definen claramente los valores de
voltaje de umbral y un nivel de corriente de drenaje (ID (encendido)), valores que
permiten encontrar el valor de la constante k.
k = ID (encendido) / VGS (Encendido) - VGS (TH)
(5.7)
Una vez se obtenga k, se podrán obtener los demás valores para ID.
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LECCIÓN: 23 REDES COMBINADAS.
Conociendo la forma de realizar un análisis en DC tanto para los BJT como para
los FET, es la oportunidad de analizar redes con los dos tipos de transistores
presentes en la misma. Para esto, se requiere de realizar un primer proceso sobre
el dispositivo que proporcionará un voltaje o un nivel de corriente en una terminal.
Luego, ya se podrán calcular otras cantidades y dedicarse a las incógnitas
restantes.
El reto está en la localización de la entrada del problema para luego utilizar sus
resultados y aplicar los conocimientos ya vistos. Se ha trabajado constantemente
con los diferentes juegos de ecuaciones por lo que no es necesario desarrollar
nuevos métodos de análisis. El estudiante podrá recurrir a los ejemplos
desarrollados en el libro de Boylestad en el capítulo No. 6.
Figura 159. Ejemplo de una red combinada
LECCIÓN: 24 DISEÑO.
Cuando se requiere diseñar se deben tener en cuenta las condiciones que
intervienen en el proceso completo:
•
•
•
•
Área de aplicación
Nivel de amplificación deseado
Potencia de señal
Condiciones de operación
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Para ello, se debe inicialmente establecer las condiciones DC seleccionadas.
Figura 160. Configuración de Autopolarización para diseñar.
Conocidos los valores para VD e ID es posible determinar el valor para VGSQ a partir
de una gráfica de la curva de transferencia y luego podrá encontrarse RS mediante
VGS = -IDRS.
Pero si conocemos VDD, es posible determinar RD a partir de RD = (VDD – VD)/ID.
Luego se debe conseguir los valores comerciales más cercanos para RD y RS. Los
valores de las tolerancias no son problema alguno para el real proceso del diseño.
LECCIÓN: 25 FET DE CANAL –P Y CURVA DE POLARIZACIONES
PARA JFET.
En los apartes anteriores de este capítulo nos hemos centrado al análisis con FET
de canal –n. Para el caso de un FET canal-p se utilizará una imagen en espejo de
las curvas de transferencia, además, las direcciones definidas de las corrientes se
invierten.
El valor de VDD será negativo y la dirección de la corriente ID estará en el sentido
hacia la fuente. Las notaciones para un FET de canal-p son idénticas al FET
canal-n, cambiando solamente los signos. Durante la realización de un análisis
con un FET de canal-p lo podremos simular con uno de cana-n e invertir el voltaje
de alimentación. Sin olvidar invertir los valores encontrados para voltaje y las
direcciones de las corrientes.
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CAPITULO 6 OTROS DISPOSITIVOS PNPN
LECCIÓN: 26 DIODOS DE CUATRO CAPAS
El diodo de cuatro capas o diodo Shockley es un dispositivo compuesto por cuatro
capas semiconductores npnp, cuya estructura y símbolo se describen en la figuras
161a y 161b. Esencialmente es un dispositivo interruptor. Al aplicar un tensión
positiva entre ánodo y cátodo se puede observar que la unión J1 y J3 esta
polarizada en directa, y la unión J2 polarizada en inversa.
En estas condiciones únicamente circula una corriente muy baja (despreciable) y
el dispositivo se encuentra cortado. Aumentando esta tensión positiva se llega a
una tensión VBO de ruptura o avalancha donde la corriente crece de forma abrupta
y la caída de tensión decrece de la misma manera. En este momento, el diodo ha
conmutado desde el estado de bloqueo a conducción.
Figura 161. Diodo de cuatro capas: a) Estructura, b) símbolo, c) estructura
equivalente y d) modelo de conducción.
Una manera sencilla de entender el funcionamiento de este diodo consiste en
separar
su
estructura
física
en
dos
mitades
(figura 161a).
La
mitad izquierda es un transistor NPN y la mitad derecha PNP, resultando el circuito
mostrado en la figura 161d que normalmente es referido como candado.
Figura 162. Características tensión/corriente del diodo de cuatro capas.
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Las características eléctricas de un diodo de cuatro capas se muestran en la
grafica de la figura 162. En esta grafica, se pueden identificar dos zonas y cuatro
regiones de operación:
1.- Zona directa (V > 0)
1.a) Región de corte.
El diodo se encuentra en corte con unas corrientes muy bajas. En esta región se
puede modelar como una resistencia ROFF de valor:
1.b) Región de resistencia negativa.
Cuando la tensión entre ánodo y cátodo es suficientemente alta se produce la
ruptura de la unión con un incremento muy elevado en corriente comportándose el
diodo como si fuera una resistencia negativa debido a la realimentación positiva de
su estructura.
1.c) Región de saturación o conducción.
En esta región, la caída de tensión entre ánodo y cátodo está comprendida entre
0.5V y 1.5 V, prácticamente independiente de la corriente. Se mantendrá en este
estado siempre que la tensión y corriente alcancen unos valores mínimos
conocidos como niveles de mantenimiento definidos por VH e IH.
2.- Zona inversa (V <0)
2.a) Región de ruptura.
El diodo puede soportar una tensión máxima inversa VRSM que superado ese valor
entra en conducción debido a fenómenos de ruptura por avalancha.
EL SIDAC
El SIDAC es un dispositivo bilateral de disparo de alta tensión y corriente. Es
básicamente un diodo de cuatro capas con unas características eléctricas
simétricas. En la figura 163a se describe su estructura física, en la figura No. 163b
el símbolo de este dispositivo y en la figura 163c sus características eléctricas
simétricas.
El SIDAC se utiliza en aquellas aplicaciones que se necesitan una tensión de
disparo VBO cuyos valores están comprendidos entre 120 V y 270 V (típicos).
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Figura 163. SIDAC: a) estructura física, b) símbolo y c) características I-V.
El MKP3V120 de Motorola es un ejemplo típico de un SIDAC, con una corriente
máxima de 1A y una tensión de ruptura de VBO=120 V (pertenece a la serie
MKP3VXXX en donde las tres últimas cifras definen la VBO).
En la figura 164 se indican sus características I-V en estado de conducción. En
este caso, la tensión ánodo-cátodo es aproximadamente ~1.1V prácticamente
independiente de la corriente. Una de las aplicaciones más típicas del SIDAC es
como generador de diente de sierra en donde se aprovecha las características de
disparo y bloqueo de este dispositivo.
Figura 164. Características I-V en conducción del MKP3V120.
En la figura 165a se presenta el esquema de este circuito basado en el
MKP3V120. Las principales características de este dispositivo son: VT « VH=1.1V,
IH=100mA (máx.), VBO=120 V (typ), IBO=200 pA (máx.).
En la figura 165b se muestra la forma de onda de Vo que se asemeja a un diente
de sierra. El funcionamiento del circuito es el siguiente. El condensador se carga a
través de R cuando el SIDAC está cortado. En estas condiciones, el dispositivo se
comporta como una resistencia ROff de valor
Esta resistencia es tan elevada que a efectos prácticos se puede considerar como
despreciable. La ecuación del carga del condensador parte de una tensión inicial
VH (VH=1.1V), correspondiente a la tensión de mantenimiento del SIDAC, hasta la
tensión final VCC (VCC=200 V). Esta ecuación es
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La tensión Vo (t) evoluciona de forma exponencial tal como se muestra en la figura
165b. Este proceso de carga del condensador finalizara cuando el SIDAC entre en
conducción, situación que se produce cuando la tensión Vo (t) alcance la tensión de
ruptura, es decir, el proceso de carga durara un tiempo to correspondiente al
tiempo que tarda Vo (t) en tomar el valor VBO, es decir:
Vo (t - to) = VBO=120 V.
Este tiempo está definido por la siguiente ecuación
Figura 165. a) SIDAC como generador de diente de sierra. b) Forma
de onda de Vo.
En el momento que entra en conducción el SIDAC, este descarga rápidamente el
condensador C hasta su tensión de mantenimiento (VH). El dispositivo estará
permanentemente en ese estado siempre que se asegure la corriente de
mantenimiento IH de 100mA.
Pero en este circuito, la corriente que circula por R es menor que la corriente de
mantenimiento, luego el SIDAC pasara a estado de corte de forma natural
permitiendo que el condensador se cargue nuevamente a través de R y se repita
el proceso indefinidamente. Si se desea que el SIDAC permanezca en conducción
permanente con Vo = VH es preciso asegurar la corriente de mantenimiento, para
lo cual la resistencia R tiene que ser menor que el valor de la resistencia critica
obtenido por la siguiente expresión
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A continuación un ejemplo de la hoja característica de un SIDAC:
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EL SBS
El SBS o Silicon Bidirectional Switch es un dispositivo de baja potencia simétrico
para aplicaciones de disparo más versátil que el SIDAC. Tiene además un terminal
adicional (gate o G) que permite modificar sus características de disparo con
pequeños pulsos de corriente (decenas de µA). Su reducido coste, alta velocidad
y capacidad para disparar puertas de tiristores con altos valores de corriente hace
que este dispositivo sea muy útil en muchas aplicaciones. EL SBS no es
solamente un versión mejorada del diodo de cuatro capas, sino que es fabricado
como un circuito integrado constituido por transistores, diodos y resistencias. La
figura 166a muestra su símbolo, la figura 166b su estructura a nivel circuital y la
figura 166c sus características I -V. El MBS4991 de Motorola es un ejemplo típico
de un SBS simétrico. Sus parámetros característicos de acuerdo a la grafica de la
figura 166c son: VS=8 V, IS=175 µA, |H=0.7mA y VF=1.4 V El disparo de este
dispositivo se puede realizar bien superando la tensión VS o bien aplicando una
corriente de puerta IGf=100µA.
Figura 166. SBS: a) símbolo, b) circuito equivalente y c) Curva característica I-V
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A continuación un ejemplo de la hoja característica de un SBS:
LECCIÓN: 27 EL SCR (SILICON CONTROLED RECTIFIER)
El SCR o Silicon Controled Rectifier es un dispositivo triterminal (A o ánodo, C o
cátodo y G o gate o puerta de control) muy similar al diodo de cuatro capas
descrito en la anterior sección pero que posee una entrada adicional (G) que
permite disparar el dispositivo antes de alcanzar la VBO. En la figura 167a se
muestra el símbolo del SCR y en la figura 167b su modelo a nivel transistor. En el
modelo a nivel de transistor se observa claramente que al introducir una corriente
por la línea G se produce la conducción de los transistores, es decir, el disparo del
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dispositivo sin ser necesario alcanzar la VBO. La figura 168 permite ver claramente
como las características del SCR varían con la corriente de su puerta cuyos
valores son del orden de miliamperios o inferiores.
Figura 167. a) Símbolo del SCR, b) Modelo a nivel de transistor
Figura 168. Características I-V del SCR.
A continuación se detallan algunos parámetros característicos de los SCR.
• Tiempo de conducción (Turn-on Time).
Tiempo de duración mínima de la tensión de disparo para pasar el SCR de
bloqueo a conducción. Este tiempo tiene dos componentes: TON = td + tr, siendo td
el tiempo de retraso (delay time) y tr el tiempo de subida (rise time).
Por ejemplo, el 2N5060 tiene el TON= td + tr =3µs + 0.2us= 3.2µs.
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• Tiempo de corte (Turn-off Time).
Tiempo que el SCR puede permanecer por debajo de las condiciones de
mantenimiento. El 2N5060 tiene un TOFF = tq de 10µs.
MÁXIMA CORRIENTE DE CONDUCCIÓN.
Máxima corriente eficaz que puede circular por el SCR durante el estado de
conducción. Para el 2N5060, la IT (rms)=0.8A.
Velocidad crítica de elevación. Variaciones muy rápidas de tensión entre el ánodo
y cátodo en un SCR pueden originar un disparo indeseado. Para evitar este
problema, la variación de tensión ánodo - cátodo no debe superar un valor
conocido como velocidad critica de elevación (dv/dt); si se supera este valor
además de producir el disparo puede llegar a deteriorar el dispositivo.
El 2N5060 tiene un dv/dt=30V/µs. A veces transitorios en las líneas de
alimentación pueden originar problemas de comportamiento del SCR al ser
superado su velocidad crítica de elevación.
Los circuitos de protección contra transitorios de corriente (figura No. 169a) y
transitorios de tensión (figura 169b) evitan este indeseado disparo. Básicamente
son filtros basados en RC o inducciones que eliminan esas señales espureas.
Figura 169. Circuitos de protección contra transitorios de a) tensión b) intensidad.
REGULACIÓN EN POTENCIA DE UN SCR.
Existe una gran variedad de aplicaciones de potencia basadas en los tiristores
como elementos de control. Su propiedad de conmutación de corte a conducción y
viceversa resulta muy útil cuando se desea controlar la transferencia de potencia a
una carga. Las aplicaciones más comunes de uso domestico son los reguladores
de luz, control de velocidad de motores, etc.
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Figura 170. Circuito regulador de potencia basado en un SCR.
En la figura 170 se muestra la estructura básica de un circuito regulador de
potencia básico. Se quiere entregar una determina energía de la red eléctrica a
una carga (ZL) y, para ello, se utiliza un tiristor (en este caso un SCR) como
dispositivo de control y un circuito de disparo que controla ese tiristor. Este circuito
de disparo introduce un desfase φ respecto al inicio de la onda sinusoidal; a φ se
le denomina ángulo de desfase o de disparo y a π- φ ángulo de conducción. En la
figura 171 se representa las formas de onda del regulador de potencia. Se
identifican tres zonas del funcionamiento del tiristor:
Figura 171. Formas de onda del circuito de la figura 170.
1) 0 ≤ α < φ. El SCR está bloqueado. En estas condiciones no circula ninguna
corriente por la carga (IL=0) y la VAK = Vm senα.
2) φ ≤ α < π. En el instante α=φ el circuito de disparo aplica un pulso que hace
entrar el SCR a conducción. Aparece una corriente por la carga de valor IL= Vm
senα /ZL, si se desprecia la caída de tensión en el SR (VAK~0V). En esas
condiciones, VS=VL+VAK≈VS.
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3) π ≤ α < 2π. En el instante α=π el SCR conmuta a corte de forma natural. En el
semiperiodo negativo el SCR se mantiene a corte porque la tensión del ánodo es
inferior a la del cátodo. La corriente es nula (IL=0) y la VAK = Vm senα.
En términos eficaces, la corriente eficaz (RMS) entregada a la carga se obtiene
mediante la siguiente ecuación:
Y, de una manera similar, la tensión eficaz (rms) de la carga:
La potencia eficaz entregada a la carga se define como el producto
de la corriente eficaz por la tensión eficaz.
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A continuación un ejemplo de la hoja característica de un SCR:
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LECCIÓN: 28 OTROS TIRISTORES
Existen otros dispositivos de cuatro capas cuyo modo de funcionamiento es similar
a la de un SCR. En esta sección se realiza una breve descripción de las variantes
del SCR más importantes.
FOTO-SCR O LASCR
El foto-SCR o SCR activado por luz (light activated SCR o LASCR) es, como su
propio nombre indica, un SCR cuyo disparo es controlado por luz. Cuando la luz
incidente es suficientemente intensa, el SCR se dispara y permanece en
conducción aunque desaparezca esa luz. En la figura 172a se muestra su símbolo
y en la figura 172b aparece una aplicación sencilla del foto-SCR con una
resistencia ajustable que controla la intensidad de luz incidente de disparo. Un
ejemplo de un LASCR es el SP-101 de SunPowe.r que se activa cuando la luz
incidente es de 24 mW/cm2.
Figura 172. Foto-SCR o LASCR: a) Símbolo y b) ajuste de sensibilidad a la luz.
EL GTO
El GTO o Gate Turn-Off SCR es un tiristor que puede ser disparado con un pulso
positivo a su terminal gate y bloqueado si se aplica un impulso negativo a ese
mismo terminal. El GTO se emplea actualmente en muchas aplicaciones
interesantes en el dominio de altas potencias cuyo control se realiza fácilmente
mediante transistores bipolares. Los bajos requerimientos de potencia de su
control facilitan la aplicación de técnicas de modulación de anchura de pulsos. En
la figura 173 se indica su símbolo. El MGTO1000/2000 de Motorola es un GTO
diseñado para aplicaciones de alta velocidad y es capaz de proporcionar hasta 18
A.
Figura No. 173. Símbolo de un GTO
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EL PUT
El PUT o programable unijunction transistor perteneciente a la familia de los
dispositivos uniunión y sus características son similares al SCR. En la figura 174a
se indica su símbolo. Es un dispositivo de disparo ánodo-puerta (anode-gate)
puesto que su disparo se realiza cuando la puerta tenga una tensión más negativa
que el ánodo, es decir, la conducción del PUT se realiza por control de las
tensiones en sus terminales. Como ejemplo sencillo, la figura 174b muestra el
esquema de un oscilador de relajación basado en este dispositivo. La tensión de
puerta está fijada a un valor constante a través de las resistencias R1 y R2. Si
inicialmente el condensador esta descargado, la tensión del ánodo es menor que
la de la puerta (VA<VG) y el PUT está cortado. En estas condiciones, el
condensador se carga a través de R aumentando la tensión del ánodo. Llegara un
momento en que VA=VG y, en ese instante, se dispara el PUT el cual descarga
bruscamente el condensador C produciendo una caída de tensión en la resistencia
Ro. Si R y Ro tienen un valor que impida circular a través del PUT la corriente de
mantenimiento mínima de conducción el dispositivo se cortara y el condensador se
carga nuevamente a través de R repitiéndose el proceso.
Figura 174. a) Símbolo del PUT y b) oscilador basado en un PUT.
EL TRIAC
Un TRIAC (Triode for Alternative Current) es un SCR bidireccional que se
comporta como dos SCR en paralelo e invertidos, de tal manera que este
dispositivo puede controlar corriente en cualquier dirección. Normalmente, tiene
una tensión de ruptura alta y el procedimiento normal de hacer entrar en
conducción a un TRIAC es a través de un pulso de disparo de puerta (positivo o
negativo). La figura 175a muestra su símbolo y la figura 175b su modelo
equivalente basado en dos SCR conectados en oposición. Ejemplos típicos de
TRIACS: BT136 (de 5 A) y el BT138 (16A) de Philips y la serie MAC de Motorola
con corrientes de 8 A (MAC97-8) hasta 350 A (MAC224A4).
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Figura 175. a) Símbolo del TRIAC y b) Modelo equivalente en SCRs.
TRIAC CON ACOPLADO ÓPTICO (OPTO COUPLER TRIAC)
Los TRIAC acoplados ópticamente combinan un diodo emisor de luz (LED) con un
TRIAC foto-detector (foto-TRIAC) dentro de un mismo encapsulado opaco con un
esquema mostrado en la figura 176. Al no existir conexión eléctrica entre la
entrada y la salida, el acoplo es unidireccional (LED al foto-TRIAC) y permite un
aislamiento eléctrico entre ambos dispositivos de hasta 7500 V (typ). Además,
algunos foto-TRIAC incluyen un circuito de detección de paso por cero que
permite sincronizar señales de la red eléctrica con señales de control del LED para
ajustar el ángulo de conducción.
Figura 176. Esquema de un opto-TRIAC.
Como ejemplo de estos circuitos se encuentra el MOC3009 (Motorola) que
necesita una corriente en el LED de 30 mA para disparar el foto-TRIAC o el
MOC3021 (Motorola) que únicamente requiere 10mA. Cuando el LED está
apagado, el foto-TRIAC está bloqueado conduciendo una pequeña corriente de
fuga denominada IDrm (peak-blockingcurrent). Cuando el diodo conduce, dispara al
foto-TRIAC pudiendo circular entre 100 mA y 1 A. Al no ser un dispositivo que
soporte grandes niveles de potencia, el propio foto-TRIAC en muchos casos actúa
sobre el control de un TRIAC de mucho mayor potencia, tal como se indica en la
figura 177. En este circuito, una señal digital (por ejemplo, una señal de un
microcomputador) activa el opto-acoplador que a su vez activa el TRIAC de
potencia conectado a la red eléctrica; el valor de R está comprendido entre 50Ω y
500Ω.
Figura 177. Esquema de un opto-acoplador TRIAC para activar un TRIAC de
mayor potencia.
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A continuación un ejemplo de la hoja característica de un TRIAC:
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EL TRANSISTOR UJT Ó DE UNIUNIÓN.
El transistor de uniunión (unijunction transistor) o UJT está constituido por dos
regiones contaminadas con tres terminales externos: dos bases y un emisor. En la
figura 178a aparece la estructura física de este dispositivo. El emisor está
fuertemente dopado con impurezas p y la región n débilmente dopado con n. Por
ello, la resistencia entre las dos bases, RBB o resistencia interbase, es elevada (de
5 a 10 KΩ estando el emisor abierto).
El modelo equivalente representado en la figura 178b está constituido por un diodo
que excita la unión de dos resistencias internas, R1 y R2, que verifican RBB=R1+R2.
Cuando el diodo no conduce, la caída de tensión en R1 (V1) se puede expresar
como:
Donde VB2B1 es la diferencia de tensión entre las bases del UJT y η es el factor de
división de tensión conocido como relación intrínseca. El modelo de este
dispositivo utilizando transistores se muestra en la figura 178c, cuya estructura es
muy similar a un diodo de cuatro capas. Cuando entra en conducción los
transistores la caída de tensión en R1 es muy baja. El símbolo del UJT se muestra
en la figura 178d.
Figura 178. Transistor UJT. a) Estructura física, b) Modelo equivalente, c)
Circuito equivalente y d) símbolo.
FUNCIONAMIENTO DE UN UJT
El funcionamiento de un UJT es muy similar al de un SCR. En la grafica de la
figura 179 se describe las características eléctricas de este dispositivo a través de
la relación de la tensión de emisor (VE) con la corriente de emisor (IE). Se definen
dos puntos críticos: punto de pico o peak-point (VP, IP) y punto de valle o valleypoint (VV, IV), ambos verifican la condición de dVE/dIE=0. Estos puntos a su vez
definen tres regiones de operación: región de corte, región de resistencia negativa
y región de saturación, que se detallan a continuación:
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Figura 179. Características eléctricas de un UJT.
Región de corte: En esta región, la tensión de emisor es baja de forma que
la tensión intrínseca mantiene polarizado inversamente el diodo emisor. La
corriente de emisor es muy baja y se verifica que VE<VP e IE < IP. Esta tensión de
pico en el UJT viene definida por la siguiente ecuación:
VP = ηVB2B1 + VF
donde la VF varía entre 0.35 V a 0.7 V con un valor típico de 0.5 V. Por ejemplo,
para el 2N2646 es de 0.49V a 25 °C. El UJT en esta región se comporta como un
elemento resistivo lineal entre las dos bases de valor RBB.
Región de resistencia negativa: Si la tensión de emisor es suficiente para
polarizar el diodo de emisor, es decir, VE=VP entonces el diodo entra en
conducción e inyecta huecos a B1 disminuyendo bruscamente la resistencia R1
debido a procesos de recombinación. Desde el emisor, se observa como el UJT
disminuye su resistencia interna con un comportamiento similar a la de una
resistencia negativa (dVE/dIE< 0). En esta región, la corriente de emisor esta
comprendida entre la corriente de pico y de valle (IP< IE< IV).
Región de saturación: Esta zona es similar a la zona activa de un tiristor con
unas corrientes y tensiones de mantenimiento (punto de valle) y una relación lineal
de muy baja resistencia entre la tensión y la corriente de emisor. En esta región, la
corriente de emisor es mayor que la corriente de valle (IE > IV). Si no se verifica las
condiciones del punto de valle, el UJT entrara de forma natural a la región de
corte. En la figura 180 también se observa una curva de tipo exponencial que
relaciona la VE y la IE cuando la base B2 se encuentra al aire (IB2=0). Esta curva
tiene una forma similar a la característica eléctrica de un diodo y representa el
comportamiento del diodo de emisor.
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OSCILADOR DE RELAJACIÓN CON UJT
Una de las aplicaciones más típicas del UJT es la construcción de osciladores de
relajación que se utilizan en muchos casos como circuito de control de SCR y
TRIAC. El esquema eléctrico de este circuito se muestra en la figura 180a.
Cuando el UJT está en la región de corte, el condensador C se carga a través de
R. Este proceso de carga finalizara si la tensión de emisor (VC) es suficiente para
entrar al UJT en la región de resistencia negativa (VC=VP), en cuyo caso la
corriente de emisor descarga bruscamente el condensador hasta alcanzar la
tensión de valle (VC=VV). En estas condiciones, si el circuito ha sido diseñado para
que la resistencia R no proporcione la suficiente corriente de mantenimiento (IE<IV)
entonces el UJT conmutara de forma natural a corte y el condensador volverá a
cargarse de nuevo a través de R. La figura 180b indica el diagrama temporal de
las tensiones VC, VOB1 y VOB2. En resumen, para asegurar que el circuito de la
figura 180a se comporta como un oscilador, R debe verificar que:
Figura 180. El UJT como oscilador de relajación: a) esquema eléctrico y
b) diagrama temporal.
Las ecuaciones que verifica este oscilador son las siguientes.
• VC. Proceso de carga del condensador se realiza a través de R. Se inicia con la
tensión VV y tiende a cargarse hasta VCC. La tensión VC viene dada por la
siguiente ecuación:
(7.13)
• Periodo de oscilación. El periodo de oscilación esta definido por el tiempo (to) que
tarda el condensador en alcanzar la tensión de activación del UJT (VP). Es decir, el
tiempo to necesario para que la tensión VC (t=to)=VP se obtiene a partir de la
ecuación 7.13 y vale
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• Vob1 y Vob2. Estas tensiones las proporciona el fabricante en forma de grafica en
función de las resistencias RB1 y RB2 asociadas a la base del UJT; se supone que
RB1 y RB2 <<Rbb. El tiempo de validez de estas tensiones depende del tiempo de
conmutación y corte del UJT y suelen ser del orden del 1% del periodo de
oscilación del circuito. Por ejemplo, el 2N2646 produce una tensión VOB1=5 V (typ)
si RB1=20 Ω y VB2B1=20 V.
A continuación un ejemplo de la hoja característica de un UJT:
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LECCIÓN: 29 ACTIVACIÓN O DISPARO Y BLOQUEOS DE LOS
TIRISTORES
El tiristor es un dispositivo de estado sólido que su modo de operación emula a un
relé. En estado de conducción tiene una impedancia muy baja que permite circular
grandes de niveles de corriente con una tensión ánodo-cátodo del orden de 1V. En
estado de corte, la corriente es prácticamente nula y se comporta como un circuito
abierto. A continuación se describen las diferentes maneras de activar o disparar y
de bloqueo de un tiristor.
Existen cuatro maneras de poner a un tiristor en estado de conducción:
ACTIVACIÓN O DISPARO POR PUERTA.
El método más común para disparar un tiristor es la aplicación de una corriente en
su puerta. Los niveles de tensión y corriente de disparo en la puerta deben tener
un rango de valores comprendidos dentro de una zona de disparo de seguridad. Si
se sobrepasa ese límite puede no dispararse el tiristor o puede
deteriorarse el dispositivo; por ejemplo, para el 2N5060 la máxima potencia
eficaz que puede soportar la puerta es PG (av)=0,01W. Gráficamente, en la figura
181 se muestra la forma típica de esa zona de seguridad de disparo del SCR
TF521S de Sanken Electric; obsérvese la su elevada dependencia con la
temperatura. Este tiristor soporta corrientes de hasta IT (rms)= 5A y la corriente
máxima de disparo es IGT (máx.)= 15mA a 25 °C para una VGT (máx.)= 2.5V. Otro
ejemplo es el C701 de SPCO capaz de soportar 1300A con una corriente
IGT=500mA. Además, el disparo debe tener una duración dependiente del tiristor
con valores típicos de 1useg para que resulte eficaz. El tiempo de conexión o de
activación es el tiempo que tarda en conducir el tiristor desde que se ha producido
el disparo. Los valores típicos de tiristores comerciales están alrededor de 1 a 3
µseg, aunque para aplicaciones especiales como son los moduladores de
impulsos de radar se fabrican tiristores con valores por debajo de 100nseg.
Figura 181. Zona de seguridad de disparo del SCR TF521S.
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ACTIVACIÓN O DISPARO POR LUZ.
Un haz luminoso dirigido hacia una de las uniones del tiristor provoca su disparo.
Son los dispositivos conocidos como foto-SCR o LASCR y sus derivados (fotoTRIAC, Opto-TRIAC, etc.). El SP-101 de Sunpower es un ejemplo típico de un
LASCR de 2A que precisa de una radicación luminosa efectiva de 24mW/cm2 con
una longitud de onda de 850nm para su activación.
ACTIVACIÓN POR TENSIÓN DE RUPTURA.
Un aumento de la tensión ánodo-cátodo puede provocar fenómenos de ruptura
que activa el tiristor. Esta tensión de ruptura directa (VBO) solamente se utiliza
como método para disparar los diodos de cuatro capas.
DISPARO POR AUMENTO DE DV/DT.
Un rápido aumento de la tensión directa de ánodo cátodo puede producir una
corriente transitoria de puerta que active el tiristor. Generalmente se elimina este
problema utilizando circuitos de protección basados en R, C o L (figuras 169a y
169b). Valores típicos de dv/dt están comprendidos entre 5 V/µseg a 500 V/µseg.
Figura 182. Circuitos de disparo de SCR. a) y b) circuitos de disparo en DC, c)
circuito de disparo por impulso, y d) circuito de disparo controlado por señal
alterna.
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Existen numerosos circuitos de disparo de tiristores que pueden ser clasificados
en tres tipos básicos en función del tipo de señal de disparo: DC, impulso o fase
de alterna. Los circuitos de disparo en DC están basados en un interruptor
mecánico o electrónico (figura 182a) que incluyen circuitos de protección para
evitar daños al tiristor. Estas señales también pueden ser generadas desde un
ordenador o cualquier circuito de control digital (figura 182b).
Los circuitos de disparo por impulso están basados generalmente en un
transformador de acoplo que transmite el pulso de disparo (figura 182c). Este
transformador permite el aislamiento eléctrico entre el tiristor y el circuito de control
y precisa menor potencia de disparo. Sin embargo, son más voluminosos debido
al tamaño del transformador y suelen ser sustituidos por opto-acopladores
luminosos.
Por último, los circuitos de disparo en alterna están diseñados para sincronizar la
fase entre el suministro en alterna y el disparo que permita la regulación en
potencia (figura 182d). Debido a la importancia de este ultimo tipo de disparo, se
va a dedicar un apartado completo a su estudio.
BLOQUEO DE UN TIRISTOR.
La conmutación en corte o bloqueo es el proceso de poner en estado de corte al
tiristor que puede realizarse de tres formas: conmutación natural, polarización
inversa o conmutación por puerta.
Conmutación natural. Cuando la corriente del ánodo se reduce por debajo de un
valor mínimo, llamado corriente de mantenimiento, el tiristor se corta. Sin
embargo, hay que señalar que la corriente nominal de un tiristor es del orden de
100 veces la corriente de mantenimiento. Para reducir esa corriente es preciso
abrir la línea, aumentando la impedancia de carga o derivando parte de la
corriente de carga a un circuito paralelo, es decir, cortocircuitando el dispositivo.
Corte por polarización inversa. Una tensión inversa ánodo-cátodo tendera a
interrumpir la corriente del ánodo. La tensión se invierte en un semiperiodo de un
circuito de alterna, por lo que un tiristor conectado a la línea tendrá una tensión
inversa en un semiperiodo y se cortara. Esto se llama conmutación por fase o
conmutación de línea alterna.
Corte por puerta. Algunos tiristores especialmente diseñados, como los GTO, se
bloquean con una corriente de puerta negativa. El tiempo de conmutación en corte
es el tiempo que tarda en bloquearse un tiristor. Con conmutación natural su valor
está comprendido entre 1 a 10 useg, mientras que conmutación forzada puede ser
de 0.7 a 2useg. Sin embargo, existen gran variedad de tiristores diseñados para
tener tiempos de conmutación muy bajos.
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LECCIÓN 30: ALGUNAS APLICACIONES TÍPICAS DE LOS
TIRISTORES.
Los tiristores son sumamente populares en el control de potencia en cargas
resistivas e inductivas como motores, solenoides, calefactores, etc. Comparados
con los dispositivos equivalentes mecánicos como son los reles, los tiristores
ofrecen mayor fiabilidad, mejores prestaciones y menor costo. En esta sección se
analizan algunas aplicaciones típicas con tiristores para dar una idea de sus
múltiples posibilidades.
REGULACIÓN DE LUZ
Una de las aplicaciones más típicas de uso domestico es el regulador de luz. La
figura 183 muestra un esquema de este circuito basado en el TRIAC MAC218A de
Motorola y cuyo control de disparo se realiza a través de un SBS. La resistencia
R1+R2 carga el condensador C1 a través de la propia tensión de alimentación en
alterna y cuando se alcanza la tensión de ruptura del SBS, este dispara el TRIAC
haciendo circular la corriente por la carga (lámpara). El uso de TRIAC y SBS
permite el control de potencia en semiperiodos positivos y negativos.
El ángulo de conducción se controla a través de la resistencia variable R1; contra
mas pequeño sea su valor el ángulo de conducción será mayor, y viceversa. Las
ecuaciones de funcionamiento del circuito son difíciles de extraer pero en la figura
183 se indican los valores típicos de los diferentes componentes. Los diodos, la
resistencia de R4 y el condensador C2 actúan como elementos de protección.
Figura 183. Regulador de luz
Un segundo ejemplo de circuito de regulador de luz se indica en la figura 184. En
este caso, el UJT 2N4870 es el encargado de disparar al TRIAC. El circuito de
polarización del UJT está constituido por un circuito rectificador de diodos, una
resistencia y el diodo zener 1N4871 de 22V; con ello se consigue obtener la señal
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VS indicada en la parte inferior de la figura. Esta señal seria prácticamente una
onda cuadrada si no existiese el TRIAC. El disparo del TRIAC hace que la caída
de tensión en sus terminales sea muy baja (~1 a 2V) anulando el circuito de
polarización (VS ~ 0V). El UJT actúa como oscilador de relajación cuya frecuencia
está determinada por R1 y C1. La activación del UJT dispara a su vez el TRIAC a
través de un pequeño transformador. El ángulo de conducción del TRIAC oscila
entre φ=0° a 170° en cada semiperiodo.
Figura 184. Regulador de luz con UJT.
CONTROL DE VELOCIDAD DE MOTORES
El control de velocidad de los motores se ha realizado en base a SCR en mayor
medida que en TRIAC. A primera vista, el TRIAC presenta mayores ventajas
debido a su simetría, lo que le confiere ciertas ventajas frente al SCR que
únicamente conduce en un semiperiodo. Sin embargo, el TRIAC tiene unas
características dv/dt inadecuadas para el control de motores y es difícil la
realización de circuitos de control simétricos. Por otra parte, el SCR puede
conducir en todo el periodo si se rectifica la señal de red. Las figuras 185a y 185b
muestran dos ejemplos sencillos de control realizados a través de SCR de un
motor universal (Figura 185a) y un motor de imán-permanente (Figura 185b).
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Figura 185. Control de velocidad de motores. a) Motor universal b) motor de
magneto-permanente.
CONTROL DE CALOR CON SENSOR DE TEMPERATURA.
Figura 186. Circuito de control de calor.
El circuito de control de calor mostrado en la figura 186 ha sido concebido para
controlar la temperatura de una habitación, bien utilizando una fuente de calor (por
ejemplo, una resistencia eléctrica o un horno) o bien utilizando un ventilador (o
cualquier dispositivo refrigerador). El circuito de disparo se realiza a través de un
UJT que introduce un ángulo de conducción de los TRIAC que va a depender de
la temperatura de la habitación medida a través de una resistencia térmica
(termistor) RT cuyo valor es de 2 kΩ a 25 °C; el rectificador de puente de diodos y
el diodo zener 1N5250A alimentan a este circuito de disparo. R2 se ajusta para
que el transistor bipolar 2N3905 este en corte a una temperatura dada. Cuando el
2N3905 está en corte ninguna corriente carga el condensador C y, por
consiguiente, el UJT y los TRIAC están cortados. Si el 2N3905 esta a ON, este
carga el condensador C y dispara el UJT cuando alcanza la tensión VP. El tiempo
que tarda en alcanzar la tensión VP del UJT depende de RT. Un incremento en la
temperatura disminuye el valor de RT, y por consiguiente, disminuye el valor de
corriente de colector del transistor aumentando a su vez el tiempo de carga del
condensador (disminuye el ángulo de conducción). Por el contrario, al disminuir
temperatura aumenta el ángulo de conducción. El modo de operar con la
temperatura se invierte si se intercambia RT con R2.
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FUENTES DOCUMENTALES DE LA UNIDAD 2
Albert Paul Malvino "Principios de Electrónica", Editorial McGraw Hill.
Electrónica Analógica Para Ingenieros Pleite Guerra, Jorge
Floyd Electronic_Devices 7 edición
Curso fácil de electrónica básica CEKIT
Transistor CircuitTechniquesdiscrete and integrated Third edition G.J.Ritchie
Lessons In Electric Circuits, Volume III Semiconductors By Tony R. Kuphaldt Third
Edition,
Electrónica - Hambley Allan R. (2da Edición)
Electrónica: Teoría De Circuitos Y Dispositivos Electrónicos por: Boylestad