Indice
1.
Estructura Atómica
2. Rectificadores
3. Transistores
4. Reguladores De
Voltaje
5. Circuitos
Amplificadores
1. Estructura
Atómica
Como sabemos existen materiales
capaces de conducir la corriente eléctrica
mejor que otros. Generalizando, se dice que los materiales que
presentan poca resistencia al
paso de la corriente
eléctrica son conductores. Analógicamente, los
que ofrecen mucha resistencia al
paso de esta, son llamados aislantes. No existe el aislante
perfecto y prácticamente tampoco el conductor
perfecto.
Existe un tercer grupo de
materiales denominados semiconductores
que, como su nombre lo indica, conducen la corriente bajo ciertas
condiciones.
Lo que diferencia a cada grupo es su
estructura
atómica. Los conductores son, generalmente, metales esto se
debe a que dichos poseen pocos átomos en sus
últimas órbitas y, por lo tanto, tienen tendencia a
perderlos con facilidad. De esta forma, cuando varios
átomos de un metal, se acercan los electrones de su
última órbita se desprenden y circulan
desordenadamente entre una verdadera red de átomos. Este
hecho (libertad de
los electrones) favorece en gran medida el paso de la corriente
eléctrica.
Los aislantes, en cambio,
están formados por átomos con muchos electrones en
sus últimas órbitas (cinco a ocho), por lo que, no
tienen tendencia a perderlos fácilmente y a no establecer
una corriente de electrones. De ahí su alta
resistencia.
También existe otro tercer tipo de materiales, que cambia
en mayor o menor medida la característica de los anteriores, los
semiconductores. Su característica principal es la de conducir
la corriente sólo bajo determinadas circunstancias, y
evitar el paso de ella en otras.
Es, precisamente, en este tipo de materiales en los que la
electrónica de estado
sólida está basada. La estructura atómica de
dichos materiales presenta una característica
común: está formada por átomos tetravalentes
(es decir, con cuatro electrones en su última
órbita), por lo que les es fácil ganar cuatro o
perder cuatro.
Semiconductores
Un semiconductor es un componente que no es directamente un
conductor de corriente, pero tampoco es un aislante. En un
conductor la corriente es debida al movimiento de
las cargas negativas (electrones). En los semiconductores se
producen corrientes producidas por el movimiento de
electrones como de las cargas positivas (huecos). Los
semiconductores son aquellos elementos perteneciente al grupo IV
de la Tabla
Periódica (Silicio, Germanio, etc. Generalmente a
estos se le introducen átomos de otros elementos,
denominados impurezas, de forma que la corriente se deba
primordialmente a los electrones o a los huecos, dependiendo de
la impureza introducida. Otra característica que los
diferencia se refiere a su resistividad, estando ésta
comprendida entre la de los metales y la de
los aislantes.
Disposición esquemática de los átomos de un
semiconductor de silicio puro, No existen electrones ni huecos
libres
La disposición esquemática de los átomos
para un semiconductor de silicio podemos observarla en la figura
de arriba, Las regiones sombreadas representan la carga positiva
neta de los núcleos y los puntos negros son los
electrones, menos unidos a los mismos.
La fuerza que
mantiene unidos a los átomos entre sí es el
resultado del hecho de que los electrones de conducción de
cada uno de ellos, son compartidos por los cuatro átomos
vecinos.
A temperaturas bajas la estructura normal es la que se muestra en la
figura de arriba en la cual no se observa ningún
electrón ni hueco libre y por tanto el semiconductor se
comporta como un aislante.
Estos cuatro electrones se encuentran formando uniones
covalentes con otros átomos vecinos para así
formal un cristal, que es la forma que se los encuentra en la
naturaleza. Si
esta estructura se encuentra a una temperatura
muy baja o en el cero absoluto, el cristal tendrá tan poca
energía que no hará posible la conducción
eléctrica. Al aumentar la temperatura (a
temperatura ambiente por
ejemplo) ciertos electrones adquieren suficiente energía
para romper el enlace del que forman parte y "saltar" al
siguiente orbital. Esto provoca la formación de un espacio
vacío, que por carencia de electrones, posee carga
positiva, a este espacio se lo denomina hueco.
El aumento de temperatura rompe algunas uniones entre
átomos liberándose un cierto número de
electrones.
En cambio, a la
temperatura ambiente
(20-25 grados C.) algunas de las fuertes uniones entre los
átomos se rompen debido al calentamiento del semiconductor
y como consecuencia de ello algunos de los electrones pasan a ser
libres. En la figura siguiente se representa esta
situación. La ausencia del electrón que
pertenecía a la unión de dos átomos de
silicio se representa por un círculo,
La forma en que los huecos contribuyen a la corriente, se detalla
seguidamente Cuando un electrón puede vencer la fuerza que le
mantiene ligado al núcleo y por tanto abandona su
posición, aparece un hueco, y le resulta relativamente
fácil al electrón del átomo
vecino dejar su lugar para llenar este hueco.
Este electrón que deja su sitio para llenar un hueco, deja
a su vez otro hueco en su posición inicial, De esta manera
el hueco contribuye a la corriente lo mismo que el
electrón, con una trayectoria de sentido opuesto a la de
éste.
Niveles De Energía
Un cristal está formado por un conjunto de átomos
muy próximos entre sí dispuestos espacialmente de
forma ordenada de acuerdo con un determinado patrón
geométrico. La gran proximidad entre los átomos del
cristal hace que los electrones de su última capa sufran
la interacción de los átomos vecinos.
El nivel energético de cada uno de estos electrones puede
estar situado en la "banda de valencia" o en la "banda de
conducción" del cristal. Un electrón que ocupe un
nivel dentro de la banda de valencia está ligado a un
átomo
del cristal y no puede moverse libremente por él mientras
que si el nivel ocupado pertenece a la banda de
conducción, el electrón puede moverse libremente
por todo el cristal, pudiendo
Formar parte de una corriente eléctrica.
Entre la banda de valencia y la de conducción existe una
"banda prohibida", cuyos niveles no pueden ser ocupados por
ningún electrón del cristal. Según la
magnitud de esta banda, los cristales pueden clasificarse en
aislantes, conductores y semiconductores.
Aislantes.
La magnitud de la banda prohibida es muy grande ( 6 eV ), de
forma que todos los electrones del cristal se encuentran en la
banda de valencia incluso a altas temperaturas por lo que, al no
existir portadores de carga libres, la conductividad
eléctrica del cristal es nula.
Un ejemplo es el diamante.
Conductores.
No existe banda prohibida, estando solapadas las bandas de
valencia y conducción. Esto hace que siempre haya
electrones en la banda de conducción, por lo que su
conductividad es muy elevada. Esta conductividad disminuye
lentamente al aumentar la temperatura, por efecto de las
vibraciones de los átomos de la red cristalina.
Un ejemplo son todos los metales.
Semiconductores.
La magnitud de la banda prohibida es pequeña ( 1 eV ), de
forma que a bajas temperaturas son aislantes, pero conforme
aumenta la temperatura algunos electrones van alcanzando niveles
de energía dentro de la banda de conducción,
aumentando la conductividad. Otra forma de aumentar la
conductividad es añadiendo impurezas que habiliten niveles
de energía dentro de la banda prohibida.
El germanio y el silicio son semiconductores.
Aceptadores Y Donadores
Se denomina semiconductor puro aquél en que los
átomos que lo constituyen son todos del mismo tipo (por
ejemplo de germanio), es decir no tiene ninguna clase de
impureza.
Si a un semiconductor puro como el silicio o el germanio, se le
añade una pequeña cantidad de átomos
distintos (por ejemplo arsénico, fósforo, etc). Se
transforma en un semiconductor impuro.
A las impurezas se las clasifica en donadoras y aceptadoras.
Si a la estructura del semiconductor de silicio se le
añade alguna impureza, como puede ser el arsénico
(As), que tiene cinco electrones externos ligados al
núcleo con carga positiva +5, se obtiene la forma que se
muestra en la
figura.
Ahora, bien para aumentar la conducción de cualquier
semiconductor se recurre a un proceso
denominado "dopado" o "envenenamiento". El objeto del mencionado
proceso es el
del aumentar la cantidad de portadores libres en el cristal
provocando un aumento en la conductividad del mismo (recordar que
la corriente es el flujo de portadores)
El dopado del cristal es realizado con átomos trivalentes
(con tres electrones en su última órbita) o
pentavalentes (con cinco). Esta elección no es resultado
de un proceso azaroso sino que uno u otro tipo de átomo
aumentará a su vez la presencia de uno u otro tipo de
portador. ¿Cómo es esto?: el silicio, como ya se ha
dicho, tiene cuatro electrones en su última órbita
que se combinan a su vez con otros átomos para formar un
cristal. Al introducir un átomo penta o trivalente en
dicho cristal, se provocará un aumento o un defecto de
electrones que hará aumentar la cantidad portadores.
Si se introduce un átomo pentavalente (P, Sb, As) en un
cristal puro, cuatro de sus electrones se unirán a cuatro
electrones de los átomos de silicio vecinos, pero el
quinto queda libre, sin formar parte de ninguna unión, por
lo que está débilmente ligado al átomo:
Este electrón libre, requerirá muy poca
energía para "saltar" a la banda de conducción. La
energía térmica del ambiente basta para provocar
este salto. De esta forma al agregar átomos pentavalentes
agregamos electrones en la banda de conducción, es decir,
agregamos portadores.
Cabe mencionar que los mencionados átomos pentavalentes se
ubican en un nivel de energía mucho más cercano a
la banda de conducción que la banda de valencia,
denominado "nivel donador" este nivel se ubica a una distancia,
energéticamente hablando, de 0,05 electron-volt, mientras
que la distancia entre las bandas de un semiconductor es de 0,7
eV.
De la misma forma, podemos dopar al cristal con átomos
trivalentes (como el boro, el Alumnio, el Galio, etc), esto
provocará un exceso de electrones en el cristal, ya tres
de los cuatro electrones de la última órbita del
Silicio se combinan con los tres electrones del anterior
átomo. Esto trae como consecuencia la generación de
un espacio sin electrones, que tendrá carga positiva, es
decir, esto generará un hueco.
De esta forma podemos controlar de manera casi definida, a
través del dopado, la cantidad de electrones o huecos que
existen en un cristal. A este tipo de cristal se le denomina
extrínseco, ya que fue modificado por elementos
exteriores
Semiconductores Tipo P Y Tipo N
Cuatro de los cinco electrones del átomo de
arsénico se unirán a los correspondientes
electrones de los cuatro átomos de silicio vecinos, y el
quinto quedará inicialmente libre, sin una posible
unión, y por tanto se convertirá en un portador de
corriente. A este tipo de impurezas que entregan electrones
portadores (negativos) se los denomina donadores o del tipo
«n».
En un semiconductor con impurezas del tipo n, no sólo
aumenta el número de electrones sino que también la
cantidad de huecos disminuye por debajo del que tenía el
semiconductor puro.
La causa de esta disminución se debe a que una parte de
los electrones libres llena algunos de los huecos existentes.
Si al semiconductor puro de silicio se le añade
algún tipo de impureza que tenga tres electrones externos,
solo podrá formar tres uniones completas con los
átomos de silicio, y la unión incompleta
dará lugar a un hueco.
Este tipo de impurezas proporcionan entonces portadores
positivos, ya que crean huecos que pueden aceptar electrones; por
consiguiente son conocidos con el nombre de aceptores, o
impurezas del tipo «p». Al contrario de lo que
sucedía antes en el tipo n en un semiconductor con
impurezas de tipo p los portadores que disminuyen son los
electrones en comparación, con los que tenía el
semiconductor puro.
A los semiconductores que contengan ya sea impurezas donadoras o
aceptad se les llama respectivamente de tipo n o p. En un
semiconductor del tipo n, los electrones se denominan portadores
mayoritarios y los huecos portadores minontarios.
En un material de tipo p, los huecos son portadores mayoritarios,
y los electrones portadores minoritarios.
Veamos ahora, qué ocurre si a un cristal extrínseco
le conectamos una fuente externa de tensión. Al existir
mayor cantidad de portadores (no importa de qué tipo),
circulará por el cristal una corriente mucho mayor que en
el no dopado. El valor de esta
corriente dependerá de que tan contaminado esté el
material.
Si el cristal es de tipo 'n' la corriente se deberá casi
en su totalidad a los electrones en la banda de
conducción, aunque siempre existe una pequeña
corriente producida por los huecos generados térmicamente.
Análogamente, si el cristal es del tipo 'p' la corriente
estará regida por huecos mayormente, existiendo, sin
embargo, una pequeña corriente de electrones.
Polarización Directa E Inversa De La Unión
P-N
El diodo de unión P-N es el dispositivo semiconductor
más elemental. Consiste en el dopado de una barra de
cristal semiconductor en una parte con impurezas donadoras (tipo
N) y en la otra con impurezas aceptadoras (tipo P)De esta forma,
en la parte P existe mucha mayor concentración de huecos
que de electrones libres y en la parte N ocurre lo contrario.
La conductividad del diodo es diferente según sea el
sentido en que se aplique un campo
eléctrico externo. Existen dos posibilidades de
aplicación de este campo: polarización inversa y
polarización directa.
Polarización inversa. Consiste en aplicar a la parte N del
diodo una tensión más positiva que a la parte P. De
esta forma, el campo
eléctrico estará dirigido de la parte N a la
parte P y los huecos tenderán a circular en ese
sentido
Mientras que los electrones tenderán a circular en sentido
contrario. Esto significa que circularían huecos de la
parte N (donde son muy minoritarios) a la parte P (donde son
mayoritarios), por lo que esta corriente se ve contrarrestada por
una corriente de difusión que tiende a llevar a los huecos
de donde son mayoritarios (parte P) hacia donde son minoritarios
(Parte N). Por consiguiente, la corriente global de huecos es
prácticamente nula. Algo totalmente análogo ocurre
con la corriente de electrones, la corriente de arrastre va en
sentido contrario a la de difusión,
contrarrestándose ambas y produciendo una corriente total
Prácticamente nula.
La corriente total es la suma de la de huecos más la de
electrones y se denominan Corriente inversa de saturación
( Is ). En la práctica, el valor de esta
corriente es muy pequeño (del orden de nA en el Silicio) y
depende de la temperatura de forma que aumenta al aumentar
Ésta.
Polarización directa.
Consiste en aplicar a la parte P del diodo una tensión
más positiva que a la parte N. De esta forma, el campo
eléctrico estará dirigido de la parte P a la parte
N. Esto significa que circularían huecos de la parte P
(donde son mayoritarios) a la parte N (donde son minoritarios)
por lo que esta corriente tiene el mismo sentido que la corriente
de difusión. De esta forma, la corriente total de huecos
es muy alta. Un proceso análogo ocurre para la corriente
de electrones. La corriente total es la suma de la de huecos y la
de electrones y toma un valor elevado a partir de un determinado
valor de tensión (tensión umbral, V) que
depende del tipo de semiconductor (en el Silicio es
aproximadamente de 0,7 V y en el Germanio de 0,2 V).
Puede considerarse que el diodo es el dispositivo binario
más elemental, ya que permite el paso de corriente en un
sentido y lo rechaza en sentido contrario.
Diodo De Unión Y Diodo Zener (Símbolo,
Comportamiento
Y Curva Característica)
El diodo semiconductor está constituido fundamentalmente
por una unión P-N, añadiéndole un terminal
de conexión a cada uno de los contactos metálicos
de sus extremos y una cápsula que aloja todo el conjunto,
dejando al exterior los terminales que corresponden al
ánodo (zona P) y al cátodo (Zona N)
El diodo deja circular corriente a través suyo cuando se
conecta el polo positivo de la batería al ánodo, y
el negativo al cátodo, y se opone al paso de la misma si
se realiza la conexión opuesta.
Esta interesante propiedad
puede utilizarse para realizar la conversión de corriente alterna
en continua, a este procedimiento se
le denomina rectificación.
En efecto. si se aplica a este diodo una tensión alterna,
únicamente se producirá circulación de
corriente en las ocasiones en que el ánodo sea más
positivo que el cátodo, es decir, en las alternancias
positivas, quedando bloqueado en las ascendencias negativas, lo
que impide el paso de la corriente por ser en estas ocasiones el
ánodo más negativo que el cátodo.
La corriente resultante será «pulsante», ya
que sólo circulará en determinados momentos, pero
mediante los dispositivos y circuitos
adecuados situados a continuación puede ser convertida en
una corriente continua constante, que es el que se emplea
actualmente casi en exclusiva; presenta sobre el de vacío
algunas ventajas fundamentales:
– Es de tamaño mucho más reducido, lo que
contribuye a la miniaturización de los circuitos. –
La cantidad de calor generado
durante el funcionamiento es menor, ya que no necesita
ningún calentamiento de filamento.
– Funciona con tensiones mucho más bajas, lo que
posibilita su empleo en
circuitos alimentados a pilas o
baterías.
Pueden ser utilizados en equipos que manejen grandes corrientes,
aplicación que con diodos de
vacío resultaba prohibitiva en ocasiones por el gran
tamaño de éstos. Existen diodos
semiconductores de muy pequeño tamaño para
aplicaciones que no requieran conducciones de corrientes altas,
tales como la desmodulación en receptores de radio. Estos
suelen estar encapsulados. en una caja cilíndrica de
vidrio con los
terminales en los extremos, aunque también se utiliza para
ellos el encapsulado con plástico.
Diodos zener
Los diodos estabilizadores de tensión se emplean, como su
nombre indica, para producir una tensión entre sus
extremos constante y relativamente independiente de la corriente
que los atraviesa.
Aprovechan, para su funcionamiento, una propiedad muy
interesante que presenta la unión semiconductora cuando se
polariza inversamente por encima de un determinado nivel.
Normalmente un diodo que recibe una polarización inversa
no permite el paso de la corriente o lo hace dejando pasar una
intensidad debilísima. Sin embargo, al alcanzar una
determinada tensión, denominada tensión zener se
produce un aumento de la cantidad de corriente, de forma tal que
esta diferencia de potencial entre sus extremos se mantiene
prácticamente constante, aunque se intente aumentar o
disminuir a base de variar la intensidad que lo atraviesa.
Existe una amplia gama de tipos clasificados por una serie de
tensiones zener normalizadas y por la potencia que son
capaces de disipar, desde 250 mili vatios hasta decenas de
vatios, con encapsulado plástico o
metálico.
Los parámetros que caracterizan a un diodo zener son:
– Tensión zener (Vz).
– Corriente mínima para alcanzar la Vz (Iz).
– Potencia
máxima (P/tot).
Rectificador de media onda.
Todo circuito requiere para su funcionamiento de una FUENTE DE
ALIMENTACIÓN eléctrica, este
dispositivo se compone a base de varias etapas que se ilustran en
la siguiente figura.
En este tema analizaremos la segunda etapa que compone nuestra
fuente de alimentación, iniciando don los
rectificadores de media onda.
Un circuito rectificador de forma sencilla se muestra en la
figura . Donde la carga del rectificador es una resistencia donde
el secundario del transformador tiene un rectificador que
alimenta a la resistencia que actúa como carga.
El voltaje del secundario del transformador es una señal
senoidal de amplitud Vmax, entonces la señal en función
del tiempo
será E(t)= Vmax sen (t).
Si observamos la forma de onda de la corriente vemos que es
periódica, Se puede observar que las amplitudes de las
armónicas se dan en forma decreciente de manera tal que
podemos decir que sólo la primera armónica tiene un
peso considerable, tomando una aproximación de la
corriente con dos componentes.
Ahora bien, si colocamos el mismo circuito de la siguiente manera
se aumenta la corriente, para que soporte la corriente, (la
corriente se divide, por el doble diodo).
Podemos así calcular los voltajes de salida de este por
las siguientes formulas:
- Vdc = (0.45) (voltajes eficaces del
secundario) - Vdc = (0.318) (voltaje pico rectificado)
Este tipo de rectificador, tiene la particularidad de
que el valor de la FRECUENCIA de salida, es igual al de la
señal de entrada.
El factor de rizo, es igual a 1.21 y el porcentaje es de 121%, es
demasiado elevado por lo que tiene que emplearse eficaces
circuitos de filtro (tercera etapa de la fuente).
Si colocamos un capacitor en paralelo con la resistencia
tendremos un filtrado rudimentario de la tensión
suministrada a la carga. Si consideramos régimen
permanente podemos analizar como se establece en el tiempo la
tensión sobre la carga y corriente sobre la resistencia y
el capacitor para lo cual analicemos las formas de onda de los
mismos.
La tensión que entrega el generador de funciones es
senoidal que en primera instancia irá cargando al
capacitor hasta el máximo nivel, luego la tensión
en el generador empieza a decrecer pero el capacitor sigue
aumentando el nivel de tensión porque la corriente lo
sigue alimentando, cuando la tensión en el capacitor es
superior en 0,7 Volt decimos que el diodo se polariza en inversa,
porque se invierten las polaridades el cátodo se hace
positivo respecto del ánodo, interrumpiéndose la
corriente sobre el diodo, que se dará en el instante t1,
luego el capacitor se comportará como fuente de
tensión descargándose exponencialmente sobre la
resistencia, hasta que la tensión sobre el diodo vuelva a
ser positivo el ánodo respecto del
cátodo.
Rectificador de onda completa.
Tenemos dos tipos de configuraciones distintas que pueden ser
Tipo puente o transformador con punto medio (TAP central) tal
como se observan en la figura siguiente:
Veremos el funcionamiento del circuito rectificador de onda
completa con transformador con PUNTO MEDIO.
Como se puede apreciar en la figura, se puede considerar a este
circuito como dos rectificadores de media onda, donde la
alimentación a la carga esta en contratase es decir que
las tensiones sobre el secundario del transformador están
desfasadas 180 ° entre si, es decir durante el semiciclo
positivo de VAC, se enciende el diodo D1, donde la corriente se
cerrará a través de la carga y en semiciclo
negativo se pone en inversa D1 pero se pone en directa D2
manteniendo la corriente sobre la carga, tal como lo podemos ver
en la figura Otro detalle interesante es estudiar cual es la
tensión que debe soportar los diodos cuando no
están conduciendo, por ejemplo cuando conduce D1 se puede
ver que la tensión del punto A menos 0,7 Volt aparece
sobre el cátodo del diodo D2, debiendo soportar el
máximo de la tensión VAB-0.7 en inversa.
Otra desventaja que presenta este tipo de rectificación es
que por el secundario del transformador circula corriente en un
solo sentido y durante un semiciclo que deriva en la
generación de corriente continua que puede llevar a la
saturación del núcleo pudiendo deformar la onda de
tensión.
Podemos calcular el voltaje directo con las siguientes
formulas:
VCD = (0.9) (1/2 DEL VOLTAJE EFICAZ SECUNDARIO)
VCD = (0.636) (VOLTAJE PICO RECTIFICADO)
El factor de rizo es 0.482 es decir, 48.2% en este tipo de
dispositivo, la frecuencia del rizo de salida es el doble de la
señal de entrada.
Analicemos ahora el rectificador de onda completa tipo
PUENTE.
Vemos que cuando la tensión VAB es positiva quedan
polarizados en directa los diodos y D2 circulando la corriente
desde D1 pasando por la resistencia de carga y cerrándose
por D2, en el próximo semiciclo se cortan los diodos D1 y
D2 pero se ponen en directa los diodos D3 y D4
estableciéndose una corriente que sale de D3 pasa por la
resistencia y se cierra a través de D4 circulando por la
resistencia la corriente en una sola dirección.
Si se coloca un capacitor en paralelo con la carga tendremos como
resultado algo similar al rectificador de media onda, con la
salvedad que ahora la frecuencia de las ondas será
el doble y una forma de aproximación para la
determinación del riple es tomando la relación
entre el V y el valor Vdc de tensión continua para este
circuito tenemos las siguientes formulas:
Vcd = (0.9) ( V. Eficaz del secundario)
Vcd = (0.636) (voltaje pico rectificado)
El factor de rizo es igual a 0.482 o bien 48.2%
La frecuencia de rizo, es el doble de la entrada.
Porcentaje De Ondulación
Al conocer la magnitud en factor de rizo, que acompaña el
valor promedio de tensión directa a la salida del
rectificador o filtro.
"entre menor rizo, mas pura será el valor obtenido de
tensión directa"
Transistor (símbolo, tipos, curva
característica y funcionamiento)
El transistor es un
dispositivo semiconductor de tres capas que consiste de dos capas
de material tipo n y una capa tipo p, o bien, de dos capas de
material tipo p y una tipo n. al primero se le llama transistor npn,
en tanto que al segundo transistor pnp.
Para la polarización las terminales que se muestran en la
figura 4.14 las terminales se indican mediante las literales E
para el emisor, C para el colector y B para la base. Se
desarrollará una apreciación de la elección
de esta notación cuando se analice la operación
básica del transistor. La abreviatura BJT, de transistor
bipolar de unión (del ingles, Bipolar Junction
Transistor), suele aplicarse a este dispositivo de tres
terminales. El término bipolar refleja el hecho de que los
huecos y los electrones participan en el proceso de
inyección hacia el material polarizado de forma opuesta.
Si sólo se utiliza un portador (electrón o hueco),
entonces se considera un dispositivo unipolar.
Características de los Transistores:
- El consumo de
energía es relativamente baja. - El tamaño de los transistores es
relativamente mas pequeña que los tubos de
vacío. - El peso.
- Una vida larga útil (muchas horas de
servicio). - Puede permanecer mucho tiempo en deposito
(almacenamiento). - No necesita tiempo de
calentamiento. - Resistencia mecánica elevada.
- Los transistores pueden reproducir el
fenómeno de la fotosensibilidad (fenómenos
sensibles a la luz).
Se describirá la operación básica
del transistor utilizando el transistor pnp de la figura 4.14a.
la operación del transistor npn es exactamente la misma
que si intercambiaran la funciones que
cumplen el electrón y el hueco. En la figura 4.15 se
dibujo de
nuevo el transistor pnp sin la polarización base –
colector. El espesor de la región de agotamiento se redujo
debido a al polarización aplicada, lo que da por resultado
un flujo muy considerable de portadores mayoritarios desde el
material tipo p hacia el tipo n.
Ahora se eliminará la polarización base – colector
del transistor pnp de la figura 4.14a, según se muestra en
la figura 4.16. En resumen:
Una unión p-n de un transistor tiene polarización
inversa, mientras que la otra tiene polarización inversa
ambos potenciales de polarización se aplicaron a un
transistor pnp, con el flujo resultante indicado de portadores
mayoritarios y minoritarios. Los espesores de las regiones de
agotamiento, que indican con claridad cuál unión
tiene polarización directa y cuál
polarización inversa. Habrá una gran
difusión de portadores mayoritarios a través de la
unión p-n con polarización directa hacia el
material tipo n. Así, la pregunta sería si acaso
estos portadores contribuirán de forma directa a la
corriente de base IB o si pasarán directamente al material
tipo p. Debido a que material tipo n del centro es muy delgado y
tiene baja conductividad, un número muy pequeño de
estos portadores tomará esta trayectoria de alta
resistencia hacia la terminal de la base.
La magnitud de la corriente de base casi siempre se encuentra en
el orden de los microamperes, comparando con miliamperes para las
corrientes del emisor y del colector. La mayor cantidad de estos
portadores mayoritarios se difundirá a través de la
unión con polarización inversa, hacia el material
tipo p conectado a la terminal del colector. La razón de
esta relativa facilidad con la cual los portadores mayoritarios
pueden atravesar la unión con polarización inversa
se comprenderá con facilidad si se considera que para
el diodo con polarización inversa, los portadores
mayoritarios inyectados aparecerán como portadores con
polarización inversa, los portadores mayoritarios
inyectados aparecerán como portadores minoritarios en el
material tipo n.
En otras palabras, tuvo lugar una inyección de
portadores minoritarios al material de la región de la
base tipo n. A la combinación de esto con el hecho de que
todos los portadores minoritarios en la región de
agotamiento atravesará la unión con
polarización inversa de un diodo puede atribuírsele
el flujo.
Configuraciones
Configuración de Base Común
Para la configuración de base común con
transistores pnp y npn. La terminología de la base
común se deriva del hecho de que la base es común
tanto a la entrada como a la salida de la configuración. A
su vez, por lo regular la base es la terminal más cercana
a, o que se encuentra en, el potencial de tierra. A lo
largo de este libro todas
las direcciones de corriente harán referencia al flujo
convencional (huecos) en lugar de hacerlo respecto al flujo de
electrones. Para el transistor la flecha en el símbolo
gráfico define la dirección de la corriente del emisor (flujo
convencional) a través del dispositivo.
Para describir en su totalidad el comportamiento
de un dispositivo de tres terminales, como los amplificadores de
base común se requiere de dos conjuntos de
características, uno para el punto de excitación o
parámetros de entrada y el otro para el lado de la salida.
El conjunto de entrada para el amplificador de base común
relacionará la corriente de entrada (IE). el conjunto de
características de la salida o colector tiene tres
regiones básicas de interés:
la regiones activa, de corte y de saturación. La
región activa es la que suele utilizarse para los
amplificadores lineales (sin distorsión). En
particular:
En la región activa la unión base – colector se
polariza inversamente, mientras que la unión emisor – base
se polariza directamente.
La región activa se define mediante los arreglos de
polarización de la figura 4.17. En el extremo más
bajo de la región activa, la corriente del emisor (IE) es
cero; esa es la verdadera corriente del colector, y se debe a la
corriente de saturación inversa ICO, como lo señala
la figura 4.18.
La corriente ICO real es tan pequeña (microamperes) en
magnitud si se compara con la escala vertical
de IC = 0. Las condiciones del circuito que existen cuando IE = 0
para la configuración de base común se muestra en
la figura 4.19. La notación que con más frecuencia
se utiliza para ICO en los datos y las hojas
de especificaciones es, como se indica en la figura 4.19,
ICBO.
Debido a las mejoras en las técnicas
de fabricación, el nivel de ICBO para los transistores de
propósito general (en especial los de silicio) en los
rangos de potencia baja y mediana, por lo regular es tan bajo que
puede ignorarse su efecto. Sin embargo, para las unidades de
mayor potencia ICBO, así como Is, para el diodo (ambas
corrientes de fuga inversas) son sensibles a la temperatura. A
mayores temperaturas, el efecto de ICBO puede convertirse en un
factor importante debido a que aumenta muy rápidamente con
la temperatura.
En la región de corte, tanto la unión base –
colector como la unión emisor – base de un transistor
tienen polarización inversa.
En la región de saturación, tanto la unión
como la emisor – base están en polarización
directa.
Configuración de Colector Común
La configuración de colector común se utiliza sobre
todo para propósitos de acoplamiento de impedancia, debido
a que tiene una alta impedancia de entrada y una baja impedancia
de salida, contrariamente a alas de las configuraciones de base
común y de un emisor común.
La figura 4.21 muestra una configuración de circuito de
colector común con la resistencia de carga conectada del
emisor a la tierra.
Obsérvese que el colector se encuentra conectado a
la tierra
aunque el transistor esté conectado de manera similar a la
configuración del emisor común. Desde un punto de
vista de diseño,
no se requiere de un conjunto de características de
colector común para elegir los parámetros del
circuito de la figura 4.21. puede diseñarse utilizando las
características de salida para la configuración de
colector común son la mismas que para la
configuración de emisor común.
Polarización En Configuración Emisor
Común
La configuración de transistor que se encuentra más
a menudo aparece en la figura 4.20 para los transistores pnp y
npn. Se le denomina configuración de emisor común
debido a que el emisor es común o hace referencia a las
terminales tanto de entrada como de salida (en este caso, es
común tanto a la terminal de base como a la de colector).
Una vez más, se necesitan dos conjuntos de
características para describir por completo el
comportamiento de la configuración de emisor común:
uno para el circuito de entrada o base-emisor y otro para el
circuito de salida o colector-emisor.
En la región activa de un amplificador de base
común la unión del colector-base se encuentra
polarizada inversamente, mientras que la unión base-emisor
se encuentra polarizada directamente.
Para propósitos de amplificación lineal (la menor
distorsión), el corte para la configuración de
emisor común se definirá
mediante IC = ICEO.
4. Reguladores De Voltaje
Regulador de transistor con diodo zener.
Como los diodos zener presentan una zona de ruptura típica
a una determinada tensión inversa ( Vz ) .- Si se utiliza
esta propiedad que corresponde a una fuente ideal de voltaje para
entregar una tensión constante o estabilizada a una carga
que presenta como característica un consumo
variable, para su funcionamiento.-
También este dispositivo debe resguardar las posibles
fluctuaciones o variaciones de la tensión ondulatoria
residual de entrada.
Este circuito es el mas sencillo de los reguladores y es el de
alimentación de potencia regulada, que esta hecho a base
de diodo zener, como se muestra en la figura de arriba.
Al analizar el circuito regulador de tensión con diodo
zener (figura de arriba) , la tensión en la carga
permanece aproximadamente constante , igual a la tensión
nominal del diodo zener Vz, aunque varíe la tensión
de entrada Vi o la corriente a través de la resistencia de
carga RL, sobre un rango amplio.
Si Vz es constante , el valor de IL depende exclusivamente del
valor de RL. Para el caso en que IT se mantenga constante , si IL
aumenta , Iz debe disminuir de modo que siempre se cumpla que IT
= Iz x IL.
Por otro lado si IL disminuye , Iz debe aumentar , para el caso
que todavía IT sea constante.- El caso más
desfavorable para el Zener sería cuando IL = 0 ya que IT =
Iz y la potencia que debería disipar el zener sería
máxima.-Por otra parte si la corriente IL se aproxima o se
iguala con IT , la corriente Iz se hace muy pequeña ,
pudiendo sacar al diodo zener de la tensión de ruptura o
de regulación dejando de operar este.-
Para el caso anterior , las variaciones de la corriente zener Iz
pueden ser tal que el diodo deje de operar , o que circule
excesiva corriente a través de el y se destruya.-
Para este efecto se determina una corriente Máxima (
I.Máx.) que mantiene la tensión zener sin destruir
el diodo , con la cual se puede calcular la potencia
máxima.-
También se determina una corriente Mínima ( I.
Mín ) para mantener la tensión zener.-
Resumiendo una fuente de tensión , estabilizadora puede
ser afectada por la demanda de
corriente ( 0 <
IL < I.
Máx ) o por la variación de la tensión de
entrada ( Vi . Mín. < Vi < Vi. Máx. ) , las que afectan la
fuente de forma extrema de dos formas :
1.- La fuente deja de regular.-
2.- Queman el diodo zener.-
Naturalmente que al especificar el tipo de fuente , se conoce la
corriente de carga máxima, ( IL Máx ) , como
también se puede especificar la tensión de entrada
Vi con su rango de variación.-
Esto nos permite determinar el valor de Rs , ( resistencia que
asume las variaciones de tensión de entrada ) , de manera
tal que cumpla con el criterio de :
1.- Mantener la regulación de tensión en el peor de
los casos.-
2.- Especificar requisitos que debe cumplir el diodo zener .-
Por tanto la condición que debe cumplir el circuito para
que exista regulación en las condiciones más
críticas ( IL. Máx. ) ( Vi . Mín ) es que
permita pasar una corriente total IT tal que mantenga el diodo
zener regulando.- Por otra parte , la condición que debe
cumplir el circuito para que el diodo zener no se queme cuando se
tienen las condiciones críticas que afectan a este , IL =0
y Vi = Máx. , es que la corriente total IT sea menor o
igual a la corriente máxima que soporta el diodo ( Iz.
Máx. ) .-
Regulador serie con transistor.
Análisis funcional.-
El más utilizado de los de los reguladores de
tensión , es el regulador tipo serie.-
El transistor es la etapa de control y RL es
la carga. El diodo zener alimentado a través de R y del
transistor y su corriente de base , suministra una tensión
constante de referencia aplicada al base del transistor.-
Al aumentar la corriente consumida por la carga IL , por
cualquier razón , la tensión VL sube e incrementa
el valor de VBE llevando el emisor a un potencial más
positivo con respecto a base .
Por tanto la polaridad directa base – emisor se reduce y la
corriente de colector disminuye, disminuyendo así la
corriente de carga IL.-
Se ve que a un aumento de la corriente IL , corresponde un efecto
de control que
disminuye el valor de IL.. Existe entonces un
efecto de compensación o de regulación.-
El circuito detector de error , en este regulador , actúa
por la característica base – emisor del circuito, y
el mismo transistor hace las veces de amplificador.-
Este circuito dividido en bloques, presenta : "etapa de control "
;"etapa de muestreo" ;
"detector de error" ; " amplificador de error"
Una fuente de tensión regulada , utiliza normalmente un
circuito automático de control, que detecta ,
prácticamente de un modo instantáneo las
variaciones de tensión y las corrige
automáticamente .-
En general un sistema de
control requiere de las siguientes etapas :
1.- ETAPA DE REFERENCIA :
Para determinar si una magnitud ha variado se precisa de una
referencia , que deberá ser lo más estable posible
.- ( batería , diodo zener.).-
2.- ETAPA DE MUESTREO :
Su misión es
detectar las variaciones de tensión que se producen en la
salida . ( divisor de tensión.- ).-
3.- ETAPA COMPARADORA:
Su finalidad es comparar , en todo momento , las tensiones de
referencia con las de muestra , que pretendemos controlar.-
( amplificador operacional , amplificador diferencial.-).-
4.- ETAPA AMPLIFICADORA DE ERROR :
La tensión de error que no es más que la diferencia
entre la muestra y la referencia , puede presentar un nivel de
tensión pequeño que no sea capas de accionar la
etapa de control.-
En este caso se debe de amplificar.- ( amplificador
transistorizado.- )
5.- ETAPA DE CONTROL :
Como su nombre lo indica controla las variaciones de
tensión , contrarresta las variaciones producidas en la
salida .- ( transistor en zona lineal .- ).-
Asume las variaciones de tensión producidas por efecto de
la carga o por efecto de la línea o red.-
Principio de funcionamiento :
Una fracción de la tensión de salida % Vo , es
comparada con la tensión de referencia Vr.-si la
tensión de muestra Vm es igual a la tensión de
referencia Vr la etapa de Control no actúa.-
Si la tensión de muestra Vm es menor que la tensión
de referencia Vr , el elemento de control debe reducir su
caída de tensión en sus extremos.-
Si la tensión de muestra Vm es mayor que la tensión
de referencia Vr , la caida de tensión en el elemento de
control ha de aumentar .-
El circuito de control , generalmente es un transistor con
colector común o emisor común.-
El circuito de referencia de tensión requiere de una
fuente constante actuando como tensión de referencia , que
para este caso es un diodo zener.-
El amplificador , es un bloque que también lo realiza el
mismo transistor y amplifica lo que se conoce como tensión
de error , donde dicha tensión controla la base del
transistor y lo hace conducir más o menos .-
Para este caso el transistor de control , asume las variaciones
de tensión que se pueden provocar por la tensión de
línea o por el consumo de corriente de la carga.-
La regulación lograda por este circuito es pobre y se
puede incrementar aumentando la ganancia del amplificador de
error o realimentando el circuito.-
5. Circuitos Amplificadores
Redes de acoplamiento.
Cuando un sistema
está compuesto por más de una etapa de
transistores, es necesario conectar, o acoplar, los transistores
entre sí. Existen muchas formas comunes de lograr esta
interpretación entre amplificadores. En las siguientes
secciones se analizan los acoplamientos directo, capacitivo, por
transformador y óptico.
- Acoplamiento directo
Dos amplificadores están acoplar es directamente
si la salida del primer amplificador se conecta en forma directa
a la entrada del segundo sin utilizar capacitores.
La salida en ca de la primera etapa está superpuesta con
el nivel de cd
estático de la segunda etapa. El nivel de cd de la
salida de la etapa anterior se suma al nivel de cd de
polarización de la segunda etapa. Para compensar los
cambios en los niveles de polarización, en amplificador
utiliza diferentes valores de
fuentes de
tensión de cd en lugar de una fuente de Vcc sencilla.
El acoplamiento directo se pueden utilizar de manera efectiva al
acoplar en amplificador EC a uno ES. El amplificador acoplado
directamente tiene una buena respuesta en frecuencias pues no
existen elementos de almacenamiento en
serie (es decir, sensibles a la frecuencia) que afecten la
señal de salida en baja frecuencia.
- Acoplamiento capacitivo
Constituye la forma más simple y efectiva de
desacoplar los efectos del nivel de cd de la primera etapa
amplificador, de aquellos de la segunda etapa. En capacitor
separa el componente de cd de la señal de ca. Por tanto,
la etapa anterior no afecta la polarización de la
siguiente. Para asegurar que la señal no cambie de manera
significativa por la adición de un capacitor, es necesario
que esté se comporte como cortocircuito para todas las
frecuencias a amplificar.
- Acoplamiento por transformador
Se puede utilizar un transformador para acoplar dos
etapas del amplificador. Este tipo de acoplamiento se utiliza a
menudo cuando se amplifican señales de alta frecuencia.
Los transformaciones son más costosos que los capacitores,
aunque sus ventajas pueden justificar el costo adicional.
A través de una elección adecuada de la
razón de vueltas, se puede utilizar un transformador para
aumentar ya sea la ganancia de tensión o bien la de
corriente fondo. Por ejemplo, encina etapa de salida de el
amplificador vez potencia, en transformador se utiliza para
aumentar la ganancia de corriente. Existen otros beneficios
asociados con el uso de un transformador. Por ejemplo, el
transformador se puede sintonizar para resonar de manera que se
convierta en un filtro pasa-banda (filtro que pasa las
frecuencias deseadas y atenúa las frecuencias que quedan
fuera de la banda requerida).
- Acoplamiento óptico
Muchas aplicaciones requieren el acoplamiento
óptico de circuitos electrónicos. Estas
aplicaciones se pueden clasificar como sigue:
– dispositivos sensibles a la luz y emisores de
luz.
– detectores y emisores discretos para sistemas de
fibra
óptica.
– módulos interruptor/ reflector que detectan objetos que
modifican la trayectoria de la luz.
– aisladores /acopladores que transmiten señales
eléctricas sin conexiones eléctricas.
Autor:
Anonimo