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Interruptor accionado por ruido (Uso de Transistores, SCR y Relay)

Enviado por alext_mortalove



  1. Transistor BJT (bipolar juction transistor)
  2. Operación y construcción del JFET
  3. Operación y construcción del MOSFET
  4. El Thiristor o SRC (Silicón-Controlled-Rectifiers)
  5. Relay - Relé - Relevador

TRANSISTORES

En 1.947 los Físicos Walter Brattain, William Shockley y John Bardeen, de los laboratorios Bell hacen el descubrimiento del transistor (Contracción de los términos Transfer Resistor).

Es un dispositivo electrónico empleado como amplificador de corriente y de voltaje, y consiste de materiales semiconductores que comparten límites físicos en común. Los materiales más comúnmente empleados son el silicio y el germanio, en los cuales son agregados las impurezas. En los semiconductores del tipo-n, hay un exceso de electrones libres, o cargas negativas, mientras que en los semiconductores del tipo-p hay un deficiencia de electrones y por consiguiente un exceso de cargas positivas. Los transistores son un componente importante en los circuitos integrados y son empleados en muchas aplicaciones como receptores de radio, computadoras electrónicas, y instrumentación de control automático (vuelos espaciales y misiles dirigidos). Desde su invención anunciada en 1948, por los científicos norteamericanos William Shockley, John Bardeen y Walter Brattain, diferentes tipos se han desarrollado. Ellos son clasificados por lo general en bipolares y de efecto de campo. Un transistor bipolar consiste de tres capas: las capas superior y la inferior, llamadas emisor y colector son de un tipo de semiconductor, mientras que la del medio, llamada base es de del otro tipo de semiconductor. Las superficies que separan, los tipos diferentes de semiconductores son llamados juntura p-n. Los electrones pasan a través de las junturas de una capa hacia otra. La acción del transistor es tal que si el potencial eléctrico en los segmentos son determinados correctamente, una pequeña corriente entre el emisor y la base produce en una gran corriente entre el emisor y el colector, produciéndose así la amplificación de corriente. Un transistor de efecto de campo funciona de manera similar excepto que la resistencia al flujo de electrones es modulada por un campo eléctrico externo. En un junción field-effect transistor (JFET), el campo eléctrico controlador es producido por una polarización inversa en la juntura p-n (una en la cual el voltaje es aplicado, de tal manera que hace que el lado p sea negativo con respecto al lado n); en un MOSFET (metal oxido semiconductor field effect transistor), el campo eléctrico es debido a una carga en un capacitor formado por un electrodo de metal y una capa aislante de oxido que separa el electrodo del semiconductor.

Tipos de  Transistores

Transistores Bipolares. (BJT).

Transistores Bipolares de unión, BJT. (PNP o NPN )

- BJT, de transistor bipolar de unión (del ingles, Bipolar Junción Transistor). 

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.

Transistores de efecto de campo. (JFET, MESFET, MOSFET )

- JFET, De efecto de campo de unión (JFET): También llamado transistor unipolar, fué el primer transistor de efecto de campo en la práctica. Lo forma una barra de material semiconductor de silicio de tipo N o P. En los terminales de la barra se establece un contacto óhmico, tenemos así un transistor de efecto de campo tipo N de la forma más básica.

- MESFET, transistores de efecto de campo metal semiconductor.

- MOSFET, transistores de efecto de campo de metal-oxido semiconductor. En estos componentes, cada transistor es formado por dos islas de silicio, una dopada para ser positiva, y la otra para ser negativa, y en el medio, actuando como una puerta, un electrodo de metal.

Transistores HBT y HEMT.                                      

Las siglas HBT y HEMT pertenecen a las palabras Heterojuction Bipolar Transistor (Bipolar de Hetereoestructura) y Hight Electrón Mobility Transistor (De Alta Movilidad). Son dispositivos de 3 terminales formados por la combinación de diferentes componentes, con distinto salto de banda prohibida. 

TRANSISTOR BJT (BIPOLAR JUCTION TRANSISTOR)

El BJT es un transistor Bipolar que puede ser del tipo NPN o del tipo PNP dependiendo de cómo se hayan colocado las impurezas

En principio es similar a dos diodos

El transistor esta compuesto por tres zonas de dopado, como se ve en la figura:

 

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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).

 

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Los tres tipos de polarizaciones son:

  • Polarizacion por Base.
  • Polarización por Realimentación del Colector.
  • Polarizacion por Divisor de Tensión.

Hay 3 tipos de configuraciones:

  • Base común (BC).
  • Emisor común (EC).
  • Colector común (CC) o Seguidor Emisor.

Cada una de estas configuraciones a su vez puede trabajar en 4 zonas diferentes:

Zona ACTIVA:

UE en Directa y UC en Inversa.

AMPLIFICADORES

Zona de SATURACIÓN:

UE en Directa y UC en Directa.

CONMUTACIÓN

Zona de CORTE:

UE en Inversa y UC en Inversa.

CONMUTACIÓN

Zona ACTIVA INVERTIDA:

UE en Inversa y UC en Directa.

SIN UTILIDAD

Con esto vemos que el transistor puede trabajar de 12 formas diferentes.

TIPOS DE TRANSISTORES

En electrónica es muy habitual el hablar de transistores de baja potencia (pequeña señal) y de transistores de potencia (gran señal). Es una forma muy sencilla de diferenciar  a los transistores que trabajan con potencias relativamente pequeñas de los transistores que trabajan con potencias mayores.

Transistores de baja potencia

Se le llama transistor de baja potencia, o pequeña señal, al transistor que tiene una intensidad pequeña (IC pequeña), lo que corresponde a una potencia menor de 0,5 W. En este tipo de transistores interesará obtener cc grandes (cc = 100 ÷ 300).

Transistores de potencia

Se le llama transistor de potencia al transistor que tiene una intensidad grande (IC grande), lo que corresponde a una potencia mayor de 0,5 W. En este tipo de transistores la cc que se puede obtener en su fabricación suele ser bastante menor que en los de baja potencia (cc = 20 ÷ 100).

 

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TRANSISTOR EFECTO DE CAMPO FET (FIELD EFFECT TRANSISTOR)

Tipos de FET

Se consideran tres tipos principales de FET:

  1. FET de unión (JFET)
  2. FET metal óxido semiconductor de empobrecimiento (MOSFET de empobrecimiento)
  3. FET metal óxido semiconductor de enriquecimiento (MOSFET de enriquecimiento)

Con frecuencia el MOSFET se denomina FET de compuerta aislada (IGFET, insulated-gate FET).

Ventajas y desventajas del FET

Las ventajas del FET pueden resumirse como sigue:

  1. Son dispositivos sensibles a la tensión con alta impedancia de entrada (del orden de 107 ). Como esta impedancia de entrada es considerablemente mayor que la de los BJT, se prefieren los FET a los BJT para la etapa de entrada de un amplificador multietapa.
  2. Los FET generan un nivel de ruido menor que los BJT.
  3. Los FET so más estables con la temperatura que los BJT.
  4. Los FET son, en general, más fáciles de fabricar que los BJT pues suelen requerir menos pasos de enmascaramiento y difusiones. Es posible fabricar un mayor número de dispositivos en un circuito integrado (es decir, puede obtener una densidad de empaque mayor).
  5. Los FET se comportan como resistores variables controlados por tensión para valores pequeños de tensión de drenaje a fuente.
  6. La alta impedancia de entrada de los FET les permite almacenar carga el tiempo suficiente para permitir su utilización como elementos de almacenamiento.
  7. Los FET de potencia pueden disipar una potencia mayor y conmutar corrientes grandes.

Existen varias desventajas que limitan la utilización de los FET en algunas aplicaciones:

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

Operación y construcción del JFET

Al igual que el BJT, el FET es un dispositivo de tres terminales, pero solo tiene una unión Pn en vez de dos, como en el BJT. El JFET de canal n se construye utilizando una cinta de material de tipo n con dos materiales de tipo p difundidos en ella, uno en cada lado. El JFET de canal p tiene una cinta de material de tipo p con dos materiales de tipo n difundidos en ella.

Variación de la tensión compuerta a fuente en el FET

El FET es un dispositivo controlado por tensión y se controla mediante vGS. Antes de analizar estas curvas, tómese nota de los símbolos para los JFET de canal n y de canal p. Estos símbolos son iguales excepto por la dirección de la flecha.
Conforme se incrementa vGS (más negativo para un canal n y más positivo para un canal p) se forma la región desértica y se cierra para un valor menor que iD.

Características de transferencia del JFET

De gran valor en el diseño con JFET es la característica de transferencia, que es una gráfica de la corriente de drenaje, iD, como función de la tensión compuerta a fuente, vGS, por encima del estrangulamiento.

Por tanto, solo se necesita conocer IDSS y VP, y toda la característica quedara determinada. Las hojas de datos de los fabricantes a menudo dan estos dos parámetros, por la que se puede construir la característica de transferencia. El parámetro de control para el FET es la tensión compuerta-fuente en lugar de la corriente de base, como en el BJT.

La región entre el estrangulamiento y la ruptura por avalancha se denomina región activa, región de operación del amplificador, región de saturación o región de estrangulamiento. La región ohmica (antes del estrangulamiento) a veces se denomina región controlada por tensión. El FET opera en esta región cuando se desea un resistor variable y en aplicaciones de conmutación.

La tensión de ruptura es función de vGS así como de vDS. Conforme aumenta la magnitud entre compuerta y fuente (más negativa para el canal n y más positiva para el canal p), disminuye la tensión por ruptura. Con vGS = VP, la corriente de drenaje es cero (excepto por una pequeña corriente de fuga), y con vGS = 0, la corriente de drenaje se satura a un valor

iD = IDSS

Donde IDSS es la corriente de saturación drenaje a fuente.

Circuito equivalente, gm y rDS

Para obtener una medida de la amplificación posible con un JFET, se introduce el parámetro gm, que es la transconductancia en directo. Este parámetro es similar a la ganancia en corriente (o hfe) para un BJT. El valor de gm, que se mide en siemens (S), es una medida del cambio en la corriente de drenaje para un cambio en la tensión compuerta-fuente.

La resistencia dinámica en inverso, rDS, se define como el inverso de la pendiente de la curva iD-vDS en la región de saturación:

El desempeño de un JFET esta especificado por lo valores de gm y rDS. Si las curvas características para el FET no están disponibles, gm y vGS se pueden obtener matemáticamente, siempre que se conozcan IDSS y VP. Por lo general, estos dos parámetros se incluyen en las especificaciones del fabricante. Se puede seleccionar una corriente de drenaje estática, IDQ, que se halle entre 0.3 y 0.7 veces IDSS, lo cual ubica el punto Q en la región más lineal de las curvas características.

Operación y construcción del MOSFET

Ahora se considera el FET de metal –óxido semiconductor (MOSFET). Este FET se construye con la terminal de compuerta aislada del canal con el dieléctrico dióxido de silicio (SiO2), y ya sea en modo de empobrecimiento o bien de enriquecimiento. Estos dos tipos se definen y consideran en las siguientes secciones:

  • MOSFET de empobrecimiento

Nótese que el MOSFET de empobrecimiento puede operar tanto para valores positivos como negativos de VGS.

La flecha apunta hacia adentro para un canal n y hacia afuera para un canal p.

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Figura 6. MOSFET de empobrecimiento de canal n.

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Figura 7. MOSFET de empobrecimiento de canal p.

  • MOSFET de enriquecimiento

El MOSFET de enriquecimiento difiere del MOSFET de empobrecimiento en que no tiene la capa delgada de material n sino que requiere de una tensión positiva entre la compuerta y la fuente para establecer un canal. Este canal se forma por la acción de una tensión positiva compuerta a fuente, vGS, que atrae electrones de la región de sustrato ubicada entre el drenaje y la compuerta contaminados de tipo n. Una vGS positiva provoca que los electrones se acumulen en la superficie inferior de la capa de oxido. Cuando la tensión alcanza el valor de umbral, VT, han sido atraídos a esta región los electrones suficientes para que se comporte como canal n conductor. No habrá una corriente apreciable iD hasta que vGS excede VT.

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Figura 8. MOSFET de enriquecimiento de canal n.

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Figura 9. MOSFET de enriquecimiento de canal p.

Polarización de los FET

Los mismos circuitos básicos que se utilizan para polarizar los BJT se pueden emplear para los JFET y los MOSFET de empobrecimiento, la polaridad de vGS puede ser opuesta a la de la fuente de tensión del drenaje. Cuando se selecciona el punto de operación, no hay tensión de polaridad opuesta disponible de la fuente para cumplir con los requerimientos del circuito. Puede ser necesario descartar R2 de manera que solo se obtenga una tensión de la polaridad correcta. No siempre es posible encontrar valores de un resistor para lograr un punto Q en particular. En tales casos, seleccionar un nuevo punto Q puede proporcionar a veces una solución al problema.

Las Configuraciones para un FET son:

  • Source Común.
  • Drain Común.
  • Gate Común.

EL THIRISTOR O SRC (Silicón-Controlled-Rectifiers))

Este semiconductor en conducción virtualmente se comporta como un diodo común, con su ánodo y su cátodo, pero ciertamente no es un diodo común, la diferencia física se localiza en su patilla de control o puerta (gate), que en su símbolo se representa por una conexión más fina que, sale o entra con cierta inclinación por un lado del cátodo.

En el momento de conectar la tensión al SCR, éste no conduce, debido a la especial constitución de la unión ánodo-cátodo que, para su cebado necesitan de una pequeña corriente que los haga entrar en conducción abrupta (en avalancha), cosa que no ocurre mientras no esté activada la mencionada puerta (gate), la cual requiere de una corriente de encendido muy baja en comparación con la corriente que suele atravesar el conjunto ánodo-cátodo del diodo. Una vez entra en conducción el 'diodo', permanecerá en conducción mientras haya una corriente mínima circulando a través de la unión. Por lo tanto, sólo dejará de conducir cuando se de la siguiente circunstancia; Cese el paso de corriente por la unión del SCR y esto puede lograrse por diversos motivos, estos son algunos de los motivos:

  • Cortar la corriente por un medio mecánico (por un interruptor)
  • Mediante el cruce de la unión ánodo-cátodo (por un pulsador)

Prueba de un SCR con un ohmímetro.

 

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Si no existe corriente en la compuerta el SCR no conduce.

Lo que sucede después de ser activado el SCR, se queda conduciendo y se mantiene así. Si se desea que el tristor deje de conducir, el voltaje +V debe ser reducido a 0 Voltios.

Si se disminuye lentamente el voltaje (tensión), el tristor seguirá conduciendo hasta que por el pase una cantidad de corriente menor a la llamada "corriente de mantenimiento o de retención", lo que causará que el SCR deje de conducir aunque la tensión VG  (voltaje de la compuerta con respecto a tierra  no sea cero.

Como se puede ver el SCR , tiene dos estados:

  • Estado de conducción, en donde la resistencia entre ánodo y cátodo es muy baja
  • Estado de corte, donde la resistencia es muy elevada

Los usos típicos incluyen control del calentador, y control del horno y del horno

El SCR también es llamado un Circuito Candado por la forma en la cual estan los dos transistores que lo componen.

Relay - Relé - Relevador

El Relé es un interruptor operado magnéticamente. Este se activa o desactiva (dependiendo de la conexión) cuando el electroimán (que forma parte del Relé) es energizado (le damos el voltaje para que funcione). Esta operación causa que haya conexión o no, entre dos o más terminales del dispositivo (el Relé).

Esta conexión se logra con la atracción o repulsión, de un pequeño brazo llamado armadura, por el electroimán. Este pequeño brazo conecta o desconecta los terminales antes mencionados.

Por ejemplo: Si el electroimán está activo jala el brazo (armadura) y conecta los puntos C y D. Si el electroimán se desactiva, conecta los puntos C y E.

De esta manera se puede tener algo conectado, cuando el electroimán está activo, y otra cosa conectada, cuando está inactivo

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Ventajas del Relé:
Permite el control de un dispositivo a distancia. No se necesita estar junto al dispositivo para hacerlo funcionar.

-El Relé es activado con poca corriente, sin embargo puede activar grandes máquinas que consumen gran cantidad de corriente.

Con una sola señal de control, puedo controlar varios Relés a la vez.

 

Brian Alexander Martinez

INSTITUTO EMILIANI

Congregación Somasca

La Ceiba de Guadalupe

Materia:Tecnología y Taller


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