- Unidades y definiciones
básicas - El
reóstato - Semiconductor
- Diodo
semiconductor - Electrones de
conducción y huecos - Dopar
- El diodo Led ( light emiter
diode ) - El diodo
Zener - El
transistor - Fototransistor
- El transistor
bipolar
Unidades y
definiciones básicas:
Ampere: (Amperio)
(A) :
Unidad de medida de la corriente
eléctrica, es la cantidad de carga que circula por un
conductor por unidad de tiempo
I = Q / t
1 A = 1 Coulombio / segundo
1 A = 1000 mA (miliamperio)
Coulomb (coulombio):
Unidad de medición de la carga eléctrica.
1Coulomb = 6.28×1018 electrones
Watts (Vatio):
Unidad de la potencia.
Potencia:
Velocidad con que se suministra o consume
energía.
Potencia = Energía / Tiempo
Circuito
paralelo:
Circuito que tiene mas de un camino para la corriente,
donde los elementos comparten los terminales.
Circuito Serie:
Circuito con un único camino para la corriente,
donde los elementos van uno a continuación del otro.
Multímetro:
Instrumento todo propósito, también
llamado Tester, VOM, DMM, etc., utilizado para efectuar
mediciones de tensión (voltaje), corriente continua (CC.),
corriente
alterna, resistencia y a
veces también: diodos, transistores,
condensadores,
etc.
Ohm (Ohmio):
Unidad de medición de la resistencia
eléctrica, representada por la letra griega (W,
omega).
Siemens (Mho):
Unidad de medida de la conductancia (G)
Conductancia (G):
G = 1 / R = 1 / Resistencia. Es el inverso de la
resistencia. Un elemento (resistor) con alta resistencia tiene
baja conductancia, un resistor con baja resistencia tiene alta
conductancia
Volt (voltio):
Unidad de medición de la diferencia de potencial
eléctrico o tensión eléctrica,
comúnmente llamado voltaje.
Corriente
Alterna (CA):
Corriente eléctrica que cambia su amplitud en
forma periódica en el tiempo.
Corriente Continua (CC):
Es la corriente que fluye en una sola dirección. Las baterías, las celdas
solares, etc. producen corriente en CC. Este tipo de corriente no
cambia su magnitud ni su sentido en el tiempo.
Hertz :
Cantidad de ciclos completos de una onda en una unidad
de tiempo
1 Hertz = 1 ciclo/seg
La Resistencia variable (El potenciómetro, El
reóstato)
Las resistencias
variables se
dividen en dos categorías:
Los potenciómetros y los reóstatos se
diferencias entre si, entre otras cosas, por la forma en que se
conectan. En el caso de los potenciómetros, estos se
conectan en paralelo al circuito y se comporta como un divisor de
tensión. Ver la figura.
Para ver el gráfico seleccione la
opción "Descargar" del menú
superior
En el caso del reóstato este va conectado en
serie con el circuito y se debe tener cuidado de que su valor (en
ohmios) y su la potencia que puede aguantar (en Watts (vatios))
sea el adecuado para soportar la corriente ( I en amperios
(ampere) que por el va a circular por él
Para ver el gráfico seleccione la
opción "Descargar" del menú superior
Las resistencias también se pueden dividir
tomando en cuenta otras características:
- sí son bobinadas.
- Si no son bobinadas.
- de débil disipación.
- de fuerte disipación.
- De precisión
material sólido o líquido capaz de
conducir la electricidad
mejor que un aislante, pero peor que un metal. La conductividad
eléctrica, que es la capacidad de conducir la corriente
eléctrica cuando se aplica una diferencia de potencial, es
una de las propiedades físicas más importantes.
Ciertos metales, como el
cobre, la
plata y el aluminio son
excelentes conductores. Por otro lado, ciertos aislantes como el
diamante o el vidrio son muy
malos conductores. A temperaturas muy bajas, los semiconductores
puros se comportan como aislantes. Sometidos a altas
temperaturas, mezclados con impurezas o en presencia de luz, la
conductividad de los semiconductores puede aumentar de forma
espectacular y llegar a alcanzar niveles cercanos a los de los
metales. Las propiedades de los semiconductores se estudian en la
física del
estado
sólido.
Una unión pn (también denominada
diodo) permite el flujo de corriente en un solo sentido. Los
electrones del material tipo n pueden fluir hacia la izquierda,
atravesando el material tipo p, pero la falta de un exceso de
electrones en el material tipo p impedirá cualquier flujo
de electrones hacia la derecha. Obsérvese que se define
que la corriente fluye en un sentido opuesto al del flujo de los
electrones.
ELECTRONES
DE CONDUCCIÓN Y HUECOS
Entre los semiconductores comunes se encuentran
elementos químicos y compuestos, como el silicio, el
germanio, el selenio, el arseniuro de galio, el seleniuro
de cinc 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 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.
Otro método
para obtener electrones para el transporte de
electricidad consiste en añadir impurezas al semiconductor
o doparlo. La diferencia del número de electrones de
valencia entre el material dopante (tanto si acepta como si
confiere electrones) y el material receptor hace que crezca el
número de electrones de conducción negativos (tipo
n) o positivos (tipo p). Este concepto se
ilustra en el diagrama que
se muestra a
continuación, que representa un cristal de silicio dopado.
Cada átomo de silicio tiene cuatro electrones de valencia
(representados mediante puntos). Se requieren dos para formar el
enlace covalente. En el silicio tipo n, un átomo como el
del fósforo (P), con cinco electrones de valencia,
reemplaza al silicio y proporciona electrones adicionales. En el
silicio tipo p, los átomos de tres electrones de valencia
como el aluminio (Al) provocan una deficiencia de electrones o
huecos que se comportan como electrones positivos. Los electrones
o los huecos pueden conducir la electricidad.
Cuando ciertas capas de semiconductores tipo p y tipo n
son adyacentes, forman un diodo de semiconductor, y la
región de contacto se llama unión pn. Un diodo es
un dispositivo de dos terminales que tiene una gran resistencia
al paso de la corriente eléctrica en una dirección
y una baja resistencia en la otra. Las propiedades de
conductividad de la unión pn dependen de la
dirección del voltaje, que puede a su vez utilizarse para
controlar la naturaleza
eléctrica del dispositivo. Algunas series de estas uniones
se usan para hacer transistores y otros dispositivos
semiconductores como células
solares, láseres de unión pn y
rectificadores.
Los dispositivos semiconductores tienen muchas
aplicaciones en la ingeniería eléctrica. Los
últimos avances de la ingeniería han producido
pequeños chips semiconductores que contienen cientos de
miles de transistores. Estos chips han hecho posible un enorme
grado de miniaturización en los dispositivos
electrónicos. La aplicación más eficiente de
este tipo de chips es la fabricación de circuitos de
semiconductores de metal-óxido complementario o CMOS, que
están formados por parejas de transistores de canal p y n
controladas por un solo circuito. Además, se están
fabricando dispositivos extremadamente pequeños utilizando
la técnica epitaxial de haz molecular.
EL DIODO
LED ( Light Emiter Diode )
(Light Emiter Diode – diodo emisor de
luz)
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Símbolo del diodo LED
El LED es un tipo especial de diodo, que trabaja
como un diodo común, pero que al ser atravesado por la
corriente eléctrica emite luz.
Existen diodos LED de varios colores y estos
dependen del material con el cual fueron construidos. Hay de
color rojo,
verde, amarillo, ámbar, infrarrojo.
Debe de escogerse bien la corriente que atraviesa el LED
para obtener una buena intensidad luminosa. El LED tiene un
voltaje de operación que va de 1.5 V a 2.2 voltios.
aproximadamente y la gama de corrientes que debe circular por el
va de 10 mA a 20 mA en los diodos de color rojo y de entre 20 mA
y 40 mA para los otros LEDs. Tiene enormes ventajas sobre las
lámparas indicadoras comunes, como son su bajo consumo de
energía, su mantenimiento
casi nulo y con una vida aproximada de 100,000 horas.
Aplicaciones tiene el diodo LED
Se utiliza ampliamente en aplicaciones visuales, como
indicadoras de cierta situación específica de
funcionamiento.
Ejemplos:
Se utilizan para desplegar contadores
Para indicar la polaridad de una fuente de alimentación de
corriente directa.
Para indicar la actividad de una fuente de
alimentación de corriente alterna.
Es un tipo especial de diodo que diferencia del
funcionamiento de los diodos comunes, como el diodo rectificador
(en donde se aprovechan sus características de
polarización directa y polarización inversa) el
diodo Zener siempre se utiliza en polarización inversa, en
donde la corriente desea circular en contra de la flecha
que representa el mismo diodo.
En este caso analizaremos el diodo Zener, pero no como
un elemento ideal, si no como un elemento real y debemos tomar en
cuenta que cuando éste se polariza en modo inverso si
existe una corriente que circula en sentido contrario a la flecha
del diodo, pero de muy poco valor.
Símbolo del diodo zener
( A – ánodo K – cátodo)
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Analizando la curva del diodo zener vemos que en el
lugar donde se marca como
región operativa, la corriente (Ir, en la
línea vertical inferior) puede variar en un amplio margen,
de pero el voltaje (Vz) no cambia. Se mantiene aproximadamente en
5.6 V. (para un diodo zener de 5.6 V)
Aplicaciones del diodo Zener?
La
principal aplicación que se le da al diodo Zener es la de
regulador.
¿Qué hace un regulador con
Zener?
Un regulador con zener ideal mantiene un voltaje fijo
predeterminado, a su salida, sin importar si varía el
voltaje en la fuente de alimentación y sin importar como
varíe la carga que se desea alimentar con este
regulador.
Nota: En las fuentes de
voltaje ideales (algunas utilizan, entre otros elementos el diodo
zener), el voltaje de salida no varía conforme
varía la carga. Pero las fuentes no son ideales y lo
normal es que la tensión de salida disminuya conforme la
carga va aumentado, o sea conforme la demanda de
corriente de la carga aumente.
Para poder saber si
una fuente de voltaje es de buena calidad se
utiliza la siguiente fórmula:
Porcentaje de regulación
= V (sin carga) – V (carga total) / V (carga total) * 100
%
A menor valor de porcentaje de
regulación, mejor calidad
de fuente.
Dispositivo semiconductor que permite el control y la
regulación de una corriente grande mediante una
señal muy pequeña. Existe una gran variedad de
transistores. En principio, se explicarán los bipolares.
Los símbolos que corresponden a este tipo de
transistor son
los siguientes:
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Veremos mas adelante como un circuito con un transistor
NPN se puede adaptar a PNP. El nombre de estos hace referencia a
su construcción como semiconductor.
1. FUNCIONAMIENTO
BASICO
Cuando el interruptor SW1 está abierto no circula
intensidad por la Base del transistor por lo que la
lámpara no se encenderá, ya que, toda la
tensión se encuentra entre Colector y Emisor. (Figura
1).
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Cuando se cierra el interruptor SW1, una intensidad muy
pequeña circulará por la Base. Así el
transistor disminuirá su resistencia entre Colector y
Emisor por lo que pasará una intensidad muy grande,
haciendo que se encienda la lámpara. (Figura
2).
En general: IE >
IC > IB ; IE = IB
+ IC ; VCE = VCB +
VBE
2. POLARIZACION DE UN
TRANSISTOR
Una polarización correcta permite el
funcionamiento de este componente. No es lo mismo polarizar un
transistor NPN que PNP.
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Generalmente podemos decir que la unión base –
emisor se polariza directamente y la unión base – colector
inversamente.
3. ZONAS DE TRABAJO
CORTE.- No circula intensidad por la Base, por lo
que, la intensidad de Colector y Emisor también es nula.
La tensión entre Colector y Emisor es la de la
batería. El transistor, entre Colector y Emisor se
comporta como un interruptor abierto.
IB = IC =
IE = 0; VCE =
Vbat
SATURACION.- Cuando por la Base
circula una intensidad, se aprecia un incremento de la corriente
de colector considerable. En este caso el transistor entre
Colector y Emisor se comporta como un interruptor cerrado. De
esta forma, se puede decir que la tensión de la
batería se encuentra en la carga conectada en el
Colector.
IB Þ IC ; Vbat = RC X
IC.
ACTIVA.- Actúa como
amplificador. Puede dejar pasar más o menos
corriente.
Cuando trabaja en la zona de corte y la de
saturación se dice que trabaja en
conmutación. En definitiva, como si fuera un
interruptor.
La ganancia de corriente es un parámetro
también importante para los transistores ya que relaciona
la variación que sufre la corriente de colector para una
variación de la corriente de base. Los fabricantes suelen
especificarlo en sus hojas de características,
también aparece con la denominación hFE.
Se expresa de la siguiente manera:
β = IC /
IB
EN RESUMEN:
| Saturación | Corte | Activa |
VCE | ≈ 0 | ≈ VCC | Variable |
VRC | ≈ VCC | ≈ 0 | Variable |
IC | Máxima | = ICEO ≈ 0 | Variable |
IB | Variable | = 0 | Variable |
VBE | ≈ 0,8v | < 0,7v | ≈ 0,7v |
Los encapsulados en los transistores dependen de la
función
que realicen y la potencia que disipen, así nos
encontramos con que los transistores de pequeña
señal tienen un encapsulado de plástico,
normalmente son los más pequeños ( TO- 18, TO-39,
TO-92, TO-226 … ); los de mediana potencia, son algo mayores y
tienen en la parte trasera una chapa metálica que sirve
para evacuar el calor disipado
convenientemente refrigerado mediante radiador (TO-220, TO-218,
TO-247…) ; los de gran potencia, son los que poseen una mayor
dimensión siendo el encapsulado enteramente
metálico . Esto, favorece, en gran medida, la
evacuación del calor a través del mismo y un
radiador (TO-3, TO-66, TO-123, TO-213…).
es, en esencia, lo mismo que un transistor normal, solo
que puede trabajar de 2 maneras diferentes:
Como un transistor normal con la corriente de base (IB)
(modo común)
- Como fototransistor, cuando la luz que incide en este
elemento hace las veces de corriente de base. (IP) (modo de
iluminación). - Nota: ß es la ganancia de
corriente del fototransistor.
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opción ¨Descargar trabajo¨ del menú
superior
Se pueden utilizar las dos en forma simultánea,
aunque el fototransistor se utiliza principalmente con la patita
de la base sin conectar. (IB = 0)
Si se desea aumentar la sensibilidad del transistor,
debido a la baja iluminación, se puede incrementar la
corriente de base (IB ), con ayuda de polarización
externa
El circuito equivalente de un fototransistor, es un
transistor común con un fotodiodo conectado entre la base
y el colector, con el cátodo del fotodiodo conectado al
colector del transistor y el ánodo a la base.
El fototransistor es muy utilizado para aplicaciones
donde la detección de iluminación es muy
importante. Como el fotodiodo, tiene un tiempo de respuesta muy
corto, solo que su entrega de corriente eléctrica es mucho
mayor.
En el gráfico siguiente se puede ver el circuito
equivalente de un fototransistor. Se observa que está
compuesto por un fotodiodo y un transistor. La corriente que
entrega el fotodiodo (circula hacia la base del transistor) se
amplifica ß veces, y es la corriente que puede
entregar el fototransistor.
Hay dos tipos de Transistores
Bipolares:
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opción "Descargar" del menú superior
El transistor bipolar es el más común de
los transistores, y como los diodos, puede ser de germanio o
silicio.
Existen dos tipos transistores: el NPN y el PNP, y la
dirección del flujo de la corriente en cada caso, lo
indica la flecha que se ve en el gráfico de cada tipo de
transistor.
El transistor es un dispositivo de 3 patillas con los
siguientes nombres: base (B), colector (C) y emisor (E),
coincidiendo siempre, el emisor, con la patilla que tiene la
flecha en el gráfico de transistor.
El transistor es un amplificador de corriente, esto
quiere decir que si le introducimos una cantidad de corriente por
una de sus patillas (base), el entregará por otra (emisor)
, una cantidad mayor a ésta, en un factor que se llama
amplificación. Este factor se llama b (beta) y es un dato
propio de cada transistor.
Entonces:
- Ic (corriente que pasa por la patilla
colector) es igual a b (factor de amplificación) por
Ib (corriente que pasa por la patilla base). - Ic = β * Ib
- Ie (corriente que pasa por la patilla emisor)
es del mismo valor que Ic, sólo que, la corriente
en un caso entra al transistor y en el otro caso sale de el, o
viceversa.
Según la fórmula anterior las corrientes
no dependen del voltaje que alimenta el circuito (Vcc), pero en
la realidad si lo hace y la corriente Ib cambia ligeramente
cuando se cambia Vcc. Ver figura.
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En el segundo gráfico las corrientes de base (Ib)
son ejemplos para poder entender que a mas corriente la curva es
mas alta
Regiones operativas del transistor
Región de corte: Un transistor esta en
corte cuando:
corriente de colector = corriente
de emisor = 0, (Ic = Ie = 0)
En este caso el voltaje entre el colector y el emisor
del transistor es el voltaje de alimentación del circuito.
(como no hay corriente circulando, no hay caída de
voltaje, ver Ley de Ohm).
Este caso normalmente se presenta cuando la corriente de base = 0
(Ib =0)
Región de saturación: Un transistor
está saturado cuando:
corriente de colector = corriente de
emisor = corriente máxima, (Ic = Ie = I
máxima)
En este caso la magnitud de la corriente depende del
voltaje de alimentación del circuito y de las resistencias
conectadas en el colector o el emisor o en ambos, ver ley de
Ohm. Este caso normalmente se presenta cuando la corriente de
base es lo suficientemente grande como para inducir una corriente
de colector β veces
más grande. (recordar que Ic = β *
Ib)
Región activa: Cuando un transistor no
está ni en su región de saturación ni en la
región de corte entonces está en una región
intermedia, la región activa. En esta región la
corriente de colector (Ic) depende principalmente de la corriente
de base (Ib), de β (ganacia
de corriente de un amplificador, es un dato del fabricante) y de
las resistencias que hayan conectadas en el colector y emisor).
Esta región es la mas importante si lo que se desea es
utilizar el transistor como un amplificador.
Configuraciones
hay tres tipos de configuraciones típicas en los
amplificadores con transistores, cada una de ellas con
características especiales que las hacen mejor para cierto
tipo de aplicación. y se dice que el transistor no
está conduciendo. Normalmente este caso se presenta cuando
no hay corriente de base (Ib = 0)
- Emisor común
- Colector común
- Base común
Nota: corriente de colector y corriente de emisor
no son exactamente iguales, pero se toman como tal, debido a la
pequeña diferencia que existe entre ellas, y que no
afectan en casi nada a los circuitos hechos con
transistores
RIGOBERTO HERNANDO OLARTE
ING Mecatronico. BUCARAMANGA – SANTANDER –
COLOMBIA