Monografias.com > Ingeniería
Descargar Imprimir Comentar Ver trabajos relacionados

Semiconductores




Enviado por latiniando



     

    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.

    2.
    Rectificadores

    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:

    1. Vdc = (0.45) (voltajes eficaces del
      secundario)
    2. 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"

    3.
    Transistores

    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

    Nota al lector: es posible que esta página no contenga todos los componentes del trabajo original (pies de página, avanzadas formulas matemáticas, esquemas o tablas complejas, etc.). Recuerde que para ver el trabajo en su versión original completa, puede descargarlo desde el menú superior.

    Todos los documentos disponibles en este sitio expresan los puntos de vista de sus respectivos autores y no de Monografias.com. El objetivo de Monografias.com es poner el conocimiento a disposición de toda su comunidad. Queda bajo la responsabilidad de cada lector el eventual uso que se le de a esta información. Asimismo, es obligatoria la cita del autor del contenido y de Monografias.com como fuentes de información.

    Categorias
    Newsletter