DIRECCIÓN REGIONAL DE EDUCACIÓN DE VERAGUAS
INSTITUTO PROFESIONAL Y TÉCNICO DE VERAGUAS
TALLER IV
CIRCUITOS
ELECTRÓNICOS
11° GRADO
PREPARADO POR:
BOLÍVAR QUINTERO
2012
“Recuerda que el estudio es carrera de resistencia, esfuérzate un poco y lo lograras “
Nan
:
Electromagnetismo :
Los fenómenos magnéticos fueron conocidos por los antiguos griegos. Se dice que por primera vez se observaron en la ciudad de “Magnesia” en Asia Menor, de ahí el término magnetismo. Sabían que ciertas piedras atraían el hierro y que los trocitos de hierro atraídos, atraían a su vez a otros, y así sucesivamente. A estas piedras se les denominó imanes naturales. El norte geográfico de la Tierra es un polo sur magnético debido a que atrae el. polo norte de un imán. De la misma forma, el polo sur geográfico es un polo norte magnético. La tierra se comporta como un imán orientado como lo indica la figura. Este concepto se mantuvo a través de los siglos, y después de haber sido desarrollado matemáticamente por
ELECTROMAGNETISMO
Campos magnéticos y electricidad En 1813, Hans Christian Oersted predijo que se hallaría una conexión entre la electricidad y el magnetismo. En 1819 colocó una brújula cerca de un hilo recorrido por una corriente y observó que la aguja magnética se desviaba. Con ello demostró que las corrientes eléctricas producen campos magnéticos. Aquí vemos cómo las líneas de campo magnético rodean el cable por el que fluye la corriente.
El movimiento de la aguja de una brújula en las proximidades de un conductor por el que circula una corriente indica la presencia de un campo magnético (véase Magnetismo) alrededor del conductor. Cuando dos conductores paralelos son recorridos cada uno por una corriente, los conductores se atraen si ambas corrientes fluyen en el mismo sentido y se repelen cuando fluyen en sentidos opuestos. El campo magnético creado por la corriente que fluye en una espira de alambre es tal que si se suspende la espira cerca de la Tierra se comporta como un imán o una brújula, y oscila hasta que la espira forma un ángulo recto con la línea que une los dos polos magnéticos terrestres.
Puede considerarse que el campo magnético en torno a un conductor rectilíneo por el que fluye una corriente se extiende desde el conductor igual que las ondas creadas cuando se tira una piedra al agua. Las líneas de fuerza del campo magnético tienen sentido antihorario cuando se observa el conductor en el mismo sentido en que se desplazan los electrones. El campo en torno al conductor es estacionario mientras la corriente fluya por él de forma uniforme.
Materiales semiconductores
Teoría de diodos
En general, todos los materiales se clasifican en tres categorías
principales: conductores, aisladores, y semiconductores. Estas categorías se
han desarrollado con base en la capacidad del material, de permitir un flujo
o corriente eléctrica, dependiendo de su estructura atómica. Entre los buenos
conductores y los buenos aisladores se encuentran los materiales que no son
una cosa ni la otra, se les denominan semiconductores, entre ellos el silicio,
INTRODUCCIÓN
En electrónica se usan gran cantidad de componentes para conducir, controlar, seleccionar, dirigir, interrumpir, almacenar, en general para manipular corriente eléctrica, entre estos componentes tenemos a los pasivos, electromecánicos, las pilas y baterías, transductores, semiconductores.
Los semiconductores han revolucionado el campo de la electrónica; un semiconductor se comporta indistintamente como un aislante, un conductor al alterarse bajo ciertas condiciones o estímulos externos como: luz, calor, temperatura, campo magnético, señales eléctricas de voltaje o corriente. A los semiconductores se les conoce dispositivos de estado sólido, y se dispone actualmente de diodos, transistores bipolares, transistores de efecto de campo, tiristores, circuitos integrados, microprocesadores, microcontroladores.
Estructura de la materia
Todos los tipos de materia que se encuentran en la naturaleza están compuestos por partículas pequeñas llamados átomos y estos a su vez están formados por orbitas en las cuales giran los electrones con carga negativa y en el núcleo están los protones con carga positiva junto con los neutrones de carga neutra; esas cargas forman el campo eléctrico de fuerzas dentro del átomo y cuando las cargas positivas son iguales a las cargas negativas el átomo esta eléctricamente en equilibrio fig. 1. El átomo se encuentra en desequilibrio eléctrico cuando es posible transferir electrones de una sustancia a otra y deja de existir la distribución normal.
electrones
núcleo
(protones y neutrones)
orbita
o niveles de energía
Semiconductores
En los semiconductores los electrones están unidos a los núcleos, excepto los que giran en la orbita exterior que se mueven de un átomo a otro de manera casual y son llamados
electrones libres o de valencia . fig. 2.
Si el movimiento casual de los electrones libres se controla de modo que los electrones se muevan en la misma dirección resultaría un flujo de electrones denominado corriente eléctrica. Los conductores como el cobre, plata, oro tienen muy pocos electrones en la banda de valencia, por lo general uno, y son débilmente atraídos por el núcleo, por lo que pueden escapar fácilmente del átomo y convertirse en electrones libres fig. 3. Los aislantes tiene ocho electrones de valencia por lo general y están fuertemente ligados al núcleo, por lo que son difíciles de convertirlos en electrones libres.
Fig. 2. átomo de silicio Fig. 3. átomo de cobre
Electrones y huecos en movimiento, constituyen una corriente eléctrica “los huecos” sólo pueden existir en un material semiconductor, ya que los huecos dependen para su existencia de un arreglo específico de electrones (o uniones pareadas de electrones). En los materiales conductores no existen los huecos. Los huecos se desvían mediante campos eléctricos y magnéticos al igual que los electrones. Por lo tanto en un semiconductor por el que circula corriente hay un movimiento permanente de electrones y huecos moviéndose en direcciones opuestas ya que el número de electrones
La mayoría de los sólidos (excepto aquellos que muestran una estructura biológica) tiene una estructura cristalográfica o de cristal, como los semiconductores de silicio y germanio cuyos electrones de valencia están unidos, y que bajo condiciones normales, son malos conductores, al material ser sometido a excitaciones externas las uniones pareadas de electrones se separan y ocurre la conducción eléctrica parcial.
El silicio y germanio se caracterizan por ser elementos tetravalentes o sea tener cuatro electrones de valencia en su última capa; estos electrones forman enlaces con los electrones de valencia de los átomos adyacentes produciendo un patrón tridimensional regular llamada red cristalina. Cada átomo comparte sus electrones de valencia hasta quedar químicamente estable, es decir con ocho electrones en su órbita externa. Fig. 5., 6a, 6b.
Fig. 5
Átomos que pueden verse
En esta imagen, obtenida con un microscopio túnel de barrido, pueden verse los átomos individuales dispuestos de forma uniforme en la superficie de un cristal de germanio. Si se colocaran uno junto a otro, 100 millones de estos átomos apenas cubrirían 1 centímetro. Como son cientos de veces menores que la longitud de onda de la luz visible no pueden verse con ningún microscopio óptico. Los colores de la imagen son falsos, creados por ordenador o
+ +
Fig. . corriente de electrones. Fig. 4 b. corriente de huecos.
- - - - -
computadora. El microscopio túnel de barrido determina el perfil de una superficie a escala atómica detectando la corriente eléctrica que fluye de la superficie a la punta de una fina sonda metálica.
Los semiconductores son intrínseco o puro y es cuando se encuentran en estado de
pureza, libre de otra sustancia, son completamente aislantes la electricidad y raramente son usados en electrónica ya que por su estado natural poseen muy pocos electrones libres y necesitan de altas cantidades de energía para transportar corriente, tienen una alta resistencia. Fig 7a y 7b.
Fig. 7 a Fig. 7 b I ≈ 0 R ≈ alta
Son semiconductores extrínsecos, cuando tiene una resistencia baja y por lo tanto circula
corriente alta, pueden ser de tipo N o donador y de tipo P o aceptador. Fig. 8a y 8b Fig. 6aFig. 6b
puro
R ≈ baja
+ + i ≈ alta Fig. Fig. 8 b
Impurezas
Son sustancias llamadas dopantes o contaminantes que se encuentran en su estado natural y son agregados intencionalmente en los cristales de silicio o germanio en cantidades pequeñas y controladas y determinan las características eléctricas. Pueden ser pentavalentes o trivalentes. Impurezas de elementos pentavalentes para la formación de cristal donador
Estas sustancias tienen cinco electrones de valencia en su envoltura exterior. Entre los elementos pentavalentes tenemos al arsénico, fósforo, antimonio que producen un exceso de electrones. Cuatro de los cinco electrones de valencia del átomo dopante forman enlaces covalentes con los cuatro átomos vecinos. El electrón libre restante no queda ligado a ningún átomo y es libre de moverse a través del semiconductor (cristal), convirtiéndose en un portador potencial de corriente, o semiconductor tipo N, este semiconductor tiene exceso de electrones libres o carga negativa que huecos (carga positiva o deficiencia de electrones) , por ende se les conoce como un semiconductor de portadores mayoritarios de electrones, y portadores minoritarios de huecos. Fig. 9.
Impurezas de elementos trivalentes para la formación de cristal aceptador
Estas sustancias tienen tres electrones de valencia en su envoltura exterior. Entre los elementos trivalentes tenemos al aluminio, boro, galio, indio y producen una deficiencia de
electrones o exceso de huecos. Los cristales que son dopados o contienen impurezas de elementos trivalentes son semiconductores de tipo P, ya que tres electrones de valencia del átomo dopante forman enlaces covalentes con tres átomos vecinos de silicio o de germanio, en donde el electrón faltante (hueco o carga positiva libre), es capaz de atraer un electrón externo. Un semiconductor tipo P tiene más huecos que electrones por eso a los huecos se les llama portadores mayoritarios y a los electrones libres portadores minoritarios. Fig. 10.
Uniones PN
Los semiconductores tipo n y tipo p, independientes no tiene uso práctico, sólo si se dopan lo suficiente en exceso y se usan como resistencias dependientes de la temperatura. La
unión PN es más útil en dispositivos de diodos, transistores, tiristores, CI, microprocesadores, microcontroladores; están basados en la combinación de capas alternadas de materiales tipo n y p.
taje llamada región de agotamiento en la frontera de los dos materiales, la cual impide el paso de un mayor número de portadores mayoritarios de un lado a otro, fig. 11 e.
El potencial de barrera es aproximadamente 0.7 v para la unión PN de silicio y de 0.3
v las de germanio.
Al aplicar un voltaje externo fig. 11 f el efecto de la barrera de potencial se atenúa, y bajo
esta condición conocida como polarización directa (progresiva), el polo positivo de la fuente repela a los huecos del material P y el polo negativo repela a los electrones libres del material N, permitiendo que atraviesen la unión y la zona de agotamiento se estrecha y
unión presenta una resistencia baja al paso de la corriente comportándose como un conductor.
Al aplicar un voltaje externo fig. 11 g, el efecto de la barrera se acentúa, y bajo esta condición, la polarización es inversa, el polo positivo de la fuente atrae a los electrones libres del material tipo N y el polo negativo de la fuente atrae a los huecos del material tipo P y la zona de agotamiento se ensancha por lo que la unión PN presenta una resistencia alta al paso de la corriente y se comporta como un aislante. Algunos portadores minoritarios (huecos en el material tipo N y electrones en el una
Fig.
Fig.
Fig. 11 b
Fig. 11 b
Impurezas trivalentes impurezas pentavalentes Deficiencia de electrones exceso de electrones
Fig. 11 c
Fig. 11 c
impurezas
fig. 11 d
Fig. 11d
Barrera de potencial
Fig. 11 e en formación unión
PN sin polarizar
+
fig. VD = 0.7 v
zona de agotamiento pequeña
Unión polarización directa + -PN
Polarizada fig.
zona de agotamiento amplio
polarización inversa - +
+ - + - + - Silicio puro + - + - + - + - + - Silicio puro + - +
-+ - -+ - -+ - Silicio -+ - + - + - + - + - + - Silicio + - + - +
-+ -+ -+ -+ -+ -+ tipo P + + + - - + + - - - tipo N
-- -- -- -- -- -- -- -- -- tipo N
-+ -+ -+ -+ -+ -+ tipo P + + +
+ + + + + + + + tipo P + + + + - - - tipo N - - -
tipo P tipo N
En la unión PN existe un exceso de electrones libres en el material tipo N y huecos en el material tipo P. Algunos electrones del lado N serán atraídos por algunos huecos del lado P y viceversa, fig. 11 d, hasta formar una barrera de voltaje llamada región de agotamiento en la frontera de los dos materiales, la cual impide el paso de un mayor número de portadores mayoritarios de un lado a otro, fig. 11 e.
El potencial de barrera es aproximadamente 0.7 v para la unión PN de silicio y de 0.3 v las de germanio.
Al aplicar un voltaje externo fig. 11 f el efecto de la barrera de potencial se atenúa, y bajo esta condición conocida como polarización directa (progresiva), el polo positivo de la fuente repela a los huecos del material P y el polo negativo repela a los electrones libres del
material N, permitiendo que atraviesen la unión y la zona de agotamiento se estrecha y unión presenta una resistencia baja al paso de la corriente comportándose como un
conductor.
Diodos
Nociones previas
El diodo es el más sencillo de los dispositivos semiconductores, desempeña un papel vital en los sistemas electrónicos, ya que sus características se asemejan a las de un interruptor.
Los primeros diodos (rectificador o detector) era un cristal colocado en una vasija con un alambre flexible llamado bigote de gato que hacia contacto con el cristal, fig. 12.
cristal
Posteriormente salieron los diodos de punto de contacto, fig. 13; los rectificadores metálicos secos, fig. 14; tubos al vacío y su respectivo símbolo, fig. 15 a, 15 b. Hacia el año 1949 salieron los diodos de unión, que son los que se conocen actualmente.
Alambre exterior semiconductor alambre exterior
Base metálica punto de contacto metálico Fig. 13 diodo de contacto
Brazo de ajuste
Fig. 14 diodo de placas metálicas símbolo
cátodo Fig. 15
diodos de tubos al vacío símbolo
filamento
El término diodo significa componentes de dos electrodos. Un diodo de estado sólido, se compone de dos partes una N y la otra P, llamada unión PN. La función o trabajo elemental de un diodo es el de comportarse como una válvula o compuerta al paso de la corriente eléctrica. Las terminales de un diodo se denominan ánodo (A), cátodo (K), fig. 16.
A
Fig. 16
Polarización
Dependiendo de la forma como el diodo esté conectado en un circuito, puede estar polarizado directa o inversamente.
Polarización directa
Existe cuando se aplica un voltaje positivo a la terminal P con respecto a la terminal N de un diodo. En estas condiciones el diodo presenta una baja resistividad, por lo que conduce una corriente considerable en el sentido convencional y se comporta como un conductor o interruptor, fig. 17
Polarización inversa
Existe cuando se aplica un voltaje negativo a la terminal P con respecto a la terminal N de un diodo. En estas condiciones el diodo presenta una alta resistividad y prácticamente no conduce corriente, comportándose como un aislante o interruptor abierto, fig. 18
R
Sw
+ IDF
Vs - VDF
Fig. 17
R
VS VDR
Tipos de diodos más conocidos
Existen alrededor de 6000 tipos de diodos semiconductores, dependiendo de sus características constructivas particulares que son las que determinan su aplicación, ya sea como rectificadores, reguladores, detectores, mezcladores, interruptores, triplicadores, etc.
1. zener: trabaja en la zona de ruptura, en polarización directa se comporta como diodos rectificadores y en inversa como referencias de voltaje (Vz ), usados como
reguladores de voltaje en las fuentes. Usa notaciones como BZX o 1N _ _ _ _
2. LCD: no emiten luz, depende de la luminosidad ambiental y reflejan la luz. Sus funciones son similares al LED.
3. IRED: emiten luz invisible para el ojo humano.
4. Diodos detectores: llamados diodos de señal, hechos de semiconductor de germanio. Operan a altas frecuencias y señales pequeñas. Separa la componente de baja frecuencia que es la información audible o de audiofrecuencia ( AF ).
5. Laser: emiten luz altamente concentrada y coherente, llamados ILC de luz infrarroja. Usados en CD para leer, en comunicaciones para enviar información a través de cables de fibra óptica, en las lectores de códigos de barras, apuntadores luminosos. 6. Tunel: llamados Esaki, su zona de agotamiento es delgada, útiles como detectores,
amplificadores, osciladores, interruptores. Tiene una región de resistencia negativa, la corriente disminuye a medida que aumenta el voltaje.
IF
VR VF
IR
I
A
B
V
7. Varicap: llamados varactores o diodos de sintonía. Trabajan polarizados inversamente y actúan como capacitores variables controlados por voltaje. Usados en sintonía de TV, radio, osciladores, generadores de FM. Uno de los variantes de los varicap son los SNAP usados en UHF.
IF
- V IR
Schottky: diodos de recuperación rápida. Tiene caída de voltaje directa de aproximadamente 0.25 v. se usan en fuentes de potencia, sistemas digitales y equipos de alta frecuencias.
8. Diodos usados en microondas o diodos de microondas: existen los llamados GUN, PIN, IMPATT, TRAPATT, BARTT, ILSA,APD.
9. Fotodiodos: reciben señales de luz a través de pequeñas aberturas, usados como sensores de luz en fotografía, contadores, receptores de comunicaciones.
11. Rectificadores: tipo normal de diodos usados para convertir el voltaje de corriente a.c en voltaje de c.c.
Curvas características de corriente contra voltaje del diodo ideal
Al considerar un diodo ideal, para proporcionar una base comparativa con un dispositivo real. El diodo ideal debería comportarse como un interruptor perfecto, presentando una resistencia
igual a cero, cuando esta polarizado directamente y una resistencia igual a infinito cuando esta polarizado en inversa, como se muestra en la fig. 19.
Se puede observar que el diodo ideal es un corto circuito o circuito cerrado para iD > 0 y
un circuito abierto para iD = 0. En la práctica, sin embargo, los diodos rectificadores presentan
una curva como la que se muestra en la fig. 20. IF
VR VF
IR
A partir de esta curva, se deducen los siguientes aspectos de cómo trabajan los diodos reales:
a.) En polarización directa la conducción empieza cuando el voltaje aplicado
externamente supera el voltaje de umbral (VT) que es de aproximadamente de 0.7 v
para el silicio y de 0.3 v para el germanio.
b.) La caída de voltaje en polarización directa VF es ligeramente superior al potencial de
barrera y depende de IF , donde esta caída de voltaje se llama voltaje de conducción
directa.
c.) La corriente a través de un diodo polarizado inversamente tiene un valor del orden de
los microamper (μ A) y depende del voltaje de polarización inversa aplicado, a dicha corriente se le denomina corriente inversa de fuga.
d.) Un diodo polarizado inversamente puede llegar a conducir, cuando el voltaje aplicado
alcanza un valor de voltaje de ruptura o voltaje de avalancha. Cuando un diodo entra en la región de avalancha, la corriente inversa de fuga crece y destruye al diodo.
e.) Los diodos rectificadores se especifican principalmente por la corriente máxima
promedio que puede conducir en polarización directa sin destruirse por sobrecalentamiento y por el voltaje máximo que puede soportar en polarización inversa sin entrar en avalancha.
IF
VR VF
IR
Circuitos equivalentes o modelos gráficos del diodo
Un circuito equivalente es una combinación de elementos elegidos en forma adecuada para la mejor representación de las características reales del dispositivo. Este tipo de circuito equivalente recibe el nombre de modelo grafico del diodo. Los segmentos de la recta en una gráfica no proporcionan una equivalencia exacta al diodo ideal, pero se pueden realizar aproximaciones: cada una de las aproximaciones se analizaran por separado con respectiva curvas y comportamiento, para tener en cuenta el efecto del voltaje de conducción en polarización directa.
Tercera aproximación
Solo existe una dirección de conducción a través del dispositivo, en polarización inversa corresponde a un estado de circuito abierto. Ya que el diodo de silicio alcanza su estado de
conducción a los 0.7 v aproximadamente, tanto debe aparecer una batería de oposición (VT) en
el circuito. VT no es una fuente independiente de energía del sistema solo es una representación
útil del desajuste horizontal del diodo. La resistencia que se elija es la resistencia promedio, que se puede determinar a partir de los valores numéricos dados en las hojas de especificaciones.
IF
Polarización inversa polarización directa
VR VF
Segunda aproximación
En la mayoría de las aplicaciones, la resistencia promedio es suficientemente pequeña, que puede ignorarse si se compara con otros elementos de la red. Se establece que un diodo es un sistema electrónico en condiciones de cd, tiene una caída de 0.7 v y de 0.3 v para el Si y Ge respectivamente, en conducción sin importar cual es la corriente del diodo.
IF
VR VF
IR
primera aproximación
Los 0.7 v y 0.3 v en comparación con los voltajes aplicados puede a menudo ignorarse, por lo tanto nos quedaría solo el diodo ideal como equivalente para el dispositivo semiconductor.
PROCESO DE RECTIFICACIÓN CON DIODOS
procesos químicos y otros necesitan corriente directa; por ello es necesario rectificar (cambiar) la energía de ca a voltajes y corriente de cd.
Un circuito convierte ca en cd pulsante, que luego puede filtrarse (alisarse) en corriente directa. Para hacerlo, el rectificador debe pasar corriente con el mínimo de resistencia en dirección hacia delante y bloquear su flujo en dirección inversa. El diodo, con sus características de corriente unidireccional (en un sentido), es muy adecuado para rectificación.
RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA
La figura muestra un diodo en serie con una resistencia de carga RL y una fuente de corriente alterna. La fuente Vs suministra una tensión sinusoidal al circuito.
Cuando Vs es positiva, se produce una corriente en la dirección positiva Indicada en la figura. Esta corriente se produce cuando el diodo esta polarizado en directa ( diodo actuando como interruptor cerrado o corto circuito) y la magnitud de la corriente está determinada por Í=(Vs-Vo)/R, Esta corriente esta definida solo para el semiciclo comprendido entre O y T/2 o semiciclo positivo (0° a 180°).
Cuando Vs es negativa polariza al diodo en inversa (diodo actúa como interruptor abierto o circuito abierto) y no fluye corriente en el circuito.
1=0 La tensión en la carga VL es positiva y consta de una componente de corriente continua cd
RECTIFICACIÓN DE ONDA COMPLETA.
opuestas en fase.
Durante el semiciclo positivo de Vs el diodo DI actúa como un corto circuito (diodo en conducción) y el diodo 02 actúa como un circuito abierto en ese mismo semiciclo.
Durante el semiciclo negativo el diodo D2 conduce y DI actúa como un circuito abierto. En ambos casos la corriente que circula por el circuito es i=2(Vs-Vo)/RL La ventaja del rectificador de onda completa sobre el rectificador de media onda es que la corriente media en la carga es dos veces mayor. Hay que notar la toma central del transformador. Se ha asumido que la toma central está justamente en el centro y que las tensiones a través de las dos mitades son iguales. Es importante anotar que la tensión inversa de pico a través de los diodos para el (o rectificador de onda completa debe tener un mínimo valor que es del orden del doble de la
tensión del secundario del transformador. Este valor debe ser así para que no se destruya el diodo
por la acción de la tensión de pico inversa.
EL PUENTE RECTIFICADOR
En la figura se muestra un rectificador del tipo puente. Se observa la necesidad do cuatro diodos, pero ya no se necesita la toma central del transformador. Este puente opera la siguiente manera:
