MODU ELECTRÓNICA.pdf

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REPÚBLICA DE PANAMÁ

MINISTERIO DE EDUCACIÓN

INSTITUTO PROFESIONAL Y TÉCNICO DE VERAGUAS

ELECTRÓNICA

PREPARADO POR:

BOLÍVAR QUINTERO

Electricidad es la naturaleza y efectos de las cargas eléctricas en movimiento o reposo. Electrónica ciencia del

electrón.

Por miles de años se han conocido ciertos fenómenos eléctricos naturales como los relámpagos, auroras

boreales, corrientes corporales sin conocer las causas y sus efectos, en los últimos doscientos años los

investigadores comenzaron a relacionar que estos fenómenos están ligados y que son el resultado de la

naturaleza eléctrica de la materia. La teoría electrónica recibe este nombre por que nos habla de la existencia

de partículas pequeñísimas e invisibles llamadas electrones, que no son otra cosa que la electricidad misma, la

cual puede ser desconcertante y poderosa, pero es posible aprender como usarla en forma segura.

Son precisamente los electrones, los que al moverse de un lado a otro en ciertos materiales, ocasionan todos los efectos y fenómenos eléctricos que conocemos, basta con que en un material haya un desequilibrio por exceso o falta de electrones, para que también ahí se presente un efecto eléctrico. Los electrones son diminutas partículas de electricidad negativa. Siendo prácticamente invisibles, sin peso ni masa, a su vez forman parte de corpúsculos llamados átomos.

Los sistemas electrónicos son las aplicaciones prácticas de los principios de la electricidad y por ende la electrónica trata fundamentalmente con el control de las corrientes eléctricas o el manejo adecuado de los electrones. Los grandes logros de la electrónica moderna se han realizado mediante la microelectrónica, o ciencia de fabricar CI , formados por miles de componentes electrónicos en chip.

La electricidad y la electrónica están totalmente ligadas ya ambas hacen uso del

concepto de corriente electrónica; La ciencia de la electrónica en los últimas

décadas ha tenido un rápido crecimiento, y a logrado intervenir en todas las

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ELECTRÓNICA

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ELECTRÓNICA

PREPARADO POR: PROFESOR BOLÍVAR QUINTERO 5

Tipos de corrientes

Los circuitos electrónicos manejan básicamente corrientes directas y corrientes alternas. Una corriente es

directa (DC) cuando fluye siempre en la, misma dirección, y alterna (AC) cuando lo hace alternativamente en

una dirección y luego en la otra. En la figura 5.22 se muestran las formas de onda de algunos tipos de corrientes

directas y alternas con las que nos encontraremos frecuentemente en este curso.

Una forma de onda es simplemente una representación gráfica de la manera corno se comportan el voltaje o la comente en un punto determinado de un circuito en el transcurso del tiempo. Las formas de onda se

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CIENTÍFICOS

Entre los científicos que contribuyeron a que la vida del hombre se hiciera placentera, cómoda y sencilla tenemos a continuación a algunos de ellos:

WILLIAM GILBERT (1600) físico inglés, fue el primero en realizar experimentos con cuerpos magnéticos. STEPHEN GRAY (1720) Inglés descubridor de algunas sustancias conductoras de electricidad.

CHARLES DU FAY (1730) Francés descubrió dos tipos de electricidad Vitreous y Lesinous.

BENJAMÍN FRANKLIN (1750) Americano se le atribuye él descubrimiento de la electricidad; fue el que dio el nombre a las clases de la electricidad. Vitreous le dio el nombre de carga positiva y Lesinous con el nombre de carga negativa; fue el inventor de la batería y el conductor que se usa todavía.

CHARLES A DE COLUMB (1785) Físico francés: la unidad de carga eléctrica tiene su nombre en su honor; desarrollo las leyes de atracción y repulsión a través de los cuerpos cargados.

LUIGI GALVINI (1798) Inventor del Galvanómetro usado en la medición de la corriente eléctrica.

ALEJANDRO VOLTA (1800) Físico italiano; La unidad de voltaje el voltio lleva en su honor él nombre ; a él se le atribuye el invento de la generación de corriente eléctrica.

JAMES WATT (1810) Ingeniero e inventor escocés hizo grandes avances en el campo de la electricidad; La unidad de la potencia los watts, lleva en su honor el nombre.

HANDS C OERTED (1819) Físico Danés descubridor por accidente de la corriente que pasa dentro de un conductor, descubrió la relación entre la electricidad y el magnetismo; la unidad del cuerpo magnético lleva su nombre.

ANDRÉS M AMPERE (1822) Físico francés; La unidad eléctrica de la corriente el amperio lleva su nombre, pionero en el estudio del electromagnetismo; descubrió la atracción y repulsión de dos imantemos.

GEORJ S OHM (1826) Físico alemán desarrollo la formula matemática para los cálculos de los circuitos eléctricos conocidos como ley de ohm. La unidad de la resistencia el ohm lleva su nombre.

MICHAEL FARADAY (1831) Físico inglés descubridor del electromagnetismo y el campo magnético usando la corriente eléctrica; desarrollo la inducción electromagnética mejor conocida como ley de Faraday.

JOSEPH HENRY (1832) Físico americano se profundizo en el estudio electromagnético; fue el primero en aislar el magnetismo de una bobina de alambre, desarrollo las bobinas del telégrafo y motores; la unidad de la inductancia.

James P. Joule (1832) Físico inglés realizo estudio relacionando la electricidad y la química y sus efectos descubrió que la energía se convierte de una forma a otra; la unidad de la energía del Joule lleva su nombre.

James C. Maxwell (1860) Físico escocés transformo los experimentos realizados por Faraday que relacionaba la electricidad y el magnetismo en una ecuación matemática, conocida como la ecuación de Maxwell.

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ELECTRÓNICA

Heinrich R. Hertz (1887) Físico alemán; fue el primero en demostrar la producción y recepción del electromagnetismo en honor a su trabajo en la electricidad la unidad de frecuencia lleva su nombre.

Guillermo Marconi (1890) Con los estudios y experimentos de Maxwell y Hertz, inventó el telégrafo de comunicación. Jean Baptiste Perrin (1890) Físico francés, descubridor del electrón, premio Novel de Física, descubrió los rayos catódicos

que tiene partículas con carga negativas que se conoce como electrón. Joseph Thomson (1895) Físico inglés que pudo medir el electrón. Thomas Edison (1900) Inventor del teléfono y la lámpara incandescente.

Nikola Tesla (1900) Inventor de la inducción magnética en los motores y trabajos en la transmisión de la potencia eléctrica. John Fleming (1904) Físico británico basándose en los descubrimientos de Edison, le permiten desarrollar la válvula de

Fleming que dejaba pasar la corriente alterna en corriente directa.

Lee de Forest (1906) Inventor americano que a través de la válvula de Fleming inventó los tubos electrónicos al vacío. Vladimir Zwolykin (1920) Conocido como el Padre de la televisión, fue el primero en inventar la televisión de tubos al vacío. John Baird (1924) Inventor británico pionero en la transmisión de la televisión a grandes distancias.

Henry Boot y John Randall (1939) Inventor del magnetrón que estaba compuesto de tubos al vacío de microfrecuencia. Russel and Sigurd Varian (1939) Hermanos americanos inventor del kiystron.

Rudolf Komphner (1943) inventor del tubo amplificador utilizados hasta nuestros días a partir del tubo al vacío.

J. Presper Eckert y John Mauchly Inventores del ENIAC que usaba 300,000 tubos al vacío, que era un integrador numérico electrónico y computador, fueron los primeros en hacer una escala larga de un computador digital electrónico.

Walter Brattain, William Shockley y John Bardeen (1947) Desarrollaron los dispositivos electrónicos de estado sólido (transistor). En los laboratorios Bell que reemplazaron los tubos al vacío.

Robert Noyce, Jean Hoerni, Jack Kilby y Kurt Lehovec (1958) desarrollaron los circuitos integrados incorporando muchos transistores y otros componentes en un pequeño chip (envases) de material semiconductor.

Steven Hotstein (1961) Observó el estado del campo de un transistor usando un MOS (Semiconductor de Oxido Metálico) en los circuitos integrados.

Theodore H. Maiman (Hughes Aircraft Co) (1961) El primero en poner en operación el láser usando el cristal de lubilio sintético.

Ted Of. (Intel Corporation) (1971) Diseñaron el microprocesador que contaba con 4 mil cuatro partes básicas y ocho BIT. Apple Tandy Radio Shack Commodore (1977) Los ingenieros de esta compañía diseñaron la computadora personal conocida

como Apple II.

Motorola Corporation Continúan con los avances en la computadora creando una de más poder y versátil de 16 bits, microprocesador que multiplica dos números en 3.2 billones de segundo.

IBM (1981) Domina el mercado de las computadoras con la introducción de la computadora personal IBM PC. 1981. Hewlett Packard (1981) Introduce el microprocesador de 32 bits para el futuro avance en la velocidad y potencias de las

computadoras.

UNIDADES SI CANTIDAD

NOMBRE - SÍMBOLO

UNIDAD

NOMBRE-SÍMBOLO

UNIDADES BÁSICAS Corriente eléctrica ... I

Densidad de corriente eléctrica... J,S Flujo eléctrico... ψ carga eléctrica... Q Fuerza electromotriz (voltaje de fuente eléctrica)... E Potencial eléctrico... V, ϕ Diferencia de potencial

eléctrico, tensión eléctrica

(voltaje)... U, V Potencia... P Energía... W Resistencia... R Impedancia... Z Reactancia... X Admitancia... Y Conductancia………... G Susceptancia... B

Amper A Amper /m2 A/m2 Coulomb C Coulomb C

Voltio V Voltio V

Voltio V Watt W Joule J Ohm Ω Ohm Ω Ohm Ω Siemen S Siemen S Siemen S

A m –2.A s.A s.A

m2.kg.s – 3.A- 1 m2.kg.s – 3.A- 1

m2.kg.s – 3.A- 1 m2.kg.s-3 m2.kg.s-2 m2.kg.s-3.A-2 m2.kg.s-3.A-2

m2.kg.s-3.A-2

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Resistencia específica... ρ Intensidad del campo eléctrico... E Capacitancia... C Permisividad,

Constante dieléctrica... ∈ Constante dieléctrica al vacío... ∈o Permisividad relativa... ∈r Flujo magnético………... φ Intensidad del campo magnético.... H Inducción magnética... B Auto inductancia... L Inductancia mutua... M Inductancia... L Frecuencia... f Permeabilidad... µ Permeabilidad al vacío... µ o Permeabilidad relativa... µr

Ohm-metro Ω.m Volt/metro V/m Faradio F

Farad / metro F/m Farad / metro F/m

Weber Wb Amper/metro A/m Tesla T, W/m2 Henrio H Henrio H Henrio H Hertz Hz Henrio/m H/m Henrio/m H/m

m.kg.s – 3.A- 1 m-2.kg-1.s4.A2

m-3.kg-1.s4.A2 m-3.kg-1.s4.A2

m2.kg.s-2.A m-1.A

kg.s-2.A-1 m2.kg.s-2.A-2 m2.kg.s-2.A-2 m2.kg.s-2.A-2 s-1

m.kg.s-2.A-2

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ELECTRÓNICA

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Resistencia

La corriente que circula dependerá de varios factores relacionados con el conductor, como su largo, su

área de la sección y el material del cual está constituido. La oposición que presente un conductor al paso de la

corriente eléctrica, se denomina “resistencia eléctrica” del conductor; y aquellos conductores que presentan

resistencia se les denomina ‘resistores”. Sin embargo, se utiliza el término resistencia como sinónimo de

resistor.

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LEYES DE KIRCHHOFF

Leyes de Kirchhoff En este circuito eléctrico formado por dos generadores, de fuerzas electromotrices e1 y e2,

y tres resistencias, R1, R2 y R3, se puede aplicar la ley de los nudos al nudo B y la ley de las mallas a las redes

ABEF y BCDE

Si un circuito tiene un número de derivaciones interconectadas, es necesario aplicar otras dos leyes para obtener

el flujo de corriente que recorre las distintas derivaciones. Estas leyes, descubiertas por el físico alemán Gustav

Robert Kirchhoff, son conocidas como las leyes de Kirchhoff. La primera, la ley de los nudos, enuncia que en

cualquier unión en un circuito a través del cual fluye una corriente constante, la suma de las intensidades que

llegan a un nudo es igual a la suma de las intensidades que salen del mismo. La segunda ley, la ley de las mallas

afirma que, comenzando por cualquier punto de una red y siguiendo cualquier trayecto cerrado de vuelta al

punto inicial, la suma neta de las fuerzas electromotrices halladas será igual a la suma neta de los productos de

las resistencias halladas y de las intensidades que fluyen a través de ellas. Esta segunda ley es sencillamente una

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Bobinas

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ELECTRÓNICA

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.

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 .

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 tiene 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. Los aislantes tiene

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

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ocho electrones de valencia por lo general y están fuertemente ligados al núcleo, por lo que son difíciles de

convertirlos en electrones libres.

átomo de silicio 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

libres es siempre igual al número de huecos. El flujo de electrones (corriente real) es siempre de la misma

magnitud que la corriente de huecos (corriente convencional). Los electrones libres y los huecos reciben a

menudo la denominación de portadores debido a que transportan la carga eléctrica. Cuando hay corriente de

electrones también existe una corriente de huecos al mismo tiempo y por el mismo camino, pero en sentido

contrario.

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

+ - + -

corriente de electrones. corriente de huecos.

- - - - - - - -

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ELECTRÓNICA

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.

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.

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.

puro

R ≈ baja

+ - + - i ≈ alta

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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.

Impurezas de elementos trivalentes para la formación de cristal aceptador

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ELECTRÓNICA

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.

Para construir un dispositivo de unión PN de estado sólido, se sigue el siguiente proceso, que se muestra de

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El potencial de barrera es aproximadamente 0.7 v para la unión PN de silicio y de 0.3 v las de germanio.

Fig. 11 a

Fig. 11 b

Impurezas trivalentes impurezas pentavalentes Deficiencia de electrones exceso de electrones

Fig. 11 c

impurezas

fig. 11 d

Fig. 11d

Barrera de potencial Fig. 11 e en formación unión

PN sin polarizar

+ - fig. 11 f VD = 0.7 v

zona de agotamiento pequeña

Unión polarización directa + - PN

Polarizada fig. 11 g

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

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ELECTRÓNICA

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. Ç

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.

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 material tipo P) logran atravesar la

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Diodos

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

diodo de contacto

Brazo de ajuste

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ELECTRÓNICA

diodo de placas metálicas

símbolo

cátodo 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

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Polarización

Dependiendo de la forma como el diodo este 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

R

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ELECTRÓNICA

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

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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.

10. LED: usados para visualizadores o detectores de luz. Fabricados con arseniro de galio fosfatado

(GaAsP), emiten luz al polarizarslo en directa. Su voltaje de ruptura en inversa es aproximadamente

de 3 v. La corriente en directa es de aproximadamente entre 20 mA como mínimo y de 100 mA

como máximo. Se protegen con resistencia en serie.

11. Rectificadores: tipo normal de diodos usados para convertir el voltaje de corriente a.c en voltaje de

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ELECTRÓNICA

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

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.

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. IF

VR VF

IR

Fig. 20 IF

VR VF

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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.

Circuitos equivalentes o modelos gráficos del diodo

Un circuito equivalentes 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

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ELECTRÓNICA

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

Un rectificador convierte la corriente alterna en corriente directa pulsante, es más simple y económico

generar, transmitir y distribuir corriente alterna que corriente directa, por lo que las empresas de energía

eléctrica suministran potencia de ca. Sin embargo, muchas aplicaciones de la energía eléctrica, tales como los

circuitos electrónicos, los de carga de baterías de almacenaje, 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

(56)

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.

La figura muestra un circuito rectificador de onda completa que alimenta a una carga resistiva. El

circuito consiste en esencia de dos rectificadores de media onda conectados a una única resistencia de carga y

alimentados con tensiones de entrada sinusoidales de igual amplitud. Pero

opuestas en fase.

Durante el semiciclo positivo de Vs el diodo DI actúa como un corto circuito (diodo en conducción) y el

(57)

ELECTRÓNICA

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:

Durante el semiciclo positivo de Vs la corriente fluye a través de DI, RL y D3 y durante el semiciclo

negativo de Vs la comente pasa por D4, RL Y D2. En ambos casos la corriente fluye por RL en la misma

dirección.

El transistor es uno de los adelantos más significativos de nuestra era y uno de los componentes más

versátiles de la electrónica moderna. La palabra transistor se deriva del término transferencia de resistencia y

designa, en forma genérica, a un componente electrónico de tres terminales cuya resistencia es una función del

nivel de corriente o voltaje aplicado a uno de sus terminales.

Fundamentalmente, el transistor es una válvula que controla el flujo de los portadores de corriente o

cargas eléctricas en movimiento a través del semiconductor, ya sea de silicio o germanio u otro material

semiconductor, del cual esta fabricado. En 1948 se anunció la producción del transistor de punto de contacto

(58)

Shockley, Walter Brattainn. En 1949 se anunció la producción del transistor de unión o empalme, fig. 2

paralelamente con el diodo de unión.

Funciones o utilización del transistor

Tienen una serie de aplicaciones entre ellas tenemos:

La amplificación: como amplificadores de voltaje, corriente, potencia Base semiconductor alambre emisor

Fig. 1 transistor de punto de contacto

Alambre colector

metal

Emisor base colector

Fig. 2 transistor de empalme

+ =

(59)

ELECTRÓNICA

Oscilación: convierte la energía de corriente continua en energía de corriente alterna, el transistor extrae

energía de la fuente dc y conjuntamente con un arreglo adecuado genera un voltaje de corriente ac.

Modulación y demodulación: el transistor en distintos arreglos proporciona modulación en amplitud (AM) que

es la variación de la señal de radiofrecuencia (rf) , o de la modulación en frecuencia (FM) ; al igual para la

demodulación o detección de señales de AM y FM.

Otras: también se usa para modificar la forma de las ondas, como mezcladores, interruptores.

Existen básicamente dos grandes familias de transistores, los bipolares o BJT (transistores de juntura

bipolar) y los FET (transistores de efecto de campo.

Designaciones y símbolos de los transistores bipolares

Existen dos tipos de transistores bipolares los PNP y NPN, según como se unan sus diodos fig. fig. 5

Los transistores se representan muchas veces por medio de la letra Q las representaciones cuando estos

transistores se usan como elementos de un circuito y con utilización de los símbolos internacionales PNP y

NPN se muestran en la

+ =

ac

0 dc

fig. 4 Q

P N P

B B

N P N

C E _C

(60)

Los transistores se relacionan con los diodos ya que un transistor es la unión de dos diodos, o un diodo PN

seguido por otro diodo NP, , por lo tanto se aplica la teoría del diodo de unión para explicar el comportamiento

del transistor cuando se aplica polarización externa.

Las tres porciones de un transistor se conocen como emisor, base, colector. La fecha en el terminal del

emisor específica la dirección del flujo de corriente cuando la unión emisor – base esta polarizada en directa en colector colector

base base

emisor emisor

NPN PNP

N P N P N P

emisor colector emisor colector

base base

E VCE C E VCE Ie Ic Ie Ic

VEB VCB VEB

Ib Ib

(61)

ELECTRÓNICA

el sentido convencional de la corriente, en ambos casos tanto para el transistor PNP como NPN las corrientes Ie ,

Ib , Ic . los voltajes VEB, VCB, VCE.

Encapsulado, identificación y especificaciones

Los transistores se fabrican en serie, y las técnicas de fabricación más usadas son las de aleación,

difusión, proceso planar, y el de crecimiento epitaxial; ya fabricados los transistores se insertan en cápsulas

plásticas o metálicas, las cuales protegen al transistor de la humedad, contaminantes, sirven como disipador de

calor, facilita la inserción de los pines de acceso y a la vez su manipulación e identificación. Los transistores se

identifican por códigos o referencias que representan sus características; existen tres sistemas básicos de

identificación:

• El americano en la cual la referencia empieza con 2N • El europeo empieza con BC

BS BF • El japonés empieza con 2SA 2SB

2SC 2SD

Existen otras referencias como la ECG, CA, TIP, MP.

Las especificaciones de los transistores se dan por:

• la máxima corriente de colector que se puede manejar en forma segura

• el máximo voltaje de polarización inversa que se puede aplicar entre colector y emisor sin entrar

en avalancha o VCEO

• la ganancia de corriente beta o hFE,

Estructura de los transistores bipolares

Son dispositivos controlados por corriente. La base es sumamente estrecha en comparación con el

emisor y colector, por lo tanto esta poco dopado, en consecuencia tiene una concentración muy baja de

portadores. El emisor esta fuertemente dopado y la concentración de portadores mayoritarios supera a la base.

El colector es amplio y tiene una alta concentración de portadores minoritarios en comparación con la base, y

muy pocos portadores mayoritarios en comparación con el emisor.

.

En el caso de transistor PNP la base no contiene la suficiente cantidad de electrones para combinarse con

(62)

huecos para combinarse con todos los electrones que pueda suministrar el emisor y la mayoría de los electrones

atraviesan la base hacia el colector.

En el material del tipo P, la mayor parte del flujo de corriente se debe a los portadores de carga positiva

o huecos. El otro material tipo N, la mayor parte de los portadores de carga son electrones.

Un componente bipolar, para su funcionamiento depende de los huecos como de los electrones; siempre

que la corriente fluya en un material, hay dos tipos de flujo, el de electrones y el de huecos. En los materiales

tipo P, la corriente consiste en un flujo de huecos, aunque existe un pequeño flujo de electrones, en este tipo de

material a los huecos se les conoce como portadores mayoritarios y a los electrones portadores minoritarios de

carga. En el tipo N los electrones son los portadores mayoritarios y los huecos los portadores minoritarios.

Polarización y funcionamiento de un transistor

Se forman dos regiones de agotamiento cuando las tres secciones están combinadas. Se requiere que una

unión se polarice en dirección directa (emisor – base) y la otra en dirección inversa (colector – base). El

transistor siempre estará en polarización directa entre base- emisor y siempre en inversa entre base y colector.

Circuitos básico de polarización NPN y práctico

Circuito básico de polarización PNP y práctico

Como resultado de la polarización, en un transistor se producen tres corrientes la de base la emisor y la de

colector, debido a que la unión base emisor está polarizada directamente, los portadores mayoritarios de ambas

regiones son obligados por el voltaje de fuente a cruzar la unión y combinarse. Para un transistor NPN una parte

de los electrones se combinan con los huecos disponibles en la base, provocando una corriente de base pequeña;

(63)

ELECTRÓNICA

unión BC; estos electrones cruzan la unión BC y se dirigen hacia el polo positivo de la fuente VCC, creando una

corriente de colector IC muy intensa. La corriente de emisor Ie se puede determinar por Ley de Kirchoff.

Las siguientes generalidades son útiles al analizar el desenvolvimiento cualitativo de los circuitos con

transistores.

a. La primera letra del tipo de transistor indica la polaridad del voltaje del emisor con respecto a la base.

Un transistor PNP tiene un voltaje (+) de cc aplicada al emisor. Un transistor NPN un voltaje (-) de cc

aplicado al emisor.

b. La segunda letra del tipo de transistor indica la polaridad del colector con respecto a la base. Un

transistor PNP tiene un voltaje (-) de cc aplicado al colector. Un transistor NPN tiene un voltaje (+) de

cc aplicado al colector.

c. La dirección de la cc en su forma convencional siempre estará en la dirección de la flecha en el emisor

según su símbolo esquemático.

d. La unión de base-emisor siempre está polarizada en forma directa.

e. La unión de base-colector siempre está polarizada inversamente.

f. Un voltaje de entrada que ayuda (aumenta) a la polarización directa, aumenta las corrientes del emisor y

del colector; o lo contrario.

Funcionamiento estático y dinámico del transistor

Un voltaje de señal puede ser por ejemplo el voltaje de corriente alterna que se obtiene de un micrófono

cuando se le aplica sonido, pues un transistor tiene como principal propiedad amplificar o agrandar los voltajes

de señal, de modo que si aplicamos el voltaje de señal de un micrófono a un transistor, éste puede amplificarlo o

agrandarlo.

Aunque el transistor es el dispositivo o componente que amplifica, éste no puede funcionar por sí sólo,

un transistor para poder funcionar requiere de otros componentes auxiliares y sobre todo de una energía

eléctrica dinámica que constantemente lo esté alimentando. Los componentes auxiliares son las piezas que ya

conocemos: resistores, capacitores y bobinas. Mientras tanto, la energía de alimentación puede ser suministrada

por una pila, batería o un rectificador cualquiera.

Un transistor va a manejar voltaje de corriente alterna mientras trabaja. El voltaje de corriente directa

será su alimentación mientras que el voltaje de corriente alterna será la señal que se amplifica, en éste caso, la

(64)

En un amplificador sea de uno o más transistores podrán existir dos condiciones de funcionamiento y

éstas son: el funcionamiento estático y el funcionamiento dinámico.

Funcionamiento estático: En un amplificador existe el funcionamiento estático cuando contando con el

suministro de energía (voltaje de corriente directa) adecuado, el circuito se encuentra polarizado y funciona sin

recibir el voltaje de señal o sea, el V. C. A. que puede llegarle de un micrófono o de otra fuente de señal. El

hecho de que un amplificador se encuentre funcionando estáticamente no quiere decir que deje de consumir la

energía eléctrica de su fuente de alimentación. Un amplificador que se encuentra “encendido” aunque no reciba

señal consumirá una determinada cantidad de energía eléctrica, que obviamente al no poderse convertir en

sonido se convertirá en calor o luz. Obviamente la energía eléctrica consumida por un amplificador mientras

funciona estáticamente es mínima. En resumen, un circuito electrónico funciona estáticamente, cuando

alimentado correctamente, se prepara para realizar un trabajo útil para nosotros como es la amplificación de una

señal electrónica.

Funcionamiento dinámico: Cuando teniendo un amplificador que funciona estáticamente le aplicamos

un señal o sea, un V.C.A. proveniente de un micrófono o de otra fuente de señal electrónica, entonces el

amplificador funciona dinámicamente. En tanto el amplificador funcione dinámicamente, la energía disipada ya

no será sólo calor o luz, sino sonido u otro tipo de señal amplificada.

Cuando el amplificador se encuentra funcionando estáticamente, si la fuente sonora genera sonido, entre

las terminales de la fuente de audiofrecuencia, aparece un voltaje de corriente alterna débil, que variará de 20

Hz – 20 KHz, según el tono del sonido. Al llegar dicho voltaje de señal al transistor modifica su polarización y

con ello también la corriente estática del transistor. La corriente directa ya con la señal se volverá directa

variable o pulsante y por las propiedades del mismo transistor, una pequeña variación en la corriente de entrada

provoca una gran variación en la corriente de salida. Como esta corriente fluctuante afecta también al voltaje de

polarización en la salida, corriente y voltaje que fluctúan con gran amplitud, son prácticamente la señal

amplificada.

Al hablar de variación de corriente nos referimos a la fluctuación de intensidad o de amplitud de la onda

u ondas. Una onda con poca fluctuación de intensidad o amplitud, será una onda débil. Una onda con mucha

fluctuación de intensidad o amplitud, será una onda fuerte o amplificada. Si las condiciones de trabajo del

transistor son las adecuadas, la variación de corriente que aparece a la salida del transistor, prácticamente en el

(65)

ELECTRÓNICA

Por lo general el voltaje de polarización, o sea, el requerido para el funcionamiento estático, en la salida

del transistor siempre debe ser mayor que en la entrada, para que así pueda responder a las grandes

fluctuaciones de la señal amplificada. Dirección de la circulación de la corriente convencional en los dos tipos

de transistores NPN y PNP usando los símbolos esquemáticos internacionales

- +

Q1 NPN

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Voltaje de corriente directa

voltaje de corriente directa

voltaje negativo (nivel medio)

Voltaje negativo, nivel medio

Voltaje de alimentación que hay a la entrada del transistor voltaje de alimentación que hay a la salida del

(voltaje de polarización) en condiciones estáticas (sin señal) transistor (voltaje de

Polarización)en condiciones

estáticas (sin señal)

Voltaje más positivo

Voltaje más positivo nivel medio

Voltaje menos negativo voltaje menos negativo

El transistor es sensible al calor, un cambio en la temperatura, puede dar efectos adversos en la

operación, ya que cambia los valores de las resistencias de las uniones y en consecuencia el flujo de corriente a

través de ellas, y al operar más allá de su capacidad de disipación térmica se destruye.

Fallas en los transistores

Los desperfectos de un transistor pueden ser de transistor abierto, en corto, o con fugas, y al igual que

los diodos no se aprecian a simple vista, por lo tanto se necesita de un instrumento para probarlos, como los

probadores de transistores, con el ohmetro. Las fallas aparecen entre colector y emisor, entre base y emisor,

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ELECTRÓNICA

El transistor a probar debe estar desconectado de cualquier circuito a que pertenezca, se debe

identificar las terminales o patitas del transistor consultando el manual para transistores, y el tipo de

transistor ya sea PNP o NPN. Identifique el tipo de ohmetro usado en relación a los colores de la

punta de prueba sea digital o análogo. El ohmetro se coloca de preferencia en una escala de x10.

Existen básicamente seis pruebas, ya que de base a emisor hay un diodo y de base a emisor otro

diodo.

Pasos:

Prueba de polarización directa para un transistor NPN

1. Entre base – colector, debe existir una resistencia baja, de lo contrario, si hay alta resistencia el

transistor está abierto. Si hay cero ohms de resistencia el transistor está en corto.

2. Entre base – emisor, resistencia baja, de lo contrario, si hay alta resistencia el transistor está

abierto. Si hay cero ohms de resistencia el transistor está en corto.

Prueba de polarización inversa para un transistor NPN

3. Entre base – emisor, resistencia alta, de lo contrario, si hay baja resistencia el transistor está en

corto o con fugas.

4. Entre base – emisor, resistencia alta, de lo contrario, si hay baja resistencia el transistor está en

corto o con fugas.

5. Entre emisor – colector resistencia alta, de lo contrario, si hay baja resistencia el transistor está en

corto o con fugas.

6. Entre colector – emisor debe existir resistencia alta, de lo contrario, si hay baja resistencia el