Índice.
1. Introducción.
2. Elementos pasivos.
2.1.- Resistores
2.1.1.- Resistencia. Definición.
2.1.1.1.- Resistores lineales.
2.1.1.1.- Resistores no lineales.
2.1.2.- Fotorresistores.
2.1.3.-Termistores.
2.1.3.1.- Termistores NTC ( Negative Temperature Coefficient).
2.1.3.2.- Termistores PTC ( Positive Temperature Coefficient).
2.1.3.3.- Varistores VDR ( Voltage Dependent Resistor).
2.2.- Condensadores.
2.2.1.- Fundamento de funcionamiento.
2.2.2.- Capacidad.
2.2.3.- Asociación de condensadores.
2.2.3.1.- Asociación de condensadores en serie.
2.2.3.2.- Asociación de condensadores en paralelo.
2.3.- Inductancias.
2.3.1.- Coeficiente de autoinducción.
2.4.- Comportamiento de condensadores y bobinas en Corriente Continua.
2.4.1.- Carga y descarga de un condensador a través de una resistencia. Circuito RC.
2.4.2.- Corriente por un circuito con autoinducción y resistencia. Circuito RL.
2.4.3.- Energía almacenada por un condensador y una bobina. Circuito LC.
3. Semiconductores.
3.1.- Semiconductores. Generalidades.
3.2.- Semiconductores intrínsecos.
3.3.- Semiconductores extrínsecos.
3.3.1.- Semiconductor tipo N.
3.3.2.- Semiconductor tipo P.
3.3.3.- Unión PN.
3.3.4.- Unión PN polarizada en directo.
3.3.5.- Unión PN polarizada en inverso.
3.4.- Diodos.
3.4.1.- Introducción.
3.4.2.- Circuitos con diodos.
3.4.2.1.- Circuito rectificador de media onda.
3.4.2.2.- Circuito rectificador de onda completa.
3.4.2.3.- Filtros con condensador para rectificadores con diodos.
3.4.3.- Diodos especiales.
3.4.3.1.- Diodos Zener.
3.4.3.2.- Diodos emisores de luz (LED).
3.4.3.3.- Diodo Schottky.
3.4.3.4.- Diodo Varicap.
3.4.3.5.- Diodo Túnel.
3.5.- Transistores.
3.5.1.- Transistores bipolares. BJT.
3.5.2.- Transistores unipolares. FET.
3.6.- Semiconductores de cuatro cristales. Tiristores.
3.6.1.- Introducción. Diodos de cuatro capas.
3.6.2.- Tiristores.
3.6.3.- Elementos unidireccionales.
3.6.3.1.- Tiristor SCR.
3.6.3.2.- Tiristor GCS.
3.6.3.3.- Tiristor SCS.
3.6.7.- Elementos bidireccionales.
3.6.7.1.- Diac.
3.6.7.2.- Triac.
4. Procedimientos de conexión.
4.1.- Materiales utilizados.
4.2.- Circuitos impresos.
4.2.1.- Placas de circuito impreso.
4.2.2.- Proceso de obtención de un circuito impreso.
4.2.3.- Normas en la elaboración de circuitos impresos.
Bibliografía.
§ Mario Santoro: “Diodos, Transistores y Circuitos Integrados” Paraninfo, Madrid, 1973.
§ P. Malvino: “Principios de Electrónica”. McGraw Hill, Mexico, 1991.
§ A.A. V.V.: “Electrotecnia: Fundamentos teóricos y prácticos” .McGraw Hill, Madrid, 1994.
§ J. Mª Ángulo: “Electrónica Fundamental” (4º Ed. Tomo 6). Paraninfo, Madrid, 1986.
§ J. Gil Padilla: “Electrónica General 2. Dispositivos básicos y analógicos”.McGraw Hill, Madrid, 1991.
1.- Introducción.
Los circuitos electrónicos están compuestos, por componentes discretos, que forman pequeños sistemas, los componentes pueden ser activos o pasivos; siendo los activos los que proporcionan energía y los pasivos los que modulan una fuente de energía exterior, la mayoría suelen ser pasivos. Entre los elementos discretos que estudiaremos, uno de los principales parámetros es la relación tensión “ V “, corriente “ i “, así como los tipos las características y la utilidad.
2.- Elementos Pasivos.
2. 1. – Resistores.
2.1.1.- Resistencia. Definición.
Se define la resistencia eléctrica en un conductor como la dificultad que el conductor opone al paso de la corriente. Esto se debe a que los electrones que se mueven por efecto de un campo eléctrico chocan con las partículas fijas del conductor perdiendo velocidad y cediendo energía cinética al conductor.
El trabajo efectuado por el campo para reponer la energía cinética de los electrones se convierte en calor y la resistencia del conductor depende de la cantidad de energía convertida en calor en la unidad de tiempo.
Podemos clasificar las resistencias en dos grandes grupos:
§ Resistencias lineales.
§ Resistencias no lineales.
2.1.1.1.- Resistores lineales.
Son aquellas resistencias en las que la caída de tensión producida sigue una relación lineal con el valor de la corriente que la atraviesa, esta relación también recibe el nombre de ley de Ohm, y su valor nos permite clasificar los materiales en conductores y aislantes.
Este valor de la resistencia no depende sólo de las dimensiones del conductor sino también de la temperatura a que está sometido, la ecuación de define esta relación es la siguiente:
Donde:
a : Coeficiente de aumento de la resistencia en función de la Tª , propio de cada material.
R0: Resistencia a Tª ambiente.
r: Coeficiente de resistividad termica del material.
l: Longitud.
s : Sección.
Las resistencias lineales se suelen caracterizar por el valor de la resistencia a Tª ambiente (R0), la potencia que pueden disipar y la tolerancia, para identificar este tipo de resistencias se utiliza un código de colores formado por varias franjas.
Este tipo de resistencias pueden a su vez clasificarse según el material base:
– Aglomeradas.
– De Carbón.
– De película metálica.
– Bobinadas de hilo.
2.1.1.2.- Resistores no lineales.
Establece una relación no lineal entre tensión y la intensidad . En ellas la resistencia vacía en función de algún parámetro físico. A continuación se enumeran los más usuales:
2.1.2.- Fotorresistores (LDR).
Son componentes electrónicos cuya resistencia varia en función de la intensidad y de la longitud de onda de la radiación luminosa que reciben, de ahí su denominación abreviada LDR ( Light Dependent Resistor – Resistencia dependiente de la luz).
2.1.3.- Termistores.
Son componentes que varían el valor de la resistencia en función de la temperatura. En función del signo de a, existen dos grupos, según sea dicha constante sea mayor o menor que cero.
2.1.3.1.- Termistores NTC ( Negative Temperature Coefricient)
Son resistores en los cuales el coeficiente de temperatura es negativo. Por lo tanto al aumentar la temperatura la resistencia que presentan disminuye.
2.1.3.2.- Termistores PTC (Positive Temperature Coefricient).
Tienen un coeficiente de temperatura positivo, es decir, al aumentar la temperatura aumenta la resistencia.
En esta gráfica se observa que en la zona de utilización la R aumenta con la Tª , mientras que en las zonas extremas 1 y 3 tienen un coeficiente de temperatura 0 o incluso negativo.
Un parámetro importante de los termistores PTC es la temperatura de conmutación, esto es, la temperatura para la cual, la resistencia es doble de la que presenta a 25 ºC.
2.1.3.3.- Varistores VDR .( Voltage Dependent Resistor).
Son componentes que varían su resistencia en función de la tensión aplicada. Para su construcción se utilizan materiales semiconductores de carburo de silicio y óxido de cinc entre otros, debiendose la dependencia de la resistencia con la tensión, a la variación de la resistencia de contacto entre los cristales de los diferentes materiales semiconductores.
2.2.- Condensadores.
Son componentes electrónicos que tienen la capacidad de almacenar carga eléctrica. Se suelen utilizar básicamente, bien para eliminar la componente continua de una señal eléctrica o bien para almacenar tensión en un determinado momento y cederla posteriormente.
Están formados por dos superficies metálicas conductoras llamadas armaduras, que se hallan separadas por un medio aislante denominado dieléctrico. A continuación describimos su funcionamiento.
2.2.1.- Fundamento de funcionamiento.
En la figura se muestra un condensador cuya armadura A se encuentra conectada al polo positivo del generador de corriente continua E, y cuya armadura B se encuentra desconectada de la púa mediante el interruptor abierto S. En esas condiciones, la armadura A se carga positivamente (pierde electrones). Dado que la armadura B se encuentra dentro del campo eléctrico creado por las cargas positivas de la armadura A, por influencia electrostática, aquélla sufre una ordenación de sus cargas, de tal forma que en la zona que hace contacto con el dialéctico se acumulan cargas negativas y en la otra cara cargas positivas.
Cuando se cierra el contacto S, se produce un paso de cargas negativas del polo negativo de la pila a la armadura B, de manera que parte de esta carga sirve para absorber las cargas positivas, y el resto para reforzar las negativas ya existentes, provocando por influencia electrostática un aumento de carga positiva en la cara activa de la armadura A.
El resultado final es que en ambas armaduras aparece una carga cuyo valor absoluto es el mismo, pero su polaridad opuesta. La carga Q de un condensador a efectos de cálculo es exclusivamente la de una de sus armaduras.
El condensador a la vez que acumula carga almacena tensión entre sus armaduras. La diferencia de potencial ( ddp) de un condensador cargado no se pierde aunque se desconecte de la fuente que originó la carga.
2.2.2.- Capacidad.
De la misma manera que un elemento resistivo se distingue por el valor de su resistencia R, un condensador se caracteriza por su capacidad C expresada en faradios ( F = 1 culombio / 1 voltio). Siendo esta la aptitud que tiene para acumular carga eléctrica.
Esta capacidad es la relación entre la carga Q acumulada en una de sus armaduras y la diferencia de potencia Vab, aplicada entre ellas:
La capacidad de un condensador no depende de la carga acumulada ni de la d.d.p. entre sus armaduras, sino de la superficie de éstas, del espesor y del material del dieléctrico:
2.2.3.- Asociación de condensadores.
Es posible encontrar redes formadas por varios condensadores que de la misma forma que las resistencias pueden estar conectados en serie o en paralelo. A continuación se deducen las fórmulas usadas para calcular la capacidad equivalente del conjunto de elementos conectados.
2.2.3.1.- Asociación de condensadores en serie.
En esta figura se muestra una asociación de condensadores en serie. Sabiendo que para “n” condensadores conectados en serie, la capacidad equivalente es:
2.2.3.2- Asociación de condensadores en paralelo.
En general para “ n “’ condensadores asociados en paralelo, la capacidad equivalente es:
2.3.- Inductancias.
Las inductancias son elementos pasivos formados por un arrollamiento de hilo conductor bobinado normalmente sobre un núcleo de una sustancia ferromagnética. Este dispositivo eléctrico genera un flujo magnético cuando se hace circular por ella una corriente eléctrica.
Estos dispositivos acumulan energía en forma de corriente, de manera análoga a los condensadores que lo hacían en forma de diferencia de potencial eléctrico.
2.3.1.- Coeficiente de Autoinducción.
La magnitud que caracteriza a una inductancia es su coeficiente de autoinducción L, su valor viene definido por la función:
Donde:
N: número de espiras.
f : flujo magnético.
I : intensidad.
La unidad del coeficiente de autoinducción es el henrio (H): 1 weber-vuelta / amperio = 1 henrio.
2.4.- Comportamiento de condensadores y bobinas en corriente continua.
2.4.1.- Carga y descarga de un condensador a través de una resistencia. Circuito RC.
Si se conecta un condensador descargado a dos puntos que se encuentran a potenciales distintos, el condensador adquiere cierta carga por unidad de tiempo que depende de su capacidad y de la resistencia del circuito.
Dado el circuito de la figura.
En el momento en que cerramos el interruptor la d.d.p. entre los bornes del condensador es 0, a partir de este instante el condensador comienza a cargarse repartiéndose la tensión E entre los dos elementos, la resistencia y el condensador. Cuando el condensador está cargado se anula la corriente por el circuito siendo la d.d.p. del condensador igual a la f.e.m. del generador. La tensión de carga del condensador se define por la ecuación:
Si un condensador cargado con una tensión E se conecta a través de un interruptor a una resistencia se producirá un proceso de descarga de características análogas a las de la carga, dependiendo el tiempo de descarga de las misma variables que el tiempo de carga, R y C. El valor de la tensión en cada instante, se define por:
2.4.2.- Corriente por un circuito con autoinducción y resistencia. Circuito RL.
En la siguiente figura se muestra un circuito de este tipo, formado por una bobina de autoinducción, L, una resistencia de valor R, alimentada por un generador de corriente continua.
Si se cierra el interruptor S, la autoinducción se comporta como un generador cuya f.e.m. se opone a la corriente que circula por el circuito, por ello en el momento de cerrarse S la intensidad de corriente que circula por la red será 0 hasta que alcance un valor permanente. La intensidad de corriente en cada instante se define como :
§ En carga:
§ En descarga.
2.4.3.- Energía almacenada por un condensador y por una bobina. Circuito LC.
Tanto un condensador como una bobina tiene la facultad de almacenar energía en forma de tensión, en el primer caso, y en forma de corriente en el segundo. El condensador acumula energía en el proceso de carga y es capaz de cederla en el de descarga. De manera que la energía neta consumida es nula:
Asimismo, la autoinducción almacena la energía en el proceso de establecimiento de la corriente desde el momento en que se cierra el interruptor hasta que su valor se hace permanente. Esta energía es cedida al circuito cuando se elimina el generador. La expresión de la energía es la siguiente:
3.- Semiconductores.
3.1.- Semiconductores. Generalidades.
Se denominan semiconductores a aquellos materiales que ofrecen a temperatura de 20ºC, una resistividad comprendida entre la que presentan los aislantes y la de los metales.
Esta resistividad de los semiconductores aumenta al disminuir la temperatura y se comportan como aislantes en las proximidades del cero absoluto. Los semiconductores más empleados son el germanio y el silicio, siendo éste último el más extendido en la actualidad.
Para comprobar la utilidad de los semiconductores en electrónica debemos estudiar su estructura interna. Para ello clasificaremos los semiconductores según la pureza en su composición esto es:
– Semiconductores intrínsecos.
– Semiconductores extrínsecos.
3.2.- Semiconductores Intrínsecos.
Son aquellos formados exclusivamente por átomos de un mismo elemento. El silicio, por ejemplo, tiene 14 electrones, cuatro de ellos en la capa más externa, faltándole cuatro más para tener el último orbital completo. Para completar dicho orbital dicho elemento se combina con otros átomos de silicio mediante enlace covalente, formando una estructura cristalina, en esta estructura cada átomo de silicio se encuentra rodeado de otros cuatro átomos.
3.3.- Semiconductores Extrínsecos.
Las características de los semiconductores se pueden modificar con la adición de otros átomos dentro de la red cristalina, este proceso de impurificación se denomina dopado del semiconductor.
Es este proceso el que nos dará los tipos de semiconductores de más utilidad para la construcción de componentes electrónicos:
– Semiconductores de tipo P.
– Semiconductores de tipo N.
3.3.1.- Semiconductor tipo N.
Si en la red cristalina del silicio se introduce un elemento que tenga 5 electrones en su última capa ( e– de valencia), y dado que el silicio dispone sólo de 4 electrones para combinar por enlace covalente es obvio que tendremos un electrón en exceso, siendo por ello la carga neta negativa.
3.3.2.- Semiconductor tipo P.
Si dopamos el semiconductor con un elemento trivalente, es decir, con 3 electrones de valencia, por lo arriba explicado tendremos un defecto de electrones, ya que falta uno para completar el enlace covalente. Denominaremos esta ausencia de electrón hueco y consideraremos que su carga tiene el mismo valor que el electrón pero de signo +.
3.3.3.- Unión PN.
Si se ponen en contacto un material tipo N y uno tipo P, el resultado es una unión semiconductora PN. Al unir las dos zonas con exceso de carga, en la zona próxima a la unión de dichos semiconductores (zona de difusión) se produce una recombinación de pares electrón-hueco, neutralizándose la carga en el área de la unión, ya que los electrones de la zona N ocupan los huecos de la zona P. Cuando esto sucede el hueco desaparece y el átomo asociado se carga negativamente.
Cada vez que un electrón se difunde a través de la unión se crea un par de iones. Estos iones están fijos pues forman la estructura de los enlaces covalente en el cristal. A medida que el número de iones crece, la región cerca de la unión se agota de electrones libres y huecos, esta región se denomina capa de agotamiento la siguiente figura muestra estos iones en cada lado de la unión.
Si se aplica una fuente de Corriente Continua a un diodo, según estén conectados los bornes de este generador podremos tener dos efectos : polarización directa e inversa.
3.3.4.- Unión PN polarizada en directo.
Si el terminal positivo de la fuente la conectamos al material tipo P, y el terminal negativo al material tipo N tendremos la polarización directa.
Esta polarización produce una corriente elevada, esto se debe a que el terminal de la fuente repele a los electrones de la zona N hacia la unión, cruzando ésta y rellenando los huecos de la zona P, luego, viajando como electrones de valencia continúan hacia la izquierda a través de los huecos hasta que abandonan la zona P y se dirigen hacia el terminal + de la fuente.
3.3.5.- Unión PN polarizada en inverso.
Si por el contrario se invierte la polaridad de la fuente de alimentación de corriente continua, se le aplica polarización inversa al diodo, ahora el signo + se conecta al lado N y el signo – al lado P. Dicha polarización fuerza a los electrones de la zona N a alejarse de la unión y dirigirse hacia el terminal + de la fuente. Asimismo los huecos de la rejón P se mueven alejándose de la unión en dirección del terminal .
Los electrones salientes dejan más iones positivos cerca de la unión, y los huecos dejan más iones negativos, esto ensancha la capa de agotamiento hasta que su diferencia de potencial iguala al voltaje de la fuente, momento en el que se detiene el movimiento de huecos y electrones.
Si se aumenta el voltaje inverso, se alcanza un punto de ruptura llamado voltaje de ruptura a partir del cual el diodo puede conducir intensamente. Esto es debido a que, por efecto de la polarización inversa el electrón es atraído hacia la derecha y gana velocidad (E. Cinética). Si se aumenta el potencial inverso este electrón puede chocar con un electrón de valencia y, si tiene suficiente energía, desprenderlo de la órbita, haciendo que haya dos electrones libres. Ambos pueden ahora acelerarse y desprender otros electrones de valencia hasta que ocurre una avalancha.
3.4.- Diodos.
3.4.1.- Introducción.
Los diodos son aquellos componentes electrónicos formados por una unión de dos cristales uno P, y otro N, como vimos anteriormente esta unión solo permite el paso de electrones en una dirección. Es esta la principal utilidad de los Diodos : la rectificación.
En esta figura se representa la curva de corriente de respuesta frente al voltaje aplicado al diodo.
Cuando se aplica polarización directa el diodo no conduce con intensidad hasta que se obtiene el potencial de barrera. Por esta razón, la corriente es pequeña durante las primeras décimas de voltio. Conforme se acerca al potencial de barrera ( 0,7V para el diodo de silicio), los electrones libres y los huecos empiezan a cruzar la barrera en grandes cantidades. Esta es la razón por la que la corriente empieza a aumentar rápidamente. Por el contrario, en la zona negativa correspondiente a la polarización inversa, observarnos que la corriente inversa es muy pequeña hasta llegar al potencial de ruptura en el que se produce el fenómeno de avalancha.
Como es lógico suponer el diseñador seleccionará un tipo de diodo cuyo voltaje de ruptura sea mayor al voltaje inverso máximo que se espera durante su operación normal.
3.4.2.- Circuitos con diodos.
La mayor parte de los circuitos electrónicos necesitan un voltaje de corriente continua para que trabajen adecuadamente, debido a que el voltaje de la línea es alterno, lo primero que debe hacerse en cualquier equipo electrónico es convertir el voltaje de corriente alterna a un voltaje de corriente continua, mediante la rectificación. A continuación se describirán los circuitos que realizan dicha conversión.
3.4.2.1.-Circuito rectificador de media onda.
En este circuito se consigue la rectificación eliminando de la onda senoidal de corriente alterna los semiciclos de voltaje negativo mediante el diodo, el cual se polariza en directo en los semiciclos positivos y en inverso en los semiciclos negativos
Obtenemos con ello siempre un voltaje de carga positivo o cero dependiendo de la mitad de ciclo en que se encuentre.
3.4.2.2.-Circuito rectificador de onda competa.
Mediante el circuito de la figura, con dos diodos montados en paralelo que se polarizan en directo e inverso alternativamente según el sentido de la corriente conseguimos aprovechar los semiciclos de voltaje negativo, es los que se llama circuito rectificador de onda completa.
3.4.2.3.- Filtros con condensador para rectificadores con diodos
Las salidas tanto de un rectificador de media onda como de uno de onda completa es un voltaje de corriente continua pulsante. El uso de esta clase de salida está limitado a carga de baterías, motores de corriente continua, etc.. Lo más necesario en los circuitos electrónicos es un voltaje de corriente continua que sea constante en valor y similar al voltaje que se obtiene de una batería.
Para conseguirlo montaremos en nuestro circuito un condensador a la salida del rectificador, y este se cargará durante el periodo de polarización directa hasta el voltaje de pico máximo de la onda, descargándose durante el periodo de polarización inversa. Con ello conseguiremos las salidas de la figura.
.
En ellas se aprecia que el tiempo de descarga del condensador es mucho mayor que la frecuencia de la señal de entrada. Por ello el rizado de la señal es pequeño siendo mejor la rectificación cuando menor sea este rizado (depende del tiempo de descarga del capacitor que escojamos, para mayor valor del condensador menor rizado).
3.4.3.- Diodos especiales.
3.4.3.1.- Diodos Zener.
Los diodos de señales pequeñas y los rectificadores nunca operan intencionalmente en su región de ruptura, porque pueden dañarse. Un diodo Zener es diferente; es un diodo de silicio que el fabricante ha perfeccionado para operar en la región de ruptura, los diodos Zener funcionan mejor en esta región. El diodo Zener es la parte fundamental de los reguladores de voltaje, es decir, circuitos que mantienen el voltaje de carga casi constante a pesar de los grandes cambios en los voltajes de línea y las resistencias de carga, ya que estos diodos pueden operar en cualquiera de las tres regiones : directa, fuga y ruptura.
En la anterior figura se muestra la curva Intensidad -Voltaje de un diodo Zener. Se observan:
– la zona de polarización directa en la cual se comporta como un diodo normal,
– la zona de fuga donde no hay casi conducción,
– la zona de ruptura en la que, al contrario que un diodo ordinario, puede operar. En estos diodo el codo en la zona de ruptura de la curva es más agudo, siendo el valor de la intensidad, casi constante.
3.4.3.2.- Diodos emisores de luz (LED).
En un diodo polarizado en directo los electrones libres cruzan la unión y se combinan con los huecos, como estos electrones pasan de un nivel de energía alto a uno bajo, radian o emiten energía. Esta energía puede ser en forma de calor como ocurre en los diodos ordinarios o con emisión de luz como ocurre en los LED. Estos dispositivos utilizan elementos como el galio, arsénico, fósforo, que pueden radiar luz roja, azul, verde o invisible según sea la longitud de onda de la radiación.
3.4.3.3.-Diodo Schottky.
A frecuencias bajas un diodo ordinario puede fácilmente dejar de operar cuando la polarización cambia de directa a inversa, pero conforme la frecuencia aumenta, el diodo alcanza un punto en donde no puede dejar de conducir tan rápidamente como para prevenir un valor apreciable en la corriente, durante alguna parte del semiciclo en que se polariza inversamente.
Esto es debido al almacenamiento de cargas (electrones o huecos) en la zona próxima a la unión durante el periodo de polarización directa. Estas cargas pueden al polarizar inversamente el diodo fluir en la dirección inversa por un momento, hasta que dichas cargas se recombinen. Si se opera a frecuencias altas no damos tiempo entre semiciclos a que las cargas se recombinen teniendo corriente inversa cuando debería producirse la rectificación.
El diodo Schottky elimina este problema introduciendo una parte metálica (oro, plata, platino) en uno de los lados de la unión y silicio contaminado en el otro lado. Como quiera que las órbitas del lado metálico son mayores que las del semiconductor, cuando tengamos el diodo polarizado en directo tendremos suficiente energía para pasar de unas orbitas a otras, teniendo corriente de polarización directa grande. Por el contrario, y debido a que en el metal no tenemos huecos, no existirá almacenamiento de cargas, ni corriente de polarización inversa.
3.4.3.4.- Diodo Varicap.
Cuando se polariza inversamente, un diodo de silicio se asemeja a un capacitor; las regiones P y N son como las placas de un capacitor y la capa de agotamiento es como el dieléctrico. El circuito externo puede cargar esta capacitancia quitando los electrones de Valencia del lado P y agregando electrones libres al lado N. La acción es igual al quitar electrones de una placa del capacitor y ponerlos en la otra placa.
Los Varicap son diodos de silicio perfeccionados para operar con su capacitancia variable. Esto se consigue dado que al hacer el voltaje inverso mayor, la capa de agotamiento aumenta (efecto de separar o acercar las armaduras de un condensador), su capacitancia se controla con este voltaje.
3.4.3.5.- Diodo Túnel.
Al aumentar el nivel de contaminación de un diodo inverso, se puede obtener el punto de ruptura en 0 V asimismo también una mayor contaminación distorsiona la curva directa.
Un diodo de este tipo se conoce corno diodo túnel o diodo Esaki. Corno se observa en la figura, la polarización directa produce conducción inmediata, la corriente alcanza un valor máximo Ip , cuando V es igual a Vp, entonces la corriente disminuye a un valor mínimo Iv, para un voltaje Vv ,tenemos por lo tanto una zona en la cual un aumento de voltaje produce una disminución de corriente, esto es útil para convertir la potencia de corriente continua a potencia de corriente alterna, es decir, obtener una onda sinusoidal donde no existía ( circuitos osciladores).
3.5.-Transistores.
3.5.1.- Transistores bipolares BJT.
Son componentes semiconductores constituidos por la unión de tres cristales de silicio contaminados con algún tipo de impureza (dos uniones PN yuxtapuestas en el mismo monocristal: Si o Ge. El orden de colocación de los cristales, PNP o NPN, da nombre a los dos tipos de transistores bipolares.
Ambos constan de tres terminales:
– Base. La base, situada entre emisor y colector, es el electrodo que controla el paso de corriente a través del transistor, está débilmente impurificada y es de espesor muy pequeño.
– Emisor. El emisor (marcado con una flecha) recibe este nombre porque se encarga de emitir las cargas móviles (electrones o huecos, según el tipo) que atraviesan el transistor.
– Colector. El colector es el terminal que recibe la mayor parte de las cargas que parten del emisor.
El funcionamiento de éstos, es el mismo conceptualmente, excepto en lo referente al intercambio de los dos tipos de portadores mayoritarios y minoritarios, y respecto a la polaridad:
§ En el tipo PNP la base y el colector han de estar polarizados positivamente respecto al emisor,
§ En el tipo PNP, la base y el colector han de estar polarizados negativamente.
Dentro del grupo de transistores bipolares hay tres configuraciones diferentes:
§ Emisor común (EC).
En la configuración EC el generador de entrada se coloca entre la base y emisor, y la carga, entre el colector y el emisor. La ganancia de corriente es elevada, del mismo orden que en el montaje CC.
§ Base común (BC).
En la configuración BC la señal procedente de¡ generador de entrada se aplica entre el emisor y la base y la resistencia de carga entre el colector y la base. La corriente de salida es prácticamente deL mismo valor que la de entrada, por tanto su ganancia es la unidad.
§ Colector común (CC).
En el montaje CC la señal procedente del generador de entrada se aplica entre y la base y el colector resistencia de carga entre el colector y el emisor. La ganancia es elevada. Este tipo de conexión no es de utilidad.
El montaje que más se aproxima a un amplificador ideal, y el más utilizado par amplificar, es el EC. Los otros dos se emplean para acoplar resistencias. La configuración BC, para adaptar una fuente de baja resistencia que ataca a una carga de alta resistencia y la de CC para lo contrario.
§ Características del transistor polarizado en continua.
Cuando el transistor está correctamente polarizado, se originan tres corrientes diferentes, que son:
– la de base, IB,
– la de colector, IC
– la de emisor, IE,
de manera que en todos los casos (tipos y montajes) se cumple:
Las magnitudes a yb son conocidas como las ganancias de corriente en corriente continua de los montajes BC y EC respectivamente. Ambas se encuentran relacionadas mediante la siguiente expresión:
§ Características gráficas para la configuración EC
El transistor NPN, montaje EC es el más empleado. Las características de salida nos proporcionan la variación de IC cuando varía la tensión entre colector y emisor VCE, permaneciendo constante IB. Tal como se ven en la figura son un conjunto de curvas, cada una de ellas correspondientes con una IB diferente.
Para valores muy pequeños de VCE la corriente crece rápidamente, pero posteriormente se estabiliza, permaneciendo casi paralela al eje de abcisas. Esta parte es la zona activa.
Un transistor puede emplearse como amplificador (cuando trabaja en su zona activa) y como conmutador haciéndolo funcionar en las zonas extremas de sus características (opera alternativamente en corte y saturación).
Corte: Cuando el valor de las magnitudes tomando como referencia el montaje EC, es el siguiente:
IB = 0
IC = 0
VCE = EC
VBE < 0,7 V
Su comportamiento equivale al de un interruptor abierto.
Activa:
Ec > Vce > 0,2V
Vbe = 0,7 V.
Saturación:
En esta zona aunque IB aumente, IC permanece constante. El comportamiento del transistor equivale al de un interruptor cerrado.
3.5.2.- Transistores unipolares. FET
Se denominan así porque por ellos sólo opera un tipo de cargas (portadores mayoritarios). Existen dos clases:
- FET (field effect transistor) .
- MOS o MOSFET (Metal Oxide Semiconductor fieldd effect transistor).
§ Transistor FET
Los transistores de efecto de campo de unión se dividen en FET de canal n y FET de canal p. Los primeros están construidos a partir de una barra de semiconductor tipo n, en una zona de esta se realiza una difusión de tipo p (placas laterales). El funcionamiento se basa en el campo eléctrico que se crea al aplicar una tensión a éstas.
Poseen tres terminales:
– surtidor o fuente,
– drenador, y
– puerta (gate).
Los portadores entran al transistor por el surtidor y salen por el drenador.
§ Transistor MOSFET
La principal diferencia con el transistor FET consiste en que el electrodo puerta está separado del canal por una delgada capa de material aislante. Su principal ventaja respecto al anterior es su menor, casi nulo, gasto de energía en la puerta.
Además de clasificarse en transistores de canal n o p, también tienen otra división, según que el semiconductor utilizado para la base sea muy impurificado (enriquecidos) y poco impurificados (empobrecidos). De acuerdo con esto existen cuatro tipos de transistores MOSFET.
3.6.- Semiconductores de cuatro cristales. Tiristores.
3.6.1.- Introducción. Diodos de 4 capas.
La estructura más sencilla de cuatro o más cristales semiconductores corresponde al diodo de cuatro capas o diodo Shockley, en la figura se muestra su constitución interna, su símbolo y su característica:
La manera mas sencilla de entender como funciona es visualizarlo separado en dos mitades, como se muestra en esta figuraa La mitad izquierda es un transistor pnp, y la mitad derecha un npn. Por lo tanto, el diodo de cuatro capas es equivalente al candado de la figura.
En dicho circuito se aprecia que un cambio de corriente en cualquier punto del lazo será amplificada y regresada, con la misma fase al punto de partida. Esta incremento en las corrientes continuará hasta el punto en que ambos transistores se saturen. En este caso el candado actuará como un interruptor cerrado. Este proceso se denomina regeneración.
Una forma de cerrar un candado es disparándolo, aplicando un voltaje que polarice directamente a cualquiera de las bases. También se puede utilizar un voltaje de alimentación V, muy grande para regar al punto de ruptura de cualquiera de los diodos del colector. Una vez que comienza la ruptura, fluye corriente de uno de los colectores y excita la base del otro. El efecto es el mismo que si la base hubiera recibido un punto de disparo.
Para abrir un candado ideal (formado por los dos transistores) es reducir a cero la corriente de carga lo que obliga a los transistores a salir de saturación y regresar al estado abierto.
Otra manera de abrirlo es por medio de un pulso de disparo de polarización inversa que origine una regeneración negativa disminuyendo progresivamente la corriente que circula por los terminales hasta llevar a los transistores al corte, lo que abre el candado.
3.6.2.- Tiristores.
Los componentes más extendidos de esta familia de semiconductores son los tiristores. Básicamente los tiristores son diodos de cuatro capas a los que se les ha añadido un terminal de control. Este tercer terminal de control se denomina puerta.
En la siguiente figura se muestra las dos estructuras principales de los tiristores :
– tiristores de puerta P.
– tiristores de puerta N.
En el tiristor de puerta P, el terminal de control queda cerca del cátodo, y en el tiristor de puerta N, el terminal de control está cerca del ánodo. En el caso de no emplear el terminal de control, el tiristor se comporta como un diodo de cuatro capas.
En la característica, ![clip_image107[1]](https://oposinet.com/wp-content/uploads/2016/08/clip_image1071.gif "clip_image107[1]"){kind=small}
3.6.3.- Elementos unidireccionales.
3.6.3.1.- Tiristor SCR
Anterior mente se mostró el símbolo de un tiristor SCR ( Rectificador controlado de silicio) En dicha figura se puede visualizar las cuatro regiones contaminadas de forma alternada, separadas en dos transistores, por lo tanto el SCR es equivalente a un candado con una entrada de disparo.
La puerta de un SCR (Gate) es muy similar a un diodo. Por tal motivo se necesita por lo menos 0,7 V para disparar a un SCR, aemás para iniciar la regeneración se requiere una cierta corriente de entrada mínima. Una de las aplicaciones de un SCR es la de proteger una carga de los sobrevoltajes de la fuente de alimentación.
3.6.3.2.-Tiristor GCS.
El interruptor controlado por compuerta (GCS) está diseñado para que se abra con facilidad con un pulso de disparo de polarización inversa. El GCS se cierra con un pulso positivo y se abre con un pulso negativo. Es muy útil en contadores, circuitos digitales y otras aplicaciones más, en las cuales se dispone de un pulso negativo para apagar el dispositivo.
3.6.3.3.- Tiristor SCS.
Si conectamos una terminal externa a cada región contaminada. Tendremos un interruptor controlado de silicio que resulta ser equivalente a un candado con acceso por ambas bases. Un pulso de disparo de polarización directa en cualquiera de las bases hará conducir el SCS.
Este dispositivo es de baja potencia comparado con un SCR, maneja corrientes en el orden de miliamperios en vez del orden de amperios.
3.6.4.- Elementos bidireccionales.
Hasta ahora todos los dispositivos estudiados han sido unidireccionales, es decir, la corriente circula en una sola dirección. A continuación describimos los tiristores bidireccionales, dispositivos en los cuales la corriente puede fluir en ambas direcciones.
3.6.4.1.- Diac.
Un Diac puede tener corriente de candado en cualquier dirección. El circuito equivalente es un par de diodos de cuatro capas en paralelo, como se muestra en la figura..
Un Diac no conduce hasta que el voltaje a través de él exceda el voltaje de ruptura en cualquiera de las dos direcciones. Una vez que el Diac está conduciendo la única manera de pararlo es por medio de la apertura de baja corriente. Esto significa reducir la corriente por debajo de la corriente de mantenimiento nominal del dispositivo.
3.6.4.2.- Triac.
Un Triac se comporta como dos SCR en paralelo, de forma equivalente a los dos candados de la figura.
Por esta razón, un Triac puede controlar la comente en cualquier dirección. Usualmente el voltaje de ruptura es alto, de tal manera que el procedimiento normal de hacer entrar en conducción a un Triac es por medio de un pulso de disparo de polarización directa. Si V tiene la polaridad indicada en la figura se tienen que aplicar un pulso positivo, lo cual cierra el candado izquierdo. Cuando V tiene la polaridad opuesta, se necesita un pulso de disparo negativo, con esto se cierra el candado derecho.
4.- Procedimientos de Conexión.
4.1. – Materiales utilizados.
Para la conexión de los diferentes componentes y elementos electrónicos, se utilizan materiales altamente conductores, el mas utilizado es el cobre, por su combinación de características económicas, eléctricas y mecánicas, También se utilizan procedimientos de soldadura banda, como son la soldadura de estaño, las características que se pretende conseguir en las uniones son:
- Elevada resistencia mecánica, ante esfuerzos y vibraciones.
- Mínima resistencia eléctrica.
La principal base de montaje y conexionado son las placas de circuito impreso, que por un lado sirven de medio de sujeción y distribución plana de los componentes, y por otro lado con a distribución de una o varias capas de pistas de cobre, aisladas sobre una de las caras del circuito, se consiguen las conexiones eléctricas, mediante serigrafiado con cobre, sobre la baquelita de cobre o fibra de vidrio, a continuación se describe el procedimiento para la elaboración de los circuitos impresos
4.2. – Circuitos impresos.
4.2.1.- Placas de circuito impreso
Constan de una fina capa de cobre adherida a una placa soporte de fibra de vidrio o baquelita (cara en la cual se insertan los componentes).
4.2.2.- Proceso de obtención de un circuito impreso
- A partir del circuito obtenido en el papel milimetrado, se corta una placa de circuito impreso.
- Se limpia la cara de cobre.
- Se coloca el papel en el que están dibujadas las pistas y los nodos sobre esta cara de la placa.
- Se granetean todos los nodos.
- Se marcan y unen los nodos con rotulador especial o con pistas (tiras de plástico que se adhieren por presión a la placa).
- Se introduce la placa en una disolución ácida que elimina el cobre no tapado.
- Ésta se limpia con agua caliente y después se retiran las cintas o rotulador.
- Se taladra la placa en los nodos.
- Se insertan los componentes por la cara correspondiente a la fibra de vidrio.
- Se sueldan los componentes por la cara inferior y se realizan las conexiones externas.
- Se conecta la placa y se comprueba su funcionamiento, realizando los ajustes necesarios
4.2.3.- Normas en la elaboración de circuitos impresos.
– Procurar que la distancia entre los componentes del circuito sea lo más corta posible.
– Deben evitarse los cruces entre pistas.
– Se deben situar los componentes de manera paralela o perpendicular a los lados de la placa.
5.- Conclusión.
Los componentes discretos que forman los circuitos electrónicos son muy variados, y las agrupaciones que forman algunos de estos componentes forman pequeños sistemas y agrupando varios de estos se obtienes circuitos de aplicaciones específicas o generales.
Este tema ha pretendido dar un visión general de los componentes electrónicos básicos y algunas de sus aplicaciones mas elementales.
Entre los elementos discretos que se han estudiado hay que destacar la importancia que tienen las relaciones tensión-corriente y entrada-salida, la primera como parámetro puramente eléctrico y la segunda como concepto de función de transferencia, que señal entra al circuito y que señal sale de este.
Entre los componentes básicos hay que destacar sobre todo los basados en semiconductores, desde los diodos hasta los tiristores, sin olvidarnos de aquellos que son capaces de almacenar energía como las bobinas y los condensadores.