Electronica Industrial 712

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica

Unidad Azcapotzalco

Material

didáctico de

Electrónica Industrial

ELABORADO POR:

M. en C. Aurora Aparicio Castillo M. en C. Rubén Galicia Mejía

C. P Emilia Huerta Amaro

Í NDÍCE

UNIDAD I: DIODOS………………………………………………………………………………………………………………………………………………5

1.1.- ELECTRÓNICA DE POTENCIA……………………………………………………………………………………………………………..…………6

1.1.1.- DISPOSITIVOS NO CONTROLADOS……………………………………………………………………………………………..……..………….6

1.1.2.- DISPOSITIVOS SEMICONTROLADOS………………………………………………………………………………………………………....…..6

1.1.3.- DISPOSITIVOS CONTROLADOS……………………………………………………………………………………………………………………….6

1.2.- DIODO…………………………………………………………………………………………………………………………………………………….….7

1.2.1.- DIODO RECTIFICADOR………………………………………………………………………………………………………………………………..…9

1.2.2.- MODELO DEL DIODO………………………………………………….……………………………………………………………………………….11

1.2.3.- GRÁFICAS DE COMPORTAMIENTO…………………….…….………………………………………………………………………………….11

1.2.4.- DIODO REAL………………………………………………….…………………………………………………………………………………..………..13

1.2.5.- CURVA DEL DIODO REAL……………………………………………………………………………………………………………………………..13

1.3.- RECTIFICADORES……………………………………………………………………….…….…………………………………………………..……14

1.3.1.- RECTIFICADOR DE ½ ONDA CON TRANSFORMADOR……………………………………………………………………………........14

1.3.2.- RECTIFICADOR DE ½ ONDA CON FILTRO……………………………………………………………………………………………..………15

1.3.3.- EFICIENCIA DEL RECTIFICADOR……………………………………………………………………………………………………………………17

1.3.4.- VOLTAJE RMS DE LA SEÑAL PULSANTE O RECTIFICADA……………………………………………………………………………….19

1.3.5.- FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA DE UN RECTIFICADOR……………………..…………………………………………………………..20

1.3.6.- RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA…………………………………………………………………………………………………………..21

1.3.7.- GRÁFICAS DE COMPORTAMIENTO…………………………..………………………………………………………………………………….22

1.3.8.- GRÁFICA DE LA FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA…………………………………………………………………………………………….22

1.3.9.- RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA CON 4 DIODOS (TIPO PUENTE)…………………………………………………..……..22

1.4.- TRANSFORMADOR………………………………………….……………………………………...................................................24

1.4.1.- CLASIFICACIÓN DE TRANSFORMADORES…………………….…………….………………………………………………………..………25

1.4.2.- TIPOS DE TRANSFORMADORES………………………………………………………………………………………………………………..….25

1.4.3.- RAZÓN DE VUELTAS DE LOS DEVANADOS……………………………………………………………………………………………………26

1.4.4.- VOLTAJE INDUCIDO EN EL DEVANADO PRIMARIO………………………………..........................................................26

1.4.5.- VOLTAJE DEL SECUNDARIO………….……………………………………………………………………………………………………………..26

1.4.6.- ECUACION DEL TRANSFORMADOR……………………………………………………………………………………………………………..26

1.5.- REGULADOR DE VOLTAJE FIJO…………………………………………………………………………………………………………………..27

1.6.- REGULADOR DE VOLTAJE VARIABLE………………………………………………………………………………………………………….30

1.7.- FUENTES DE ALIMENTACIÓN……………………………………………………………………………………………………………………..31

PRÁCTICA 1: CARACTERÍSTICAS DE LOS DIODOS……………………………………………………………………………………………………..32

PRÁCTICA 2: RECTIFICADORES……………………………………..………………………………………………………………………………………..36

PRÁCTICA 3: FUENTE DE ALIMENTACIÓN REGULADA……………………………………...........................................................54

UNIDAD II: TRANSISTORES……………………………………………………………………………………………………………………..…………58

2.1.- TRANSISTOR BIPOLAR………………………………………………………………………………………..……………………………………..59

2.1.1.- SÍMBOLO ELÉCTRICO…………………………………………………………………………………………………………………………………..59

2.1.2.- CURVA CARACTERÍSTICA……………………………………………………………………………………………………………………………..60

2.1.3.- GRÁFICA DE AV (GANANCIA DE VOLTAJE)……………………………………………………………..…………………………………….61

2.1.4.- ETAPAS DE DISEÑO DEL AMPLIFICADOR………………………………………………………………………………………………………61

2.2.- POLARIZACIÓN………………………………………………………………………………………………………………………………………….62

2.2.1.- DETERMINAR LA REGIÓN DE OPERACIÓN……………………………………………………………………………………………………62

2.2.2.- EJERCICIOS DE REPASO………………………………………….……………………………………………………………………………………64

2.2.3.- OTRO MÉTODO DE POLARIZACIÓN……………………………………………………………………………………….…………………….65

2.2.4.- CIRCUITO GENERAL DE POLARIZACIÓN……………………………………………………………………………………………………….68

2.3.- EL TRANSISTOR COMO CONMUTADOR………………………………………………………………………………….………………….69

PRÁCTICA 4: AMPLIFICADOR BIPOLAR……………………………………………………………………………………………………………………72

PRÁCTICA 5: CONTROL DE MOTORES DE CD (ROTACIÓN Y VELOCIDAD)…………………………………..…………………………….76

UNIDAD III: TIRISTORES…………………………………………………………………………………………………………………………………….79

3.1.- TIRISTORES…………………………………………………..…………………………………………………………………………………………..80

3.1.1.-DEFINICIÓN………………………………………..…………………………………………………………………………………….………………….80

3.1.2.- FUNCIONAMIENTO BÁSICO……………………………………………………………………………………………………….………………..80

3.1.3.- VENTAJAS………………………………………………………………………………………………………………….………………………………..81

3.1.4.- DESVENTAJAS………………………………………………………………………………………………………………………………………………81

3.2.- TIPOS DE TIRISTORES………………………………………………………………………………………………………………………………..81

3.3.- APLICACIONES……………………………………………..……………………………………………………………………………………………82

3.4.- FORMAS DE ACTIVAR UN TIRISTOR……………………………………………………………….…………………………….…………….83

3.5.- SCR…………………………………………………………………………………………………….……………………………………….…………….85

3.5.1.- OPERACIÓN……………………………………………………………..………………….……………………………………….…………………….86

3.6.- DIAC……………………………………………………………………………………………….……………………………………………….………..87

3.6.1.-OPERACIÓN…………………………………………………………….…………….…………………………………………………..………………..88

3.7.- TRIAC……………………………………………….…………………………………….……………………………….………………………………..88

3.7.1.- OPERACIÓN……..……………………………………………….…………………………….……………………………….…….…………………..89

3.8.- CICLO DE HISTÉRESIS…………………………………………………….………………….…………………….…….…………………………..90

3.9.- ARREGLO DE RC PARA PROTECCIÓN DEL TRIAC………………………….……………………………….……………….……….…..91

UNIDAD IV: OPTOELECTRÓNICA…………………………………………….…….……………………………….…………………………………..93

4.1.- OPTOELECTRÓNICA………………………………………………………….…………………….……………………………….………………..94

4.1.1.-DEFINICIÓN……………………………………………………….………………………….……………………………….…………..………………..94

4.1.2.- INTRODUCCIÓN……………………………………………………….……………………….……………………………….………………………..95

4.1.3.- EMISIÓN DE LUZ…………………………………………….……………………………….……………………………….………………………….95

4.2.- FOTOCELDAS……………………………………………………….……………………………….……………………………….…………………96

4.2.1.- APLICACIONES……………………………………………….……………………………….……………………………….………..………………..97

4.3.- FOTORESISTENCIAS…………………………………………….……………………………….……………………………….……………….…97

4.3.1.- CARACTERÍSTICAS…………………………………………….……………………………….……………………………….….……………………98

4.4.- LED INFRARROJO………………………………………………….……………………………….……………………………….…….…….……99

4.5.- FOTO DIODO……………….…………………………………….……………………………….……………………………….…………………..99

4.5.1.- CURVAS CARACTERÍSTICAS……………………………………………………….……………………………….………………………………100

4.5.2.- APLICACIONES…………………………….……………………………….……………………………….…………………………………………..100

4.6.- FOTOTRANSISTOR………………………………….……………………………….……………………………….……………….……………101

4.7.- OPTOACOPLADOR…………………………….……………………………….……………………………….……………………….…………102

4.7.1.- SALIDA FOTO SCR…………………………………….……………….……………………………….………………………………………………102

4.7.2.- SALIDA TRIAC……………………………………………………………….……………………………….……………………….………………….103

4.8.- INTERRUPTORES ÓPTICOS…………………………….…………….……………………………….…………………………………………103

4.9.- FOTODETECTORES…………………………….……………………………….……………………………….……………………….…………104

4.10.- FIBRA ÓPTICA……………………………….……………………………….……………………………….………………………………….…105

4.10.1.- APLICACIONES…………………….……………………………….……………………………….…………………………………………………105

4.10.2.- APLICACIONES EN CIRCUITOS DE CONTROL Y FUERZA……………………………….…………………………………….……..106

PRÁCTICA 6: ACOPLAMIENTO ÓPTICO DE CIRCUITOS…………………………………….………………………………………………….…108

UNIDAD V: SENSORES…………………………………….………………….……………………………….…………………………………….……117

5.1.- Sensores………………………………………….……………………………….……………………………….……………………………………118

5.1.1.- Transductor………………………………….……………………….……………………………….……………………………………………120

5.2.- Sensor……………………………………………………….………………………………….……………………………….………………………120

5.2.1.- Clasificación de sensores…………………………………….…………………………………….…………………………………………121

5.2.2.- Tipos de sensores………………………………………….……………….……………………………….……………………………………122

5.2.3.- Especificaciones del sensor…………………………………………….………………………………….…………………………………123

UNIDAD VI: AMPLIFICADORES OPERACIONALES……………………………………………….……………………………………………124

6.1.- Amplificador Operacional………………………………………………………………….……………………………….….………………124

6.1.1.- Amplificador Inversor…………………………………………………………………….……………………………….………..…………125

6.1.2.- Amplificador no Inversor…………………………………………………………….……………………………….………………………130

6.1.3.- Amplificador rectificador…………………………….…………………………………….…………………………………………………130

6.1.4.- Amplificador integrador……………………………………….…………………………………….………………………….……………131

6.1.5.- Amplificador derivador……………………………………………….……………………………………….………………………………132

6.1.6.- Seguidor de voltaje…………………………………………………………….………….……………………………….………..…………134

6.1.7.- Ejercicios de repaso…………………………………………………………….………………………………………….………..…………139

6.2.- Cinvertidor ADC (Analógico Digital)…………………………………………………….……………………………….……………..…142

6.2.1.- Rango dinámico del ADC……………………………………………………….……………………………….….………….……………153

6.2.2.- Diagrama bloques de convertidor tipo escalera……………………………………….…………………………….……………163

6.2.3.- Relación señal a ruido………………………………………………………….………………………………………..……………………171

Práctica 7: Características básicas del Amplificador Operacional………………………………………………..…………………175

UNÍDAD Í

DÍODOS

OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD

El alumno describirá el elemento electrónico más simple (diodo), y su comportamiento

bajo diversas condiciones eléctricas, cuando se utiliza en el control de los robots

industriales.

TEMAS

1.1.- Electrónica de potencia 1.1.1.- Dispositivos no controlados 1.1.2.- Dispositivos semicontrolados 1.1.3.- Dispositivos controlados 1.2.- Diodo 1.2.1.- Diodo Rectificador

1.2.2.- Modelo del Diodo 1.2.3.- Gráficas de comportamiento 1.2.4.- Diodo real 1.2.5.- Curva del diodo real 1.3.- Rectificadores 1.3.1.- Rectificador de ½ onda con transformador 1.3.2.- Rectificador de ½ onda con filtro 1.3.3.- Eficiencia del rectificador 1.3.4.- Voltaje rms de la señal pulsante o rectificada 1.3.5.- Función de transferencia de un rectificador 1.3.6.- Rectificador de onda completa 1.3.7.- Graficas de comportamiento 1.3.8.- Grafica de la función de transferencia 1.3.9.- Rectificador de onda completa con 4 diodos (tipo puente) 1.4.- Transformador 1.4.1.- Clasificación de transformadores 1.4.2.- Tipos de transformadores 1.4.3.- Razón de vueltas de los devanados 1.4.4.- Voltaje inducido en el devanado primario 1.4.5.- Voltaje del secundario 1.4.6.- Ecuación del transformador 1.5.- Regulador de voltaje fijo 1.6.- Regulador de voltaje variable 1.7.- Fuentes de alimentación Práctica 1: Características de los diodos Práctica 2: Rectificadores Práctica 3: Fuente de alimentación regulada

1.1. ELECTRO NÍCA DE POTENCÍA.

Por el modo en que se controlan estos dispositivos se dividen en dispositivos no

controlados, dispositivos semicontrolados y dispositivos controlados.

1.1.- DISPOSITIVOS NO CONTROLADOS

-Dispositivos no controlados: en este grupo se encuentran los Diodos. Los estados

de conducción o cierre (ON) y bloqueo o abertura (OFF) dependen del circuito de

potencia. Por tanto, estos dispositivos no disponen de ninguna terminal de control

externo.

1.1.2.- DISPOSITIVOS SEMICONTROLADOS

-Dispositivos semicontrolados: en este grupo se encuentran, dentro de la familia de

los Tiristores, los SCR (“Silicon Controlled Rectifier”) y los TRIAC (“Triode of Alternating

Current”). En éste caso su puesta en conducción (paso de OFF a ON) se debe a una

señal de control externa que se aplica en uno de los terminales del dispositivo,

comúnmente denominado puerta. Por otro lado, su bloqueo (paso de ON a OFF) lo

determina el propio circuito de potencia. Es decir, se tiene control externo de la puesta

en conducción, pero no así del bloqueo del dispositivo.

1.1.3.- DISPOSITIVOS CONTROLADOS

-Dispositivos controlados: en este grupo encontramos los transistores bipolares BJT

(“Bipolar Junction Transistor”), los transistores de efecto de campo MOSFET (“Metal

Oxide Semiconductor Field Effect Transistor”), los transistores bipolares de puerta

aislada IGBT (“Insulated Gate Bipolar Transistor”) y los tiristores GTO (“Gate Turn-Off

Thyristor”), entre otros.

1.2. DÍODO

La región N cercana a P es mucho más

grande que la N.

Para ruptura inversa soportan hasta 400V

Para conducción mínimo de 1V

Mínimo 1 o 2V para entrar a

conducción.

Curva de Voltaje con respecto a corriente

En cuanto al área, su estructura física es grande (en 𝑐𝑚2) puesto que necesitan

soportar grandes potencias, los diodos que se emplean más en potencia son el Shotky,

los de conmutación y el diodo de línea.

-De los 3 el diodo Shotky es el que tendrá menor voltaje de conducción y en el voltaje

de ruptura inversa no soporta voltajes mayores de 100V.

-Tiene menos voltaje de conducción en ruptura inversa = 100V (Diodo Shottky).

-Diodo de conmutación presenta tiempos de recuperación inversa muy cortos. (9seg)

y puede soportar kV.

-Diodo de línea o diodo rectificador maneja frecuencias muy bajas, trabaja con

frecuencia bajas, soporta kA, kV, tiene tiempos de recuperación muy altos.

La ventaja de los diodos de conmutación son sus tiempos cortos de conmutación, es

decir que no se notaran a simple vista los cambios en el tiempo que tarda en llegar a su

estado deseado (conducción o no conducción).

Gráficos de tiempos de recuperación

trd: tiempo de recuperación directa

tri: tiempo de recuperación inversa

-En el caso de utilizar voltajes directos de línea el diodo de línea es el ad.

1.2.1.- DIODO RECTIFICADOR

Los diodos semiconductores consisten en la unión (barrera de potencial) de dos tipos

de material semiconductor (usualmente Silicio dopado con impurezas cuidadosamente

seleccionadas). En un lado de la juntura, las impurezas crean un material tipo-n,

caracterizado por un gran número de electrones libres. En el otro lado de la juntura se

emplea un tipo distinto de impurezas para crear (en su efecto) partículas de carga

positiva denominadas huecos (u hoyos), material tipo-p.

Como se muestra en la siguiente figura, un diodo se forma con la unión de un material

tipo-p (ánodo) con un material tipo-n (cátodo). Aún sin voltaje aplicado se establece una

barrera de campo eléctrico en la unión (barrera de potencial), la que previene la

recombinación de electrones y huecos, manteniéndolos confinados en sus lados.

Un diodo conduce corriente cuando está polarizado en forma directa cuando el voltaje

de polarización aplicado a sus terminales excede al potencial de la barrera de potencial

e impide el paso de corriente cuando esta polarizado en inversa, esto es cuando el

voltaje de polarización aplicado entre sus terminales es inferior al voltaje de ruptura.

En la figura se muestra la curva característica de un diodo, que es una gráfica de

corriente contra voltaje en un diodo. El primer cuadrante de la gráfica representa la

condición de polarización directa. Como puede observarse, esencialmente no hay

corriente en polarización directa (IF) para voltajes polarización directa (VF) abajo del

potencial de barrera de potencial. Cuando el voltaje en polarización directa se aproxima

al valor del potencial de la barrera (típicamente de 0.7V para el silicio y 0.3V para el

germanio), la corriente comienza a crecer una vez que el voltaje en polarización directa

alcanza al potencial de la barrera.

El tercer cuadrante de la gráfica representa la condición de polarización inversa.

Cuando el voltaje inverso (VR) crece hacia la izquierda, la corriente permanece próxima

a cero hasta que se alcanza el voltaje de ruptura (VBR). Cuando ocurre ruptura existe

una gran corriente en inversa que, si no se limita, es capaz de destruir el diodo.

Típicamente, el voltaje de ruptura es mayor que 50V para la mayor parte de diodos

rectificadores. Los diodos rectificadores no deben operarse en ruptura inversa.

Curva característica de un Diodo

Los diodos rectificadores son un grupo importante de los diodos semiconductores.

Además de la rectificación, hay otros usos a los cuales puede aplicarse este tipo de

diodos. De hecho, muchos diodos en esta categoría se conocen como diodos de

propósito general.

1.2.2.- MODELO DEL DIODO

En la figura podemos observar el símbolo normal para representar un diodo de

propósito general. La flecha apunta en la dirección de la corriente convencional. Las

dos terminales del diodo son llamados ánodo y cátodo. Cuando el ánodo es positivo

con respecto al cátodo, el diodo se halla polarizado directamente y la corriente fluye del

ánodo al cátodo.

Símbolo

EL MODELO IDEAL.- La manera más sencilla de visualizar la operación del diodo es

concebirlo como un interruptor. Al estar polarizado en directa, el diodo actúa como un

interruptor cerrado (en ON) y al estar polarizado en inversa opera como un interruptor

abierto (en OFF). En la siguiente figura se muestra la curva característica para esta

aproximación. Observe que el voltaje en directa y la corriente en inversa siempre son

iguales a acero.

1.2.3.- GRÁFICA DE COMPORTAMIENTO

GRÁFICA DEL DIODO IDEAL

ÁNODO CÁTODO

DIODO RECTIFICADOR

El análisis detallado para el circuito anterior es el siguiente:

a) Considerando al diodo ideal y el ciclo (+) en la entrada

En el caso del ciclo (+) en la entrada, la terminal del ánodo queda conectada a la

terminal positiva del voltaje de entrada y el cátodo al voltaje negativo de entrada, por lo

tanto el diodo queda polarizado directamente, comportándose como un corto circuito,

así que el voltaje de salida será cero.

b) Considerando al diodo ideal y el ciclo (-) en la entrada

Cuando en la entrada se aplica el ciclo (-), la terminal del ánodo queda conectada a la

terminal negativa del voltaje de entrada y el cátodo al voltaje positivo de entrada, por lo

tanto el diodo queda polarizado inversamente, comportándose como un circuito abierto,

así que el voltaje de salida será el ciclo negativo que se tiene a la entrada.

1.2.4.- DIODO REAL

En este punto se considera el modelo para el diodo real, el cual es más exacto, ya que

como se observa en la siguiente figura el diodo empezará a conducir cuando el voltaje

aplicado entre ánodo cátodo alcanza el valor de VB, por lo tanto existirá flujo de

corriente en el diodo.

1.2.5.- CURVA DEL DIODO REAL

1.3. RECTÍFÍCADORES.

1.3.1.- RECTIFICADOR DE ½ ONDA CON TRANSFORMADOR

Debido a la capacidad para conducir corriente en una dirección e impedir el paso de la

corriente en la dirección opuesta, los diodos se utilizan en circuitos denominados

rectificadores que convierten voltaje de CA en voltaje de CD. Los rectificadores se

encuentran en todas las funciones de alimentación de CD que operan a partir de una

fuente de voltaje de CA. Una fuente de voltaje es una parte esencial de todos los

sistemas electrónicos, desde el más simple hasta el más complicado.

Con frecuencia se usa un transformador para acoplar los voltajes de entrada,

provenientes de la fuente, al circuito rectificador. El acoplamiento por transformador

presenta dos ventajas: primera, permite que el voltaje de la fuente se eleve o reduzca

según se requiera y segunda, la fuente de alimentación de CA está aislada

eléctricamente del circuito rectificador, reduciendo así el riesgo de choque.

De la teoría básica de los circuitos de CA, el voltaje del secundario (salida) del

transformador es igual a la razón de vueltas (N2/N1) multiplicando por el voltaje primario

(entrada), como se expresa en la siguiente ecuación:

𝑉2 = (𝑁2

𝑁1) 𝑉1

Si N2>N1, entonces el voltaje del primario es menor que el del secundario. Si N2<N1

entonces el voltaje del primario es mayor que el del secundario. Si N2=N1, entonces

V2=V1

Para calcular el Vrms, utilizaremos:

𝑉𝑟𝑚𝑠 =𝑉𝑝

√2

Ejemplo:

Determinar el Vp en el secundario del transformador, sí se cuenta con un transformador

cuyo valor nominal de acuerdo al fabricante es de: 9V/1A.

Datos:

Vrms = 9V (valor efectivo o valor radical cuadrático medio)

Irms = 1A


√2 → 𝑉𝑝 = (𝑉𝑟𝑚𝑠)(√2 ) = (9𝑉)(√2 ) = 𝟏𝟐. 𝟕𝟐𝑽

1.3.2.- RECTIFICADOR DE ½ ONDA CON FILTRO

El filtro:

La tensión en la carga que se obtiene de un rectificador es en forma de pulsos. En un

ciclo de salida completo, la tensión en la carga aumenta de cero a un valor pico, para

caer después de nuevo a cero. Esta no es la clase de tensión continua que precisan la

mayor parte de circuitos electrónicos. Lo que se necesita es una tensión constante,

similar a la que produce una batería. Para obtener este tipo de tensión rectificada en la

carga es necesario emplear un filtro.

El tipo más común de filtro es el del capacitor a la entrada, en la mayoría de los casos

perfectamente válido. Sin embargo en algunos casos puede no ser insuficiente y

tendremos que echar mano de algunos componentes adicionales.

Circuito Básico

Voltaje de Rizo

ΔV0 = Vpmáx − Vpmin ………..1

V0 = 𝑽𝒑𝒎á𝒙+ 𝑽𝒑𝒎𝒊𝒏

𝟐

V0 = Vpmáx − 𝜟𝑽𝟎

𝟐 ……….…2

Vpmin = Vpmáx 𝑒−𝑇𝑅𝐶⁄

𝑒−𝑇𝑅𝐶⁄ ≈ 1 −

𝑇

𝑅𝐶

Vpmin = Vpmáx (1 − 𝑇

𝑅𝐶) …...3

Sustituyendo 1 en 2

ΔV0 = Vpmáx − Vpmáx + 𝑉𝑝𝑚á𝑥 𝑇

𝑅𝐶

ΔV0 = 𝑽𝒑𝒎á𝒙 𝑻

𝑹𝑪 ……….…4

ΔV0 = 𝑉𝑝 𝑇

𝑅𝐶

Sustitutuyendo 4 en 2

V0 = Vpmáx – 𝑉𝑝𝑚á𝑥 𝑇

2 𝑅𝐶

V0 = Vpmáx (1 − 𝑇

2 𝑅𝐶)

V0 = Vp (1 − 𝑻

𝟐 𝑹𝑪)

ΔV0= Voltaje de Rizo

ΔV0

π Vent

t 2π Vent

t

π Vent

t 2π Vent

t

1.3.3.- EFICIENCIA DEL RECTIFICADOR

La eficiencia del rectificador es un parámetro que permite establecer la energía que se

tiene en la salida de un circuito (señal rectificada), en relación a la señal que se aplica

en su entrada (señal senoidal).

La fórmula para determinar la eficiencia es:

𝜂 =𝑃0

𝑃𝑟𝑚𝑠=

𝑉0𝐼0

𝑉𝑟𝑚𝑠𝐼𝑟𝑚𝑠

Dónde:

𝑷𝟎= Potencia de corriente directa 𝑽𝟎= Voltaje de corriente directa

𝑰𝟎= Nivel de corriente directa 𝑷𝒓𝒎𝒔= Potencia de corriente alterna (radical cuadrático medio) 𝑽𝒓𝒎𝒔= Voltaje de corriente alterna en la salida 𝑰𝒓𝒎𝒔= Corriente en la salida

FORMA DE ENTRADA FORMA DE SALIDA

Vent

t

Vent

t

Vent

t

COMPONENTES DE CORRIENTE DIRECTA EXISTENTES EN UN RECTIFICADOR DE

MEDIA ONDA

El voltaje de corriente directa, así como el valor de corriente directa: nos determinan la

componente de corriente continua que se tienen en la carga y se obtienen calculando el

voltaje y la corriente promedio respectivamente, a través de las siguientes ecuaciones:

𝑉𝑟𝑚𝑠 = √1

𝑇∫ 𝑉(𝑡)2𝑑𝑡

𝑇

0 𝑉0 =

1

𝑇∫ 𝑉(𝑡)𝑑𝑡

𝑇

0

𝐼𝑟𝑚𝑠 = √1

𝑇∫ 𝑖(𝑡)2𝑑𝑡

𝑇

0 𝐼0 =

1

𝑇∫ 𝑖(𝑡)𝑑𝑡

𝑇

0

Considerando que la señal de entrada al circuito se puede definir como:

𝑣(𝑡) = 𝑠𝑒𝑛 𝑤𝑡, sustituyendo en la ecuación de voltaje promedio

𝑉0 =𝑉𝑝

𝑇∫ 𝑠𝑒𝑛 𝑤𝑡 𝑑𝑡

𝑇

0

𝑉0 =𝑉𝑝

𝑇∫ 𝑠𝑒𝑛 𝑤𝑡 𝑑𝑡

𝜋

0

𝑉0 =𝑉𝑝

𝑇[

1

𝑤(− cos 𝑤𝑡)]

Sabiendo que 𝑤 =2𝜋

𝑇 y 𝑇 = 2𝜋; 𝑊 = 1

𝑉0 =𝑉𝑝

𝑇[−𝑐𝑜𝑠𝜋 + cos 0] =

2𝑣𝑝

𝑇=

2𝑣𝑝

2𝜋

Por lo tanto

𝑉0 =𝑉𝑝

𝜋

Si consideramos que el voltaje de entrada al circuito es senoidal, por tanto la corriente

de entrada también lo será, así que 𝑖(𝑡) = 𝐼𝑝 sin 𝑤𝑡

Por lo tanto

𝐼0 =𝐼𝑝

𝜋

1.3.4.- VOLTAJE RMS DE LA SEÑAL PULSANTE O RECTIFICADA

𝑉𝑟𝑚𝑠2 =𝑉𝑝2

𝑇∫ 𝑠𝑒𝑛2𝑤𝑡 𝑑𝑡

𝜋

0

𝑉𝑟𝑚𝑠2 =1

𝑇∫ 𝑉𝑝2𝑠𝑒𝑛2𝑤𝑡 𝑑𝑡

𝜋

0


𝑇[1

2∫ 𝑑𝑡 −

1

2∫ cos 2𝑤𝑡 𝑑𝑡

𝜋

0

𝜋

0

]


4


4

CALCULANDO LA EFICIENCIA EN FUNCIÓN DE LA CORRIENTE

𝐼𝑟𝑚𝑠 = √1

𝑇∫ 𝐼𝑝2𝑠𝑒𝑛2𝑤𝑡𝑑𝑡 + ∫ ∅𝑑𝑡

2𝜋

0

𝜋

0

𝐼𝑟𝑚𝑠 =𝐼𝑝

2

EFICIENCIA:

𝜂 =

𝑉𝑝𝜋

𝐼𝑝𝜋

𝑉𝑝2

𝐼𝑝2

=4

𝜋2

𝜂% =4

𝜋2𝑥100%

𝜂 = 40.52%

Canal 1

Canal 2

Vent

Canal 1

1.3.5.- FUNCION DE TRANSFERENCIA DE UN RECTIFICADOR

Una función de transferencia es un modelo matemático que a través de un cociente

relación a la respuesta de un sistema a una señal de entrada o excitación, dicha

función de transferencia es posible visualizarla en algunos circuitos cuando se emplea

el osciloscopio en la función de graficador X-Y , siendo X la señal a la entra del circuito

y Y la señal de salida del mismo circuito. La grafica X-Y obtenida nos muestra la forma

en que cambia la señal en la salida del circuito conforme cambia la señal en su

entrada. Considerando el arreglo de la siguiente figura:

La función de transferencia se obtiene utilizando un osciloscopio como graficador X, Y,

y colocando los canales como se muestra a continuación.

X para la señal de entrada (Canal 1)

Y para la señal de salida (Canal 2)

R Vsal

OSCILOSCOPIO

Comportamiento

Vsal

http://es.wikipedia.org/wiki/Modelo_matem%C3%A1tico

http://es.wikipedia.org/wiki/Se%C3%B1al

1.3.6.- RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA.

Aunque los rectificadores de media onda tienen algunas aplicaciones, el tipo de

rectificador más usado en fuentes de alimentación de CD es la rectificación de onda

completa.

La diferencia entre rectificación de onda completa y media onda es que el rectificador

de onda completa permite corriente unidireccional hacia la carga durante todo el ciclo

de entrada, mientras que el rectificador de media onda permite lo anterior sólo durante

medio ciclo. El resultado de la rectificación de onda completa es un voltaje de salida de

CD que varía cada medio ciclo de entrada.

En virtud de que el número de ciclos positivos que constituyen el voltaje rectificado de

onda completa es el doble que el del voltaje de media onda, entonces el valor promedio

de un voltaje rectificado de onda completa es el doble del de media onda.

𝑉𝑝𝑟𝑜𝑚 =2𝑉𝑝

𝜋

Cuando en la entrada tenemos el ciclo, ya sea (+) o (-) el Vsal se calcula:

𝑉𝑠𝑎𝑙 =𝑉𝑝

2

1.3.7.- GRÁFICAS DE COMPORTAMIENTO

1.3.8.- GRÁFICA DE LA FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA

1.3.9.- RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA CON 4 DIODOS (TIPO

PUENTE).

a) Cuando hacemos el ciclo (+) en la entrada.

Cuando entra un voltaje

negativo, sale positivo

-Se polarizan D4 y D2

directamente

-Se polarizan D1 y D3

indirectamente

Vsal=Vp

D4

b) Cuando hacemos el ciclo (+) en la entrada.

Vsal=Vp

sec

NOTA: Ésta configuración

tiene la ventaja de que

brinda directamente el Vp

del secundario en la carga

(Vsal=Vp).

1.4. TRANSFORMADOR

Modifica los niveles de tensión alterna a los requeridos por el circuito a alimentar. El

trasformador de entrada reduce la tensión de red (generalmente 220 o 120 V) a otra

tensión más adecuada para ser tratada. Solo es capaz de trabajar con corrientes

alternas, esto quiere decir que la tensión de entrada será alterna y la de salida también.

Consta de dos devanados enrollados sobre un mismo núcleo de hierro, ambos

enrollados, primario y secundario, son completamente independientes y la energía

eléctrica se transmite del primario al secundario en forma de energía magnética a

través del núcleo.

Material

ferromagnético

Devanado primario

Devanado secundario

Vp

P Vs

Voltaje del

primario Voltaje del

secundario

Vp Vs

½ vs

½ vs

CUANDO NO EXISTE ACOPLAMIENTO DE IMPEDANCIA NO EXISTE

LA MAXIMA TRANSFERENCIA DE POTENCIA

1.4.1.- CLASIFICACIÓN DE TRANSFORMADORES

1.4.2.- TIPOS DE TRANSFORMADORES

A) De subida.-El voltaje del secundario es mayor que el del primario.

B) De bajada.-El voltaje del secundario es menor que el del primario.

C) Acoplamiento.-El voltaje en ambos enrollamientos (devanados) es el mismo. Se

emplea cuando en un sistema las impedancias de los componentes no corresponden

entre sÍ, en este caso el transformador mantiene acopladas las impedancias para que

la trasferencia de potencia en el sistema sea máxima.

1.-Sin derivación central 2.-con derivación central

IMPEDANCIA

DE

SALIDA

IMPEDANCIA

DE

ENTRADA

1.4.3.- RAZÓN DE VUELTAS DE LOS DEVANADOS

N=𝑁𝑠

𝑁𝑝 -------- (1)

𝑁𝑝= número de vueltas del devanado primario. 𝑁𝑠 = número de vueltas del devanado secundario.

1.4.4.- VOLTAJE INDUCIDO EN EL DEVANADO PRIMARIO

En una vuelta del devanado primario.

ep = 𝑉𝑝

𝑁𝑝 -----(2)

𝑉𝑝 = voltaje del devanado primario. 𝑁𝑝 = número de vueltas del devanado primario.

1.4.5.- VOLTAJE DEL SECUNDARIO

Vs = epNs ----- (3)

Sustituyendo 2 en 3

Vs = (𝑉𝑝

𝑁𝑝)Ns

𝑉𝑠

𝑉𝑝 =

𝑁𝑠

𝑁𝑝

1.4.6.- ECUACIÓN DEL TRANSFORMADOR

𝑉𝑠

𝑉𝑝 =

𝑁𝑠

𝑁𝑝

𝑉𝑠 = voltaje de salida

𝑉𝑝 = voltaje de primario 𝑁𝑠 = vueltas del secundario 𝑁𝑝 = vueltas del primario

1.5. REGULADOR DE VOLTAJE FÍJO.

Actualmente los reguladores de voltaje implementan mediante circuitos integrados que

incluyen casi todos los elementos que requieren, y que con sólo algunos elementos de

ajuste permiten diseñar la fuente de alimentación.

Los reguladores de voltaje con tres terminales Son aquellos que incluyen la totalidad de

los elementos del regulador de tensión. Las tres terminales son el voltaje de

alimentación no regulado de entrada (Vi), la tensión regulada de salida (Vo) y la tierra

de referencia común (GND). Se suelen disponer para las tensiones nominales estándar

(5V, 6V, 9V, 12V, 15V, 18V y 24V).

De acuerdo a las hojas de especificaciones del fabricante el voltaje que deberá

aplicarse en la entrada del regulador (VCD), para que el regulador opere de manera

adecuada es:

VCD Vsal + 2.5V

Lo que establece ésta ecuación es que para que un regulador realice su función deberá

aplicarse al mismo, en su entrada 2.5V mas del valor de voltaje que esperemos nos

entregue en su salida.

FABRICANTE

De acuerdo al fabricante, el rango de voltaje que es necesario aplicar en la terminal de

entrada de un regulador fijo es de: 7.5V VCD 23V

En cuanto a los diferentes reguladores de voltaje tipo integrado, es conveniente

considerar que los mismos tendrán nomenclaturas diferentes, de acuerdo al fabricante

que lo haya elaborado, como ejemplo considere la siguiente tabla, donde aparecen las

siglas de algunos fabricantes de reguladores de voltaje.

FABRICANTES

LM National Instrument

MC Motorola

FA Fairchild

TL Texas Instrument

Para el caso de los reguladores fijos, estos se pueden encontrar de tipo positivo, o bien

de tipo negativo, y para diferenciarse llevan grabado el número 78 y posterior el valor

nominal de voltaje de CD en su salida, por lo que se identifican con los números 78XX,

los reguladores fijos positivos y con 79XX los reguladores fijos negativos.

FIJO

78 XX

Regulador

fijo

positivo

Voltaje de

regulación

7805

7806

7808

7812

7815

7818

79 XX

Regulador

fijo

negativo

Voltaje de

regulación

7905

7906

7908

7912

7915

7918

POSITIVOS NEGATIVOS

EJEMPLOS:

Diseñar una fuente fija de 5V/500 mA

V0 = 5 V

I0 = 500 mA

RL = 5 𝑉

500 𝑚𝐴= 10 Ω

PRL = VRL IRL

PRL = (5V) (500 mA) = 2.5 W

VCD = 7.5 V

ΔV0 se propone entre el 5% y 10% del VCD

ΔV0 = 5% (7.5V)= 0.375 V

Vp = VCD + 𝛥𝑉0

2

Vp = 7.5 V + 0.375 𝑉

2 = 7.687 V

ΔV0 = 𝑉𝑝 𝑇

𝑅 𝐶

C = 𝑉𝑝 𝑇

∆𝑉0 𝑅 =

(7.687 𝑉)(1

120𝐻𝑧)

(0.375 𝑉)(10 𝛺) = 17082.22 µF

VALORES COMERCIALES INMEDIATOS = 180000 µF, 15000 µF

VRMS = 𝑉𝑝

√2 =

7.687 𝑉

√2 = 5.43 V 6 V

IRMS = 𝐼𝑝

√2 =

0.785 𝐴

√2 = 0.555 A 1 A

𝐼𝑝 = 𝐼0

2 =

(500 𝑚𝐴)()

2 = 0.785 A

1.6. REGULADOR DE VOLTAJE VARÍABLE.

Para el caso de los reguladores de voltaje variables, el fabricante establece un rango

de voltaje de entrada al mismo de: 3 VCD 40, sin embargo adicional a esta

consideración también debemos tomar en cuenta que el rango de voltaje que podemos

obtener cuando empleamos un regulador de este tipo

FABRICANTE

1.2 V 37 (Salida). IADJ = 50 µA – 100 µA IREF = 3.5 mA – 10 mA Con los datos proporcionados por el fabricante, es necesario determinar el valor de la

resistencia variable, así como de la resistencia fija, para ello se debe hacer la

consideración de que R2=0 (resistencia variable) y determinar el valor de R1 (resistencia

fija)

Cuando R2 = 0

Vsal = VR1 + VR2 Vsal = VR1 = VREF = 1.2 V VR1 = 1.2 V = R1 IREF

Proponemos

R1 = 1.2 𝑉

5 𝑚𝐴 = 240 Ω

VALORES COMERCIALES INMEDIATOS = 270 Ω (4.4 mA), 220 Ω (5.45 mA)

Se requiere Vsal = 16 V

Vsal = VR1 + VR2 Vsal = R1 IREF + I2 R2 Vsal = R1 IREF + (IADJ + IREF) R2

Se propone IADJ = 60 µA R2 = 16𝑉−(220𝛺)(5.45𝑚𝐴)

60µ𝐴+5.45 𝑚𝐴 = 2686 Ω

VALORES COMERCIALES INMEDIATOS = 2.7 KΩ, 2.2 KΩ

BAJA EL VOLTAJE DE

120V A 12V

ENTREGA SOLO UNA

PARTE DE LOS

CICLOS QUE ENTRAN

POSITIVA O

NEGATIVA

1.7. FUENTES DE ALÍMENTACÍO N

Hoy en día los equipos electrónicos, en su mayoría, funcionan con corriente continua,

así, el dispositivo que convierte la corriente alterna a corriente continua, en los niveles

requeridos por el circuito electrónico a alimentar, se llama fuente de alimentación.

TIPOS DE FUENTES REGULADAS

FUENTES

En la siguiente figura se muestran los bloques que conforman una fuente de voltaje

regulada.

VOLTAJE

NEGATIVAS

FIJAS

VARIABLES

CORRIENTE

FIJAS

VARIABLES

POSITIVAS

NEGATIVAS

POSITIVAS

120V

12V

TRANSFORMADOR RECTIFICADOR FILTRO REGULADOR CARGA (CIRCUITOS

ELECTRONICOS)

ONDA COMPLETA

RECTIFICACION ½ ONDA

TRANSFORMA LA

SEÑAL SENOIDAL

EN UNA

CORRIENTE

DIRECTA

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica

Laboratorio de Electrónica

Práctica 1: Características de los diodos.

OBJETIVO:

1.- Analizar el voltaje de unión de diodos de uso común.

2.- Analizar la curva característica de los diodos más empleados comúnmente en

electrónica.

RESUMEN TEÓRICO:

Investigar el valor del voltaje de umbral en los diodos, la curva característica, polarización directa y polarización inversa.

Material: 1 Tablilla de experimentación (Protoboard). 2 Diodos 1N4003. 2 Diodos 1N4148. 2 Leds rojos. 2 Leds verdes. 2 Leds anaranjados. 2 Leds infrarrojos.

1 potenciómetro de 10 k .

Equipo: 2 Multímetros digitales.

DESARROLLO TEÓRICO

1. Realizar la simulación en PSPICE del circuito de la Fig. 3 y obtener:

a. La gráfica de corriente contra voltaje para cada uno de los diodos empleados en esta práctica

b. Los voltajes de umbral para cada diodo

DESARROLLO PRÁCTICO:

1. Voltaje de unión del diodo. a. Mida el voltaje en polarización directa de los diferentes diodos con un

multímetro en la opción de diodo, como se muestra en la figura 1, anote los resultados en la tabla.

FIGURA 1

b. A continuación mida el voltaje en polarización inversa de los diodos empleados en la práctica con un Multímetro en la opción de diodo de la manera que se muestra en la figura 2 y anótelos en la tabla correspondiente.

Tipo de Diodo Voltaje del diodo

1N4003

1N4148

LED Rojo

LED Verde

LED Anaranjado

LED Infrarrojo

FIGURA 2

Tipo de Diodo Voltaje del diodo

1N4003

1N4148

LED Rojo

LED Verde

LED Anaranjado

LED Infrarrojo

2. Curva Característica del Diodo

a. Arme el siguiente circuito con los diferentes diodos empleados en la práctica y varié el voltaje aplicado al diodo de 0.2 en 0.2 desde 0 hasta 2 volts y regístrelos en la tabla, posteriormente grafique la corriente del diodo con respecto al voltaje para cada uno de los diodos empleados.

FIGURA 3

Voltaje del

diodo

Corriente del Diodo

1N4003 1N4148 LED Rojo

LED Verde

LED Anaranjado

LED

Infrarrojo

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

c. Realizar en papel milimétrico las gráficas para cada uno de los diodos de la

tabla anterior.

ANÁLISIS TEORICO Y SIMULADO

Realizar el análisis teórico y la simulación en Pspice de todos los circuitos armados en

la presente práctica.

CUESTIONARIO

1.- Explique la función de un diodo

2.- ¿Qué representa el voltaje de umbral de un diodo?

3.- Mencione algunas de las aplicaciones más importantes de los diodos

4.- ¿Cuál es la diferencia entre un diodo emisor de luz LED y un diodo convencional?

5.- ¿De qué depende el tono de luz que emite un LED?

OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES.

Compare los datos obtenidos en los experimentos y lo visto en teoría, y dé sus conclusiones de forma individual.




Práctica 2: Rectificadores

OBJETIVO

1.-Analizar el funcionamiento y operación de un transformador con derivación central

2.-Analizar el funcionamiento de los diferentes rectificadores con diodos.

3.-Analizar el comportamiento de los diferentes rectificadores con filtro de integración.

RESUMEN TEÓRICO:

Investigar el comportamiento de los rectificadores con diferentes arreglos.

Material: 1 Tablilla de experimentación (protoboard) 4 Diodos 1N4003 1 Transformador de 24V a 1A con derivación central 1 Cinta de aislar 1 Clavija Resistencias:

1 100 a 10W

1 47 a 20W

1 33 a 30W

1 22 a 25W Capacitores Electrolíticos

1 470F a 50V

1 2200F a 50V Alambres para conexión.

Equipo: Osciloscopio. Multímetro. Puntas BNC-Caimán para osciloscopio Puntas caimán caimán

DESARROLLO PRÁCTICO

PARTE 1

I) Transformador

Armar el circuito mostrado en la Figura 1:

FIGURA 1

1. Coloque una resistencia de carga de 100. 2. Conecte el multímetro en las terminales 1 y 2 del circuito, y mida el voltaje de C.A.

1. Ve= _________

3. Coloque una resistencia de carga 47. 4. Conecte el multímetro en las terminales 1 y 2 el circuito y mida el voltaje de C.A.

2. Ve= _________

5. Repita las mediciones con las resistencias de: 33 y 22, anote los resultados obtenidos.

II) RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA

Arme el siguiente circuito.

1. Para el circuito anterior coloque una resistencia de 100 como resistencia de carga RL.

2. Conecte el multímetro en las terminales 2 y 3 del circuito y mida el voltaje de CD, registre las siguientes lecturas:

V0 = ___________ y calcular I0 = __________

3. Posteriormente coloque el canal 1 del osciloscopio en las terminales 1 y 3 y el canal 2 en los puntos 2 y 3. Dibuje las señales que observa.

____V/div canal 1 ____V/div canal 2

____mseg/div

4. De las gráficas anteriores indique el voltaje pico del transformador de la señal del canal 1 y el voltaje pico menos el voltaje del diodo del canal 2.

VP = _________ VP – Vbi = _________

III) Rectificador de media onda con filtro de integración

Arme el siguiente circuito:

1. Para el circuito anterior coloque la resistencia de 100 como resistencia de carga RL.

2. Conecte el multímetro en las terminales 1 y 2 del circuito y mida el voltaje de CD, registre las siguientes lecturas:

V0 = ___________ y calcular I0 = __________

3. Posteriormente coloque el canal 1 del osciloscopio en las terminales 1 y 2 en la opción de AC y dibuje la señal que observa.

____V/div canal 1

____mseg/div

4. Obtener el voltaje de rizo de la señal de salida.

V0 = _________

5. Ahora coloque una resistencia de carga de 100 y el capacitor de 2200F.

6. Conecte el multímetro en las terminales 1 y 2 del circuito y mida el voltaje de CD. V0 = ___________ y calcular I0 = __________

7. Posteriormente coloque el canal 1 del osciloscopio en las terminales 1 y 2 en la opción de AC.

Dibujar el canal 1.

____V/div canal 1 ____mseg/div


V0 = _________

9. Ahora coloque una resistencia de carga 47 y el capacitor de 470F.



Dibujar el canal 1.

____V/div canal 1 ____mseg/div


V0 = _________


14. Conecte el multímetro en las terminales 1 y 2 del circuito y mida el voltaje a CD. V0 = ___________ y calcular I0 = __________


Dibujar el canal 1.

____V/div canal 1

____mseg/div


V0 = _________

PARTE 2

I) Rectificador de onda completa con dos diodos


1. Coloque una resistencia de carga de 100.


3. Posteriormente coloque el canal 1 del osciloscopio en las terminales 1 y 3 y el canal 2 en los puntos 2 y 3.

Dibujar ambos canales.


____mseg/div

4. Obtener el voltaje pico del transformador de la señal del canal 1. VP = _________

5. Obtener el voltaje pico menos el voltaje del diodo del canal 2. VP – Vbi = _________

II) Rectificador de onda completa con dos diodos con filtro de integración


1. Coloque una resistencia de carga de 100 y el capacitor de 470F


3. Posteriormente coloque el canal 1 del osciloscopio en las terminales 1 y 2 en la opción de AC

____V/div canal 1

____mseg/div


V0 = _________

Dibujar el canal 1.


6. Conecte el multímetro en las terminales 1 y 2 del circuito y mida el voltaje de CD.

V0 = ___________ y calcular I0 = __________


Dibujar el canal 1.

____V/div canal 1

____mseg/div


V0 = _________

9. Ahora coloque una resistencia de carga de 47 y el capacitor de 470F



Dibujar el canal 1.

____V/div canal 1

____mseg/div


V0 = _________




Dibujar el canal 1.

____V/div canal 1

____mseg/div


V0 = _________

IV) Rectificador de onda completa tipo puente.


1. Coloque una resistencia de carga de 100.


3. Posteriormente coloque el canal 1 del osciloscopio en las terminales 1 y 2 dibuje la señal y desconecte el canal 1 posteriormente conecta el canal 2 en los puntos 3 y 4 y dibuja la señal.


____mseg/div

4. Obtener el voltaje pico del transformador de la señal del canal 1. VP = _________

5. Obtener el voltaje pico menos el voltaje del diodo del canal 2. VP – 2Vbi = _________

V) Rectificador de onda completa tipo puente con filtro de integración


1. Coloque una resistencia de carga de 100 y un capacitor de 470F



Dibujar el canal 1.

____V/div canal 1

____mseg/div


V0 = _________



7. Posteriormente coloque el canal 1 del osciloscopio en las terminales 1 y 2 en la opción de AC

Dibujar el canal 1.

____V/div canal 1

____mseg/div


V0 = _________


10. Conecte el multimetro en las terminales 1 y 2 del circuito y mida el voltaje de CD. V0 = ___________ y calcular I0 = __________


Dibujar el canal 1.

____V/div canal 1


V0 = _________




Dibujar el canal 1.

____V/div canal 1

____mseg/div


V0 = _________

ANÁLISIS TEORICO.

Realizar el análisis teórico de todos los circuitos anteriores:

Rectificador de media onda.

Rectificador de media onda con filtro de integración

Rectificador de onda completa con dos diodos

Rectificador de onda completa con dos diodos con filtro de integración

Rectificador de onda completa tipo puente

Rectificador de onda completa tipo puente con filtro de integración.

Con sus respectivos cambios de resistencias y capacitores.

ANÁLISIS SIMULADO

Realizar el análisis simulado en el Pspice de todos los circuitos anteriores:

Rectificador de media onda.

Rectificador de media onda con filtro de integración

Rectificador de onda completa con dos diodos

Rectificador de onda completa con dos diodos con filtro de integración

Rectificador de onda completa tipo puente

Rectificador de onda completa tipo puente con filtro de integración.

Con sus respectivos cambios de resistencias y capacitores.

CUESTIONARIO

1.- Explique la importancia de los rectificadores

2.- Mencione las diferencias entre un rectificador de media onda y uno de onda

completa

3.- Indique las ventajas que presenta el rectificador de onda completa tipo puente con

respecto al de dos diodos.

4.- ¿Qué diferencias existen entre el voltaje de salida del transformador medido con un

multímetro y con un osciloscopio?

5.- ¿Qué sucede con la corriente y con el voltaje de un transformador si éste tiene

derivación central?

OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES

Dar las conclusiones al realizar los experimentos y el análisis teórico de los circuitos

anteriores (conclusiones individuales).




Práctica 3: Fuente de alimentación regulada.

OBJETIVO:

Diseñar fuentes de voltaje de CD reguladas basadas en reguladores de voltaje en forma de C.I.

RESUMEN TEÓRICO:

Investigar los tipos y características principales de circuitos integrados que actúan como reguladores de voltaje.

Material: 1 Tablilla de experimentación (protoboard) 1 Regulador LM317 y un LM337. 1 Regulador 7812. 1 Transformador 24V a 1A con derivación central. 1 Puente de diodos a 2A. 4 Diodos 1N4001 a 1A. 1 Cable Pot Cal No 14 (1 metro). 1 Clavija. Resistencias:

2-220 a 0.5W.

2-22 a 10W.

1-1k a 0.5W.

1-10k a 0.5W.

1-100k a 0.5W.

2-Potenciómetros de 5k.

1-Potenciómetro de 1M. Capacitores (de cerámica):

2-0.1F a 35Volts. Capacitores (electrolíticos):

2-10F a 25Volts.

1-100F a 25Volts.

1-1000F a 25Volts.

2-2200F a 25Volts. Alambres para conexión.

Equipo: 2 Multímetros. Osciloscopio. Caimanes.

DESARROLLO PRÁCTICO:

I) Fuente de voltaje positiva fija con el 7812.

a. Armar el circuito de la Fig. 1 (antes de entrar al laboratorio). b. Determinar experimentalmente (utilizar el osciloscopio) el voltaje de rizo pico-pico

en el nodo 1 y el nivel de CD para una RL=22 (10W). Efectuar las mediciones del

voltaje de rizo usando los filtros C=100F, C=1000F y C=2200F. c. Medir el voltaje de salida y la corriente de carga (utilizar el multímetro) para cada

valor del capacitor utilizado en el inciso b.

d. Sustituir RL por las resistencias de 1k, 10k, 100k, mida el voltaje de salida y

la corriente con ayuda del multímetro para C=2200F. e. Mediante cálculos matemáticos justifique los valores de los elementos empleados

en la fuente del circuito de la Fig. 1, la cual se diseñó para un VRL=12Volts y una corriente IRL=500mA.

f. Simule mediante el PSPICE el circuito de la Fig. 1.

FIGURA 1

II) Fuente de voltaje positivo variable con el LM317.

a. Armar el circuito de la Fig. 2 (antes de entrar al laboratorio). b. Varié el potenciómetro R2, y determine el voltaje mínimo y máximo de la fuente

sin resistencia de carga. c. Varié el potenciómetro R2, y determine el voltaje mínimo y máximo de la fuente

con resistencia de carga.

d. Ajuste VCDRL a 10Volts; conecte un potenciómetro de 1M a la salida y varíe su resistencia, al mismo tiempo tome las lecturas de la IRL y del VRL.

e. Del inciso anterior desconecte de la salida la resistencia de carga y el

potenciómetro de 1M, ajuste mediante el potenciómetro R2 al máximo voltaje de salida y determina la máxima corriente de salida (para esto realice un corto circuito momentáneo entre las terminales de salida).

FIGURA 2

III) Fuente de voltaje positivo variable simétrica con el LM317 y el LM337.

a. Armar el circuito de la Fig. 3 (antes de entrar al laboratorio). b. Varíe el potenciómetro R2, y determine el voltaje mínimo y máximo de las

fuentes sin resistencia de carga. c. Varíe el potenciómetro R2, y determine el voltaje mínimo y máximo de las

fuentes con resistencia de carga. d. Desconecte de la salida la resistencia de carga y ajuste mediante el

potenciómetro R2 al voltaje de salida máximo y determine la máxima corriente de salida (para esto realice un corto circuito momentáneo entre las terminales de salida).

FIGURA 3




CUESTIONARIO

1.- ¿Cuáles son elementos básicos que se requieren para construir una fuente de voltaje regulada?

2.- ¿Qué tipos de fuentes reguladas existen?

3.- Explique la función que realizan cada uno de los elementos empleados en la fuente de voltaje positiva variable?

4.- ¿Qué parámetros se deben definir para realizar el diseño de una fuente?

5.- ¿Cómo se miden los parámetros máximos de voltaje y corriente que entrega una fuente?

6.- ¿Cómo eliges un regulador de voltaje apropiado para el diseño de una fuente?




UNÍDAD ÍÍ TRANSÍSTORES


El alumno explicará los tipos y funcionamiento de los transistores más comunes y los

aplicará en el manejo de cargas similares a las utilizadas en los manipuladores y robots

industriales.

TEMAS

2.1.- Transistor bipolar 2.1.1.- Símbolo eléctrico 2.1.2.- Curva característica 2.1.3.- Gráfica de Av (ganancia de voltaje) 2.1.4.- Etapas de diseño del amplificador 2.2.- Polarización

2.2.1.- Determinar la región de operación 2.2.2.- Ejercicios de repaso 2.2.3.- Otro método de polarización 2.2.4.- Circuito general de polarización 2.3.- El transistor como conmutador Práctica 4: Amplificador bipolar Práctica 5: Control de motores de CD (rotación y velocidad)

2.1. TRANSÍSTORES

2.1.1.- TRANSISTORES BIPOLARES Los transistores son semiconductores que constan de 3 terminales: emisor, colector y base. Aquí se presentan algunas imágenes de transistores.

2.1.2.-SÍMBOLO ELÉCTRICO

Existen dos tipos de configuraciones para los BJT, según su composición:

PNP

NPN

E C E C

En el transistor tipo NPN la flecha que indica el sentido de la corriente sale hacia fuera

(la corriente va de colector a emisor) mientras que en el transistor PNP la flecha entra

(la corriente va de emisor a colector).

Dónde:

E = Emisor

B = Base

C = Colector

P N P

B

N P N

B

2.1.3.-CURVA CARACTERÍSTICA

CURVA DE ENTRADA

CURVA DE SALIDA

IC

VBE

Vu

Dónde:

IB = corriente de base

VBE = Voltaje entre B-E

IB3

IB2

IB1

IB0

Dónde:

IC = Corriente del colector

VCE = Voltaje entre C-E

IB = Corriente de la base

IC

VCE

2.1.4.- GRÁFICA DE GANANCIA DE VOLTAJE (AV)

Dónde:

Fcb = Frecuencia de corte baja

Fca = Frecuencia de corte alta

Deduciéndose de esta manera la ecuación para calcular la ganancia de voltaje

AV = 𝑉𝑠𝑎𝑙

𝑉𝑒𝑛𝑡

2.1.5.- ETAPAS DE DISEÑO DEL AMPLIFICADOR

Diseñar a C.D. y ubicar el transistor en la región de amplificación o región activa.

Diseñar a C.A y bajas frecuencias.

Diseñar a C.A y altas frecuencias.

Transistor en corte o en saturación

El funcionamiento del transistor depende de la cantidad de corriente que pasa por su

base. Cuando no pasa corriente por la base, no puede pasar tampoco por sus otras

terminales; se dice entonces que el transistor está en corte, es como si se tratara de un

interruptor abierto.

El transistor está en saturación cuando la corriente en la base es muy alta; en ese caso

se permite la circulación de corriente entre el colector y el emisor y el transistor se

comporta como si fuera un interruptor cerrado. El transistor trabaja en conmutación

cuando puede pasar de corte a saturación según la cantidad de corriente que reciba

por la base.

2.2.- POLARIZACIÓN

La polarización es la manipulación del transistor y sus componentes en un circuito para

localizarlo en la región de trabajo deseado, tomando en cuenta los datos del transistor

dados en su hoja de datos.

Parámetros del fabricante:

β (hfe)

IC = β IB

VBE = 0.2 - 0.3V Ge

0.6 – 0.7V Si

2.2.1.- DETERMINAR LA REGIÓN DE OPERACION

SATURACION CORTE AMPLIFICACION

B – E Polarización directa Polarización inversa Polarización directa

B – C Polarización directa Polarización inversa Polarización inversa

CARACTERISTICAS DE I Y V

I altas y V bajos I bajas y V altos I medias y V medias

Tabla de referencia para localización de región de trabajo

El transistor cuenta con una ganancia de fabricación β (hfe), esta depende del modelo

y fabricante del transistor y este dado se encuentra en la hoja de especificaciones del

mismo.

Ecuaciones del circuito

VCC = RBIB + VBE + REIE…. (1) IE = IB + IC… (3)

VCC = RCIC + VCE + REIE..... (2) IE = IB + (β+1)IB… (4)

IC = βIB… (5)

Método de polarización

a) Dividir Vcc entre el número de caídas de voltaje existentes en la salida.

Tomando en cuenta lo anterior pueden deducirse las siguientes

ecuaciones.

𝑅𝐶 =𝑉𝑅𝐶

𝐼𝐶 … (6)

𝑅𝐸 =𝑉𝑅𝐸

𝐼𝐸 … (7)

b) Calcular el valor de IB con la siguiente ecuación.

𝐼𝐵 =𝐼𝐶

𝛽 … (8)

c) De la ecuación 1 se despeja el valor de RB.

𝑅𝐵 = 𝑉𝐶𝐶−𝑉𝐵𝐸−𝑅𝐸𝐼𝐸

𝐼𝐵 … (9)

2.2.2.- EJERCICIOS DE REPASO

EJEMPLO 1:

Polarizar el siguiente circuito con las características VCC = 18 V, β = 200, VBE = 0.7 V, Ic =

10mA y determine la región de operación del transistor.

VC = 12V

VE = 6V

VB = 6.7V

VRC = VCE = VRE Entonces 𝑉𝐶𝐶

3 =

18 𝑉

3 VRC = VCE = VRE = 6V


𝐼𝐶=

6𝑉

10𝑚𝐴 𝑅𝐶 = 600 Ω

IC = βIB 𝐼𝐵 =𝐼𝐶

𝛽=

10𝑚𝐴

200 𝐼𝐵 = 50µ𝐴

IE = IB+ (β+1) IE = 50µ𝐴+ (201) IE = 10.05𝑚𝐴


𝐼𝐸=

6𝑉

10.05𝑚𝐴 𝑅𝐸 = 595 Ω


𝐼𝐵 𝑅𝐵 =

18 𝑉−0.7 𝑉−(560Ω )(10.05𝑚𝐴)

50µ𝐴

𝑅𝐵 = 233.3𝐾Ω

Con la ecuación 2 se obtienen los puntos para trazar la recta de

Carga:

VCC = RCIC + VCE + REIE

1) IC =0 VCE = ? VCE = VCC = 18 V (18,0)

2) IC = ? VCE = 0 𝐼𝐶 =𝑉𝐶𝐶

𝑅𝐶+𝑅𝐵=

18𝑉

560 Ω+560 Ω

IC = 16𝑚𝐴 (0,16)

680 Ω

560 Ω

680 Ω

270 K Ω

220 KΩ

560 Ω

2.2.3.- OTRO MÉTODO DE POLARIZACIÓN

EJEMPLO 2:

El siguiente método es una forma alterna de polarizar un transistor.

a) Se asigna 𝑉𝐶𝐸 = 𝑉𝐶𝐶

2 y se distribuye entre el voltaje restante entre VRE y VRC

Vcc = 18 V

IC

RC

RE

RB

IE

IB

𝑉𝐶𝐸 = 18 𝑉

2 𝑉𝐶𝐸 = 9 𝑉 VRE = 6V VRC = 3V


𝐼𝐸=

6𝑉

10.05𝑚𝐴 𝑅𝐸 = 597.01 Ω


𝐼𝐶=

3𝑉

10.05𝑚𝐴 𝑅𝐶 = 300 Ω

b) se escribe la ecuación 1 y se despeja RB


𝐼𝐵 𝑅𝐵 =

18 𝑉−0.7 𝑉−(560Ω )(10.05𝑚𝐴)

50µ𝐴

𝑅𝐵 = 233.3𝐾Ω

IC = βIB entonces:

𝐼𝐵 =𝐼𝐶

𝛽=

10𝑚𝐴

200 𝐼𝐵 = 50µ𝐴

680Ω

560 Ω

330 Ω

270 Ω

270 Ω

220 Ω

EJEMPLO 3:

Determinar los voltajes y corrientes del siguiente circuito e indicar la región de

operación.

Vcc = 9 V

IC

RC= 1KΩ

RE= 680Ω

RB= 10KΩ

IE

IB

5 V

VCC = RCIC + VCE + REIE…. (1)

5V = RBIB + VBE + REIE…. (2)

5V = RBIB + VBE + RE(β+1)IB

5V = IB(RB+RE(β+1) + VBE y despejando IB

𝐼𝐵 =5𝑉−0.7 𝑉

10𝐾𝛺+680𝛺 (151) 𝐼𝐵 = 38.16 µ𝐴

IC = βIB IC = (150)(38.16 µA) IC = 5.7 mA

IE = IB+ (β+1) IE = (38.16µA)(151) IE = 5.76 mA

VE = VRE = REIE VE = (680Ω)(5.76 mA) VE = VRE = 3.91V

VRC = RCIC VRC = (1KΩ)(5.7 mA) VRC = 5.7V

Usando ecuación (1)

VCC = VRC + VCE + VRE VCE = 9V − 5.7 V − 3.91V VCE = -0.61V

VC = VCE + VRE VC = -0.61V + 3.91V VC =3.3V

VB = VBE + VRE VB = 0.7V + 3.91V VB = 4.6V

Β = 150

VBE = 0.7 V

B

4.6 V

E 3.91 V

C

3.3V

SATURACION

EJEMPLO 4:

Determinar los voltajes y corrientes del siguiente circuito e indicar la región de

operación.

Vcc = 6 V

IC

RC= 2.2KΩ

RE= 1KΩ

RB= 220KΩ

IE

IB

5 V

VCC = RCIC + VCE + REIE…. (1)

5V = RBIB + VBE + REIE…. (2)

5V = RBIB + VBE + RE(β+1)IB

5V = IB(RB+RE(β+1) + VBE y despejando IB

𝐼𝐵 =5𝑉−0.7 𝑉

220𝐾𝛺+1𝐾𝛺 (151) 𝐼𝐵 = 11.59 𝜇𝐴

IC = βIB IC = (150)(11.59μA) IC = 1.73 mA

IE = IB+ (β+1) IE = (11.59μA)(151) IE = 1.75 mA

VE = VRE = REIE VE = (1KΩ)(1.75 mA) VE = VRE = 1.75 V

VRC = RCIC VRC = (2.2KΩ)(1.73 mA) VRC = 3.80 V

Usando ecuación (1)

VCC = VRC + VCE + VRE VCE = 6V – 3.8 V – 1.75 V VCE = 0.45 V

VC = VCE + VRE VC = 0.45 V + 1.75 V VC = 2.2 V

VB = VBE + VRE VB = 0.7V + 1.75 V VB = 2.45 V

β = 150

VBE = 0.7 V

B 2.45 V

E

1.75 V

C

2.2 V

SATURACION

2.2.4.- CIRCUITO GENERAL DE POLARIZACIÓN.

𝑅𝑡ℎ = 𝑅𝐵 =𝑅1

𝑅2=

𝑅1 ∗ 𝑅2

𝑅1 + 𝑅2− − − − − − − (1)

𝑉𝑡ℎ = 𝑉𝐵 =𝑅2 ∗ 𝑉𝐶𝐶

𝑅1 + 𝑅2− − − − − − − − − (2)

De (2)

𝑅2

𝑅1 + 𝑅2=

𝑉𝐵

𝑉𝐶𝐶− − − − − − − − − − − (3)

Sustituir (3) en (1)

𝑅𝐵 =𝑅1∗𝑅2

𝑅1+𝑅2=

𝑅1∗𝑉𝐵

𝑉𝐶𝐶

𝑅1 =𝑅𝐵 ∗ 𝑉𝐶𝐶

𝑉𝐵

Sustituyendo R1 en (3)

𝑅2

𝑅𝐵 ∗ 𝑉𝐶𝐶

𝑉𝐵+ 𝑅2

=𝑉𝐵

𝑉𝐶𝐶

𝑅2 = 𝑅𝐵 +𝑅2 ∗ 𝑉𝐵

𝑉𝐶𝐶

𝑅𝐵 = 𝑅2 −𝑅2 ∗ 𝑉𝐵

𝑉𝐶𝐶= 𝑅2(1 −

𝑉𝐵

𝑉𝐶𝐶)

𝑅2 =𝑅𝐵

(1 −𝑉𝐵

𝑉𝐶𝐶)

=𝑅𝐵 ∗ 𝑉𝐶𝐶

𝑉𝐶𝐶 − 𝑉𝐵

2.3. EL TRANSÍSTOR COMO

CONMUTADOR.

a) Si V < 0.7V

Unión B-E = Polarización inversamente

Unión B-C = Polarización inversamente

𝐼𝐵 = 0 𝐼𝐶 = 0

El Transistor está en la región de corte

b) Si V > 0.7 V

Unión B-E = Polarización directa

Unión B-C = Polarización directa

El transistor está en la Región de saturación

Diseñar un arreglo con BJT que permita activar un relay con la señal de salida de una

compuerta, considerar los siguientes datos:

NAND RELAY

VoH = 2.7V Vl = 12V

VoH = 0.5V Vs = 250V

IoH = -1mA IL = 50mA

Io = 20mA Ismax =2A

Sí consideramos que el voltaje de

salida en estado bajo es:

𝑉𝑂𝐿 = 0.5𝑉

El transistor está en la Región de corte.

𝑅𝐶 =12𝑉

50𝑚𝐴= 240Ω

𝑉𝐶𝐶 = 𝑅𝑐 ∗ 𝐼𝑐 + 𝑉𝑐𝑒𝑠𝑎𝑙

𝐼𝐶 =𝑉𝑐𝑐 − 𝑉𝑐𝑒𝑠𝑎𝑙

𝑅𝑐

𝐼𝐶 =12𝑉 − 0.3𝑉

240Ω= 48.75𝑚𝐴

𝐼𝐵 =𝐼𝑐

𝐵

𝑉𝑂𝐻 = 𝑅𝐵 ∗ 𝐼𝐵 + 𝑉𝐵𝐸

𝑅𝐵 =𝑉𝑂𝐻−𝑉𝐵𝐸

𝐼𝐵=

2.7𝑉−0.7𝑉48.75𝑚𝐴

100

= 4.1kΩ

𝑉𝑂𝐻 = 𝑅𝐵 ∗ 𝐼𝐵 + 𝑉𝐵𝐸

𝐼𝐵 =𝑉𝑂𝐻 − 𝑉𝐵𝐸

𝑅𝐵=

2.7𝑉 − 0.7𝑉

3.9𝑘Ω= 512µ𝐴

𝑉𝐿 = 12𝑉

𝐼𝐿 = 250𝑚𝐴

𝑅𝑐 =12𝑉

250𝑚𝐴= 48Ω

𝐼𝐶 =𝑉𝐶𝐶 − 𝑉𝐶 ∗ 𝐸𝑠𝑎𝑙

𝑅𝑐=

12𝑉 − 0.3𝑉

48= 243.75𝑚𝐴

𝑅𝐵 =𝑉𝑂𝐻−𝑉𝐵𝐸

𝐼𝐵=

2.7𝑉−0.7𝑉243.75𝑚𝐴

300

= 2.46kΩ2.2kΩ

𝐼𝐵 =𝑉𝑂𝐻 − 𝑉𝐵𝐸

𝑅𝐵=

2.7𝑉 − 0.7𝑉

2.2𝑘Ω= 909µ𝐴




Práctica 4: Amplificador bipolar.

OBJETIVO:

1. Polarizar adecuadamente un amplificador básico en configuración de emisor común.

2. Verificar el comportamiento a pequeña señal de un amplificador básico en configuración emisor común.

3. Medir experimentalmente la ganancia de corriente .

Resumen Teórico:

Investigar el comportamiento de un amplificador básico en configuración de emisor común.

Material: 1 Tablilla de experimentación (protoboard) 1 Transistor NPN (2N2222). Resistencias (a ½ W):

1-120k.

1-18k.

2-5.6k.

1-0.56k. Capacitores (de cerámica):

1-0.1F.

1-0.47F. Capacitores (electrolíticos):

1-100F. Alambres para conexión.

Equipo: Osciloscopio. Multímetro. Generador de funciones. Fuente de voltaje de CD. Tablilla de ensamble. Caimanes.

DESARROLLO TEÓRICO

1. Para el circuito de la Fig. 1 calcular su punto de operación Q (análisis de CD; señales de CA=0). Calcular IC, IB, VCE, VB, VE y VC.

2. Análisis a pequeña señal (análisis de CA; fuentes de CD=0), calcular para el circuito de la Fig. 1 su ganancia de voltaje AV y su ganancia Ai.

3. Realizar la simulación en PSPICE del circuito de la Fig.1, y obtener: a. En una sola gráfica: la señal de entrada y la señal de salida, tomando en

cuenta que la señal de entrada es una onda senoidal a 1khz con un voltaje de pico de 50mV Obtenga la ganancia. (análisis transitorio).

b. El ancho de banda en decibeles (análisis en el dominio de la frecuencia).

FIGURA 1

AMPLIFICADOR EMISOR COMÚN


1. Arme el circuito de la Fig.1; aplique la fuente de alimentación y mida los valores: IC, IB, VCE, VB, VE y VC.

2. Obtener el valor práctico del parámetro del transistor. 3. Ajuste la salida del generador para obtener una señal senoidal de 50mVp a una

frecuencia de 1khz. 4. Conecte la salida del generador a la entrada del amplificador y con el

osciloscopio observe las señales de entrada Vi y de salida Vo simultáneamente, grafique las señales observadas y calcule la ganancia.

AV=Vo/Vi

____V/div canal 1

____V/div canal 2

____mseg/div

5. Desconecte del circuito el capacitor CE y repita el paso anterior. ¿Qué sucede con la ganancia?, ¿por qué?

____V/div canal 1

____V/div canal 2

____mseg/div

6. Coloque nuevamente el CE y aplique a la entrada del amplificador una señal del

tipo senoidal de 50 mVp de amplitud y varíe la frecuencia de la señal de entrada,

realice una tabla registrando la amplitud de la señal de entrada, la frecuencia de

dicha señal y la amplitud de la señal de salida, realice la gráfica correspondiente

de Av contra frecuencia.




CUESTIONARIO

1.- Mencione la importancia de polarizar adecuadamente un transistor

2.- ¿Cuáles son las características de un amplificador en la configuración emisor común?

3.- Explique la forma en la que se puede variar la ganancia en un amplificador emisor común?

4.- ¿Qué función cumple el capacitor que se encuentra en paralelo con la resistencia del emisor?

5.- ¿Qué información proporciona la gráfica de Av contra frecuencia?

6.- ¿Qué parámetros se deben establecer para el diseño de un amplificador?







Práctica 5: Control de motores de CD (rotación y velocidad).

OBJETIVO:

1. Controlar la rotación de un motor.

RESUMEN TEÓRICO:

Investigar las características principales del funcionamiento de los motores de CD.

Material: 1 Tablilla de experimentación (protoboard) 1 Motor D.C. de 6V. 1 Motor D.C. de 12V. Resistencias:

4- 1.2k.

2- 1k. 1 TIP 31. 1 TIP 32. 4 TIP 41. Alambres para conexión.

Equipo: Osciloscopio. Multímetro. Generador de funciones. Fuente de voltaje de CD. Caimanes.

DESARROLLO TEÒRICO

1. Para el circuito de la Fig. 1 y Fig. 2 determine los valores de las corrientes y voltajes presentes en todas las terminales de los transistores.

2. Establezca con los valores medidos en el punto anterior las regiones de operación de cada transistor empleado en los experimentos 1 y 2.

3. Realice la simulación en PSPICE de los circuitos de la Fig. 1 y Fig. 2.


EXPERIMENTO 1

1. Armar el circuito mostrado en la Fig. 1.

FIGURA 1

2. Introduzca a la entrada una señal cuadrada de +/-5V mediante el generador de funciones. Varíe la frecuencia de la señal de entrada y registre los cambios que presenta el motor.

EXPERIMENTO 2

1. Armar el circuito mostrado en la Fig. 2.

FIGURA 2

2. Introduzca en las entradas las combinaciones que se muestran en la siguiente tabla y registre los resultados que se presentan en cada caso.

3. Repita el paso anterior colocando a cada una de las entradas del circuito un generador, considere que la frecuencia de la señal de la entrada A debe ser la mitad de la frecuencia de la señal que se aplica a la entrada B, incremente ambas frecuencias manteniendo la relación 2 a 1, registre lo observado.

CUESTIONARIO

1.- Explique la operación de los circuitos que se emplean para controlar la rotación de un motor, empleados en esta práctica

2.- En base a las características de los transistores indique cual es la máxima corriente que puede entregar cada uno de los circuitos de esta práctica

3.- Indique el nombre que recibe el arreglo de la Fig. 1 y la Fig. 2.

OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES

Compare los datos obtenidos en los experimentos y lo visto en teoría, y dé sus conclusiones de forma individual.

A B ROTACIÓN DEL MOTOR

0 0

0 1

1 0

1 1

UNÍDAD ÍÍÍ

TÍRÍSTORES


El alumno explicará los elementos que se emplean en la electrónica de potencia para el

control de motores dispositivos del control y operación de manipuladores y robots.

TEMAS

3.1.- Tiristores 3.1.1.-Definición 3.1.2.- Funcionamiento básico 3.1.3.- Ventajas 3.1.4.- Desventajas 3.2.- Tipos de Tiristores

3.3.- Aplicaciones 3.4.- Formas de activar un tiristor 3.5.- SCR 3.5.1.- Operación 3.6.- DIAC 3.6.1.-Operación 3.7.- TRIAC 3.7.1.- Operación 3.8.- Ciclo de Histéresis 3.9.- Arreglo de RC para protección del TRIAC

3.1. TÍRÍSTORES

3.1.1.- DEFINICIÓN

Los tiristores son una familia de dispositivos semiconductores de varias capas que

presentan una acción de conmutación biestable, debido a su inherente realimentación

regenerativa. Los materiales de los que se componen son de tipo semiconductor, es

decir, dependiendo de la temperatura a la que se encuentren pueden funcionar como

aislantes o como conductores. En su gran mayoría son

dispositivos unidireccionales porque solamente

transmiten la corriente en un único sentido aunque

existen combinaciones de ellos en dos sentidos

distintos. Se emplea generalmente para el control de

potencia eléctrica.

El dispositivo consta de un ánodo y un cátodo, donde

las uniones son de tipo PNPN entre los mismos. Por tanto se puede modelar como 2

transistores típicos PNP y NPN, por eso se dice también que el tiristor funciona con

tensión realimentada. Se crean así 3 uniones (denominadas J1, J2, J3

respectivamente), el terminal de puerta está conectado a la unión J2 (unión NP)

3.1.2.- FUNCIONAMIENTO BÁSICO

El tiristor es el equivalente electrónico de los interruptores mecánicos; por tanto, es

capaz de dejar pasar plenamente o bloquear por completo el paso de la corriente sin

tener nivel intermedio alguno, aunque no son capaces de soportar grandes

sobrecargas de corriente. El diseño del tiristor permite que este pase rápidamente a

encendido al recibir un pulso momentáneo de corriente en su terminal de control,

denominada puerta (gate), a medida que aumenta la corriente de puerta se desplaza el

punto de disparo. Para que el dispositivo pase del estado de bloqueo al estado activo,

debe generarse una corriente de enganche positiva en el ánodo, y además debe haber

una pequeña corriente en la compuerta capaz de provocar una ruptura por avalancha

en la unión J2 para hacer que el dispositivo conduzca. Para que el dispositivo siga en el

estado activo se debe inducir desde el ánodo una corriente de sostenimiento, mucho

menor que la de enganche, sin la cual el dispositivo dejaría de conducir.

3.1.3.- VENTAJAS

Dentro de sus principales ventajas se encuentran:

Aptitud para controlar grandes potencias, con una potencia de control mínima.

La especificación de corriente puede llegar hasta los 300A. a los 1200 V.

La velocidad de conmutación es de hasta 100 kHz.

Es muy adecuado para aplicaciones de alta potencia y alta frecuencia

(amplificadores de Audio, de DHF/UHF.

3.1.4.- DESVENTAJAS

La caída de voltaje en estado activo es alta, (típicamente de 90v para un

dispositivo de 180 A y de 18V para uno de 18 A).

Por esa caída se limita su aplicación en conversiones de potencia en general.

3.2. TÍPOS DE TÍRÍSTORES

Dependiendo de la construcción física y del comportamiento de activación y

desactivación, en general los tiristores pueden clasificarse en ocho categorías:

1. Tiristores de control de fase o de conmutación rápida (SCR).

2. Tiristores de desactivación por compuerta (GTO).

3. Tiristores de Triodo bidireccional (TRIAC).

4. Tiristores de conducción inversa (RTC).

5. Tiristores de inducción estática (SITH).

6. Rectificadores controlados por silicio activados por luz (LASCR).

7. Tiristores controlados por FET (FET-CTH).

8. Tiristores controlados por MOS (MCT).

3.3. APLÍCACÍONES

Normalmente son usados en diseños donde hay corrientes o voltajes muy grades,

también son comúnmente usados para controlar corriente alterna donde el cambio de

polaridad de la corriente revierte en la conexión o desconexión del dispositivo.

Se puede decir que el dispositivo opera de forma síncrona cuando, una vez que el

dispositivo está abierto, comienza a conducir corriente en fase con el voltaje aplicado

sobre la unión cátodo-ánodo sin la necesidad de replicación de la modulación de la

puerta.

En este momento el dispositivo tiende de forma completa al estado de encendido. No

se debe confundir con la operación simétrica al estado de encendido en la mayoría

como se mencionó anteriormente es unidireccional y va solamente del cátodo al ánodo,

por tanto en sí misma es asimétrica.

Los tiristores pueden ser usados como elementos de control en controladores

accionados por ángulos de fase, esto es una modulación por ancho de pulsos para

limitar el voltaje en corriente alterna.

En circuitos digitales también se pueden encontrar tiristores como fuente de energía o

potencial, de forma que pueden ser usados como interruptores automáticos magneto-

térmicos, es decir, pueden interrumpir un circuito eléctrico, abriéndolo, cuando la

intensidad que circula por el excede de un determinado valor. De esta forma se

interrumpe la corriente de entrada para evitar que los componentes en la dirección del

flujo de corriente queden dañados.

Se suelen usar para controlar la rectificación en corriente alterna, es decir, para

transformar esta corriente alterna en corriente continua (siendo en este punto los

tiristores onduladores o inversores), para la realización de conmutaciones de baja

potencia en circuitos electrónicos.

Otras aplicaciones comerciales son:

Rectificación de corriente

Carga de baterías

Generación de potencia a distancia

Procesos electroquímicos

Control de velocidad de motores

Máquinas herramientas

Vehículos de tracción

Control de potencia

Radar

Laser de impulsos

Generadores de ultrasonidos

Circuitos lógicos

Multivibradores de potencia

Control de tiempo, contadores

Circuitos de alarma

3.4. FORMAS DE ACTÍVAR UN TÍRÍSTOR

Luz

Si un haz de luz incide en las uniones de un tiristor, hasta llegar al mismo silicio, el

número de pares electrón-hueco aumentará pudiéndose activar el tiristor.

Corriente de Compuerta

Para un tiristor polarizado en directa, la inyección de una corriente de compuerta al

aplicar un voltaje positivo entre compuerta y cátodo lo activará. Si aumenta esta

corriente de compuerta, disminuirá el voltaje de bloqueo directo, revirtiendo en la

activación del dispositivo.

Térmica

Una temperatura muy alta en el tiristor produce el aumento del número de pares

electrón-hueco, por lo que aumentarán las corrientes de fuga, con lo cual al aumentar

la diferencia entre ánodo y cátodo, y gracias a la acción regenerativa, esta corriente

puede llegar a ser 1, y el tiristor puede activarse. Este tipo de activación podría

comprender una fuga térmica, normalmente cuando en un diseño se establece este

método como método de activación, esta fuga tiende a evitarse.

Alto Voltaje

Si el voltaje directo desde el ánodo hacia el cátodo es mayor que el voltaje de ruptura

directo, se creará una corriente de fuga lo suficientemente grande para que se inicie la

activación con retroalimentación. Normalmente este tipo de activación puede dañar el

dispositivo, hasta el punto de destruirlo.

Elevación del voltaje ánodo-cátodo:

Si la velocidad en la elevación de este voltaje es lo suficientemente alta, entonces la

corriente de las uniones puede ser suficiente para activar el tiristor. Este método

también puede dañar el dispositivo.

A continuación se presentan problemas de algunos de los diferentes tipos de Tiristores

así como datos técnicos de cada uno de ellos.

Símbolo

3.5. SCR

Nombre oficial IEC* Tiristor Triodo de Bloqueo Inverso

Nombre común Rectificador Controlado de Silicio

Numero de capas 4, 3 uniones

Numero de terminales 3

Disparo principal

mediante Señal de compuerta

Valores máximos

disponibles 1800 V, 550 A media

Principales aplicaciones

Conversión de potencia sustituyendo a

dispositivos electromecánicos de

control de velocidad de motor, control

de fase de conmutación.

Unidireccional /

Bidireccional Unidireccional

* Comisión Electrónica Internacional (CEI) o IEC por sus siglas en Ingles (International Electro

technical Commission)

Seccion

transversal

Circuito

equivalente

3.5.1.- OPERACIÓN

Tal como su nombre lo sugiere, el SCR es un rectificador controlado o diodo. Su

característica voltaje-corriente, con la compuerta de entrada en circuito abierto, es la

misma que la del diodo PNPN.

Lo que hace al SCR especialmente útil para el control de motores en sus aplicaciones

es que el voltaje de ruptura o de encendido puede ajustarse por medio de una corriente

que fluye hacia su compuerta de entrada. Cuanto mayor sea la corriente de la

compuerta, tanto menor se vuelve VBO. Una vez activado, el dispositivo permanece así

hasta que su corriente caiga por debajo de IH.

Ejemplo:

El SCR siguiente tiene una tención de disparo de 0.75v y una corriente de disparo de 7

mA. ¿Cuál es la tensión de entrada que cierra el SCR? Si la corriente de

mantenimiento es de 6 mA, ¿Cuánto vale la tensión de alimentación que lo abre?

Solución

𝑉𝑖𝑛 = 𝑉𝐺𝑇 + 𝐼𝐺𝑇𝑅𝐺𝑇

𝑉𝑖𝑛 = 0.75𝑣 + (7𝑚𝐴)(1𝑘Ω)

𝑉𝑖𝑛 = 7.75 𝑣

𝑉𝑐𝑐 = 0.75𝑣 + (6𝑚𝐴)(100Ω)

𝑉𝑐𝑐 = 1.35𝑣

3.6. DÍAC

Es un dispositivo semiconductor de dos terminales, llamados ánodo y cátodo. Actúa

como un interruptor bidireccional el cual se activa cuando el voltaje entre sus terminales

alcanza el voltaje de ruptura, dicho voltaje puede estar entre 20 y 36 volts según la

referencia.

Existen dos tipos de DIAC:

1. DIAC de tres capas: Es similar a un transistor bipolar sin conexión de base y con

las regiones de colector y emisor iguales y muy dopadas. El dispositivo

permanece bloqueado hasta que se alcanza la tensión de avalancha en la unión

del colector. Esto inyecta corriente en la base que vuelve el transistor conductor,

produciéndose un efecto regenerativo. Al ser un dispositivo simétrico, funciona

igual en ambas polaridades, intercambiando el emisor y colector sus funciones.

2. DIAC de cuatro capas. Consiste en dos diodos Shockley conectados en

antiparalelo, lo que le da la característica bidireccional.

Sección longitudinal

Símbolo

3.6.1.- OPERACIÓN

Para que un DIAC comience a funcionar, necesitará que se le apliquen entre sus

bornes una tensión determinada, momento después del cual empezará a trabajar. La

tensión mínima necesaria se denomina tensión de disparo. Dicha tensión de disparo

será aproximadamente de 30V.

3.7. TRÍAC

Nombre oficial IEC*

Tiristor Triodo Bidireccional

(Bidirectional Triode Thyristor)

Nombre común TRIAC

Numero de capas 7, 6 uniones

Numero de terminales 3

Disparo principal

mediante Señal de computadora

Valores máximos

disponibles 1000v, 200 A Eficaces

Principales aplicaciones

Conmutación y control de fase de

suministro de CA @60Hz tal

como en motores y calefactores

de CA

Unidireccional /

Bidireccional Bidireccional

3.7.1.- OPERACIÓN

El TRIAC es fundamentalmente un DIAC con una terminal de compuerta para controlar

las condiciones de encendido del dispositivo bilateral en cualquier dirección. La

corriente de mantenimiento no está presente en cada dirección como lo es en el DIAC.

Se puede disparar mediante un pulso de Corriente de compuerta y no requiere

alcanzar el voltaje BBO (VBR) como el DIAC.

Ejemplo:

En la siguiente figura el interruptor está cerrado. Si el TRIAC se ha disparado, ¿Cuál es

aproximadamente la corriente que circula por la resistencia de 22 Ω?

Sección longitudinal Circuito equivalente Símbolo

Solución

En el Caso ideal, el TRIAC tiene 0V a través de él cuando conduce. Por consiguiente,

la corriente que circula por los 22 Ω es:

𝑖 =75 𝑣

22Ω

𝑖 = 3.41 𝐴

Incluso si el TRIAC tiene 1 o 2 v a través de él, la corriente que circula por los 22 Ω es

muy cercana a 3.41 A debido a la elevada tensión de alimentación que oculta el efecto

del TRIAC en la tensión.

3.8. CÍCLO DE HÍSTE RESÍS

La histéresis es la tendencia de un material a

conservar una de sus propiedades, en ausencia del

estímulo que la ha generado. Podemos encontrar

diferentes manifestaciones de este fenómeno. Por

extensión se aplica a fenómenos que no dependen

sólo de las circunstancias actuales, sino también de

cómo se ha llegado a esas circunstancias.

La curva de histéresis muestra la curva de magnetización de un material. Sea cual sea

el material específico, la forma tiene características similares.

Al principio, la magnetización requiere un mayor esfuerzo eléctrico. Este

intervalo es la llamada zona reversible.

En un determinado punto, la magnetización se produce de forma proporcional.

En ese punto se inicia la denominada zona lineal.

Finalmente, se llega un instante a partir del cual, por mucha fuerza magnética

que induzcamos al material, ya no se magnetiza más. Este es el llamado punto

de inducción de saturación, que determina el inicio de la llamada zona de

saturación.

3.9. ARREGLO DE RC PARA PROTECCÍO N DEL TRÍAC

El circuito de disparo del triac más simple se muestra en la siguiente figura. En esta

podemos observar que el capacitor C se carga a través de R1 y R2 durante la parte del

ángulo de retardo de cada medio ciclo. Durante un medio ciclo positivo, MT2 es positivo

con respecto a MT1 y C se carga positivo en su placa superior. Cuando el voltaje en C

se acumula hasta un valor suficientemente grande para suministrar suficiente corriente

de compuerta (IGT) a través de R3 para disparar el triac, este se dispara.

Durante un medio ciclo negativo, C se carga negativo en su placa superior,

nuevamente cuando el voltaje a través del capacitor es lo bastante grande para

suministrar la corriente suficiente de compuerta en la dirección inversa a través de R3

para disparar el triac, este se dispara.

El ritmo de carga del capacitor C se establece por medio de la resistencia R2. Para una

R2 grande, la velocidad de carga es lenta, lo que produce un retardo de disparo largo y

una corriente de carga promedio pequeña. Para una R2 pequeña la velocidad de carga

es rápida el ángulo de retardo de disparo es pequeño y la corriente de carga es alta.

EVALUACÍO N

1. Dispositivos semiconductores de varias capas que presentan una acción de conmutación

biestable, debido a su inherente realimentación regenerativa.

a) Transistores b) Diodos c) Tiristores

2. Algunas de las formas de activar un tiristor:

a) Señal electromagnética,

luz, térmicamente, caída de

voltaje en ánodo-cátodo.

b) Variación en la corriente, luz,

térmicamente.

c) Alto voltaje, térmicamente,

luz.

3. Tiristor Triodo de Bloqueo Inverso.

a) SCR b) RTC c) MOS (MCT)

4. DIAC tiene se caracteriza por:

a) Un voltaje-corriente actúa

de la misma forma que la

de la configuración

PNPN.

b) Ser un dispositivo

semiconductor de dos

terminales, llamados

ánodo y cátodo.

c) Que se puede disparar

mediante un pulso de

Corriente y no requiere

alcanzar el voltaje.

5. Tendencia de un material a conservar una de sus propiedades, en ausencia del estímulo que

la ha generado

a) Curva de magnetización b) Ciclo de Histéresis c) Zona lineal

UNÍDAD ÍV OPTOELE TRONÍCA


El alumno seleccionará adecuadamente, dentro del espectro luminoso, los elementos

más confiables para la utilización de circuitos electrónicos, similares a los aplicados en

el control y operación de os robots y manipuladores insdustriales.

TEMAS

4.1.- Optoelectrónica 4.1.1.-Definición 4.1.2.- Introducción 4.1.3.- Emisión de luz 4.2.- Fotoceldas 4.2.1.- Aplicaciones 4.3.- Fotoresistencias 4.3.1.- Características 4.4.- Led infrarrojo 4.5.- Foto diodo 4.5.1.- Curvas características 4.5.2.- Aplicaciones 4.6.- Fototransistor 4.7.- Optoacoplador 4.7.1.- Salida Foto SCR 4.7.2.- Salida TRIAC 4.8.- Interruptores ópticos 4.9.- Fotodetectores 4.10.- Fibra óptica 4.10.1.- Aplicaciones 4.10.2.- Aplicaciones en circuitos de control y fuerza Práctica 6: Acoplamiento óptico de circuitos

4.1. OPTOELECTRO NÍCA

4.1.1.- DEFINICIÓN

La optoelectrónica es la rama de la electrónica que trata con la luz. Los dispositivos

ópticos son aquellos que responden a la radiación de la luz, o que emiten radiación.

Estos dispositivos responden a una frecuencia específica de radiación. Básicamente

hay tres bandas en el espectro óptico de frecuencias:

Infrarrojo: Esta banda corresponde a las longitudes de onda de la luz que son muy

largas para ser vistas por el ojo humano.

Visible: Corresponde a las longitudes de onda a las cuales responde el ojo humano.

Comprende aproximadamente entre los 400nm y 800nm de longitud de onda. En esta

banda están comprendidos todos los es que el ojo humano distingue.

Ultravioleta: Longitudes de onda que son muy cortas para ser vistas por los humanos.

4.1.2.- INTRODUCCIÓN

El campo de la optoelectrónica se ha convertido en un área de creciente interés en la

electrónica; dispositivos tales como LED´s optoacopladores y fotodetectores se están

construyendo ahora con una mayor capacidad de manejo de corriente. La

optoelectrónica ha probado ser de alta efectividad en el campo de las comunicaciones,

donde las fibras ópticas pueden manejar frecuencias mayores a las velocidades de

conmutación de la electrónica de hoy en día.

Los sistemas optoelectrónicos están cada vez más de moda. Hoy en día parece

imposible mirar cualquier aparato eléctrico y no ver un panel lleno de luces o de dígitos

más o menos espectaculares. Por ejemplo, la mayoría de los Walkman dispone de un

piloto rojo que nos avisa, siempre en el momento más inoportuno, que las pilas se han

agotado y que deben cambiarse. Los tubos de rayos catódicos con los que funcionan

los osciloscopios analógicos y los televisores, las pantallas de cristal líquido, los

modernos sistemas de comunicaciones mediante fibra óptica,... son algunos de los

ejemplos de aplicación de las propiedades ópticas de los materiales que nos

disponemos a desglosar en este capítulo.

4.1.3.- EMISIÓN DE LUZ

La luz está conformada por fotones que son creados en el interior de los átomos de los

materiales los cuales generan una radiación electromagnética, cada uno de los fotones

posee una energía que se caracteriza por su longitud de onda dando como resultado

una amplia gama de longitudes de onda dentro de las cuales se pueden destacar los

distintos colores que son visibles a nuestra vista como se muestra en la figura anterior.

Otra manera de ver la emisión de luz podría ser: La luz es producida en la corteza

atómica de los átomos, cuando un átomo por diversos motivos recibe energía puede

que algunos de sus electrones pasen a capas electrónicas de mayor energía. Los

electrones son inestables en capas altas de mayor energía si existen niveles

energéticos inferiores desocupados, por lo que tienden a caer hacia estos, pero al

decaer hacia niveles inferiores la conservación de la energía requiere la emisión de

fotones, cuyas frecuencias frecuentemente caen en el rango de frecuencias asociados

a la luz visible. Eso es precisamente lo que sucede en fenómenos de emisión primaria

tan diversos como la llama del fuego, un filamento incandescente de una lámpara o la

luz procedente del sol.

4.2. FOTOCELDAS

Las fotoceldas son dispositivos de película delgada que se fabrican depositando una

capa de material fotoconductivo sobre un substrato cerámico. Los contactos metálicos

se evaporan sobre la superficie del fotoconductor, y la conexión eléctrica externa se

hace a estos contactos. Estas películas delgadas de material fotoconductivo tienen una

alta resistencia de hoja. Por lo tanto el espacio entre estos dos contactos se hace

delgado e ínter digitado para una celda de baja resistencia con niveles de luz

moderados.

Las fotoceldas pueden proporcionar una solución muy económica y técnicamente

superior para muchas aplicaciones donde se sensa la presencia o ausencia de luz

(operación digital) o donde la intensidad de luz necesita ser medida (operación

análoga).

4.2.1.- APLICACIONES

Aplicaciones análogas.

Control de exposición en cámaras, foco automático celda doble.

Maquinas fotocopiadoras-densidad del tóner.

Equipo de prueba de colorimetría, Densímetro.

Basculas electrónicas celda doble

Control automático de ganancias, fuente de luz modulada.

Retrovisor automatizado.

Aplicaciones digitales.

Luces frontales superiores automáticas.

Control de luces nocturnas

Sensado de apagado de flama en quemadores

Control de luces publicas

Ausencia/Presencia (interruptor de haz)

Sensor de posición

4.3. FOTORESÍSTENCÍAS

Una fotorresistencia es un componente electrónico cuya resistencia disminuye con el

aumento de intensidad de luz incidente. Puede también ser llamado fotorresistor,

fotoconductor, célula fotoeléctrica o resistor dependiente de la luz, cuyas siglas, LDR,

se originan de su nombre en inglés light-dependent resistor. Su cuerpo está formado

por una célula o celda y dos patillas.

Símbolo eléctrico

Su funcionamiento se basa en el efecto fotoeléctrico. Un fotorresistor está hecho de un

semiconductor de alta resistencia como el sulfuro de cadmio, CdS. Si la luz que incide

en el dispositivo es de alta frecuencia, los fotones son absorbidos por las elasticidades

del semiconductor dando a los electrones la suficiente energía para saltar la banda de

conducción.

4.3.1.- CARACTERÍSTICAS

Principales características de las fotorresistencias:

1. Los valores típicos varían entre 1 MΩ, o más, en la oscuridad y 100 Ω con luz

brillante.

2. Disipación máxima, (50 mW-1W).

3. Voltaje máximo (600V).

4. Respuesta Espectral.

5. El tiempo de respuesta típico de un LDR está en el orden de una décima de

segundo.

Desventajas de las fotoresistencias:

1. Respuesta espectral estrecha.

2. Efecto de histéresis.

3. Estabilidad por temperatura baja para los materiales más rápidos. La variación

del valor de la resistencia tiene cierto retardo, diferente si se pasa de oscuro a

iluminado o de iluminado a oscuro. Esto limita a no usar los LDR en aplicaciones

en las que la señal luminosa varía con rapidez.

4. Respuesta lenta en materiales estables.

5. Falta de linealidad entre resistencia e iluminación.

4.4. LED ÍNFRAROJO

Los LED infrarrojos son un tipo específico de diodo emisor de luz (LED por sus siglas

en inglés) que produce luz en el espectro infrarrojo. La luz en este rango no es visible

para el ojo humano, pero puede ser detectada por una variedad de dispositivos

electrónicos, haciendo al LED ideal para objetos como controles remotos, donde el LED

no necesita ser visto para funcionar.

4.5. FOTO DÍODO

Un fotodiodo es un semiconductor construido con una unión PN, sensible a la

incidencia de la luz visible o infrarroja. Para que su funcionamiento sea correcto se

polariza inversamente, con lo que se producirá una cierta circulación de corriente

cuando sea excitado por la luz. Debido a su construcción, los fotodiodos se comportan

como células fotovoltaicas, es decir, en ausencia de luz exterior generan una tensión

muy pequeña con el positivo en el ánodo y el negativo en el cátodo. Esta corriente

presente en ausencia de luz recibe el nombre de corriente de oscuridad.

Existen diferentes tipos de fotodiodos entre los cuales se encuentran

Unión PN

Unión PIN

Unión Schottky

Unión tipo Avalancha

4.5.1.- CURVAS CARACTERÍSTICAS


Dentro sus aplicaciones podemos

destacar:

1. Detectores de humo

2. Detectores de presencia

3. Instrumentación analítica

4. Sistemas de comunicación por fibra óptica

5. Opto acopladores de alta velocidad

Símbolo eléctrico

4.6. FOTOTRANSÍSTOR

Se llama foto transistor a un transistor sensible a la luz, normalmente a los infrarrojos.

La luz incide sobre la región de base, generando portadores en ella. Esta carga de

base lleva el transistor al estado de conducción. El fototransistor es más sensible que el

fotodiodo por el efecto de ganancia propio del transistor.

Un fototransistor es igual a un transistor común, con la diferencia que el primero puede

trabajar de 2 formas:

1. Como transistor normal con la corriente de base Ib (modo común).

2. Como fototransistor, cuando la luz que incide en este elemento hace las veces

de corriente de base. Ip (modo de iluminación).

Puede utilizarse de las dos en formas simultáneamente, aunque el fototransistor se

utiliza principalmente con el pin de la base sin conectar.

En el mercado se encuentran fototransistores tanto con conexión de base como sin ella

y tanto en cápsulas plásticas como metálicas (TO-72, TO-5) provistas de una lente.

Símbolo eléctrico

4.7. OPTOACOPLADOR

Un optoacoplador, también llamado optoaislador o aislador acoplado ópticamente, es

un dispositivo de emisión y recepción que funciona como un interruptor activado

mediante la luz emitida por un diodo LED que satura un componente optoelectrónico,

normalmente en forma de fototransistor o fototriac. De este modo se combinan en un

solo dispositivo semiconductor, un fotoemisor y un fotoreceptor cuya conexión entre

ambos es óptica. Estos elementos se encuentran dentro de un encapsulado que por lo

general es del tipo DIP. Se suelen utilizar para aislar eléctricamente a dispositivos muy

sensibles.

4.7.1.- SALIDA FOTO SCR.

Si la salida de un optoacoplador es un foto SCR, la función de este es conmutar la

parte positiva de un voltaje de AC a través de la carga, operando bajo los mismos

principios que un SCR

ordinario.

La corriente de la compuerta del SCR se logra a través de una acción fotovoltaica

producida por una luz infrarroja incidiendo sobre la compuerta del SCR mientras que se

mantiene el aislamiento de los circuitos de entrada y salida del optoacoplador. Se

puede utilizar un voltaje de DC en la entrada causando que la salida se amarre en

encendido cuando el SCR se excite, este tipo de circuitos se aplica en sistemas de

alarma, de seguridad e incendios. Para apagar el sistema después de que se encendió

un simple interruptor de un polo un tiro (SPST) normalmente cerrado en serie con la

fuente de alimentación es suficiente.

4.7.2.- SALIDA TRIAC

Está compuesto por dos partes, en la primera un LED que emitirá una luz dentro del

optoacoplador. En la segunda parte tenemos un TRIAC fotosensible que permite el

paso de la corriente al recibir la luz del LED y que corta dicho paso cuando se cumplen

las siguientes dos condiciones a la vez: el voltaje en sus terminales es

aproximadamente 0V y el LED no se encuentra emitiendo luz.

4.8. ÍNTERRUPTORES O PTÍCOS

Este es uno de tantos tipos de optoacopladores para uso especial. Existen varios tipos

pero los más importantes son los switches de ranura ópticos y los sensores reflejantes

ópticos. Los de ranura tienen el emisor y el sensor insertados en el paquete, este

paquete sirve para mantener el alineamiento óptico. El espacio entre ellos forma el área

sensible. Se fabrica en diferentes tipos de empaque para poderlo acomodar en un

rango de tamaños y restricciones de montaje.

El sensor reflejante óptico consiste en un emisor y un sensor ópticos en el mismo

empaque, y está diseñado para que la emisión del LED sea cortada por un objeto y

reflejada al sensor.

Un tipo de interruptor óptico es el sensor infrarrojo que consiste en un diodo emisor de

infrarrojos y un fotodiodo utilizado como elemento de detección ligero. Ambos

elementos se encuentran dispuestos al frente uno frente al otro, su funcionamiento

consiste que al pasar un objeto frente a ellos el haz se interrumpe, mandando así la

señal de detección. Dentro de sus aplicaciones se encuentran: interruptores de carrera

y detección de objetos en general.

4.9. FOTODETECTORES

Un fotodetector es un sensor que genera una señal eléctrica dependiente de la luz u

otra radiación electromagnética que recibe. Algunos están basados en el efecto

fotoeléctrico, otros en el fotovoltaico, otros en el fotoelectroquímico y otros en la

fotoconductividad.

Existen diferentes tipos de fotodetectores entre los cuales se encuentran:

Fotodiodo

Fotodiodo de avalancha

Fotodiodo PIN

Fototransistor

Fotorresistencia

Fotomultiplicador

Sensor CMOS

Célula fotoeléctrica

Célula fotoelectroquímica

Dentro de sus aplicaciones podemos resaltar la aplicación de

fotodiodo de avalancha (APD) y el fotodiodo PIN en la

recepción de sistemas de fibra óptica El detector PIN se usa

más comúnmente en enlaces de corta distancia y el ADP es

muy útil en transmisiones de larga distancia, donde la señal

óptica de llegada es muy débil y se requiere alta

responsividad. Por lo que se refiere a la velocidad de

respuesta, ambos fotodiodos pueden trabajar actualmente a

velocidades muy altas de transmisión digital.

4.10. FÍBRA O PTÍCA

La fibra óptica es un medio de transmisión empleado habitualmente en redes de datos;

un hilo muy fino de material transparente, vidrio o materiales plásticos, por el que se

envían pulsos de luz que representan los datos a transmitir. El haz de luz queda

completamente confinado y se propaga por el interior de la fibra con un ángulo de

reflexión por encima del ángulo límite de reflexión total, en función de la ley de Snell. La

fuente de luz puede ser láser o un LED.


Las fibras ópticas se pueden utilizar como sensores

para medir la tensión, la temperatura, la presión y

otros parámetros. El tamaño pequeño y el hecho de

que por ellas no circula corriente eléctrica le da ciertas

ventajas respecto al sensor eléctrico.

Fotodiodo ADP

4.10.2.- APLICACIONES EN CIRCUITOS DE CONTROL Y FUERZA

La aplicación principal de los componentes opto electrónicos es principalmente la

función de sensado en la detección de objetos (sensores infrarrojos) otras aplicaciones

que se le pueden dar a estos componentes son los de trasmisión de datos a través de

la fibra óptica como dispositivos de recepción de señal (fotodiodo).

Los sensores elaborados por estos dispositivos son ampliamente usados para el

control de de motores en robots, también son usados para el control de encendido de

focos, motores.

Dentro de las aplicaciones para este tipo de componentes electrónicos podemos

mencionar algunas como:

1. El uso de optoacopladores para controlar el encendido de un foco.

2. Los interruptores ópticos tienen una amplia gama de aplicación como sensores

infrarrojos que son usados en la robótica

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