CENTRO EDUCATIVO SALESIANOS TALCA

Especialidad de Electrónica

Módulo

MEDICION Y ANÁLISIS DE CIRCUITOS ELECTRONICOS

Nombre Alumno:

Curso :

R.U.N :

Docente: Fernando Tapia Ramírez

Introducción Este módulo está asociado a las áreas de competencia “Montar, instalar y desmontar componentes, dispositivos y equipos electrónicos” y “Mantener y operar dispositivos y equipamiento electrónico”. Es de carácter obligatorio y para su desarrollo se sugiere 220 horas. En el presente módulo el alumno y alumna: • Adquiere conocimientos sobre los aspectos cualitativos y funcionales relacionados con los principales componentes electrónicos de estado sólido. • Conoce conceptos relacionados con los principales circuitos electrónicos. • Relaciona las magnitudes eléctricas en los circuitos electrónicos. • Calcula, por medio de ecuaciones, incógnitas planteadas en el contexto de un circuito electrónico. • Adquiere la capacidad de efectuar análisis de circuitos electrónicos. • Adquiere la capacidad de armar, probar y evaluar prototipos de circuitos electrónicos. Es básico e inicial en el proceso de formación en la especialidad. Genera en el alumno y alumna la habilidad de analizar cualitativa y cuantitativamente los fenómenos electrónicos y sus causas. En este sentido, las técnicas deductivas y la aplicación del modelo matemático son claves para la asimilación de principios fundamentales y conceptos básicos, de manera que lleven a una comprensión suficientemente profunda y global de la especialidad y que adquieran sentido en cada una de las diferentes aplicaciones que le den los referentes productivos. Respecto a la relación con otros sectores de la Formación General, el módulo presenta la oportunidad de reforzar y complementar, en un contexto de aplicación, los siguientes aprendizajes: Matemática: Operaciones con números reales, desarrollo y planteamiento de ecuaciones de primer grado, razones y proporciones, funciones y gráfico de funciones. Física y Química: Estructura atómica, teoría de semiconductores, como complemento de los objetivos fundamentales y contenidos mínimos obligatorios del sector Ciencias. Lenguaje y Comunicación: Lectura comprensiva de instrucciones, elaboración de informes y conclusiones a partir de observaciones.

Materiales Necesarios.

Cuaderno Universitario 100 Hojas Aproximadamente.

Lápiz Grafito.

Goma de borrar.

Lápices pasta de 3 colores diferentes.

Transportador.

Calculadora científica con las siguientes funciones: Modos DEG y RAD,

Funciones trigonométricas, Conversor de coordenadas polares a rectangulares y

viceversa, trabajo de números con notación científica (10x) y en lo posible su

respetivo manual suministrado por el fabricante.

Disponibilidad de un PC, Pentium 133 MHz, 32 MB RAM, Windows 95, como

mínimo y acceso a Internet, de 1 Hora semanal.

Diccionario Inglés Español.

Multímetro Digital.

Contenidos Diodos: • Física de los semiconductores. • Juntura PN, propiedades. • Diodo semiconductor. • Rectificación media onda y onda completa. • Filtros. • Factor de rizado, regulación y resistencia interna de una fuente de poder. • Diodos zener y fuente estabilizada con diodo zener. Transistores: • Concepto de amplificación. • Transistores bipolares. • Configuraciones del transistor. • El transistor en conmutación. Amplificadores con transistores: • Características de los amplificadores, ganancia en tensión y corriente, potencia, impedancia de entrada y salida. • Respuesta de frecuencia. • Transistores de efecto de campo. Realimentación: • Realimentación negativa y positiva. • Osciladores. Amplificadores operacionales: • Características y especificaciones. • Circuitos de aplicaciones.

Para iniciarnos en éste módulo, es necesario desarrollar la habilidad de diferenciar las magnitudes básicas de Electricidad y a la vez sepa la forma de utilización de instrumentos para realizar respectivamente las mediciones, junto con ello se deben conocer y desarrollar conductas de seguridad frente a este tipo de trabajo. Un circuito eléctrico se compone de cuatro elementos fundamentales, correspondientes a:

Una fuente de energía.

Un elemento de control.

Un receptor.

Un elemento conductor.

Sin embargo, todo circuito eléctrico, debe se protegido, frente a posibles corto circuitos (exceso de corriente sin control) , los cuales pueden ocasionar desde un recalentamiento del conductor hasta un incendio en función de la magnitud del circuito. Cuando la lámpara se enciende, estamos hablando de un circuito cerrado, cuando la lámpara se apaga estamos hablando de un circuito abierto.

TEMA 0 El circuito Eléctrico

La siguiente imagen muestra un posible corto circuito.

Al cerrar el interruptor que se encuentra en paralelo a la lámpara , haremos que el fusible actúe, interrumpiendo de inmediato el paso de la corriente eléctrica del circuito.

Finalmente debemos recordar que los circuitos aquí expuestos, fueron modelados con una lámpara y ésta solo esquematiza la carga del sistema, pudiendo representar una serie de circuitos mas complejos.

Las magnitudes eléctricas involucradas en un circuito eléctrico, pueden ser medidas, el procedimiento y definición de cada una de ellas es el siguiente:

Voltaje: Su símbolo es la letra V. Es la Magnitud con que se mide la fuerza de los Electrones en un circuito Eléctrico. Su unidad de medida es el Voltio. Se mide mediante un instrumento llamado Voltímetro, este instrumento debe conectarse en paralelo al receptor en donde se desea realizar la medida. En el caso de trabajar con un Multímetro, es necesario colocar este instrumento en la escala mas alta en que este mida. También es importante señalar que cuando se desea realizar una medida en corriente continua, se debe tener mucho cuidado en la polaridad de los terminales del instrumento, debido a que si este fuese análogo posiblemente se queme. Intensidad de corriente: Es la magnitud que relaciona el desplazamiento de carga que se genera en un conductor y el tiempo empleado en dicho desplazamiento. La intensidad de corriente eléctrica parte en un punto de potencial eléctrico y evoluciona hacia los puntos del circuito con menor potencial. Su unidad de Medida es el Ampere (A) y se mide con un instrumento llamado Amperímetro, el cual debe conectarse en serie al circuito en donde se debe realizar la medición. Resistencia Eléctrica: La resistencia eléctrica, es cualquier elemento que se oponga al paso de la corriente eléctrica. El valor de la resistencia hará variar el valor de la Intensidad. (un ejemplo de resistencia lo es una lampara, el equipo de música del automóvil, el aire etc).La unidad de medida de

medición de resistencia eléctrica se realiza con un instrumento llamado Ohmetro, el cual se conecta en paralelo al receptor y cuidando de que este se encuentre desenergizado ya que si no lo estuviese se podría quemar el instrumento, debido a que el principio de funcionamiento de este se basa en inyectar una pequeña corriente al receptor. Potencia Eléctrica: Potencia eléctrica es el trabajo ejecutado en la unidad de tiempo. La unidad de potencia es el (WATT) que se obtiene cuando de un volt circula la corriente de un ampere. La potencia eléctrica tiene sus equivalencias en caballos de fuerza (HP) para el sistema ingles y (CV) designación francesa. 1 HP = 746 Watt 1 KW = 1,46 HP

Relaciones matemáticas del circuito eléctrico

En corriente Continua

V

PI

R

VI

En Corriente Alterna

CosV

PI

3

CosV

PI

Ejemplo:

El resistor R1 = 20 está en serie con la conexión en paralelo, con R2 = 60 , y R3 =

120 . La tensión de la red en los bornes es de 120 V. Disposición básica o fundamental 1. Dibuje el circuito con los valores eléctricos. Calcule: a) La Resistencia total; b) La corriente; c) Las tensiones parciales d) Las corrientes parciales

Solución :

Dado: R1 = 20 ; R2 = 60 ; R3 = 120 ; V = 120 V Hallar: R, I, V1, V2, V3, I1, I2, I3,

a) RI = 12060

12060

32

32

RR

RR= 40 R = R1 + RI = 20 + 40 = 60

b) I = 60

120

R

V = 2 A

c) V1 = I · R1 = 2 · 20 = 40 V V2 = V3 = V - V1 =120 – 40 = 80 V

d) I1 = I = 2 A I2 = 60

80

2

2 R

V = 1, 33 A I3 =

120

80

3

3 R

V = 0,667 A

Multímetro o Tester Digital

Referencias: 1- Display de cristal líquido. 2- Escala o rango para medir resistencia. 3- Llave selectora de medición. 4- Escala o rango para medir tensión en continua (puede indicarse DC en vez de una

linea continua y otra punteada). 5- Escala o rango para medir tensión en alterna (puede indicarse AC en vez de la linea

ondeada). 6- Borne o “jack” de conexión para la punta roja ,cuando se quiere medir tensión,

resistencia y frecuencia (si tuviera), tanto en corriente alterna como en continua. 7- Borne de conexión o “jack” negativo para la punta negra. 8- Borne de conexión o “jack” para poner la punta roja si se va a medir mA

(miliamperes), tanto en alterna como en continua. 9- Borne de conexión o “jack” para la punta roja cuando se elija el rango de 20A

máximo, tanto en alterna como en continua. 10-Escala o rango para medir corriente en alterna (puede venir indicado AC en lugar de la

línea ondeada). 11-Escala o rango para medir corriente en continua (puede venir DC en lugar de una línea

continua y otra punteada). 12-Zócalo de conexión para medir capacitores o condensadores. 13-Botón de encendido y apagado. Es muy importante leer el manual de operación de cada multímetro en particular, pues en él, el fabricante fija los valores máximos de corriente y tensión que puede soportar y el modo más seguro de manejo, tanto para evitar el deterioro del instrumento como para

evitar accidentes al operario. El mutímetro que se da como ejemplo en esta explicación, es genérico, es decir que no se trata de una marca en particular, por lo tanto existe la posibilidad que existan otros con posibilidad de medir más magnitudes. Con un tester digital podemos tener una lectura directa de la magnitud que se quiere medir (salvo error por la precisión que el fabricante expresa en su manual de uso). En cambio con el tester analógico (o de aguja), tenemos que comparar la posición de la aguja con respecto a la escala, lo cual trae aparejado dos errores, como el de apreciación (que depende del ojo o buena vista del operario) y el error de paralaje (por la desviación de la vista) que muchas veces no respeta la dirección perpendicular a la escala. A todo esto debemos sumarle el error de precisión del propio instrumento, lo cual hace evidente que resulta mucho más ventajoso la lectura de un tester digital.

Actividad de síntesis 1. ¿Qué condiciones se deben cumplir para poner en funcionamiento un circuito

eléctrico? 2. ¿Qué ocurre en un circuito eléctrico y en otro neumático o hidráulico cuando hablamos

de circuito cerrado? ¿Cuál de los dos estados es sinónimo de funcionalidad?. 3. ¿Para que sirve un fusible eléctrico? 4. Un Resistor de 10 ohm, se conecta al circuito que a continuación se expone, protegido

con un fusible de 500 mA, determine si el fusible actuará o no?

5. Mencione, bajo que condiciones el fusible de protección actuará. Para dar respuesta a ello, refiérase al comportamiento de cada interruptor.

6. Los resistores R1 = 8 y R2 = 12 , están conectados en paralelo. En serie a estos

está el resistor R3 =25,2 . La tensión en los bornes es de 30 V. Dibuje el circuito y Calcule los valores que faltan.

7. Los resistores R1 = 60 y R2 = 240 están conectados en serie. En paralelo a estos,

está el resistor R3 = 600 . La tensión de la red es de 220 V. Dibuje el circuito y Calcule los valores que faltan para completar el circuito.

8. La rama de resistores R1 = 80 y R2 = 140 están conectados en serie entre si; y en

paralelo a la rama de resistores R3 = 20 y R4 = 60 que también están conectados en serie La tensión de la red es de 24 V. Dibuje el circuito y Calcule los valores que faltan para completar el circuito.

Introducción: En los últimos años la investigación de la física del estado sólido de la

materia, ha provisto a los científicos de los conocimientos necesarios para producir nuevos dispositivos electrónicos, los semiconductores que ocupan hoy día un lugar de prominencia en el mundo de la electrónica.

Componentes prácticamente desconocidos hace treinta años, surgen

hoy, desplazando a las válvulas de vacío (tubos) de funciones que hasta hace poco se creían de su exclusiva propiedad.

Para el estudio y comprensión de los fenómenos que ocurren en

dispositivos semiconductores, es necesario conocer algunos detalles del mundo atómico, como por ejemplo:

Su estructura

Propiedades de las partículas que lo Integran

El ATOMO

Modelo atómico de BOHR

NUCLEO K L M N O P Q Fig.1

El componente fundamental de la materia, es decir, de todo lo que nos rodea, es el átomo que se le asigna una estructura como lo indica la Fig. (1), compuesto de un núcleo, el que contiene partículas llamadas:

TEMA 1 La Estructura Atómica

PROTONES: POSEEN CARGA ELÉCTRICA

POSITIVA (+)

NEUTRONES: NO POSEEN

CARGA, SON ELÉCTRICAMENTE

NEUTROS

ELECTRONES: POSEEN CARGA ELECTRICA NEGATIVA (-), GIRAN ALREDEDOR DEL

NUCLEO

- Protones: Carga eléctrica positiva (+) de masa mayor que el neutrón.

- Neutrones: Sin carga eléctrica, menor masa y más inestable - Alrededor del núcleo giran partículas llamadas electrones, de

carga eléctrica negativa (-), constituyen el elemento fundamental de la electricidad.

Propiedades del átomo

1) Los protones que poseen carga eléctrica positiva de igual magnitud que la del electrón, son aproximadamente 1800 veces más pesado.

2) Un átomo normal, el número de electrones que giran alrededor del núcleo, es igual al número de protones, y por ello se dice que un átomo es eléctricamente neutro.

3) Debido al movimiento de rotación de los electrones alrededor del núcleo a, actúa sobre él una fuerza centrífuga que trata de alejarlos del núcleo. Esta fuerza se equilibra con la fuerza de atracción del núcleo lo que mantiene al electrón en una órbita estable.(Fig. 2)

4) Todo lo que nos rodea, es decir, todos los materiales que forman nuestro mundo diario, están formados por aproximadamente 100 sustancias básicas o elementos.

Ejemplo:

H , Ca , N , O , K , Cl , Cu, Na, etc

O bien una combinación de dos o más elementos básicos

Ejemplo: Agua, Sal, Acero, Bronce, etc.

5) Cada elemento básico posee una cantidad diferente de electrones girando alrededor del núcleo, en diferentes órbitas que se designan con las letras:

K, L, M, N, O, P, Q

La órbita más cercana al núcleo es la capa K; y la mas alejada del núcleo se designa con la letra Q. La última capa u orbital de un átomo se denomina capa de valencia. Un átomo que posee en su última capa un número máximo de 8 e-, este elemento se comporta como un aislador. Ejemplo:

Gases Nobles como el Neón, Argón,. Kriptón, etc.

Aquellos átomos que poseen 1, 2 o 3 electrones en el último orbital son buenos conductores. Ejemplo: Oro, Plata, Cobre, etc.

Los átomos que poseen 4 electrones en su ultimo orbital se denominan semi conductores. Ejemplo: Germanio, Silicio, etc.

6) Los electrones ubicados en la última capa, son los que determinan las propiedades químicas y eléctricas de un elemento y se denominan electrones de valencia y la capa que los contiene capa de valencia.

7) Sobre la capa de valencia existen niveles vacantes en las que se denominan niveles de excitación.

Banda de valencia: Es la zona en que los electrones se encuentran semilibres.

Banda de conducción: Es la zona donde los electrones se encuentran con la suficiente energía como para moverse libremente en una estructura cristalina.

Banda prohibida: Zona cerrada al paso libre de los electrones entre las bandas de conducción y de valencia.

Para que los electrones de la banda de valencia puedan servir como portadores deben pasar a la banda de conducción, ello implica entregarles una cierta cantidad de energía, que puede tener la forma de calor, luz, radiaciones, etc. La magnitud de dicha energía es igual a la altura de la banda prohibida. Se mide en eV. (1 eV = 1,6 х 1019 Joules)

Conductores: El cobre es un buen conductor eléctrico, la razón es evidente si se tiene en cuenta su estructura atómica. El núcleo o centro del átomo contiene 29 protones (cargas positivas). Cuando un átomo de cobre tiene una carga neutra, 29 electrones (cargas negativas) se disponen alrededor del núcleo, los electrones en distintos orbitales, llamados “capas o niveles de energía”

La parte interna: En la electrónica, lo único que importa es el orbital exterior, el cual se denomina orbital de valencia. Es este orbital exterior el que determina las propiedades eléctricas del átomo. Electrón libre: Como el electrón de valencia es atraído muy débilmente por la parte interna del átomo, una fuerza externa puede arrancar fácilmente este electrón, al que se conoce como electrón libre y por eso mismo, el cobre es un buen conductor. Incluso la tensión o fuerza mas débil puede hacer que los electrones libres de un conductor se muevan de un átomo al siguiente. Los mejores conductores son: El Oro, la Plata, el Cobre, el Eridio, etc.

Semiconductores: Los mejores conductores (Plata, Cobre, Oro) tienen un electrón de valencia mientras que los mejores aislantes poseen ocho electrones de valencia. Un semiconductor es un elemento con propiedades eléctricas entre las de un conductor y las de un aislante (Germanio – Silicio)

Ejemplo:

Un átomo de Silicio tiene 14 protones y 14 electrones. En el primer orbital posee 2 electrones y el segundo 8 electrones. Los 4 electrones restantes se encuentran en el orbital de valencia, como lo indica la figura 5, la parte interna tiene una carga resultante de + 4 porque contiene 14 protones en el núcleo y 10 electrones en los dos primeros orbitales.

Los 4 electrones de valencia nos indica que el silicio es un semiconductor.

La siguiente tabla, nos indica como se estructura la configuración electrónica de cualquier átomo y con ello es posible determinar la cantidad de electrones presentes en cada uno de sus orbitales.

Ejemplo de determinación de características eléctricas de un elemento.

En primer Lugar, buscamos en la tabla periódica sus características atómicas.

Donde por ahora, sólo nos interesa su Número Atómico, que es sinónimo del Número de Electrones que este elemento contiene.

Z=12

3p6 3s2 2p6 2s2 1s2

Cristales de silicio: Cuando los átomos de silicio se combinan para formar un sólido, lo hacen en una estructura ordenada llamada cristal. Cada átomo de silicio (Si) comparte sus electrones de valencia con los átomos de silicio vecinos de tal manera que suman 8 electrones en el orbital de valencia.

2e

3p 3s 2p 2s 1s 62622

2e

4e

6e

10e

2e

12e

Como hemos llegado al numero de electrones o número atómico, debemos detener nuestra iteración.

Por definición, los elementos químicos que contienen 1, 2 o 3 electrones en su último orbital, son buenos conductores, por

ende, MAGNESIO ES UN BUEN CONDUCTOR, sin

embargo, no es utilizado de manera práctica, debido a su

escasez a diferencia del cobre.

¿Cuántos Electrones nos quedan en el último orbital? Resp: 2 Electrones

Enlaces covalentes: Cada átomo vecino comparte un electrón con el átomo central, de esta forma el átomo central parece tener cuatro electrones adicionales, sumando un total de ocho electrones en su orbital de valencia. En realidad, los electrones dejan de pertenecer a un solo átomo, ya que cada átomo central y sus vecinos comparten electrones y así sucesivamente dentro de la estructura cristalina.

Semiconductores Intrínsecos: Un semiconductor intrínseco es un semiconductor puro. Un cristal de Si o Ge es un semiconductor intrínseco si cada átomo del cristal es un átomo de la misma especie. A temperatura ambiente, un cristal puro de Si o Ge se comporta mas o menos como un aislante ya que tiene solamente unos cuantos electrones libres y sus huecos correspondientes, producidos por la energía térmica que posee dicho cristal. Dos tipos de semiconductores extrínsecos: Un semiconductor se puede dopar para que tenga un exceso de electrones libres o un exceso de huecos. Debido a ello existen dos tipos de semiconductores dopados. Semiconductor extrínseco del tipo N: Al silicio o germanio que ha sido dopado con una impureza pentavalente se llama semiconductor extrínseco tipo N, donde N hace referencia a negativo. En un semiconductor extrínseco del tipo N como los electrones superan a los huecos reciben estos el nombre de portadores mayoritarios, mientras que los huecos reciben el nombre de portadores minoritarios.(Fig. 9)

Semiconductor extrínseco del tipo P: El silicio o germanio que ha sido dopado con impurezas trivalentes se llama semiconductor extrínseco tipo P, donde P hace referencia a positivo. Como el numero de huecos supera a los electrones libres, los huecos reciben el nombre de portadores mayoritarios y los electrones se les denomina portadores minoritarios.(Fig. 10 )

Características de la unión pn: (El diodo no polarizado) Por si mismo un cristal semiconductor del tipo P o N tiene la misma utilidad que una resistencia de carbón; Pero ocurre algo nuevo cuando un fabricante dopa un cristal de la forma que una parte sea tipo P y la otra sea tipo N. La separación o frontera física de esta se llama unión pn. La unión pn tiene propiedades tan útiles que ha propiciado toda clase de inventos, entre los que se encuentran los diodos, transistores y circuitos integrados.(Fig.11) Comprender la unión pn permite entender toda clase de dispositivos fabricados con semiconductores.

En el cristal pn se va a producir una difusión de portadores mayoritarios en ambas zonas. Los electrones de la zona N pasaran a la zona p y los huecos de la zona P pasaran a la zona n cruzando la unión. Esta difusión de produce debido a que los electrones tienden a llenar los huecos adyacentes a la unión, dejando a su vez una zona de huecos en la posición original, la difusión se manifiesta en los lados adyacentes de la frontera y se denomina zona de transición.(Fig. 12)

Debido al proceso de difusión, se produce una concentración de cargas opuestas a ambos lados de la unión, cargas negativas en la zona P y cargas positivas en la zona N, siendo cerca de la unión, mayor la concentración de cargas opuestas. Por la concentración de cargas opuestas se genera un campo eléctrico y una diferencia de potencial que se conoce como barrera de potencial. La barrera de potencial detiene el proceso de difusión de portadores. La carga negativa concentrada rechazará a los electrones que intenten pasar, los cuales no tendrán la suficiente energía para saltar la barrera.(Fig. 13) El campo eléctrico entre los iones es equivalente a una diferencia de potencial llamada barrera de potencial. La barrera de potencial es del orden de los (mV) y dependerá de los valores de temperatura y de la naturaleza del cristal. La barrera de potencial es aproximadamente de 0,3 V para diodos de Germanio y de 0,7 V para diodos de Silicio.

Polarización directa: Se ve una fuente de corriente continua conectada a un diodo. El terminal negativo de la fuente esta conectado al material tipo n y el terminal positivo al material tipo p. Esta conexión se llama polarización directa. En este caso existe una inyección de portadores mayoritarios por la diferencia de potencial aplicada, con lo cual se reduce la barrera de potencial y se produce la conducción. (flujo de electrones) (Fig. 14)

Polarización inversa: Si se invierte la polaridad de la fuente de continua, entonces el diodo quedara polarizado en inversa. Al revés de la situación anterior, los portadores mayoritarios son atraídos por el potencial contrario aplicado en sus extremos, lo cual hace que aumente la barrera de potencial; por lo tanto, los electrones no tendrán la suficiente energía para atravesar la barrera y la corriente será prácticamente nula. Esta conexión se denomina polarización inversa.(Fig. 15)

Los fenómenos anteriormente mencionados corresponden al funcionamiento de un diodo de “unión” cuyo símbolo se muestra a continuación:(Fig. 16)

La barrera de potencial y la temperatura: La temperatura de la unión es la temperatura dentro del diodo, exactamente en la unión pn. La temperatura ambiente es diferente, es la temperatura del aire fuera del diodo. Cuando el diodo esta conduciendo, la temperatura de la unión es mas alta que la temperatura ambiente a causa del calor creado en la recombinación. La barrera de potencial depende de la temperatura creada en la unión. Un incremento en la temperatura de la unión crea mas electrones libres y huecos, que se difunden en la zona de deplexion. Esta se estrecha lo que significa que hay menos barrera de potencial a temperaturas altas en la unión.

Gráfica de un diodo Real

Actividad de síntesis.

1. ¿A que nos referimos cuando un átomo es neutro? 2. ¿Qué diferencia la banda de conducción con la banda prohibida? 3. ¿Qué condiciona que un material sea Conductor? 4. ¿Qué condiciona que un material sea Semiconductor? 5. ¿Qué ocurre con los electrones de los átomos en un enlace covalente? 6. ¿De qué se compone un Diodo? 7. Determine en el siguiente circuito, si al cerrar el interruptor, el diodo 1N4007,

permitirá el encendido de la lámpara.

8. Clasifique de acuerdo al electrón de valencia, los siguientes elementos

químicos, como CONDUCTORES, AISLANTES O SEMICONDUCTORES.

Símbolo Nombre Característica

Li W Ag Pb

9. ¿Puede el Xenon (Xe), utilizarse como conductor en la instalación eléctrica de

un automóvil?. Argumente su respuesta, determinando su característica eléctrica por electrones de valencia y el tipo de elemento al que corresponde.

10. Si el diodo del ejercicio Nro 7 fue construido de Silicio, ¿Cuánta es la tensión mínima que se requiere en la fuente de alimentación para que éste comience a conducir en la eventualidad de estar correctamente polarizado.

11. Basándose en el supuesto anterior, pero con un diodo de Germanio. 12. Si observamos la curva del diodo, ¿que ocurre con la conducción el en

punto en donde la tensión es de 0,7V? 13. Determine la tensión asociada a la carga de cada uno de los siguientes

circuitos.

I. Rectificadores.

La función del rectificador es transformar la corriente alterna en continua, la mayoría de los dispositivos electrónicos, televisores, equipos estereos y computadores necesitan de una corriente continua. Dentro de las fuentes de potencia hay circuitos que permiten que la corriente fluya en un solo sentido, estos son los llamados rectificadores, que estudiaremos a continuación:

a) Rectificador de media onda: El siguiente circuito nos muestra un rectificador de media onda (Fig. 18).

TEMA 2 El Diodo y sus Aplicaciones

Ejercicio: ¿Cuáles son las tensiones de pico en la carga y la tensión continua en la carga?. El transformador tiene una relación de espiras de 5:1. (Esto significa que la tensión r.m.s. del secundario es un quinto de la tensión del primario),VP=120 V. Solución:

VV

V 245

1202

Y la tensión de pico en el secundario es:

VV

Vp 34707,0

24

Con un diodo ideal, la tensión de pico en la carga es:

VoutVp 34)(

La tensión continua en la carga es:

VVVp

Vdc 8,1034

La tensión de pico en la carga es:

VVVoutVp 3,337,034)(

La tensión continua en la carga es:

VVVp

Vdc 6,103,33

b) Rectificador de onda completa: En este tipo de rectificadores la corriente de carga rectificada circula durante ambas mitades de los ciclos, a continuación veremos un puente rectificador de onda completa:(Fig.19)

Valor de continua o valor medio en un rectificador de onda completa, esta señal tiene el doble de ciclos positivos, como lo visto en la grafica, por lo tanto el valor del voltaje rectificado es (VD):

VpVdc

2

El valor de la corriente media en rectificador de onda completa es:

IpIm

2

A la salida de un rectificador se obtiene una tensión continua pulsante, para mejorar esta señal y dejarla lo más cercano a una señal continua pura, se utilizan los filtros.

Existen diferentes tipos de filtros, como son:

Filtros capacitivos (condensadores) Filtros inductivos (bobinas) Filtros inductivos - capacitivos, ambos o una mezcla de ambos.

Uno de los mas usados es el filtro capacitivo, que a continuación daremos a conocer brevemente: El filtro de condensador en la entrada: Este filtro genera una tensión de salida continua igual al valor de pico de la tensión rectificada. Este tipo de filtros es muy usado en fuentes de alimentación y alternadores.

La siguiente figura nos muestra la forma de conectar el condensador: (Fig. 20)

En los filtros de onda completa el rizado de pico a pico se corta por la mitad, como se observa en la figura.(Fig. 21 a-b) Cuando una tensión de onda completa se aplica a un circuito RC, el condensador solo descarga la mitad del tiempo. Por lo tanto, el rizado de pico a pico tiene la mitad de tamaño que tendría con un rectificador de media onda, la señal con el condensador mejora notablemente. El funcionamiento del condensador consiste en lo siguiente: Este se carga a través de la tensión continua pulsante que entrega el rectificador, (diodo abierto) una vez que el condensador almacena el valor máximo de tensión comienza su descarga, hasta que nuevamente la tensión continua pulsante alcanza el valor del condensador comenzando nuevamente su descarga.

Se puede calcular el voltaje de rizado de pico a pico de cualquier filtro con condensador a la entrada:

fC

IVr

Donde:

Vr = Tensión de rizado pico a pico (V) I = Corriente por la carga en continua (A)

f = Frecuencia de rizado (Hz) C = Capacidad (F)

El diodo además de rectificar, se puede utilizar como elemento de protección como por ejemplo para asegurar el paso de corriente en un solo sentido en un alternador o batería:(Fig. 22)

Ecuación General del Rectificador Monofásico con Filtro

L

m

dc

fCR

VV

2

11

En donde Vm es la tension máxima de rectificado. f es la frecuencia fundamental de la señal alterna de alimentación para el caso de rectificación de media onda y el doble para el caso de onda completa. C es la capacidad del condensador de filtro. RL es la Resistencia eléctrica del circuito a alimentar.

Otros tipos de diodos

Diodo Zener: Es un diodo de fabricación especial de silicio que se ha diseñado para que funcione en la zona de ruptura, llamado a veces diodo de avalancha, el diodo zener es la parte esencial de los reguladores de tensión. Estos son circuitos que mantienen la tensión casi constante con independencia de que se presenten grandes variaciones de la tensión en la red y la resistencia de carga. A continuación veremos su símbolo y grafica de trabajo: (Fig.23)

Regulador zener: El diodo zener es un elemento estabilizador de tensión (regulador de tensión) porque para pequeños márgenes de variación de tensión, trabaja con variaciones importantes de corriente. Para asegurar que el diodo zener trabaje como estabilizador de tensión se deben cumplir las siguientes condiciones:

Este diodo debe ser alimentado por una corriente inversa no inferior a Iz. Mínimo (Iz min.), dato entregado por el fabricante.

No se debe sobrepasar en ningún caso la corriente del zener máxima (Iz max.) ya que puede producir daños en el componente.

Ahora la potencia del zener se calcula por:

VzIzPz .max

Por lo tanto: Vz

PzIz max

El Iz min. se calcula y es igual al 10% de Iz max.

Por lo tanto: 2

minmax IzIzIztrabajo

Diodo Led (emisor de luz): En un LED con polarización directa los electrones libres atraviesan la unión y caen en los huecos. Como caen de niveles energéticos altos a niveles bajos, emiten energía. En diodos normales esta energía se disipa en forma de calor, pero un LED lo hace en forma de luz. Los LED necesitan muy poca tensión, tienen una larga vida y conmutan mas rápido.

Su símbolo y forma real se muestra a en las imágnes de los costados.

El diodo LED posee el mismo funcionamiento que el diodo común, sin embargo cuando se produce la difusión de portadores mayoritarios a través de la unión, estos entregan energía en forma de luz.

Estos elementos necesitan de un voltaje de polarización de entre 1,5 a 2 (V) y una corriente de trabajo entre 15 a 20 (mA) y pueden ser de color rojo, verde, amarillo, naranjo, etc. Este tipo de diodo se construye con materiales semiconductores semitransparentes a la energía luminosa, como por ejemplo de Arsénico y Galio.

Fotodiodos: (Receptor de luz), este componente recibe luz con lo cual los electrones Libres tienen la energía suficiente para poder traspasar la unión y conducir. Cuanto mayor intensidad de luz incida sobre la unión, mayor será la corriente inversa en el diodo. Un foto diodo es un diodo cuya sensibilidad a la luz es máxima. Se debe polarizar en forma inversa y en los fotodiodos típicos la corriente inversa es del orden de decenas de microamperios. Se pueden utilizar para captar señales en sensores ópticos o medir velocidades angulares en motores. Su símbolo se muestra a la derecha, en la figura 28.

Actividad de síntesis Circuito A

1. Usando el circuito A, determine los valores de Id, Vd y Vr. Donde Vcc= 5 Volts,

R1= 2,2 KΩ

2. Repita el ejercicio anterior, esta vez utilizando resistencias con los siguientes valores R1= 0,47 KΩ y R1= 0,18 KΩ

3. Para el diodo de silicio que se presenta en el

siguiente circuito, determine el nivel de Id, Vd y Vr. Desarrolle el mismo analisis utilizando el modelo ideal de diodo.

4. Determine la corriente I para cada una de las configuraciones que se presentan.

5. Determine el valor de Vo para cada red de la figura:

6. Diseñe un cargador de batería simple, que permita cargar una batería de 12V.

Para ello, se dispone de un transformador de 12V, un puente rectificador de onda completa y un interruptor del tipo N.O.

7. Diseñe un sistema de alimentación que permita suprimir el uso de pilas en un

discman, que utiliza dos de ellas. La corriente máxima que éste consume es de 300mA.

8. Un joven estudiante de Electrónica, desea construir una fuente de alimentación

para llevar a cabo los respectivos ensayos de laboratorio. Dispone de un transformador como el que a continuación se muestra (con salidas múltiples), un conmutador de 4 posiciones, un puente rectificador

(rectificador de onda completa), un condensador electrolítico de 1000 uF. Determine las tensiones de salida, conseguidas con cada una de las conmutaciones.

9. Se dispone de un Led Rx infrarrojo, un set de resistencias de 100, 220 y 330 ohm respectivamente y una

fuente de tension de 9 V y un Led de color Rojo. Diseñe un sistema o circuito que permita verificar si los Led Tx de los controles remotos se encuentran en buen estado.

10. A partir del siguiente circuito determine:

a) Encierre en un circulo, el diodo que se encuentra en antiparalelo al Relé. ¿Qué función cumple en el circuito, dicho diodo?

b) ¿Qué pasará al cerrar el interruptor que representa al sensor? c) Describa en no más de 10 pasos, como funciona el siguiente circuito.

En muchos casos es necesario llevar a cabo la eliminación de baterías debido al costo asociado que tiene su adquisición. A continuación conoceremos una alternativa para acceder al reemplazo de éstas, con lo cual nos permitirá ahorrar el costo que estas tienen y la incomodidad generada por estas. En el ámbito de la electrónica, a diario nos encontramos en forma cotidiana con la necesidad de tener un sistema de alimentación eléctrica, que sea lo mas exacta y estable, existiendo diversos circuitos y configuraciones que nos ofrecen alternativas, que satisfacen dicha situación Reguladores integrados

Todo dispositivo electrónico, desde una supercomputadora hasta un simple destellador, debe necesariamente poseer una parte escencial para su funcionamiento una fuente de alimentación de buena calidad. En efecto, diseñada y realizada de mil formas distintas, siempre se encuentra presente en todo equipo electrónico cualquiera sea su uso o complejidad. Es por esto que a la hora de realizar cualquier circuito electrónico práctico, el diseñador debía necesariamente realizar una fuente de alimentación acorde a las necesidades del circuito. La mayoría de las veces se le exigía a ésta que mantuviera la tensión de salida constante para cualquier condición de uso. En muchas ocasiones diseñar tal fuente resultaba una tarea bastante difícil y tediosa. Se debían asumir compromisos que relacionaban la complejidad del diseño con la estabilidad del mismo. Así, por ejemplo, una pequeña fuente que requería pocos componentes presentaba una regulación pésima, mientras que una que ofrecía una buena estabilidad, precisaba una cantidad faraónica de componentes y, por consiguiente, aumentaba el tiempo y el costo del diseño.

Afortunadamente las empresas diseñadoras de componentes han puesto fin a esta peripecias, presentando, hace ya algunos años, los reguladores integrados. Estos dispositivos de gran utilidad aúnan todas las ventajas de una completa fuente de alimentación en un solo encapsulado reduciendo el problema de un buen diseño a unos pocos componentes. Veamos, ahora, un poco más en profundidad de qué se trata esto.

Reguladores fijos

En la mayoría de las aplicaciones se requiere una tensión fija y estable de un determinado valor. La línea de reguladores ideales para este tipo de necesidades es la conocida como LM78XX. Las primera letras y dos número corresponden a la denominación, mientras que las dos últimas XX deben ser reemplazados por la tensión de salida requerida. Las tensiones disponibles de observan en la siguiente tabla:

TEMA 3 Regulación de tensión.

Cada uno de estos dispositivos posee sólo tres terminales, una corresponde a la entrada de tensión no regulada, otra es la salida regulada y la restante es la masa común a ambas. En cuanto al encapsulado, conviene aclarar que, si bien están disponibles en varios tipos, generalmente se los suele encontrar en el encapsulado del tipo TO-220. Resumiendo, y para comprender completamente la simplicidad de una fuente de alimentación de este tipo, sólo basta observar el diseño de la siguiente figura:

Como se observa, sólo fueron agregados dos capacitores al circuito integrado. Expliquemos la función de cada uno de ellos. C1, que se halla a la entrada del regulador, filtra la tensión de posibles transistorios y picos indeseables, mientras que C2, que se encuentra a la salida, disminuye la tensión de rizado de salida, a la vez que evita oscilaciones. En cuanto a la tensión de entrada, se puede mencionar que es de una rango muy amplio, como se aprecia. Por ejemplo, si el regulador elegido es uno de nueve voltios (LM7809), la tensión de entrada podrá ser de entre 12 y 39 voltios. Para realizar una fuente de alimentación fija completa, observemos la figura siguiente que constituye sólo una modificación de la anterior:

Codigo Tensión de salida

LM7805 5 Voltios

LM7806 6 Voltios

LM7808 8 Voltios

LM7809 9 Voltios

LM7812 12 Voltios

LM7815 15 Voltios

LM7818 18 Voltios

LM7824 24 Voltios

LM7830 30 Voltios

En este diseño partimos directamente de la tensión alterna de red (220v ó 110v depende del país), para lograr una tensión perfectamente estable. Primeramente, como es lógico, la tensión es reducida hasta una valor manejable por un transformador. Luego, esta tensión alternada de bajo valor es rectificada por el puente D1, obteniéndose así una señal de onda completa. Después la señal se filtra por medio de C1 consiguiéndose de esta forma una tensión continua no estabilizada, que es inyectada al circuito anterior para su regulación. Actividad de síntesis

1. Para el circuito que se muestra a continuación, asumiendo que el dispositivo es

del tipo LM7812, determine:

a) Tensión después de rectificar, si el transformador entrega 13 V.

b) Tensión después de filtrar.

c) Gráfico de la forma de onda de la tensión filtrada.

d) Corriente de la carga, asumiendo, que ésta corresponde a una carga resistiva

de 45 Ohm.

e) Plantee modificaciones para que el circuito quede protegido contra tensiones

inversas.

f) Plantee modificaciones para que el circuito regule a 6,2 V, si el regulador es del

tipo LM 7805.

En 1951 William Schockley invento el primer transistor de unión, un dispositivo semiconductor que permite amplificar señales electrónicas tales como señales de radio y de televisión. El transistor ha llevado a crear muchas otras invenciones basadas en semiconductores, incluyendo el circuito integrado (CI), un pequeño dispositivo que contiene miles de transistores miniaturizados. Existen dos familias de transistores:

Transistores unipolares Transistores bipolares

Esta clasificación se basa en el tipo de portadores de carga (electrones y huecos) que intervienen en su proceso de conducción.

Transistor bipolar: El transistor tiene tres zonas de dopaje, como se muestra en la siguiente figura (Fig. 30). La zona inferior se denomina emisor, la zona central base y la zona superior es el colector.

TEMA 4 El Transistor Bipolar

Este componente es de estructura simple y debe cumplir con ciertos requisitos de dopado y de dimensiones características que hacen que el dispositivo no se comporte simplemente como dos diodos. Su función es que el emisor emite captadores de carga, el colector los recoge y la base controla el paso de esos portadores de cargas. El emisor esta fuertemente dopado. Por otro lado, la base esta ligeramente dopada. El nivel de dopado del colector es intermedio, entre los dos anteriores. Físicamente el colector es la zona mas grande de las tres.

Modo de funcionamiento:

Principio de funcionamiento del transistor: En la Fig. 32 se muestra el funcionamiento de un transistor NPN en zona activa:

Los datos de inicio, para explicar la Fig. 32 son los siguientes:

Emisor: Muy contaminado. (muchos portadores mayoritarios, electrones) Base: Poco contaminado (pocos portadores mayoritarios, huecos) estrecho tamaño. Colector: Medianamente contaminado de tamaño amplio.

Con la polarización directa de la unión base emisor, muchos electrones del emisor irán a la base a recombinarse con los huecos de la base y viceversa. Aquí se encuentran con la primera dificultad y es que la base está poco impurificada (dopada) y existen pocos huecos para que se puedan recombinar, los que lo logran forman una pequeña corriente denominada corriente de base. Los electrones llegados del emisor y no recombinados saturan a la base (tamaño estrecho) lo que produce una corriente de difusión entre base y colector. Como esta unión está polarizada en forma inversa, los electrones son extraídos por el campo eléctrico. Por lo tanto la unión base colector reúne los portadores que emite la unión base emisor comportándose como un generador de corriente entre emisor y colector. Aproximadamente solo un 5% de la corriente emitida va a la base y un 95% al colector. En resumen, el emisor emite portadores, el colector los recoge y la base controla el paso de esos portadores de carga. La poca corriente de base es controlada por la tensión base - emisor.

Configuraciones de un transistor: Estas configuraciones dependen del terminal que se elija común a la entrada y a la salida del transistor:

Relaciones de corriente en un transistor: Recuérdese que la ley de la corrientes de Kirchhoff. Establece que la suma de todas las corrientes que ingresan a un nudo o unión es igual a la suma de todas las corrientes que salen de ese nudo:

BCE III

Ahora la relación β se conoce como la ganancia de corriente de un transistor porque una pequeña corriente de base produce una corriente mucho mayor de colector:

B

C

I

I

Ejercicio: Un transistor tiene una corriente de colector de 10 mA y una corriente de base de 40 μA. ¿Cual es la ganancia de corriente del transistor? Solución:

25040

10

A

mA

Funciones principales de un transistor: En lo que respecta al automóvil se destaca la importancia del transistor en la utilización como rele y amplificador.

Como interruptor: Para que funcione de esta forma basta con polarizar la base del transistor, a través de una débil tensión o polarización para conseguir el paso de una alta corriente entre emisor y colector. La gran ventaja en este caso con respecto a un rele mecánico, es que el transistor no posee contactos ni resortes o mecanismos que se deterioren con el tiempo producto de los movimientos la temperatura y que fácilmente pierden sus cualidades iniciales.

Basado en éste principio, el transistor tiene un amplio campo de aplicación en el automóvil y un ejemplo de ello es la Fig.34 que nos muestra un sistema de encendido transistorizado:

Funcionamiento: La corriente principal proviene de la batería (A) y pasa al transistor (T), si los contactos del ruptor (platinos) se encuentran abiertos, por lo cual se produce una interrupción en el paso de la corriente de base, de modo que el transistor queda bloqueado. Cuando los contactos (P) se unen, polarizan a masa (corriente negativa), la base del transistor y entonces éste se vuelve conductor, dando paso a la corriente al primario de la bobina de encendido (B). El primario de la bobina se alimenta y cuando se produzca la nueva separación de los contactos, el transistor se bloquea y se induce una corriente de alta tensión en el arrollamiento secundario de la bobina, lo que produce la chispa en la bujía.

En el caso de la figura dibujada se observa que el transistor trabaja como un rele, porque una pequeña corriente de base permite el paso de una corriente mayor entre emisor y colector.

Como Amplificador: Éstos se utilizan cuando se trata de recibir señales procedentes de sensores o captadores, las cuales trabajan con señales muy bajas. Para que éstas señales puedan ser incorporadas a dispositivos electrónicos tales

como cajas de encendido, microprocesadores de las unidades electrónicas de control de inyección de gasolina, deben ser amplificadas.

En resumen un amplificador ese un dispositivo por medio de el cual una débil corriente producida por una fuente hace provocar una fuerte corriente en la salida.

La siguiente Figura (Fig. 35) nos muestra un ejemplo simplificado de cómo un transistor puede realizar las funciones de un amplificador. La entrada amplificada que proviene de la base del transistor y circula entre emisor y colector y que puede llegar a ser 100 veces superior. Si se desea amplificar aun mas se puede aplicar una segunda etapa amplificadora que puede llegar a ser 10.000 veces aumentada la señal de salida. El siguiente circuito, corresponde a la configuración Emisor Común.

Características de un amplificador • La señal de salida debe tener la misma forma que la entrada (Amplificador lineal). • Requerimientos de ganancia • Alta impedancia de entrada • Baja impedancia de salida • Buen comportamiento con la frecuencia

La siguientes curvas, nos indican como debe comportarse un amplificador transistorizado, de modo que la señal de entrada tenga una excursión sin saturaciones. En el caso de los equipos de audio, la saturación, esta se percibe con un zumbido molesto en los tonos de mayor amplitud.

Para que el transistor funcione, debemos polarizarlo, para ello se hace uso de las resistencias R1 y R2, presentes en el modelo anteriormente indicado Las ecuaciones asociadas a su característica son las siguientes, acompañadas nuevamente con el modelo:

R`L, representa a la resistencia que alimenta todo el sistema de amplificación. RB, representa la reducción del modelo resistivo del resistor de control de corriente de base. Av, representa la ganancia de tensión del sistema, o sea cuantas veces la señal de tensión de entrada, es amplificada. hie, es la impedancia de entrada del transistor, lo indica el fabricante. Hfe, es el valor de la ganancia de corriente de transistor, al igual que en el caso anterior, lo indica el fabricante. Ri, Corresponde a la resistencia de entrada el sistema, valor que nos condiciona la calidad del amplificador. Para entender el concepto de impedancia de entrada, nos basaremos en el siguiente ejemplo, en donde el valor de tensión de Zin, será el valor que realmente se amplificará. Caso 1.

El valor de Rf, corresponde a un valor resistivo propio de cada sistema de

alimentación, es inevitable tenerlo, se encuentra en un micrófono del cual

deseamos amplificar su sonido recibido, se encuentra en una sonda lambda, que

nos entrega tensión en función de los gases de escape de un motor de

combustión interna, o bien en cualquier sistema generador de señal.

Ahora bien, si obtenemos matemáticamente el valor de Vout, notaremos, que la

señal de 20mV, que deseamos amplificar, para el sistema, solo equivaldrán

10mV, ya que la tensión que este “ve” (o recibe), será la tensión presente en su

resistencia de entrada (Ri) .

Caso 2.

Repitiendo el procedimiento anterior de determinación de Vout, pero ahora con un valor de resistencia de entrada un poco mas bajo, notaremos que la tensión que amplificará realmente el sistema será de 0,95 mV. Caso 3

Al igual que en el caso anterior, obtenemos la tensión Vin, resultando con un valor de 19 mV, que es un valor muy cercano al de la fuente generadora.

POR LO TANTO, UNA DE LAS CARACTERISTICAS DE UN BUEN AMPLIFICADOR, SERA PRESENTAR UNA ELEVADA IMPEDANCIA DE

ENTRADA.

Sin embargo, un exceso de ésta, lo hará muy susceptible al ruido, es decir, además de amplificar nuestra señal, amplificará cualquier señal externa indeseable, tales como ruido solar, ruido de un insecto, etc. Ro, corresponde al valor de la resistencia de salida, que también condiciona la calidad del amplificador. Mientras mas bajo sea este valor, mejor será la calidad del amplificador. Conseguir un valor igual a Cero, en el modelo indicado es imposible, debido a que este valor contribuye además a controlar al punto de polarización del dispositivo. Ai, corresponde a la ganancia de corriente, magnitud que no analizaremos por ahora.

Circuitos de Aplicación con Transistores.

1. Detector de oscuridad.

Actividad de síntesis

1. Indique 4 aplicaciones del transistor Bipolar. 2. ¿Cuál es la diferencia entre un transistor NPN y un PNP? 3. ¿Puede en un transistor NPN tener circulación de corriente desde la base al

colector? 4. Diseñe un circuito, en el cual, sea posible emplear el transistor, como interruptor

electrónico. 5. Si un circuito se encuentra polarizado con 10 V, y en la salida de la

configuración emisor común se mide una tensión de 4 V. ¿En qué zona se encuentra trabajando?.

6. Determine el valor de corriente en el colector, asumiendo que el valor de Beta o

Hfe en el transistor, es de 100 y el Vled=3V.

7. El siguiente circuito se utilizará para amplificar la señal de audio proveniente

de una grabadora. A partir de ello, determine cuantas veces será amplificada la tensión de entrada del sistema. Asuma que la carga, será un parlante con una impedancia o resistencia de 8 ohm. (Para los datos del transistor, utilce los datos del fabricante.

8. Investigue los datos, del transistor BD135. A partir de ello, determine los valores

que se piden en la tabla.

Tipo de transistor (NPN o PNP) Corriente máxima de colector Ganancia de corriente o Beta Tension de Colección Emisor en zona de saturación

Tipo de encapsulado 9. Justifique si el

siguiente circuito, es apto para efectuar un análisis de la curva del transistor.

Definición El concepto original del AO (amplificador operacional) procede del campo de los computadores analógicos, en los que comenzaron a usarse técnicas operacionales en una época tan temprana como en los años 40. El nombre de amplificador operacional deriva del concepto de un amplificador dc (amplificador acoplado en continua) con una entrada diferencial y ganancia extremadamente alta, cuyas características de operación estaban determinadas por los elementos de realimentación utilizados. Cambiando los tipos y disposición de los elementos de realimentación, podían implementarse diferentes operaciones analógicas; en gran medida, las características globales del circuito estaban determinadas sólo por estos elementos de realimentación. De esta forma, el mismo amplificador era capaz de realizar diversas operaciones, y el desarrollo gradual de los amplificadores operacionales dio lugar al nacimiento de una nueva era en los conceptos de diseño de circuitos.

Características ideales de un AOP

a. Resistencia de entrada

infinita. b. Resistencia de salida

nula.

c. Ganancia de tensión infinita.

d. Respuesta de frecuencia infinita (CC a infinitos Hz)

e. Insensibilidad a la temperatura (DRIFT nulo).

Aplicaciones de los Amplificadores Operacionales

Es muy difícil enumerar la totalidad de las aplicaciones de este circuito

denominado amplificador operacional. De modo general, podemos decir que sus

aplicaciones están presentes en los sistemas electrónicos de control industrial,

en la instrumentación nuclear, en la instrumentación médica (electromedicina o

bioelectrónica), en los ordenadores analógicos, en los equipos de telecomunicaciones

y de audio, etc..

Simbología del AO

- A Entrada inversora

- B Entrada no inversora

- Y Salida.

El símbolo de la Figura 1.1. (a) es el más usual.

TEMA 5 EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL

(a) (b)

Descripción de los pines

En la realidad, los AO poseen al menos ocho terminales. Véase la Figura 1.2., en la

que tomamos como ejemplo los famosos AO A741 (FAIRCHILD) y LF 351

(NATIONAL).

Figura 1.2. Diagrama Amp. Op 741

La descripción de los pines es la siguiente:

1 y 5. Destinados al equilibrio del AO (ajuste de la tensión OFFSET).

2. Entrada inversora.

3. Entrada no inversora.

4. Alimentación negativa (-3V a - 18V).

7. Alimentación positiva (+ 3V a + 18V).

6. Salida.

8. No utilizada.

Encapsulado

En la Figura 1.3. tenemos los tipos más comunes. En la Figura 1.3.(a) presentamos

un encapsulamiento plano o “FLAT-PACK” de 14 pines, en la Figura 1.3. (b) otro

metálico

“METAL CAN” de ocho pines, y, finalmente, en la Figura 1.3. (c) hay dos tipos de

encapsulamiento en línea doble o “DIP” (dual-in-line-package). Para todos ellos

se muestran las diferentes formas de identificación adoptadas por los fabricantes.

(c) (d)

CONCEPTO DE TENSION OFFSET DE SALIDA

El hecho de que los transistores de la etapa diferencial de entrada del AOP no

sean idénticos provoca un desequilibrio interno del que resulta una tensión en la

salida, denominada tensión OFFSET de salida, aun cuando las entradas estén

puestas a tierra. Por este motivo, los pines 1 y 5 del AOP 741 (o 351) están

conectados a un potenciómetro y al pin. ésto permite eliminar la señal de error

presente en la salida por medio de un ajuste adecuado del potenciómetro. Véase la

Figura 1.4. a continuación.

Figura 1.4. Ajuste de tensión offset.

La importancia del “ajuste OFFSET” se aprecia en las aplicaciones en que se trabaja

con señales pequeñas (del orden de mV), por ejemplo:

- Instrumentación.

- Electromedicina (Bioelectrónica) Alimentación del Amplificador Operacional

Normalmente los

AO están

proyectados para

ser alimentados

simétricamente.

En algunos casos

podemos utilizar

los AO con

alimentación única.

Existen, incluso,

AO fabricados

expresamente para

trabajar de esta

manera (LM 3900-

NATIONAL).

Cuando no

dispongamos de

fuentes simétricas

podemos improvisarlas utilizando fuentes sencillas, como se indica en la Figura 1.8.

En cualquier caso, el punto común de las fuentes era el de tierra (o masa) del

circuito. Todas las tensiones presentes en los terminales del AO tendrán como

referencia este punto.

SLEW-RATE

Se define el “SLEW-RATE” (SR) de un amplificador como la máxima variación de

tensión de salida por unidad de tiempo. Normalmente viene expresado en V/us.

En términos generales podemos decir que el valor de SR proporciona la velocidad

de respuesta del amplificador. El amplificador será mejor cuanto mayor sea el valor de

SR.

el AOP 741 posee un SR de 0,5 V/us, el LF 351 de 13V/us, y el LM 318 de 70 V/us. “SLEW-RATE” suele traducirse por tiempo de subida, tiempo de respuesta, etc..

SATURACION

Diremos que el AO está saturado cuando, operando en cualquiera de las tres

formas, alcance en la salida un nivel de tensión determinado, a partir del cual la señal

de salida no pueda variar su amplitud.

En la práctica el nivel de saturación es del orden del 90% del valor de Vcc.

Así, por ejemplo, si alimentamos el AO con 15 V, la salida alcanzará una

saturación positiva aproximada de + 13,5 V, y una negativa en torno a -13,5 V.

La siguiente Figura 1.15 representa gráficamente este hecho.

Figura 1.15. Zonas de saturación.

En la Figura 1.16 tenemos una señal senoidal de salida cortada por efecto de

la saturación.

Figura 1.16. Señal distorsionada por efecto de la saturación.

Ruido

Llamamos ruidos a las señales eléctricas indeseables que pueden aparecer en

los terminales de cualquier dispositivo electrónico. Motores eléctricos, líneas de

transmisión, descargas atmosféricas, radiaciones electromagnéticas, etc., son

las principales fuentes de ruidos.

Un método práctico para paliar los efectos de los ruidos en los circuitos

electrónicos consiste en ponerlos a tierra de forma efectiva, así como a los equipos

involucrados. Evidentemente, nos referimos a una puesta a tierra real. (Ver Figura

1.17)

Figura 1.17. Método práctico para paliar efectos del ruido. La siguiente imagen, muestra un ejemplo de señal de salida, en ausencia de señal de entrada.

Actividad Resumen

1. Indique con sus palabras la definición de un Amplificador operacional.

2. Mencione una aplicación práctica para cada una de las características del Amplificador

Operacional.

3. Describa el por que se prefiere un AO en vez de un amplificador transistorizado.

4. Busque en un catálogo técnico, e indique las características de los dispositivos

LM741, LF356, LM339 indicando sus patillas y magnitudes de trabajo eléctricas.

5. Diseñe por completo una fuente de tensión simétrica, que permita alimentar un AO del

tipo LM741.

6. ¿Qué condiciona el SR en un Amplificador Operacional?.

7. Determine la frecuencia máxima de entrada, para desarrollar un trabajo adecuado, si

se dispone de un AO, con un SR de 0,9 V/uS.

8. ¿Qué significa que un amplificador Operacional se Sature en su salida?

Básicamente el AO trabaja de tres formas: A. Sin realimentación

Denominada también configuración en lazo abierto. La ganancia del AO

viene determinada por el propio fabricante, por tanto, no se tiene ningún control

sobre ella. Este tipo de configuración es muy útil en circuitos comparadores. En la

Figura 1.9. tenemos un AO en lazo abierto. Este circuito es un comparador y se

estudiará más adelante.

Figura 1.9. El AO sin realimentación. El funcionamiento de un comparador, se describe de la siguiente manera

B. Con realimentación positiva

Este tipo de configuración se denomina en lazo cerrado y tiene el

inconveniente de desestabilizar el circuito. Una aplicación práctica de la

realimentación positiva se da en los circuitos osciladores. La Figura 1.10 ilustra esta

forma de trabajo.

TEMA 6 Aplicaciones Lineales Del Amplificador Operacional

Figura 1.10. El AO con realimentación positiva. Véase que la salida está aplicada a la entrada no inversora del AO a través de una resistencia de realimentación Rf.

C. EL SEGUIDOR DE TENSIÓN (BUFFER)

Haciendo en el amplificador no inversor R1 = inf (circuito abierto) y Rf = 0 (cortocircuito)

tendremos:

Este circuito representa una impedancia de entrada muy alta al tiempo que una impedancia de salida muy pequeña, ya que en este caso es B = 1 (en los anteriores amplificadores el valor de B era menor que la unidad).

El seguidor de tensión se utiliza en las siguientes aplicaciones:

a. Aislamiento de tapas,

b. b. Refuerzo de corriente,

c. Adaptación de impedancias.

De los circuitos con AO, el seguidor de tensión es el que presenta características

más próximas a las ideales en términos de impedancias de entrada y salida.

En algunos casos, el seguidor de tensión recibe la señal a través de una resistencia

en serie, con el terminal no inversor (Rs). Entonces, con el fin de equilibrar la

ganancia y las corrientes, se coloca otra resistencia del mismo valor en el circuito de

realimentación

(Rf). En la Figura 1.29 hemos de tener Rs = Rf, lo que exige que Avf = 1.

Rf

Figura 1.29. El AO como seguidor de tensión con resistencia de realimentación (Rf).

Aplicación práctica de lo que acabamos de decir es el uso del “BUFFER” para adaptar las impedancias al conectar un generador de señal con un amplificador de baja impedancia de entrada, como ilustra la Figura 1.30.

Figura 1.30. El Amplificador Operacional como BUFFER.

Cuando las señales involucradas

son de amplitud relativamente

alta no es necesario colocar Ro,

por no ser apreciable el error que

se produce.

Una modificación especial del

amplificador no inversor es la etapa

de ganancia unidad mostrada en la figura

En este circuito, la resistencia de entrada se ha incrementado hasta infinito, y RF es cero,

y la realimentación es del 100%. V0 es entonces exactamente igual a Vi, dado que Es = 0.

El circuito se conoce como "seguidor de emisor" puesto que la salida es una réplica en

fase con ganancia unidad de la tensión de entrada. La impedancia de entrada de esta

etapa es también infinita.

Con realimentación negativa (RN)

Es el modo de configuración más importante en circuitos con AO. En la Figura

1.11 tenemos un AOP trabajando de esta manera:

Figura 1.11. El AO con realimentación negativa.

Véase que la salida está aplicada a la entrada inversora del AOP a través de Rf.

Las aplicaciones de los AO con RN son numerosas:

- Amplificador no inversor.

- Amplificador inversor.

- Sumador.

- Amplificador diferencial

- Diferenciador.

- Integrador.

- Filtros activos, etc..

Ejemplo de señal de salida Obsérvese el siguiente diagrama de señales para este circuito

Por supuesto la rampa dependerá de los valores de la señal de entrada, de la resistencia y del condensador.

Ejemplo de señal de salida Y puesto que VOUT= - IF RF Sustituyendo obtenemos

Obsérvese el siguiente diagrama de señales para este circuito

SIMBOLO ESQUEMATICO DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL ESTANDAR Y SU

USO

Actividad de síntesis. 1. ¿Por qué no es habitual el uso de la realimentación positiva? ¿Qué Aplicación

Tiene? 2. ¿Qué significa Adaptar impedancias? 3.

4.

5. Diseñe un Circuito Amplificador a través del uso de amplificadores

operacionales, con el fin de escuchar la voz proveniente de un micrófono y que permita amplificar esta señal a lo menos 100 Veces de manera regulable. Se dispone de un Potenciómetro de 100K ohm, un dispositivo LF356 , un sistema de alimentación filtrado.

En esta experiencia, conoceremos otra aplicación muy utilizada en la técnica de control de velocidad de motores de corriente continua (motor serie), la cual es apta para cualquier motor que varíe su velocidad en función del valor promedio de tensión que a este se le suministre. El mercado de los artefactos eléctricos requiere soluciones de bajo costo para el control de motores así como también el mantenimiento de las funciones avanzadas para el funcionamiento eficiente del motor. Es posible cumplir con estos dos requisitos principales mediante un sistema de accionamiento de motor basado en microcontroladores o sistema de generación de señales cuadradas de ancho variable que ayude a los fabricantes de equipos originales a reducir los costos del sistema y a brindar funciones avanzadas para las aplicaciones de control del motor. En este tema, no podemos dejar de mencionar la configuración Darlington, la cual se utiliza con el propósito de tener una ganancia de tensión casi unitaria y además con una ganancia de corriente elevada.. Existe una gran variedad de motores que varían su construcción y forma de utilización de acuerdo a la aplicación para la que fueron diseñados. Por ejemplo, los servomotores, los motores paso a paso, de corriente continua, etc. Una de las características principales del motor de corriente continua es que su velocidad cambia de forma proporcional a la tensión continua que hay entre sus terminales. Entonces, una manera simple de controlar la velocidad de estos motores es variar la tensión del motor por medio de un potenciómetro y una resistencia en serie. Sin embargo, aquí presentamos otra forma, al utilizar una señal de control rectangular con un ancho del pulso controlada, aprovechando que el motor tiene características de filtro pasabajos. De esta forma, el motor “verá” una señal casi continua que tendrá el valor medio de la señal rectangular. Entonces cuando el ciclo de trabajo (ancho de los pulsos en alto) aumente, crecerá el valor medio de la señal continua “vista” por el motor, como en la Figura se ilustra esta idea en general.

El circuito IC 555, como generador de señal PWM. Una señal PWM, es una señal del tipo cuadrada, que tiene la particularidad que podemos alterar su forma y de esta manera cambiamos el valor promedio de ella. Existen varias alternativas de cómo generala, una de ellas la utilizaremos aquí a través del uso del LM555, el cual lo configuraremos como generador de PWM, su conexionado básico es la siguiente:

TEMA 8 SEÑALES PWM

Las ecuaciones asociadas a su diseño y comportamiento son las siguientes:

NOTA: Los valores de R1, R2 y C, se encuentran en Ohm y Faradios respectivamente.

Otra variante de este circuito, que permite mayor estabilidad, corresponde al expuesto a continuación:

Actividad

1. Realizar el calculo de los valores de Ciclo de trabajo (DC) y Frecuencia,

presentes en el ejemplo anterior, asumiendo las dos condiciones que se exponen:

2. Calcular el valor promedio de la siguiente señal

10V

0 10 20 40 mS 3. ¿Que ventajas tiene el control de velocidad de motores a través del sistema PWM?. 4. En el circuito expuesto como alternativa, indique la misión que cumplen los diodos en

su montaje. 5. Determine el valor promedio, frecuencia y ciclo de trabajo de la siguiente señal. (5ptos)

30V

0 45mS 60mS 105mS 150ms t

6. Un motor DC funciona a 1200 r.p.m. cuando es sometido a 8V. Determine su

velocidad, cuando se le aplican 12 V.

Un tiristor es un

dispositivo semiconductor

de cuatro capas de

estructura pnpn con tres

uniones pn. Tiene tres

terminales: ánodo, cátodo

y compuerta. La figura

muestra el símbolo y el

modelo cristalino del

tiristor.

Cuando el voltaje del ánodo se hace positivo con

respecto al cátodo, las uniones J1 y J3 tienen

polarización directa o positiva. La unión J2 tiene

polarización inversa, y solo fluirá una pequeña

corriente de fuga llamada corriente de estado

inactivo ID. Se dice entonces que el tiristor está

en condición de bloqueo directo en estado

desactivado. Si el voltaje de ánodo a cátodo VAK

se incrementa a un valor lo suficientemente

grande, la unión J2 polarizada inversamente

entrará en ruptura. Esto se conoce como ruptura

por avalancha y el voltaje correspondiente se

llama voltaje de ruptura directa VB0. Dado que las

uniones J1 y J3 tienen ya polarización directa,

habrá un movimiento libre de portadores a través

de las tres uniones, que provocará una gran

corriente directa del ánodo. Se dice entonces que

el dispositivo está en estado de conducción o

activado. La caída de voltaje se deberá a la

resistencia óhmica de las cuatro capas y será

pequeña, por lo común cercana a 1 volt.

TEMA 9 Tiristores Elementales

La corriente del

ánodo deberá ser mayor

que un valor conocido

como corriente de

enganche IL, a fin de

mantener la cantidad

requerida de flujo de

portadores a través de la

unión J2; de lo contrario,

al reducirse el voltaje del

ánodo a cátodo, el

dispositivo regresará a la

condición de bloqueo. La corriente de enganche, es la corriente de ánodo mínima

requerida para mantener el tiristor en estado de conducción inmediatamente después de

que ha sido activado y se ha retirado la señal de la compuerta.

Una vez que el tiristor está activado, se comporta como un diodo en conducción y

ya no hay control sobre el

dispositivo. El tiristor seguirá

conduciendo, porque en la

unión J2 no existe una capa de

agotamiento debida a

movimientos libres de

portadores. Sin embargo, si se

reduce la corriente directa del

ánodo por debajo del nivel

conocido como corriente de

mantenimiento IH, se genera

una región de agotamiento

alrededor de la unión J2 debida

al número reducido de

portadores; el tiristor estará entonces en estado de bloqueo. La corriente de

mantenimiento es del orden de los miliamperios y menor que la corriente de enganche. La

corriente de mantenimiento es la corriente de ánodo mínima para mantener al tiristor en

estado de régimen permanente.

Cuando el voltaje del cátodo es positivo con respecto al ánodo, la unión J2 tiene

polarización directa, pero las uniones J1 y J3 tienen polarización inversa. Esto es similar a

dos diodos conectados en serie con un voltaje inverso a través de ellos. El tiristor estará

en estado de bloqueo inverso y una corriente de fuga, conocida como corriente de fuga

inversa IR fluirá a través del dispositivo.

Un tiristor se puede activar aumentado el voltaje directo de ánodo a cátodo más

allá de VB0, pero esta forma de activarlo puede ser destructiva. En la práctica, el voltaje

directo se mantiene por debajo de este valor, y el tiristor se activa mediante la aplicación

de un voltaje positivo entre la compuerta y el cátodo.

Lo anterior puede entenderse mejor cuando se observa la gráfica de la curva

característica del tiristor, que se muestra en la figura anterior.

DIAC El DIAC es un dispositivo semiconductor de dos conexiones. Es un diodo bidireccional

disparable que conduce la corriente sólo tras haberse superado su tensión de disparo, y

mientras la corriente circulante no sea inferior al valor característico para ese dispositivo.

El comportamiento es fundamentalmente el mismo para ambas direcciones de la

corriente. La mayoría de los DIAC tienen una tensión de disparo de alrededor de 30 V. En

este sentido, su comportamiento es similar (pero controlado de forma mucho más precisa

y a una tensión menor) a una lámpara de neón.

Los DIAC son una clase de tiristor, y se usan normalmente para disparar los triac, otra

clase de tiristor.

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.

El DIAC es básicamente una combinación paralela inversa de dos terminales de capas de

semiconductor que permiten el disparo en cualquier dirección. Las características del

dispositivo muestran que hay un voltaje de ruptura en ambas direcciones. Esta posibilidad

de una condición de encendido en cualquier dirección puede usarse al máximo para

aplicaciones en AC.

La siguiente imagen muestra como conectar el dispositivo, de manera muy básica,

considerando la forma de situar la carga e ingreso de la señal de disparo.

Circuitos de gobierno de Tiristores

En algunos circuitos con tiristores (SCR), el voltaje de entrada es de corriente directa.

Como se sabe, el tiristor se "amarra" en el

estado de conducción, en tanto es un

dispositivo de enganche. Una vez que el

tiristor entra en conducción, es necesario

que su corriente anódica llegue a ser menor

a la corriente de mantenimiento.

Para poder controlar la conmutación del

tiristor en corriente directa existe una

técnica llamada de conmutación forzada,

que consiste en agregar un circuito

adicional, cuya función es obligar a que la corriente que fluye por el tiristor pase por cero.

Esta técnica encuentra aplicación en los convertidores de dc a dc (pulsadores) y de dc a

ac (inversores.)

Hay una gran diversidad de circuitos de conmutación forzada, entre los que podemos

menciona al circuito de auto conmutación, conmutación por impulso, por

pulso resonante, etc. El circuito anterior opera de la siguiente manera:

Cuando se dispara el tiristor T1, la corriente de conducción fluye a través de RL y por el

ánodo del tiristor, y si es mayor que la corriente de mantenimiento, T1 quedará "cebado"

cuando se haya retirado el pulso de compuerta. Al mismo tiempo, el capacitor C se

cargará por medio de R, existiendo un potencial más positivo en la terminal conectada al

interruptor. Cuando cerramos el interruptor, el capacitor se descargará sobre el tiristor,

polarizándolo inversamente; de esta forma, el voltaje en el tiristor adquiere un potencial

inverso, obligando a la corriente que fluye por él a intentar cambiar de dirección, lo que la

obligará a pasar por cero. Adicionalmente se debe decir que es necesario que el tiempo

de carga del capacitor sea menor a la frecuencia de la señal de activación de la

compuerta, y al mismo tiempo, mayor que el tiempo de apagado del tiristor T1, para que el

circuito de conmutación no influya en el funcionamiento principal del circuito.

El circuito tiene una limitación: solo se garantiza su funcionamiento para cargas

resistivas, ya que en presencia de cargas inductivas sería necesario considerar el

efecto del desfase de la corriente provocado por la carga.

Figura 2.1

Actividad 1. Para el Caso de disparo por corriente continua, determine el valor de RS, necesario

para efectuar el disparo con una tensión de 12V, proveniente de un Automóvil, y que utiliza un SCR, que tolera como máximo en su compuerta una corriente de 30mA. La carga a controlar por el SCR, corresponde a una lámpara de 50W. Estime los valores que faltan, y modele el circuito.

2. ¿Cuál es la diferencia entre la corriente de mantenimiento y de enganche? 3. En el siguiente Circuito, justifique la aparición de cada una de las formas de onda.

5. Diseñe un circuito de control para un SCR, a partir del modelo de conmutación forzada. En dicho diseño exponga por completo, el circuito necesario para establecer el cebado inicial, incluyendo la selectividad de los componentes tanto de cebado y conmutación. 6. Que entiende por el dv/dt. 7. Como se dimensiona la resistencia del gate para el caso del SCR. 8. Que ocurriría si el condensador de la red de conmutación estuviese excesivamente dimensionado.

El triac (TRIODE OF ALTERNATING CURRENT) es un dispositivo semiconductor de tres terminales que se usa para controlar el flujo de corriente promedio a una carga, con la particularidad de que conduce en ambos sentidos y puede ser bloqueado por inversión de la tensión o al disminuir la corriente por debajo del valor de mantenimiento. El triac, a diferencia del SCR, puede ser disparado independientemente de la polarización de puerta, es decir, mediante una corriente de puerta positiva o negativa. Cuando el triac conduce, hay una trayectoria de flujo de corriente de muy baja resistencia de una terminal a la otra, dependiendo la dirección de flujo de la polaridad del voltaje externo aplicado. Cuando el voltaje es mas positivo en MT2, la corriente fluye de MT2 a MT1 en caso contrario fluye de MT1 a MT2. En ambos casos el triac se comporta como un interruptor cerrado. Cuando el triac deja de conducir no puede fluir corriente entre las terminales principales sin importar la polaridad del voltaje externo aplicado por tanto actúa como un interruptor abierto. Debe tenerse en cuenta que si se aplica una variación de tensión importante al triac (dv/dt) aún sin conducción previa, el triac puede entrar en conducción directa.

El Triac actúa como dos rectificadores controlados de silicio (SCR) en paralelo, este dispositivo es equivalente a dos latchs.

CARACTERISTICA TENSION – CORRIENTE

El gráfico describe la característica tensión – corriente del Triac. Muestra la corriente a través del Triac como una función de la tensión entre los ánodos MT2 y MT1. El punto VBD (tensión de ruptura) es el punto por el cual el dispositivo pasa de una resistencia alta a una resistencia baja y la corriente, a través del Triac, crece con un pequeño cambio en la tensión entre los ánodos. El Triac permanece en estado ON hasta que la corriente disminuye por debajo de la corriente de

TEMA 10 Triac

mantenimiento IH. Esto se realiza por medio de la disminución de la tensión de la fuente. Una vez que el Triac entra en conducción, la compuerta no controla mas la conducción, por esta razón se acostumbra dar un pulso de corriente corto y de esta manera se impide la disipación de energía sobrante en la compuerta. El mismo proceso ocurre con respecto al tercer cuadrante, cuando la tensión en el ánodo MT2 es negativa con respecto al ánodo MT1 y obtenemos la característica invertida. Por esto es un componente simétrico en cuanto a conducción y estado de bloqueo se refiere, pues la característica en el cuadrante I de la curva es igual a la del III.

El triac puede ser disparado en cualquiera de los cuadrantes I y III mediante la aplicación entre los terminales de compuerta G y MT1 de un impulso positivo o negativo. Esto le da una facilidad de empleo grande y simplifica mucho el circuito de disparo. La forma de cómo disparar el triac en los cuadrantes II y Iv, es de responsabilidad del alumno averiguarlas.

A continuación se expone un gráfico, en el cual se muestra la forma de disparo del SCR, en todos los cuadrantes posibles.

Hasta hace unas décadas, la regulación de potencia aplicada a una carga de corriente alterna se realizaba mediante un reóstato, o resistencia variable, de gran tamaño que se intercalaba en uno de los cables de alimentación. Otra opción consistía en utilizar transformadores con tomas múltiples y un conmutador que seleccionaba la toma adecuada en cada momento. Estos elementos absorbían parte de la potencia, o casi toda en el caso del reóstato, con lo cual el rendimiento era muy bajo, sobre todo cuando la potencia para aplicar a la carga era pequeña. El transformador con tomas múltiples producía mejor rendimiento, pero, era necesario que su potencia fuera igual o mayor que la que se debía aplicar a la carga, lo que implicaba que fueran de gran tamaño y por tanto de gran peso. Los reguladores electrónicos de potencia, basados en dispositivos electrónicos (TRIAC) pesan unos pocos gramos y controlan cargas elevadas, además de tener un alto rendimiento, ya que dejan pasar hacia la carga la parte de energía seleccionada sin absorber la restante.

El DIAC es un dispositivo de disparo que puede utilizarse para generar el impulso de corriente de puerta necesario para disparar un elemento de control, como un SCR o un TRIAC.

EL DIAC es un elemento de dos terminales y 5 capas (figura 1) diseñado

para dispararse cuando la tensión entre sus terminales supera la tensión de ruptura de la unión pn central. Una vez disparado, la tensión entre sus extremos disminuye, aunque mantiene la conducción. Al igual que el TRIAC, el DIAC permite la conducción en ambos sentidos por lo que no tiene sentido distinguir entre cátodo y ánodo.

Considere el circuito de la figura 2. La señal Vin es una señal de alterna (por ejemplo, la propia tensión de la red o la salida de un

transformador): Vin(t) = VAsent. Consideremos que en principio el DIAC y el TRIAC se encuentran en su estado de bloqueo. Si

suponemos que RL << R, se cumplirá que V1 Vin. El condensador se cargará a través de R sometido a una tensión tipo senoidal. El proceso de carga del condensador durará

hasta que la tensión VC(t) iguale la tensión de disparo VB0 del DIAC. En ese momento, el condensador se descargará a través del DIAC generando un pulso de corriente que disparará al TRIAC. El TRIAC pasará a su estado de conducción, con lo que prácticamente toda la tensión de entrada Vin caerá en la carga RL. En el momento en que la tensión Vin se haga lo bastante pequeña como para que la corriente que atraviesa al TRIAC y a RL sea inferior a la corriente de mantenimiento del TRIAC, este vuelve a su estado de bloqueo y comienza de nuevo el proceso de carga del condensador.

Obsérvese que el funcionamiento del circuito descrito es válido

tanto para el semiciclo positivo de Vin como para el semiciclo negativo, ya que el DIAC y el TRIAC presentan características simétricas ante diferencias de tensión entre sus terminales positivas y negativas.

El valor de la resistencia R determina en qué instante se produce el disparo del DIAC (y por tanto del TRIAC) con lo que ajustando el valor de esta resistencia se controla la potencia suministrada a la carga. (La carga RL prácticamente recibe potencia únicamente cuando el TRIAC está en su estado de conducción).

Si suponemos que el condensador se carga desde un potencial

VC = 0, y que Vin(t) = VAsent, la tensión VC (t) durante el proceso de carga viene dada por:

(2)

En la figura siguiente se representa el valor

VC (t)/VA, obtenido a partir de la ecuación 2, para distintos valores de R, con una

frecuencia de 50 Hz y con C = 1 F.

2221

cosexp

CR

tsentRCRC

tRC

VtV AC

La gráfica anterior, es solo una representación, que nos indica como podemos variar la carga del condensador en función de las variables asociadas al circuito. Los triac acoplados óptimamente, combinan un diodo emisor de luz (LED) con un triac foto detector (foto triac) dentro de un mismo encapsulado opaco con un esquema mostrado en la siguiente figura.

Al no existir conexión eléctrica entre la entrada y la salida, el acoplo es unidireccional (LED al fototriac) y permite un aislamiento eléctrico entre ambos dispositivos de hasta 7500 V. Además algunos fototriac incluyen un circuito de detección de paso por ceso que permite sincronizar señales de la red eléctrica con señales de control del led para ajustar el ángulo de conducción. Cuando trabajamos con un dispositivo opto aislador que funcione bajo este principio, ya sea opto acoplador transistorizado, con salida a SCR o Triac, debemos tener en cuenta que para hacerlo funcionar debemos considerar todas aquellas ecuaciones asociadas al control de un LED convencional, con la diferencia que este tiene una corriente de funcionamiento que no está normalizada por el color del led, si no que lo entrega el fabricante del dispositivo opto acoplador. Además se deja en claro desde ya, que este dispositivo no es capaz de suministrar grandes potencias de salida, y por lo tanto está pensado para comandar a través de este, otro de mayor potencia. En esta experiencia, conoceremos este dispositivo, pero aplicado a medias potencias, además, se conocerán algunas razones en la cuales es necesario, mantener aislamiento galvánico para el disparo del dispositivo. Interfaz Tiristorizada. Al no existir conexión eléctrica entre la entrada y la salida, es posible conseguie un acoplo es unidireccional (LED al fototriac) y permite un aislamiento eléctrico entre ambos dispositivos de hasta 7500 V. Además algunos fototriac incluyen un circuito de detección de paso por ceso que permite sincronizar señales de la red eléctrica con señales de control del led para ajustar el ángulo de conducción. Cuando trabajamos con un dispositivo opto aislador que funcione bajo este principio, ya sea opto acoplador transistorizado, con salida a SCR o Triac, debemos tener en cuenta que para hacerlo funcionar debemos considerar todas aquellas ecuaciones asociadas al control de un LED convencional, con la diferencia que este tiene una corriente de funcionamiento que no está normalizada por el color del led, si no que lo entrega el fabricante del dispositivo opto acoplador. Además se deja en claro desde ya, que este dispositivo no es capaz de suministrar grandes potencias de salida, y por lo tanto está pensado para comandar a través de este, otro de mayor potencia. En esta experiencia, conoceremos este dispositivo, pero aplicado

a medias potencias, además, se conocerán algunas razones en la cuales es necesario, mantener aislamiento galvánico para el disparo del dispositivo.

Circuitos Recortadores de Señal (Dimmer).

Dimmer de Constante de tiempo simple.

Dimmer de Constante de doble constante de tiempo.

Actividad

1. ¿Qué es un latchs?. 2. ¿Qué significa disparar un triac en el primer cuadrante?. 3. ¿Qué significa disparar un triac en el tercer cuadrante?. 4. ¿Cuál es la diferencia entre un SCR y un Triac? 5. ¿Qué ocurre si disparamos un Triac que esté siendo alimentado con DC?. 6. ¿Qué ventajas tiene el utilizar un Triac como interruptor?¿En que momento

deja de conducir?. 7. ¿Qué precauciones se deben tener en la red eléctrica al utilizar tiristores en

configuraciones como el dimmer? 8. Si alimentamos un circuito con corriente alterna y utilizamos un triac, ¿en que

momento es adecuado disparar este dispositivo? 9. Describa el funcionamiento del dimmer de doble constante de tiempo. 10. Describa el funcionamiento del dimmer de constante de tiempo simple. 11. Diseñe un circuito que permita el recorte de señal sinusoidal, de procedencia

nacional, con el fin que el control se efectúe entre los ángulos de conducción entre los 10 grados a los 300 grados.

12. Dibuje en sincronía con una señal sinusoidal de 100 V de amplitud y frecuencia 60 Hz, un ejemplo de recorte de señal efectuado por el Dimmer de doble constante de tiempo.

Condensadores cerámicos tipo disco, grupo 1.

Condensadores cerámicos tipo placa, grupo 1 y 2.

SÍMBOLOS ELECTRÓNICOS

TABLERO DE PROTOTIPOS (PROTOBOARD)

El tablero para prototipos o tablero para conexiones es un dispositivo muy ingenioso que nos permite armar y desarmar rápida y fácilmente cualquier circuito electrónico, sin necesidad de soldaduras, y muchas veces sin herramientas. En electrónica, esto es muy útil durante el proceso de aprendizaje para hacer experimentos y proyectos en forma provisional.

EL PROTOBOARD

El ensamble de un proyecto electrónico se hace sobre un elemento llamado protoboard o “tablero de prototipos”. Estos tableros están formados por una base de plástico que tiene una serie de perforaciones con una disposición especial. Debajo de estas perforaciones se encuentran unas laminas metálicas que forman contactos, en donde se unen los diferentes de los componentes de los circuitos. Esta laminas son fabricadas con un metal flexible de berilio – cobre recubierto con plata – níquel, y en algunos casos de oro. El recubrimiento impide que los contactos se oxiden y la flexibilidad del metal permite utilizar cables y terminales de diferente diámetro, sin deformarse.

La tableta experimental esta dividida en cuatro secciones, y cada una de estas se encuentran separadas por un material aislante. Los puntos de cada sección están conectados entre si tal como lo muestra la figura: Las secciones uno y cuatro están formadas por dos líneas o nodos. Estas son normalmente utilizados para conectar la alimentación del circuito, y así energizarlo. Por otro lado en las secciones dos y tres se encuentran conectados cinco orificios verticalmente, formando pequeños nodos independientes unos de otros. Recuerde que la figura muestra como están conectados internamente los orificios, por lo que no es necesario rehacer estas conexiones.

Forma de Utilizar un Protoboard, y consejos la ensamblar 1. - Un buen consejo es

hacer conexión de las mitades de las secciones uno y cuatro, tal como lo nuestra la figura: así, se mantendrá una configuración clara y entendible.

2. - La conexión entre nodos se hace mediante alambres, los cuales deben de ser lo mas corto posible, a fin de evitar problemas de ruido en el circuito. En lo posible deben de estar aislados, para evitar cortocircuitos por contactos con otros cables 3. - Al montar las componentes fíjese muy bien en las polaridades, por ejemplo de condensadores, y

valores de pines de los integrados, así como rangos de operación. Trate de ser ordenado en el armado, doblando correctamente pines y conectores, tal como lo muestra la figura. 4. - Si el circuito no funciona correctamente revise las alimentaciones y que los cables de interconexión de nodos no estén sueltos o haciendo mal contacto. Existe alta probabilidad de que esto ocurra. Si Ud considera que el circuito esta bien ensamblado, y aun así hay problemas, mueva el circuito dentro del proto –de lugar- o utilice otro Protoboard. Recuerde que todas las herramientas tienen una vida útil. 5. - El Protoboard tiene bastantes problemas de ruido por lo que no se recomienda para alta frecuencia 6. - Finalmente recuerde que esta herramienta es para ensamblado temporal. Si Ud desea mantener el circuito llévelo a placa -PCB-, replicándolo, tratando en lo posible de usar otras componentes, a fin de poder identificar posibles problemas en la placa.