Conceptos de Electrónica. Dispositivos electrónicos y Análisis de circuitos

Prefacio

El presente trabajo en su momento sirvió al autor como una guía para el estudio de las materias de análisis de circuitos electrónicos y como un medio para comprender los conceptos físicos que subyacen detrás de los elementos de circuito. En particular se repasan los siguientes elementos de circuito: diodos, transistores, amplificadores, y algunos circuitos integrados. Cada tema se presenta desde el punto de vista conceptual para posteriormente presentar el análisis matemático de los modelos que los representan.

La información contenida en el presente trabajo, ha sido resultado del minucioso estudio de diversas fuentes bibliográficas. En autor ha tenido la oportunidad de trabajar en la industria cuyo ramo es diseño/manufactura/ensamble de componentes electrónicos para la industria automotriz[1]entre sus funciones estuvieron el desarrollo de software para los ingenieros de probadores electrónicos, así como para ingenieros de proceso y control de cambios. Se hace notar al lector que muchos circuitos complejos incluyendo los circuitos integrados son la composición de los elementos básicos de circuito presentados aquí. Cabe destacar que la finalidad última de crear dispositivos inteligentes es proveer confort y seguridad a la sociedad.

** El presente trabajo se distribuye gratuitamente en pro del conocimiento libre.

Convenciones y conceptos clave

A lo largo del presente trabajo se emplearan las siguientes convenciones y generalidades, consúltense a medida que se citen en el texto.

• Ánodo (+). En un dispositivo de dos terminales, se le llama así a la terminal con potencial más positivo. En un diodo es la terminal P

• Cátodo (-). En un dispositivo de dos terminales, se le llama así a la terminal con potencial más negativo. En un diodo es la terminal N

• En una grafica de características de un dispositivo, el eje de las abscisas (eje X) será el eje del voltaje, mientras que el eje de las ordenadas (eje Y) será el eje de corriente. Esta gráfica asocia dos variables para dispositivos de dos terminales (diodos); pero asocia tres variables para dispositivos de tres terminales (transistores), en este caso la gráfica completa se compone de un conjunto de curvas características que muestran los cambios de (V,I) cuando una tercer variable (por ejemplo IB) se mantiene fija.

• Flujo convencional de corriente. Tanto en electricidad como en electrónica, se ha adoptado el hecho de que la corriente eléctrica es producida por el flujo de cargas positivas, es decir cuando se conecta una carga (impedancia) en las terminales de una fuente de voltaje, las cargas positivas se dirigen de la terminal de mayor potencial (+) a la terminal de menor potencial (-). Sin embargo la naturaleza real de la corriente eléctrica exige que los portadores negativos (e-) se dirijan del cátodo (-) al ánodo (+).

• Notación de doble subíndice. Es una notación abreviada que expresa que: Vab = Va – Vb, siendo Va y Vb los voltajes en los puntos a y b respecto al punto común (generalmente tierra), en una red cualquiera.

• Polarización. En su concepción más sencilla se refiere al hecho de aplicar una diferencia de potencial en los extremos de un dispositivo electrónico por medio de una fuente de voltaje que puede ser de cd o ca.

• Región de agotamiento. Dentro de un dispositivo electrónico semiconductor, es la región (zona) que no presenta portadores libres y es, por lo tanto, incapaz de soportar la conducción a través de ella. Esta región es ensanchada (ampliada) o reducida cuando sus extremos se encuentran sometidos a una diferencia de potencial.

• Un punto de operación define un punto estable Q (o punto de trabajo) mediante la intersección de dos gráficas, la gráfica de características del dispositivo y la línea recta que representa la configuración del circuito, obtenida a partir de un análisis del circuito.

Introducción a la electrónica

La electrónica es una disciplina aplicada derivada de la electricidad y la física que abarca un amplio rango de actividades relacionadas con la generación y transmisión de información por medio de señales eléctricas. La aplicación de las técnicas electrónicas da como resultado el desarrollo de sistemas electrónicos capaces de manipular señales y generar información. Los sistemas electrónicos están formados a partir de circuitos especializados que a su vez están constituidos por la asociación de elementos físicos que se denominan dispositivos eléctricos pasivos (resistencias, condensadores, bobinas) y dispositivos electrónicos activos (diodos, transistores, amplificadores, reguladores, decodificadores, microprocesadores, microcontroladores etc.)

DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS

En principio los dispositivos electrónicos se conocían como válvulas puesto que se diseñaban a partir de tubos al vacío (diodos, triodos, tetrodos, pentodos etc.) Actualmente los dispositivos se diseñan en estado sólido (circuitos integrados monolíticos) aprovechando la relativa facilidad que presentan los materiales semiconductores para cambiar su capacidad conductiva al ser sometidos a técnicas especiales de dopado.

Se le llama circuito discreto a aquel circuito que se forma a partir de dispositivos básicos (resistencias, capacitores diodos y transistores) y cuyos componentes se obtienen por separado y se sueldan entre sí en una tarjeta de circuito impreso. Se denominan circuitos integrados a aquellos circuitos (analógicos, digitales o análogo-digitales) cuya presentación es en forma de un encapsulado hermético y del cual solo se observan sus terminales. Existe una gran variedad de CI de todo tipo y los hay desde los más simples (compuertas, amplificadores integrados, hasta los más complejos, temporizadores, microprocesadores, microcontroladores, etc.)

CLASIFICACIÓN DE LOS CIRCUITOS INTEGRADOS

Un circuito Integrado (CI) se fabrica al unir dispositivos individuales tales como transistores, diodos, capacitores y resistencias en un solo chip de silicio, estos componentes son conectados entre si mediante finos alambres de aluminio depositados en la superficie del chip, todos estos componentes se encapsulan en un solo componente dando una apariencia semejante a la mostrada en la figura 1.1.

TIPOS DE CIRCUITOS INTEGRADOS

De acuerdo al tipo de señal con que operan, los circuitos integrados se clasifican en CI analógicos y CI digitales y CI análogo-digitales. Una señal analógica es cualquier señal cuya forma de onda es continua, tiene un máximo y un mínimo y no es quebrada, por ejemplo una señal senoidal. Una señal digital es una señal discontinua en forma de pulsos por ejemplo una onda cuadrada.

CI analógicos. También llamados circuitos lineales, producen, amplifican o responden a voltajes variables, es decir en este tipo de CI interesa la magnitud de la señal de entrada como la de salida. Todos los CI lineales están fabricados a partir de transistores. Los CI analógicos incluyen amplificadores, temporizadores, osciladores y reguladores de voltaje.

CI digitales. También denominados circuitos lógicos responden a, o producen señales que tienen únicamente dos niveles de voltaje, nivel alto y nivel bajo. Todos los CI lógicos están fabricados a partir de compuertas lógicas, estas compuertas lógicas son circuitos formados a partir de la combinación de resistencias y diodos o bien resistencias y transistores. Los CI digitales incluyen microprocesadores, microcontroladores, memorias etc.

CI análogo-digitales. Combinan en un solo chip tanto circuitos analógicos como digitales. Ejemplos de ellos son: comparadores, convertidores digital/analógico, circuitos de interfase, temporizadores, osciladores controlados por voltaje (VCO) y lazos de seguimiento de fases.

ENCAPSULADO DE LOS CIRCUITOS INTEGRADOS

Los tipos de encapsulados más comunes en que se presentan los circuitos integrados se listan a continuación:

Encapsulado DIP. Es el encapsulado más común, consiste en dos hileras paralelas de terminales distribuidas a los lados del CI, en este encapsulado las patillas del CI atraviesa la tarjeta de circuito impreso (TCI) y se sueldan en la parte inferior. Véase la figura 1.2 (a).

Encapsulado SMT. Se denomina tecnología de montaje de superficie (SMT) y consiste en encapsulados cuyas patillas no atraviesan la TCI por lo que se sueldan en la superficie. De acuerdo al número de terminales se clasifican en encapsulado de contorno pequeño SO (8, 14 y 16 terminales) y SOL (16, 18, 20, 24, y 28 terminales). Se fabrican tanto en plástico (más económico) como en cerámica (más robusto). Véase la figura 1.2 (b).

Encapsulado TO-5. Este tipo de encapsulado se fabrica de metal y es muy robusto, sin embargo su uso está limitado por el espacio disponible en la TCI. Véase la figura 1.2 (c).

Encapsulado LCC. Consiste en un CI de cerámica que no tiene terminales que sobresalgan para conectarlo a la TCI, por esta razón se denomina portador de pastilla sin terminales (LCC). La conexión LCC se hace tanto mecánica como eléctricamente mediante soldadura. La figura 1.2 (d) muestra la forma correcta de conectar un LCC sobre la TCI

Encapsulado PLCC. Este tipo de encapsulado fue introducido en1980 como alternativa al LCC, consiste en terminales salientes doblabas hacia arriba en forma de J invertida, los hay de 20, 28, 44, 52 y 84 terminales en encapsulado de plástico. Véase la figura 1.2 (e).

El semiconductor material que revolucionó la electrónica

Un conductor es un material que permite un flujo considerable de corriente cuando una fuente de voltaje se aplica a través de sus terminales, poseen de 1 a 2 electrones de valencia[2]ejemplos: Oro (Au), Plata (Ag), Cobre (Cu), Aluminio (Al), etc…

Un aislante o dieléctrico presenta un nivel muy inferior de conductividad cuando se encuentra bajo la presión de una fuente de voltaje. Tienen la banda de valencia casi completa (8 electrones en el caso de los gases nobles), en general, son los no metales.

Un semiconductor, es un material que posee un nivel de conductividad que se localiza entre los extremos de un dieléctrico y de un conductor. Son materiales de valencia 4, ejemplos: Boro (B), Silicio (Si), Germanio (Ge), Arsénico (As), Antimonio (Sb), etc…

La resistencia de un material se define como:

La tabla 1.1 es una tabla comparativa de resistividades en distintos materiales, en la segunda columna se presentan los materiales semiconductores más ampliamente utilizados en el diseño de dispositivos electrónicos: Silicio (Si) y Germanio (Ge). Estos materiales poseen una estructura atómica como se ilustra en la figura 1.4. A temperatura ordinaria los átomos de Silicio se unen compartiendo pares de electrones mediante enlaces covalentes, cada átomo de silicio es circundado por 8 átomos vecinos (ver figura 1.5), pero además forman grupos simétricos denominados monocristales tal como se observa en la figura 1.3, estos monocristales en conjunto forman redes cristalinas. El mismo patrón es característico del Germanio (Ge).

Se llaman materiales intrínsecos a aquellos semiconductores que se han refinado cuidadosamente con el objetivo de reducir las impurezas hasta un nivel muy bajo.

Dopado de semiconductores

Dopaje es la acción de agregar impurezas a un material semiconductor con el objeto de aumentar su conductividad eléctrica.

Existen dos tipos de dopadores:

Dopadores aceptores. Son materiales trivalentes que dan como resultado semiconductores tipo p, en el cual los portadores mayoritarios son los huecos. Ejemplos: Boro (Bo), Galio (Ga), Indio (In).

Dopadores donadores. Son materiales pentavalentes que dan como resultado semiconductores tipo n, en el cual los portadores mayoritarios son los electrones. Ejemplos: Arsénico (As), Antimonio (Sb), Fósforo (P).

Se denomina material extrínseco a aquel semiconductor que se ha sometido a un proceso de dopaje. Son semiconductores extrínsecos los semiconductores tipo p y tipo n.

LA NATURALEZA CONDUCTIVA DEL SEMICONDUCTOR

Teoría de Bandas

De los principios de electricidad sabemos que un electrón se encuentra orbitando alrededor del núcleo debido a la acción de dos fuerzas contrarias en equilibrio, una fuerza eléctrica centrípeta

Bohr fue capaz de predecir la energía asociada con un electrón en particular ubicado en el nivel de energía n (o número cuántico principal), el modelo matemático es:

La teoría que explica el enlace de los átomos en los cristales metálicos fue propuesta por F. Bloch en 1928 y se basa en la mecánica cuántica. En esta Teoría de Bandas, todos los electrones presentes en un átomo en niveles energéticos totalmente llenos se consideran esencialmente localizados, es decir enlazados a los átomos que se asocian; por otra parte los electrones de valencia en los niveles energéticos sin llenar se consideran libres y se mueven en un campo potencial que se extiende a todos los átomos presentes en el cristal. Los orbitales de estos electrones libres en un átomo pueden superponerse con los de otros para originar orbitales moleculares delocalizados que producen un enlace entre todos los átomos presentes, y que se conocen con el nombre de orbitales de conducción.

La citada teoría (Teoría de Bandas) es la base para explicar el comportamiento de los materiales semiconductores. Según se observa en la figura 1.6, en la parte (a) pueden verse los niveles de energía de un átomo dado. En la parte (b) se comparan estas bandas para los tres tipos de materiales respecto a su clasificación eléctrica: dieléctricos, semiconductores y conductores. En esa parte es posible observar la brecha Eg que es necesario vencer para que los electrones de valencia brinquen a la banda de conducción, la energía necesaria para realizar esta acción se conoce como energía o potencial de ionización, los valores asociados para distintos semiconductores, puede leerse de esta misma figura, nótese que los valores están dados en eV, unidad energética a continuación definida:

El efecto de aumentar la temperatura en un material semiconductor ocasiona un incremento de energía en los materiales semiconductores ocasionando que los electrones de la banda de valencia adquieran energía suficiente para abandonar dicha banda y pasar a la banda de conducción.

El efecto de dopar un material con impurezas se puede observar en la figura 1.7. Observe que surge un nivel discreto de energía (llamado nivel donor) en la banda prohibida con un Eg (energía de ionización) mucho menor que el del material intrínseco.

Figura 1.7 Efecto de impurezas donadoras sobre la estructura de las bandas de energía.

El diodo

En 1904, Fleming inventó el diodo al cual denominó válvula y que consistía en un filamento caliente emisor de electrones situado dentro de un bulbo en vacío a una corta distancia de una placa. En función de la tensión positiva o negativa de la placa, se producía el paso de corriente en una dirección.

DIODO IDEAL

Se iniciará el estudio de los dispositivos electrónicos presentando el más sencillo de ellos: el diodo. El diodo ideal[3]es un dispositivo de dos terminales ánodo (+) y cátodo (-), en la figura 2.1 se presentan tanto su símbolo como sus características.

Las características de un diodo ideal son las siguientes.

• Permite la conducción de corriente en una sola dirección.

• Representa un circuito cerrado en la región de conducción

• Representa un circuito abierto en la región de no conducción

EL DIODO SEMICONDUCTOR. CARACTERÍSTICAS Y POLARIZACIÓN

Un diodo semiconductor se forma al unir dos semiconductores extrínsecos p y n del mismo material (Si o Ge). El punto de unión se denomina región de agotamiento, se conoce así debido a la carencia de portadores en esa región como resultado de la combinación de electrones y huecos en ese punto.

Polarización

Cuando las terminales de un material semiconductor extrínseco se encuentran sometidas a un diferencia de potencial (se dice que se encuentra en estado polarizado), entonces se establece un campo eléctrico en el interior del material lo que ocasiona que las partículas formadoras del material tipo p sea atraído hacia el potencial más negativo, mientras que las partículas del material tipo n son atraídas hacia la terminal con potencial más positivo, este hecho es un principio fundamental de la electricidad: cargas distintas se atraen, cargas opuestas se repelen.

Un fenómeno análogo sucede cuando un material no conductor se encuentra sometido a un campo eléctrico intenso, las moléculas se polarizan (+/-) y se alinean con respecto al campo potencial obedeciendo el principio antes enunciado.

Tres posibilidades de polarización se tienen para un diodo: sin polarización, polarización inversa, polarización directa.

SIN POLARIZACIÓN (Vd = 0)

En este caso no existe ninguna presión (potencial) que obligue a los portadores a fluir, por lo que no existe conducción eléctrica en ninguna dirección.

POLARIZACIÓN DIRECTA (Vd > 0)

Una fuente de voltaje en las terminales del diodo con polaridad positiva aplicada en la parte P del diodo y polaridad negativa en la parte N del diodo (ver figura 2.2) ocasiona que el diodo se active y pase al estado de conducción, al reducir la región de agotamiento.

POLARIZACIÓN INVERSA (Vd < 0)

Cuando el diodo se conecta como se muestra en la figura 2.3 se halla bajo polarización inversa (p ( (-) y n ( (+)). En este caso una pequeña corriente despreciable del orden de 10-9 A para el Silicio y de 10-6 A para el Germanio circula en dirección de n hacia p, esta corriente se conoce como corriente de saturación inversa.

MODELO MATEMÁTICO DEL DIODO

El modelo matemático que representa el estado de conductividad del diodo es el siguiente:

La ecuación 2.1 se encuentra graficada y comparada con la curva de un diodo real en la figura 2.4. Obsérvese el desplazamiento de la grafica real a la derecha respecto a la de la ecuación 2.1, esto se debe a la adición del voltaje debido a las resistencias de contacto y la resistencia interna del cuerpo del diodo.

Figura 2.4 Características del diodo semiconductor de silicio

REGIÓN ZENER Y VOLTAJE PICO INVERSO

Como se ha mencionado, cuando el diodo se polariza en inversa, solo existe una corriente mínima Is, sin embargo si el potencial negativo se sigue aumentando considerablemente se llega a un punto límite llamado potencial Zener (Vz) en el cual la corriente aumenta drásticamente tal como se muestra en la figura 2.5. En los dispositivos comerciales el potencial máximo que puede aplicarse aun diodo antes de llegar a la región Zener se conoce como Voltaje Pico Inverso (PIV o PVR).

Observación. Cuando se requiere un PIV mayor al que ofrece una sola unidad, se deben conectar diodos en serie con las mismas características. La conexión en paralelo tiene por objetivo incrementar la capacidad para conducir corriente.

Figura 2.5 Región Zener

EFECTOS DE LA TEMPERATURA

La magnitud de la corriente de saturación inversa Is se duplica por cada incremento en 10 ºC de temperatura, obsérvese la figura 2.6. Adviértase de la misma gráfica que en polarización directa el potencial de estado encendido (potencial de conducción) del diodo se reduce (como resultado del incremento de la temperatura).

COMPARACIÓN ENTRE DIODO DE SILICIO Y GERMANIO

El diodo de Si tiene un PIV, un índice de corrientes mayores así como un rango más amplio de temperaturas que el de Germanio.

Siendo Vt el potencial mínimo necesario el las terminales del diodo para iniciar la conducción, cuando este se encuentra polarizado en directa y se denomina potencial de conducción, de umbral o de disparo.

NIVELES DE RESISTENCIA Y PUNTO DE OPERACIÓN DEL DIODO

Como es sabido la relación entre voltaje y corriente R=V/I dada por la ley de Ohm se denomina resistencia, particularmente en un diodo el valor de esta depende del punto de operación (siempre y cuando este se sitúe en la región de rápido crecimiento de la curva, es decir en las cercanías de Vt=0.7 volts para Si y 0.3 V para Ge) y el tipo de señal aplicada.

Los valores o niveles de resistencia que se definen en los siguientes apartados corresponden a la resistencia en el punto de unión p-n del diodo.

RESISTENCIA ESTÁTICA. SEÑAL CD

Si una señal (Vd) en cd se aplica al diodo, entonces se obtiene un señal de respuesta Id en cd (siempre que una carga "impedancia" se halle conectada al circuito del diodo), tales magnitudes definen la resistencia en cd o resistencia estática de acuerdo a la ecuación 2.2, véase la figura 2.8.

Esta relación es válida para puntos situados en la región de crecimiento vertical de la curva, en el punto de inflexión y debajo de el la Rd será mayor.

RESISTENCIA DINÁMICA. SEÑAL AC

Cuando se aplica una señal senoidal, el cálculo de la Rd se lleva a cabo al considerar una línea tangente al punto Q tal como se observa en las figuras 2.9 y 2.10, en tal situación la resistencia dinámica se define por:

La ecuación 2.3 es de raro empleo ya que formalmente se define a la pendiente de una curva en el punto Q, como la derivada en dicho punto, de esta forma es posible demostrar que la resistencia dinámica esta dada por:

RESISTENCIA PROMEDIO. SEÑAL AC

Si la señal senoidal es de gran amplitud, entonces es necesario emplear los puntos extremos por los que oscila la respuesta de ID en ca para la determinación de la resistencia promedio en ca (véase la figura 2.11 y su respectivo cálculo)

RESISTENCIA TOTAL DE UN DIODO

El valor de la resistencia total del diodo queda determinado al agregar a la resistencia de la unión p-n (antes estudiada) la resistencia del cuerpo del diodo y la resistencia presentada por la conexión entre el material semiconductor y el conductor metálico externo denominada resistencia de contacto, la suma de estas últimas se denota por rB.

El valor de rB varia entre 0.1 ohms para dispositivos de alta potencia, hasta 2 ohms para diodos de baja potencia de propósito general.

CIRCUITOS EQUIVALENTES PARA DIODOS

Un circuito equivalente es una combinación de elementos elegidos de forma apropiada para representar de la mejor manera las características terminales reales de un dispositivo, sistema o similar, para una región de operación en particular.

En lo sucesivo se empleará el calificativo modelo del diodo para referirse al circuito equivalente del diodo. En la siguiente tabla se resumen los modelos del diodo.

Tabla T1 Modelos de diodo

Obsérvese que la resistencia empleada en el modelo 1 es la resistencia promedio que se puede determinar generalmente a partir de un punto de operación que se describe en la hoja de especificaciones del dispositivo.

Por ejemplo para un diodo semiconductor de Si, si If = 10 mA (una corriente de conducción directa para el diodo), cuando Vd = 0.8 V. se tiene que:

HOJAS DE ESPECIFICACIONES DE DIODOS

Estas son hojas de datos técnicos detallados de las características del diodo, los límites de potencia, voltaje, frecuencia, temperatura etc…

Puesto que:

TIEMPO DE RECUPERACIÓN INVERSO

Se denota por Trr y es el tiempo requerido para que un diodo pase del estado de polarización directa al estado de polarización inversa cuando se efectúa tal cambio de polaridad en sus terminales.

EL DIODO ZENER

El diodo zener es un tipo de diodo que se diseña para operar en la región zener, en la figura 2.13 se muestra la polarización correcta de este diodo para que exista conducción, así como su símbolo, en la misma figura se muestra el diodo semiconductor para su comparación.

El circuito equivalente del diodo incorpora una resistencia dinámica rz y una fuente Vz (véase figura 2.14(a). El diodo zener ideal (cuyo modelo no incluye rz) se muestra en 2.14(b), es posible hacer dicha aproximación si se considera que rz es muchas veces menor que la resistencia de carga. En la Tabla siguiente se muestran las características eléctricas del diodo zener, e

En la figura 2.15 se observa una gráfica de sus características de prueba, también en la figura 2.16 observan dos gráficas la parte (a) es referente al coeficiente de temperatura indicado en la última columna de la tabla anterior y definido por la ecuación 2.9, la parte (b) muestra la impedancia dinámica.

Figura 2.16 Características eléctricas de un diodo Zener 10 V, 500 mW

Observación. El diodo Zener es un modelo especial de diodo de unión, que utiliza silicio, en el que la tensión en paralelo a la unión es independiente de la corriente que la atraviesa. Debido a esta característica, los diodos Zener se utilizan como reguladores de tensión.

PRUEBAS DE DIODOS

El estado de un diodo (defectuoso o no) puede verificarse rápidamente mediante cada uno de los siguientes dispositivos:

Un multímetro con función de verificación de diodos

– Seleccione el símbolo del diodo en el multímetro

– Conéctese a las terminales tal como se indica en la figura 2.17

– Si la conexión es correcta y el diodo no está defectuoso la pantalla del multímetro marcara el voltaje terminal del diodo tal como 0.67 V.

Un ohmetro

• Realice las conexiones tal como se indican en la figura 2.18 (a) y (b)

• En la conexión (a) debe leerse una R muy baja y en la conexión (b) debe leerse una R muy alta, si esto es cierto, el diodo no está defectuoso.

Un osciloscopio

A través de este aparato es posible observar la forma real de la onda a la salida del diodo.

* Refiérase al capítulo relativo al manejo del osciloscopio para iniciarse en el funcionamiento de este dispositivo.

Análisis y circuitos con diodos

En este capítulo estudiaremos el comportamiento del diodo tanto polarizado en cd como en ca, haciendo uso de las aproximaciones presentadas en el capitulo anterior. El uso de aproximaciones se justifica al considerar que en general los dispositivos electrónicos tienen tolerancias de error reales en sus características, que compensan los errores cometidos mediante el uso de aproximaciones.

ANÁLISIS GENERALIZADO POR MEDIO DE LA RECTA DE CARGA

El análisis mediante la recta de carga es un método gráfico que consiste en dibujar una línea recta sobre la gráfica de características de un dispositivo de tal manera que la intersección de esta línea y la curva representativa señalen un punto de operación cuando el dispositivo forma parte de una red con carga (resistencias de carga, impedancias de carga, etc.), en general la línea recta se obtiene de un análisis de la red de estudio, es decir a partir de la configuración del circuito.

DETERMINACIÓN DEL PUNTO DE OPERACIÓN DEL DIODO MEDIANTE LA RECTA DE CARGA

Figura 3.1 Configuración de diodo en serie: (a) circuito; (b) características

Solución. Aplicando LA LVK al circuito se tiene que:

La ec 3.1a es el modelo matemático del circuito mostrado en la figura 3.1a, para hallar el punto de operación Q, se hallan las intersecciones de la recta definida por la Ec 3.1a sobre los ejes cooredenados; estos puntos son (0,Id) y (Vd,0), Es decir:

En la figura 3.2 se muestra la gráfica de la recta de carga sobre la curva característica, así como la identificación del punto de operación Q.

Figura 3.2 Dibujo de la recta de carga para encontrar el punto de operación

Modelo del diodo para efecto de análisis

En general los componentes que debe incluir el modelo del diodo semiconductor con polarización de conducción son:

• Una fuente de voltaje de 0.7V para Si y 0.3V para Ge con polaridad en oposición a la fuente de FEM[4]

• Una resistencia Rav en serie

Observación1. Un diodo se encuentra en estado de encendido si la corriente establecida por las fuentes es tal que su dirección concuerda con la flecha del símbolo del diodo, y la fuente de FEM es al menos igual al potencial de conducción del diodo (0.3 para Ge y 0.7 para Si)

Observación2. Recuérdese que la fuente del diodo simplemente representa el voltaje que es necesario aplicar al diodo para que este pase al estado de conducción, pero además este voltaje está siempre presente en las terminales del diodo cuando la fuente de FEM está presente.

Cuando el diodo se encuentra en polarización de no conducción (a veces llamado polarización en inversa) simplemente reemplace el diodo con un circuito abierto.

La selección adecuada del modelo depende de la aplicación, refiérase a la Tabla T1 para estudiar los elementos de cada modelo en particular.

CIRCUITOS CON DIODOS POLARIZADOS CON FUENTES DE CD

El análisis de circuitos con diodos es relativamente sencillo, si se tiene en cuenta la exposición hasta ahora realizada sabrá que el análisis se lleva a cabo al sustituir símbolo del diodo por su correspondiente modelo en el circuito y al aplicar una o más de las siguientes técnicas básicas de análisis de circuitos:

• Aplicación de la ley de Ohm en las cargas resistivas: V = RI

• Aplicación de LVK y LCK en las mallas y nodos respectivamente.

• Reducción de fuentes independientes.

• Aplicación de los teoremas de Thévenin y Norton

• Aplicación del principio de superposición

Cuando una señal de una fuente de cd (voltaje cd) se aplica al diodo, se obtiene una señal continua a través del diodo, esto significa que la aplicación de una señal invariante con el tiempo a través del diodo produce una respuesta invariante, la señal se conserva.

COMPUERTAS LÓGICAS AND/OR CON DIODOS

Las compuertas lógicas son circuitos que se emplean para combinar niveles lógicos (unos y ceros) en formas específicas. En la lógica positiva un nivel lógico alto (o bien 1 binario) es representado por un voltaje alto (por ejemplo 2.0 a 5 V par una compuerta TTL[5]o 3.5 a 5 V para una compuerta CMOS), el nivel lógico bajo es representado por un voltaje bajo (por ejemplo 0 a 0.4 V para una compuerta TTL o 0 a 1.5 para una compuerta CMOS[6]En la lógica negativa un nivel de voltaje alto representa un 0 binario y un nivel bajo representa un 1 binario.

Para expresar la salida en términos de las entradas, se emplea un sistema denominado álgebra booleana. Las compuertas básicas son: AND, NAND, OR, NOR y NOT (INVERSOR). En la figuras 3.3 Y 3.4 se presentan los circuitos básicos de las compuertas lógicas OR y AND de dos terminales de entrada (A y B) construidos mediante diodos y resistencias. Una tabla de verdad como la mostrada en la parte inferior representa las distintas combinaciones como resultado de aplicar los niveles VA y VB a las entradas de la compuerta para obtener el nivel VC a la salida.

El diseño de circuitos que involucran compuertas lógicas y/o sus derivados así como sus aplicaciones es un campo muy amplio de la electrónica que se conoce como electrónica digital.

CIRCUITOS CON DIODOS POLARIZADOS CON FUENTES DE CA

La aplicación de fuentes de señales variantes con el tiempo tales como: ondas senoidales, ondas triangulares, ondas cuadradas etc., en el diodo, produce respuestas que son señales alteradas de la señal original tal como se estudia a continuación.

RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA

El la figura 3.5 se muestra un rectificador de media onda que consta de un diodo en serie con una resistencia R, cuya fuente de FEM es una entrada senoidal. Se llama rectificador debido a que la señal sinusoidal de entrada es rectificada obteniéndose una señal tal como la mostrada en las figuras 3.6 y 3.7. La forma de onda de salida se explica sencillamente al observar que una fuente alterna cambia de polaridad cada medio ciclo, ocasionando que el diodo solo conduzca durante la mitad de periodo de onda T.

En una onda senoidal pura el valor promedio (o valor de cd) es igual a cero, sin embargo para una media onda rectificada (refiérase a la figura 3.8), el valor promedio esta dado por

Para el caso en el que se emplea la segunda aproximación del diodo el efecto de la fuente Vt se presenta en la figura 3.9 y para este caso se tiene que:

Valor PIV. Al diseñar un rectificador de media onda siempre debe observar que el valor nominal de pico inverso PIV del diodo sea al menos igual que el valor máxima de la onda senoidal, con la finalidad de que durante la polarización inversa el diodo no entre a la región zener; es decir:

RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA