Indice1. Estructura Atómica 2. Rectificadores 3. Transistores 4. Reguladores De Voltaje 5. Circuitos Amplificadores
1. Estructura Atómica
Como sabemos existen materiales capaces de conducir la corriente eléctrica mejor que otros. Generalizando, se dice que los materiales que presentan poca resistencia al paso de la corriente eléctrica son conductores. Analógicamente, los que ofrecen mucha resistencia al paso de esta, son llamados aislantes. No existe el aislante perfecto y prácticamente tampoco el conductor perfecto. Existe un tercer grupo de materiales denominados semiconductores que, como su nombre lo indica, conducen la corriente bajo ciertas condiciones. Lo que diferencia a cada grupo es su estructura atómica. Los conductores son, generalmente, metales esto se debe a que dichos poseen pocos átomos en sus últimas órbitas y, por lo tanto, tienen tendencia a perderlos con facilidad. De esta forma, cuando varios átomos de un metal, se acercan los electrones de su última órbita se desprenden y circulan desordenadamente entre una verdadera red de átomos. Este hecho (libertad de los electrones) favorece en gran medida el paso de la corriente eléctrica. Los aislantes, en cambio, están formados por átomos con muchos electrones en sus últimas órbitas (cinco a ocho), por lo que, no tienen tendencia a perderlos fácilmente y a no establecer una corriente de electrones. De ahí su alta resistencia. También existe otro tercer tipo de materiales, que cambia en mayor o menor medida la característica de los anteriores, los semiconductores. Su característica principal es la de conducir la corriente sólo bajo determinadas circunstancias, y evitar el paso de ella en otras. Es, precisamente, en este tipo de materiales en los que la electrónica de estado sólida está basada. La estructura atómica de dichos materiales presenta una característica común: está formada por átomos tetravalentes (es decir, con cuatro electrones en su última órbita), por lo que les es fácil ganar cuatro o perder cuatro.
Semiconductores Un semiconductor es un componente que no es directamente un conductor de corriente, pero tampoco es un aislante. En un conductor la corriente es debida al movimiento de las cargas negativas (electrones). En los semiconductores se producen corrientes producidas por el movimiento de electrones como de las cargas positivas (huecos). Los semiconductores son aquellos elementos perteneciente al grupo IV de la Tabla Periódica (Silicio, Germanio, etc. Generalmente a estos se le introducen átomos de otros elementos, denominados impurezas, de forma que la corriente se deba primordialmente a los electrones o a los huecos, dependiendo de la impureza introducida. Otra característica que los diferencia se refiere a su resistividad, estando ésta comprendida entre la de los metales y la de los aislantes. Disposición esquemática de los átomos de un semiconductor de silicio puro, No existen electrones ni huecos libres La disposición esquemática de los átomos para un semiconductor de silicio podemos observarla en la figura de arriba, Las regiones sombreadas representan la carga positiva neta de los núcleos y los puntos negros son los electrones, menos unidos a los mismos. La fuerza que mantiene unidos a los átomos entre sí es el resultado del hecho de que los electrones de conducción de cada uno de ellos, son compartidos por los cuatro átomos vecinos. A temperaturas bajas la estructura normal es la que se muestra en la figura de arriba en la cual no se observa ningún electrón ni hueco libre y por tanto el semiconductor se comporta como un aislante. Estos cuatro electrones se encuentran formando uniones covalentes con otros átomos vecinos para así formal un cristal, que es la forma que se los encuentra en la naturaleza. Si esta estructura se encuentra a una temperatura muy baja o en el cero absoluto, el cristal tendrá tan poca energía que no hará posible la conducción eléctrica. Al aumentar la temperatura (a temperatura ambiente por ejemplo) ciertos electrones adquieren suficiente energía para romper el enlace del que forman parte y "saltar" al siguiente orbital. Esto provoca la formación de un espacio vacío, que por carencia de electrones, posee carga positiva, a este espacio se lo denomina hueco. El aumento de temperatura rompe algunas uniones entre átomos liberándose un cierto número de electrones. En cambio, a la temperatura ambiente (20-25 grados C.) algunas de las fuertes uniones entre los átomos se rompen debido al calentamiento del semiconductor y como consecuencia de ello algunos de los electrones pasan a ser libres. En la figura siguiente se representa esta situación. La ausencia del electrón que pertenecía a la unión de dos átomos de silicio se representa por un círculo, La forma en que los huecos contribuyen a la corriente, se detalla seguidamente Cuando un electrón puede vencer la fuerza que le mantiene ligado al núcleo y por tanto abandona su posición, aparece un hueco, y le resulta relativamente fácil al electrón del átomo vecino dejar su lugar para llenar este hueco. Este electrón que deja su sitio para llenar un hueco, deja a su vez otro hueco en su posición inicial, De esta manera el hueco contribuye a la corriente lo mismo que el electrón, con una trayectoria de sentido opuesto a la de éste.
Niveles De Energía Un cristal está formado por un conjunto de átomos muy próximos entre sí dispuestos espacialmente de forma ordenada de acuerdo con un determinado patrón geométrico. La gran proximidad entre los átomos del cristal hace que los electrones de su última capa sufran la interacción de los átomos vecinos. El nivel energético de cada uno de estos electrones puede estar situado en la "banda de valencia" o en la "banda de conducción" del cristal. Un electrón que ocupe un nivel dentro de la banda de valencia está ligado a un átomo del cristal y no puede moverse libremente por él mientras que si el nivel ocupado pertenece a la banda de conducción, el electrón puede moverse libremente por todo el cristal, pudiendo
Formar parte de una corriente eléctrica. Entre la banda de valencia y la de conducción existe una "banda prohibida", cuyos niveles no pueden ser ocupados por ningún electrón del cristal. Según la magnitud de esta banda, los cristales pueden clasificarse en aislantes, conductores y semiconductores.
Aislantes. La magnitud de la banda prohibida es muy grande ( 6 eV ), de forma que todos los electrones del cristal se encuentran en la banda de valencia incluso a altas temperaturas por lo que, al no existir portadores de carga libres, la conductividad eléctrica del cristal es nula. Un ejemplo es el diamante.
Conductores. No existe banda prohibida, estando solapadas las bandas de valencia y conducción. Esto hace que siempre haya electrones en la banda de conducción, por lo que su conductividad es muy elevada. Esta conductividad disminuye lentamente al aumentar la temperatura, por efecto de las vibraciones de los átomos de la red cristalina. Un ejemplo son todos los metales.
Semiconductores. La magnitud de la banda prohibida es pequeña ( 1 eV ), de forma que a bajas temperaturas son aislantes, pero conforme aumenta la temperatura algunos electrones van alcanzando niveles de energía dentro de la banda de conducción, aumentando la conductividad. Otra forma de aumentar la conductividad es añadiendo impurezas que habiliten niveles de energía dentro de la banda prohibida. El germanio y el silicio son semiconductores.
Aceptadores Y Donadores Se denomina semiconductor puro aquél en que los átomos que lo constituyen son todos del mismo tipo (por ejemplo de germanio), es decir no tiene ninguna clase de impureza. Si a un semiconductor puro como el silicio o el germanio, se le añade una pequeña cantidad de átomos distintos (por ejemplo arsénico, fósforo, etc). Se transforma en un semiconductor impuro. A las impurezas se las clasifica en donadoras y aceptadoras. Si a la estructura del semiconductor de silicio se le añade alguna impureza, como puede ser el arsénico (As), que tiene cinco electrones externos ligados al núcleo con carga positiva +5, se obtiene la forma que se muestra en la figura. Ahora, bien para aumentar la conducción de cualquier semiconductor se recurre a un proceso denominado "dopado" o "envenenamiento". El objeto del mencionado proceso es el del aumentar la cantidad de portadores libres en el cristal provocando un aumento en la conductividad del mismo (recordar que la corriente es el flujo de portadores) El dopado del cristal es realizado con átomos trivalentes (con tres electrones en su última órbita) o pentavalentes (con cinco). Esta elección no es resultado de un proceso azaroso sino que uno u otro tipo de átomo aumentará a su vez la presencia de uno u otro tipo de portador. ¿Cómo es esto?: el silicio, como ya se ha dicho, tiene cuatro electrones en su última órbita que se combinan a su vez con otros átomos para formar un cristal. Al introducir un átomo penta o trivalente en dicho cristal, se provocará un aumento o un defecto de electrones que hará aumentar la cantidad portadores. Si se introduce un átomo pentavalente (P, Sb, As) en un cristal puro, cuatro de sus electrones se unirán a cuatro electrones de los átomos de silicio vecinos, pero el quinto queda libre, sin formar parte de ninguna unión, por lo que está débilmente ligado al átomo: Este electrón libre, requerirá muy poca energía para "saltar" a la banda de conducción. La energía térmica del ambiente basta para provocar este salto. De esta forma al agregar átomos pentavalentes agregamos electrones en la banda de conducción, es decir, agregamos portadores. Cabe mencionar que los mencionados átomos pentavalentes se ubican en un nivel de energía mucho más cercano a la banda de conducción que la banda de valencia, denominado "nivel donador" este nivel se ubica a una distancia, energéticamente hablando, de 0,05 electron-volt, mientras que la distancia entre las bandas de un semiconductor es de 0,7 eV. De la misma forma, podemos dopar al cristal con átomos trivalentes (como el boro, el Alumnio, el Galio, etc), esto provocará un exceso de electrones en el cristal, ya tres de los cuatro electrones de la última órbita del Silicio se combinan con los tres electrones del anterior átomo. Esto trae como consecuencia la generación de un espacio sin electrones, que tendrá carga positiva, es decir, esto generará un hueco. De esta forma podemos controlar de manera casi definida, a través del dopado, la cantidad de electrones o huecos que existen en un cristal. A este tipo de cristal se le denomina extrínseco, ya que fue modificado por elementos exteriores
Semiconductores Tipo P Y Tipo N Cuatro de los cinco electrones del átomo de arsénico se unirán a los correspondientes electrones de los cuatro átomos de silicio vecinos, y el quinto quedará inicialmente libre, sin una posible unión, y por tanto se convertirá en un portador de corriente. A este tipo de impurezas que entregan electrones portadores (negativos) se los denomina donadores o del tipo «n». En un semiconductor con impurezas del tipo n, no sólo aumenta el número de electrones sino que también la cantidad de huecos disminuye por debajo del que tenía el semiconductor puro. La causa de esta disminución se debe a que una parte de los electrones libres llena algunos de los huecos existentes. Si al semiconductor puro de silicio se le añade algún tipo de impureza que tenga tres electrones externos, solo podrá formar tres uniones completas con los átomos de silicio, y la unión incompleta dará lugar a un hueco. Este tipo de impurezas proporcionan entonces portadores positivos, ya que crean huecos que pueden aceptar electrones; por consiguiente son conocidos con el nombre de aceptores, o impurezas del tipo «p». Al contrario de lo que sucedía antes en el tipo n en un semiconductor con impurezas de tipo p los portadores que disminuyen son los electrones en comparación, con los que tenía el semiconductor puro. A los semiconductores que contengan ya sea impurezas donadoras o aceptad se les llama respectivamente de tipo n o p. En un semiconductor del tipo n, los electrones se denominan portadores mayoritarios y los huecos portadores minontarios. En un material de tipo p, los huecos son portadores mayoritarios, y los electrones portadores minoritarios. Veamos ahora, qué ocurre si a un cristal extrínseco le conectamos una fuente externa de tensión. Al existir mayor cantidad de portadores (no importa de qué tipo), circulará por el cristal una corriente mucho mayor que en el no dopado. El valor de esta corriente dependerá de que tan contaminado esté el material. Si el cristal es de tipo 'n' la corriente se deberá casi en su totalidad a los electrones en la banda de conducción, aunque siempre existe una pequeña corriente producida por los huecos generados térmicamente. Análogamente, si el cristal es del tipo 'p' la corriente estará regida por huecos mayormente, existiendo, sin embargo, una pequeña corriente de electrones.
Polarización Directa E Inversa De La Unión P-N El diodo de unión P-N es el dispositivo semiconductor más elemental. Consiste en el dopado de una barra de cristal semiconductor en una parte con impurezas donadoras (tipo N) y en la otra con impurezas aceptadoras (tipo P)De esta forma, en la parte P existe mucha mayor concentración de huecos que de electrones libres y en la parte N ocurre lo contrario. La conductividad del diodo es diferente según sea el sentido en que se aplique un campo eléctrico externo. Existen dos posibilidades de aplicación de este campo: polarización inversa y polarización directa. Polarización inversa. Consiste en aplicar a la parte N del diodo una tensión más positiva que a la parte P. De esta forma, el campo eléctrico estará dirigido de la parte N a la parte P y los huecos tenderán a circular en ese sentido Mientras que los electrones tenderán a circular en sentido contrario. Esto significa que circularían huecos de la parte N (donde son muy minoritarios) a la parte P (donde son mayoritarios), por lo que esta corriente se ve contrarrestada por una corriente de difusión que tiende a llevar a los huecos de donde son mayoritarios (parte P) hacia donde son minoritarios (Parte N). Por consiguiente, la corriente global de huecos es prácticamente nula. Algo totalmente análogo ocurre con la corriente de electrones, la corriente de arrastre va en sentido contrario a la de difusión, contrarrestándose ambas y produciendo una corriente total Prácticamente nula. La corriente total es la suma de la de huecos más la de electrones y se denominan Corriente inversa de saturación ( Is ). En la práctica, el valor de esta corriente es muy pequeño (del orden de nA en el Silicio) y depende de la temperatura de forma que aumenta al aumentar Ésta.
Polarización directa. Consiste en aplicar a la parte P del diodo una tensión más positiva que a la parte N. De esta forma, el campo eléctrico estará dirigido de la parte P a la parte N. Esto significa que circularían huecos de la parte P (donde son mayoritarios) a la parte N (donde son minoritarios) por lo que esta corriente tiene el mismo sentido que la corriente de difusión. De esta forma, la corriente total de huecos es muy alta. Un proceso análogo ocurre para la corriente de electrones. La corriente total es la suma de la de huecos y la de electrones y toma un valor elevado a partir de un determinado valor de tensión (tensión umbral, V) que depende del tipo de semiconductor (en el Silicio es aproximadamente de 0,7 V y en el Germanio de 0,2 V). Puede considerarse que el diodo es el dispositivo binario más elemental, ya que permite el paso de corriente en un sentido y lo rechaza en sentido contrario.
Diodo De Unión Y Diodo Zener (Símbolo, Comportamiento Y Curva Característica) El diodo semiconductor está constituido fundamentalmente por una unión P-N, añadiéndole un terminal de conexión a cada uno de los contactos metálicos de sus extremos y una cápsula que aloja todo el conjunto, dejando al exterior los terminales que corresponden al ánodo (zona P) y al cátodo (Zona N) El diodo deja circular corriente a través suyo cuando se conecta el polo positivo de la batería al ánodo, y el negativo al cátodo, y se opone al paso de la misma si se realiza la conexión opuesta. Esta interesante propiedad puede utilizarse para realizar la conversión de corriente alterna en continua, a este procedimiento se le denomina rectificación. En efecto. si se aplica a este diodo una tensión alterna, únicamente se producirá circulación de corriente en las ocasiones en que el ánodo sea más positivo que el cátodo, es decir, en las alternancias positivas, quedando bloqueado en las ascendencias negativas, lo que impide el paso de la corriente por ser en estas ocasiones el ánodo más negativo que el cátodo. La corriente resultante será «pulsante», ya que sólo circulará en determinados momentos, pero mediante los dispositivos y circuitos adecuados situados a continuación puede ser convertida en una corriente continua constante, que es el que se emplea actualmente casi en exclusiva; presenta sobre el de vacío algunas ventajas fundamentales: – Es de tamaño mucho más reducido, lo que contribuye a la miniaturización de los circuitos. – La cantidad de calor generado durante el funcionamiento es menor, ya que no necesita ningún calentamiento de filamento. – Funciona con tensiones mucho más bajas, lo que posibilita su empleo en circuitos alimentados a pilas o baterías. Pueden ser utilizados en equipos que manejen grandes corrientes, aplicación que con diodos de vacío resultaba prohibitiva en ocasiones por el gran tamaño de éstos. Existen diodos semiconductores de muy pequeño tamaño para aplicaciones que no requieran conducciones de corrientes altas, tales como la desmodulación en receptores de radio. Estos suelen estar encapsulados. en una caja cilíndrica de vidrio con los terminales en los extremos, aunque también se utiliza para ellos el encapsulado con plástico.
Diodos zener Los diodos estabilizadores de tensión se emplean, como su nombre indica, para producir una tensión entre sus extremos constante y relativamente independiente de la corriente que los atraviesa. Aprovechan, para su funcionamiento, una propiedad muy interesante que presenta la unión semiconductora cuando se polariza inversamente por encima de un determinado nivel. Normalmente un diodo que recibe una polarización inversa no permite el paso de la corriente o lo hace dejando pasar una intensidad debilísima. Sin embargo, al alcanzar una determinada tensión, denominada tensión zener se produce un aumento de la cantidad de corriente, de forma tal que esta diferencia de potencial entre sus extremos se mantiene prácticamente constante, aunque se intente aumentar o disminuir a base de variar la intensidad que lo atraviesa. Existe una amplia gama de tipos clasificados por una serie de tensiones zener normalizadas y por la potencia que son capaces de disipar, desde 250 mili vatios hasta decenas de vatios, con encapsulado plástico o metálico. Los parámetros que caracterizan a un diodo zener son: – Tensión zener (Vz). – Corriente mínima para alcanzar la Vz (Iz). – Potencia máxima (P/tot).
Rectificador de media onda. Todo circuito requiere para su funcionamiento de una FUENTE DE ALIMENTACIÓN eléctrica, este dispositivo se compone a base de varias etapas que se ilustran en la siguiente figura. En este tema analizaremos la segunda etapa que compone nuestra fuente de alimentación, iniciando don los rectificadores de media onda. Un circuito rectificador de forma sencilla se muestra en la figura . Donde la carga del rectificador es una resistencia donde el secundario del transformador tiene un rectificador que alimenta a la resistencia que actúa como carga. El voltaje del secundario del transformador es una señal senoidal de amplitud Vmax, entonces la señal en función del tiempo será E(t)= Vmax sen (t). Si observamos la forma de onda de la corriente vemos que es periódica, Se puede observar que las amplitudes de las armónicas se dan en forma decreciente de manera tal que podemos decir que sólo la primera armónica tiene un peso considerable, tomando una aproximación de la corriente con dos componentes. Ahora bien, si colocamos el mismo circuito de la siguiente manera se aumenta la corriente, para que soporte la corriente, (la corriente se divide, por el doble diodo). Podemos así calcular los voltajes de salida de este por las siguientes formulas:
- Vdc = (0.45) (voltajes eficaces del secundario)
- Vdc = (0.318) (voltaje pico rectificado)
Este tipo de rectificador, tiene la particularidad de que el valor de la FRECUENCIA de salida, es igual al de la señal de entrada. El factor de rizo, es igual a 1.21 y el porcentaje es de 121%, es demasiado elevado por lo que tiene que emplearse eficaces circuitos de filtro (tercera etapa de la fuente). Si colocamos un capacitor en paralelo con la resistencia tendremos un filtrado rudimentario de la tensión suministrada a la carga. Si consideramos régimen permanente podemos analizar como se establece en el tiempo la tensión sobre la carga y corriente sobre la resistencia y el capacitor para lo cual analicemos las formas de onda de los mismos. La tensión que entrega el generador de funciones es senoidal que en primera instancia irá cargando al capacitor hasta el máximo nivel, luego la tensión en el generador empieza a decrecer pero el capacitor sigue aumentando el nivel de tensión porque la corriente lo sigue alimentando, cuando la tensión en el capacitor es superior en 0,7 Volt decimos que el diodo se polariza en inversa, porque se invierten las polaridades el cátodo se hace positivo respecto del ánodo, interrumpiéndose la corriente sobre el diodo, que se dará en el instante t1, luego el capacitor se comportará como fuente de tensión descargándose exponencialmente sobre la resistencia, hasta que la tensión sobre el diodo vuelva a ser positivo el ánodo respecto del cátodo.
Rectificador de onda completa. Tenemos dos tipos de configuraciones distintas que pueden ser Tipo puente o transformador con punto medio (TAP central) tal como se observan en la figura siguiente: Veremos el funcionamiento del circuito rectificador de onda completa con transformador con PUNTO MEDIO. Como se puede apreciar en la figura, se puede considerar a este circuito como dos rectificadores de media onda, donde la alimentación a la carga esta en contratase es decir que las tensiones sobre el secundario del transformador están desfasadas 180 ° entre si, es decir durante el semiciclo positivo de VAC, se enciende el diodo D1, donde la corriente se cerrará a través de la carga y en semiciclo negativo se pone en inversa D1 pero se pone en directa D2 manteniendo la corriente sobre la carga, tal como lo podemos ver en la figura Otro detalle interesante es estudiar cual es la tensión que debe soportar los diodos cuando no están conduciendo, por ejemplo cuando conduce D1 se puede ver que la tensión del punto A menos 0,7 Volt aparece sobre el cátodo del diodo D2, debiendo soportar el máximo de la tensión VAB-0.7 en inversa. Otra desventaja que presenta este tipo de rectificación es que por el secundario del transformador circula corriente en un solo sentido y durante un semiciclo que deriva en la generación de corriente continua que puede llevar a la saturación del núcleo pudiendo deformar la onda de tensión. Podemos calcular el voltaje directo con las siguientes formulas: VCD = (0.9) (1/2 DEL VOLTAJE EFICAZ SECUNDARIO) VCD = (0.636) (VOLTAJE PICO RECTIFICADO) El factor de rizo es 0.482 es decir, 48.2% en este tipo de dispositivo, la frecuencia del rizo de salida es el doble de la señal de entrada. Analicemos ahora el rectificador de onda completa tipo PUENTE. Vemos que cuando la tensión VAB es positiva quedan polarizados en directa los diodos y D2 circulando la corriente desde D1 pasando por la resistencia de carga y cerrándose por D2, en el próximo semiciclo se cortan los diodos D1 y D2 pero se ponen en directa los diodos D3 y D4 estableciéndose una corriente que sale de D3 pasa por la resistencia y se cierra a través de D4 circulando por la resistencia la corriente en una sola dirección. Si se coloca un capacitor en paralelo con la carga tendremos como resultado algo similar al rectificador de media onda, con la salvedad que ahora la frecuencia de las ondas será el doble y una forma de aproximación para la determinación del riple es tomando la relación entre el V y el valor Vdc de tensión continua para este circuito tenemos las siguientes formulas: Vcd = (0.9) ( V. Eficaz del secundario) Vcd = (0.636) (voltaje pico rectificado) El factor de rizo es igual a 0.482 o bien 48.2% La frecuencia de rizo, es el doble de la entrada. Porcentaje De Ondulación Al conocer la magnitud en factor de rizo, que acompaña el valor promedio de tensión directa a la salida del rectificador o filtro. "entre menor rizo, mas pura será el valor obtenido de tensión directa"
Transistor (símbolo, tipos, curva característica y funcionamiento) El transistor es un dispositivo semiconductor de tres capas que consiste de dos capas de material tipo n y una capa tipo p, o bien, de dos capas de material tipo p y una tipo n. al primero se le llama transistor npn, en tanto que al segundo transistor pnp. Para la polarización las terminales que se muestran en la figura 4.14 las terminales se indican mediante las literales E para el emisor, C para el colector y B para la base. Se desarrollará una apreciación de la elección de esta notación cuando se analice la operación básica del transistor. La abreviatura BJT, de transistor bipolar de unión (del ingles, Bipolar Junction Transistor), suele aplicarse a este dispositivo de tres terminales. El término bipolar refleja el hecho de que los huecos y los electrones participan en el proceso de inyección hacia el material polarizado de forma opuesta. Si sólo se utiliza un portador (electrón o hueco), entonces se considera un dispositivo unipolar. Características de los Transistores:
- El consumo de energía es relativamente baja.
- El tamaño de los transistores es relativamente mas pequeña que los tubos de vacío.
- El peso.
- Una vida larga útil (muchas horas de servicio).
- Puede permanecer mucho tiempo en deposito (almacenamiento).
- No necesita tiempo de calentamiento.
- Resistencia mecánica elevada.
- Los transistores pueden reproducir el fenómeno de la fotosensibilidad (fenómenos sensibles a la luz).
Se describirá la operación básica del transistor utilizando el transistor pnp de la figura 4.14a. la operación del transistor npn es exactamente la misma que si intercambiaran la funciones que cumplen el electrón y el hueco. En la figura 4.15 se dibujo de nuevo el transistor pnp sin la polarización base – colector. El espesor de la región de agotamiento se redujo debido a al polarización aplicada, lo que da por resultado un flujo muy considerable de portadores mayoritarios desde el material tipo p hacia el tipo n. Ahora se eliminará la polarización base – colector del transistor pnp de la figura 4.14a, según se muestra en la figura 4.16. En resumen: Una unión p-n de un transistor tiene polarización inversa, mientras que la otra tiene polarización inversa ambos potenciales de polarización se aplicaron a un transistor pnp, con el flujo resultante indicado de portadores mayoritarios y minoritarios. Los espesores de las regiones de agotamiento, que indican con claridad cuál unión tiene polarización directa y cuál polarización inversa. Habrá una gran difusión de portadores mayoritarios a través de la unión p-n con polarización directa hacia el material tipo n. Así, la pregunta sería si acaso estos portadores contribuirán de forma directa a la corriente de base IB o si pasarán directamente al material tipo p. Debido a que material tipo n del centro es muy delgado y tiene baja conductividad, un número muy pequeño de estos portadores tomará esta trayectoria de alta resistencia hacia la terminal de la base. La magnitud de la corriente de base casi siempre se encuentra en el orden de los microamperes, comparando con miliamperes para las corrientes del emisor y del colector. La mayor cantidad de estos portadores mayoritarios se difundirá a través de la unión con polarización inversa, hacia el material tipo p conectado a la terminal del colector. La razón de esta relativa facilidad con la cual los portadores mayoritarios pueden atravesar la unión con polarización inversa se comprenderá con facilidad si se considera que para el diodo con polarización inversa, los portadores mayoritarios inyectados aparecerán como portadores con polarización inversa, los portadores mayoritarios inyectados aparecerán como portadores minoritarios en el material tipo n.
En otras palabras, tuvo lugar una inyección de portadores minoritarios al material de la región de la base tipo n. A la combinación de esto con el hecho de que todos los portadores minoritarios en la región de agotamiento atravesará la unión con polarización inversa de un diodo puede atribuírsele el flujo.
Configuraciones Configuración de Base Común Para la configuración de base común con transistores pnp y npn. La terminología de la base común se deriva del hecho de que la base es común tanto a la entrada como a la salida de la configuración. A su vez, por lo regular la base es la terminal más cercana a, o que se encuentra en, el potencial de tierra. A lo largo de este libro todas las direcciones de corriente harán referencia al flujo convencional (huecos) en lugar de hacerlo respecto al flujo de electrones. Para el transistor la flecha en el símbolo gráfico define la dirección de la corriente del emisor (flujo convencional) a través del dispositivo. Para describir en su totalidad el comportamiento de un dispositivo de tres terminales, como los amplificadores de base común se requiere de dos conjuntos de características, uno para el punto de excitación o parámetros de entrada y el otro para el lado de la salida. El conjunto de entrada para el amplificador de base común relacionará la corriente de entrada (IE). el conjunto de características de la salida o colector tiene tres regiones básicas de interés: la regiones activa, de corte y de saturación. La región activa es la que suele utilizarse para los amplificadores lineales (sin distorsión). En particular: En la región activa la unión base – colector se polariza inversamente, mientras que la unión emisor – base se polariza directamente. La región activa se define mediante los arreglos de polarización de la figura 4.17. En el extremo más bajo de la región activa, la corriente del emisor (IE) es cero; esa es la verdadera corriente del colector, y se debe a la corriente de saturación inversa ICO, como lo señala la figura 4.18. La corriente ICO real es tan pequeña (microamperes) en magnitud si se compara con la escala vertical de IC = 0. Las condiciones del circuito que existen cuando IE = 0 para la configuración de base común se muestra en la figura 4.19. La notación que con más frecuencia se utiliza para ICO en los datos y las hojas de especificaciones es, como se indica en la figura 4.19, ICBO. Debido a las mejoras en las técnicas de fabricación, el nivel de ICBO para los transistores de propósito general (en especial los de silicio) en los rangos de potencia baja y mediana, por lo regular es tan bajo que puede ignorarse su efecto. Sin embargo, para las unidades de mayor potencia ICBO, así como Is, para el diodo (ambas corrientes de fuga inversas) son sensibles a la temperatura. A mayores temperaturas, el efecto de ICBO puede convertirse en un factor importante debido a que aumenta muy rápidamente con la temperatura. En la región de corte, tanto la unión base – colector como la unión emisor – base de un transistor tienen polarización inversa. En la región de saturación, tanto la unión como la emisor – base están en polarización directa.
Configuración de Colector Común La configuración de colector común se utiliza sobre todo para propósitos de acoplamiento de impedancia, debido a que tiene una alta impedancia de entrada y una baja impedancia de salida, contrariamente a alas de las configuraciones de base común y de un emisor común. La figura 4.21 muestra una configuración de circuito de colector común con la resistencia de carga conectada del emisor a la tierra. Obsérvese que el colector se encuentra conectado a la tierra aunque el transistor esté conectado de manera similar a la configuración del emisor común. Desde un punto de vista de diseño, no se requiere de un conjunto de características de colector común para elegir los parámetros del circuito de la figura 4.21. puede diseñarse utilizando las características de salida para la configuración de colector común son la mismas que para la configuración de emisor común.
Polarización En Configuración Emisor Común La configuración de transistor que se encuentra más a menudo aparece en la figura 4.20 para los transistores pnp y npn. Se le denomina configuración de emisor común debido a que el emisor es común o hace referencia a las terminales tanto de entrada como de salida (en este caso, es común tanto a la terminal de base como a la de colector). Una vez más, se necesitan dos conjuntos de características para describir por completo el comportamiento de la configuración de emisor común: uno para el circuito de entrada o base-emisor y otro para el circuito de salida o colector-emisor. En la región activa de un amplificador de base común la unión del colector-base se encuentra polarizada inversamente, mientras que la unión base-emisor se encuentra polarizada directamente. Para propósitos de amplificación lineal (la menor distorsión), el corte para la configuración de emisor común se definirá mediante IC = ICEO.
4. Reguladores De Voltaje
Regulador de transistor con diodo zener. Como los diodos zener presentan una zona de ruptura típica a una determinada tensión inversa ( Vz ) .- Si se utiliza esta propiedad que corresponde a una fuente ideal de voltaje para entregar una tensión constante o estabilizada a una carga que presenta como característica un consumo variable, para su funcionamiento.- También este dispositivo debe resguardar las posibles fluctuaciones o variaciones de la tensión ondulatoria residual de entrada. Este circuito es el mas sencillo de los reguladores y es el de alimentación de potencia regulada, que esta hecho a base de diodo zener, como se muestra en la figura de arriba. Al analizar el circuito regulador de tensión con diodo zener (figura de arriba) , la tensión en la carga permanece aproximadamente constante , igual a la tensión nominal del diodo zener Vz, aunque varíe la tensión de entrada Vi o la corriente a través de la resistencia de carga RL, sobre un rango amplio. Si Vz es constante , el valor de IL depende exclusivamente del valor de RL. Para el caso en que IT se mantenga constante , si IL aumenta , Iz debe disminuir de modo que siempre se cumpla que IT = Iz x IL. Por otro lado si IL disminuye , Iz debe aumentar , para el caso que todavía IT sea constante.- El caso más desfavorable para el Zener sería cuando IL = 0 ya que IT = Iz y la potencia que debería disipar el zener sería máxima.-Por otra parte si la corriente IL se aproxima o se iguala con IT , la corriente Iz se hace muy pequeña , pudiendo sacar al diodo zener de la tensión de ruptura o de regulación dejando de operar este.- Para el caso anterior , las variaciones de la corriente zener Iz pueden ser tal que el diodo deje de operar , o que circule excesiva corriente a través de el y se destruya.- Para este efecto se determina una corriente Máxima ( I.Máx.) que mantiene la tensión zener sin destruir el diodo , con la cual se puede calcular la potencia máxima.- También se determina una corriente Mínima ( I. Mín ) para mantener la tensión zener.- Resumiendo una fuente de tensión , estabilizadora puede ser afectada por la demanda de corriente ( 0 < IL < I. Máx ) o por la variación de la tensión de entrada ( Vi . Mín. < Vi < Vi. Máx. ) , las que afectan la fuente de forma extrema de dos formas : 1.- La fuente deja de regular.- 2.- Queman el diodo zener.- Naturalmente que al especificar el tipo de fuente , se conoce la corriente de carga máxima, ( IL Máx ) , como también se puede especificar la tensión de entrada Vi con su rango de variación.- Esto nos permite determinar el valor de Rs , ( resistencia que asume las variaciones de tensión de entrada ) , de manera tal que cumpla con el criterio de : 1.- Mantener la regulación de tensión en el peor de los casos.- 2.- Especificar requisitos que debe cumplir el diodo zener .- Por tanto la condición que debe cumplir el circuito para que exista regulación en las condiciones más críticas ( IL. Máx. ) ( Vi . Mín ) es que permita pasar una corriente total IT tal que mantenga el diodo zener regulando.- Por otra parte , la condición que debe cumplir el circuito para que el diodo zener no se queme cuando se tienen las condiciones críticas que afectan a este , IL =0 y Vi = Máx. , es que la corriente total IT sea menor o igual a la corriente máxima que soporta el diodo ( Iz. Máx. ) .-
Regulador serie con transistor. Análisis funcional.- El más utilizado de los de los reguladores de tensión , es el regulador tipo serie.- El transistor es la etapa de control y RL es la carga. El diodo zener alimentado a través de R y del transistor y su corriente de base , suministra una tensión constante de referencia aplicada al base del transistor.- Al aumentar la corriente consumida por la carga IL , por cualquier razón , la tensión VL sube e incrementa el valor de VBE llevando el emisor a un potencial más positivo con respecto a base . Por tanto la polaridad directa base – emisor se reduce y la corriente de colector disminuye, disminuyendo así la corriente de carga IL.- Se ve que a un aumento de la corriente IL , corresponde un efecto de control que disminuye el valor de IL.. Existe entonces un efecto de compensación o de regulación.- El circuito detector de error , en este regulador , actúa por la característica base – emisor del circuito, y el mismo transistor hace las veces de amplificador.- Este circuito dividido en bloques, presenta : "etapa de control " ;"etapa de muestreo" ; "detector de error" ; " amplificador de error" Una fuente de tensión regulada , utiliza normalmente un circuito automático de control, que detecta , prácticamente de un modo instantáneo las variaciones de tensión y las corrige automáticamente .- En general un sistema de control requiere de las siguientes etapas : 1.- ETAPA DE REFERENCIA : Para determinar si una magnitud ha variado se precisa de una referencia , que deberá ser lo más estable posible .- ( batería , diodo zener.).- 2.- ETAPA DE MUESTREO : Su misión es detectar las variaciones de tensión que se producen en la salida . ( divisor de tensión.- ).- 3.- ETAPA COMPARADORA: Su finalidad es comparar , en todo momento , las tensiones de referencia con las de muestra , que pretendemos controlar.- ( amplificador operacional , amplificador diferencial.-).- 4.- ETAPA AMPLIFICADORA DE ERROR : La tensión de error que no es más que la diferencia entre la muestra y la referencia , puede presentar un nivel de tensión pequeño que no sea capas de accionar la etapa de control.- En este caso se debe de amplificar.- ( amplificador transistorizado.- ) 5.- ETAPA DE CONTROL : Como su nombre lo indica controla las variaciones de tensión , contrarresta las variaciones producidas en la salida .- ( transistor en zona lineal .- ).- Asume las variaciones de tensión producidas por efecto de la carga o por efecto de la línea o red.-
Principio de funcionamiento : Una fracción de la tensión de salida % Vo , es comparada con la tensión de referencia Vr.-si la tensión de muestra Vm es igual a la tensión de referencia Vr la etapa de Control no actúa.- Si la tensión de muestra Vm es menor que la tensión de referencia Vr , el elemento de control debe reducir su caída de tensión en sus extremos.- Si la tensión de muestra Vm es mayor que la tensión de referencia Vr , la caida de tensión en el elemento de control ha de aumentar .- El circuito de control , generalmente es un transistor con colector común o emisor común.- El circuito de referencia de tensión requiere de una fuente constante actuando como tensión de referencia , que para este caso es un diodo zener.- El amplificador , es un bloque que también lo realiza el mismo transistor y amplifica lo que se conoce como tensión de error , donde dicha tensión controla la base del transistor y lo hace conducir más o menos .- Para este caso el transistor de control , asume las variaciones de tensión que se pueden provocar por la tensión de línea o por el consumo de corriente de la carga.- La regulación lograda por este circuito es pobre y se puede incrementar aumentando la ganancia del amplificador de error o realimentando el circuito.-
5. Circuitos Amplificadores
Redes de acoplamiento. Cuando un sistema está compuesto por más de una etapa de transistores, es necesario conectar, o acoplar, los transistores entre sí. Existen muchas formas comunes de lograr esta interpretación entre amplificadores. En las siguientes secciones se analizan los acoplamientos directo, capacitivo, por transformador y óptico.
- Acoplamiento directo
Dos amplificadores están acoplar es directamente si la salida del primer amplificador se conecta en forma directa a la entrada del segundo sin utilizar capacitores. La salida en ca de la primera etapa está superpuesta con el nivel de cd estático de la segunda etapa. El nivel de cd de la salida de la etapa anterior se suma al nivel de cd de polarización de la segunda etapa. Para compensar los cambios en los niveles de polarización, en amplificador utiliza diferentes valores de fuentes de tensión de cd en lugar de una fuente de Vcc sencilla. El acoplamiento directo se pueden utilizar de manera efectiva al acoplar en amplificador EC a uno ES. El amplificador acoplado directamente tiene una buena respuesta en frecuencias pues no existen elementos de almacenamiento en serie (es decir, sensibles a la frecuencia) que afecten la señal de salida en baja frecuencia.
- Acoplamiento capacitivo
Constituye la forma más simple y efectiva de desacoplar los efectos del nivel de cd de la primera etapa amplificador, de aquellos de la segunda etapa. En capacitor separa el componente de cd de la señal de ca. Por tanto, la etapa anterior no afecta la polarización de la siguiente. Para asegurar que la señal no cambie de manera significativa por la adición de un capacitor, es necesario que esté se comporte como cortocircuito para todas las frecuencias a amplificar.
- Acoplamiento por transformador
Se puede utilizar un transformador para acoplar dos etapas del amplificador. Este tipo de acoplamiento se utiliza a menudo cuando se amplifican señales de alta frecuencia. Los transformaciones son más costosos que los capacitores, aunque sus ventajas pueden justificar el costo adicional. A través de una elección adecuada de la razón de vueltas, se puede utilizar un transformador para aumentar ya sea la ganancia de tensión o bien la de corriente fondo. Por ejemplo, encina etapa de salida de el amplificador vez potencia, en transformador se utiliza para aumentar la ganancia de corriente. Existen otros beneficios asociados con el uso de un transformador. Por ejemplo, el transformador se puede sintonizar para resonar de manera que se convierta en un filtro pasa-banda (filtro que pasa las frecuencias deseadas y atenúa las frecuencias que quedan fuera de la banda requerida).
- Acoplamiento óptico
Muchas aplicaciones requieren el acoplamiento óptico de circuitos electrónicos. Estas aplicaciones se pueden clasificar como sigue: – dispositivos sensibles a la luz y emisores de luz. – detectores y emisores discretos para sistemas de fibra óptica. – módulos interruptor/ reflector que detectan objetos que modifican la trayectoria de la luz. – aisladores /acopladores que transmiten señales eléctricas sin conexiones eléctricas.
Autor:
Anonimo