componentes básicos de electrónica

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Tutoriales Electrónica: Componentes

Componentes básicos, semiconductores, optoelectrónica, circuitos integrados…

07/11/2010

Electrónica Unicrom


Unicrom Página 2

Componentes Básicos

- Resistencia (resistor)

- Tolerancia y valores normalizados de las resistencias

- Ruido de fondo, soldabilidad, disipación de potencia de resistencia

- Clasificación de las resistencias

- Resistencias bobinadas

- Código de colores de las resistencias

- Resistencia variable - potenciómetro, reóstato

- Condensador (capacitor)

- Valor capacitivo, tensión máxima

- Tolerancia y corriente de fuga de un capacitor

- Resistencia de aislamiento e inductancia parásita de un condensador

- Relación de carga, tensión y capacidad en un condensador

- Energía almacenada en un capacitor / condensador

- Clasificación de los condensadores

- Capacitor electrolítico

- Códigos de los condensadores

- Código JIS condensadores - Bobina (inductor)

- Bobina / inductor con núcleo metálico

- Bobinas / inductor con núcleo de aire - Transformador ideal

- Transformador real (circuitos equivalentes)

- Autotransformador

- Embobinado y reparación de transformadores

- Cálculo de transformadores - Relay, relé o relevador

Transformador de potencia

- Utilización del transformador de potencia

- Constitución del transformador de potencia

- Principio de funcionamiento del transformador de potencia

- Relación de transformación K

- Polaridad de un transformador

- Pérdidas de potencia en un transformador

- Rendimiento de un transformador

- Impedancia y tensión de corto circuito de un transformador

Transformadores con diferentes cargas

- Transformador con carga resistiva

- Transformador con carga capacitiva

- Transformador con carga inductiva

Acople de transformadores

- Conexión de transformadores monofásicos - Conexión de transformadores trifásicos

http://www.unicrom.com/Tut_resistencia.asp

http://www.unicrom.com/Tut_resistencia_tolerancia_valores_normalizados.asp

http://www.unicrom.com/Tut_ruido_fondo_soldabilidad_disipacion_potencia_resistencia.asp

http://www.unicrom.com/Tut_clasificacion_resistencias.asp

http://www.unicrom.com/Tut_resistencias-bobinadas.asp

http://www.unicrom.com/TuT_codigocolores.asp

http://www.unicrom.com/Tut_resistenciavariable.asp

http://www.unicrom.com/Tut_condensador.asp

http://www.unicrom.com/Tut_valor_capacitivo.asp

http://www.unicrom.com/Tut_parametros_condensador_tolerancia_corriente_fuga.asp

http://www.unicrom.com/Tut_par_condensador_resistencia_aislamiento_inductancia_parasita.asp

http://www.unicrom.com/Tut_carga_tension_capacidad_condensador.asp

http://www.unicrom.com/Tut_energia_almacenada_condensador.asp

http://www.unicrom.com/Tut_ClasifCapaci.asp

http://www.unicrom.com/Tut_capacitor-electrolitico.asp

http://www.unicrom.com/Tut_codigocolores_condensadores.asp

http://www.unicrom.com/Tut_codigo_JIS_condensador.asp

http://www.unicrom.com/Tut_bobina.asp

http://www.unicrom.com/Tut_bobina_nucleo_metalico.asp

http://www.unicrom.com/Tut_bobina_nucleo_aire.asp

http://www.unicrom.com/Tut_transformador.asp

http://www.unicrom.com/Tut_transformadorReal.asp

http://www.unicrom.com/Tut_autotransformador.asp

http://www.unicrom.com/Tut_EmbobinadoTransformadores.asp

http://www.unicrom.com/Tut_calculo_transformador.asp

http://www.unicrom.com/Tut_relay.asp

http://www.unicrom.com/Tut_transformador_potencia_utilizacion.asp

http://www.unicrom.com/Tut_constitucion_transformador_potencia.asp

http://www.unicrom.com/Tut_principio_funcionamiento_transformador_potencia.asp

http://www.unicrom.com/Tut_razon_transformacion_transformador_potencia.asp

http://www.unicrom.com/Tut_polaridad_transformador.asp

http://www.unicrom.com/Tut_perdidas_transformador.asp

http://www.unicrom.com/Tut_rendimiento_transformador.asp

http://www.unicrom.com/Tut_impedancia_tension_corto_circuito_transformador.asp

http://www.unicrom.com/Tut_transformador_carga_resistiva.asp

http://www.unicrom.com/Tut_transformador_carga_capacitiva.asp

http://www.unicrom.com/Tut_transformador_carga_inductiva.asp

http://www.unicrom.com/Tut_acople_transformadores.asp

http://www.unicrom.com/Tut_acople_transformadores_trifasicos.asp


Unicrom Página 3

Semiconductores

- Diodo semiconductor

- Diodo zener

- Diodo Schottky

- Diodo Tunnel

- Diodo varactor

- Diodo Gunn

- Transistor bipolar

- Regiones operativas y configuraciones del transistor bipolar

- Transistor Darlington

Características de Transistor bipolar - Introducción, corrientes en el transistor bipolar Modos de operación del BJT:

- Operación activa lineal

- Operación en corte

- Operación en saturación

- Región de ruptura y zona inversa

- Punto de trabajo Q

- Recta de carga estática

- Potencia de disipación estática máxima

- Circuitos de polarización - FET de juntura o JFET

- MOSFET

- MOSFET. Principio de operación

- Manipulación del MOSFET - C-MOSFET

Características del FET - Ventajas y desventajas del FET

- Características eléctricas del JFET

- JFET en región de lineal y corte

- JFET en región de saturación y ruptura

- Transistores MOSFET

- Regiones de corte y lineal de transistores NMOS (MOSFET)

- Regiones de saturación y ruptura de transistores NMOS (MOSFET) - Polarización de los FET

http://www.unicrom.com/Tut_diodo.asp

http://www.unicrom.com/Tut_diodozener_.asp

http://www.unicrom.com/Tut_shottky_tunnel.asp

http://www.unicrom.com/Tut_diodo_tunnel.asp

http://www.unicrom.com/Tut_diodo_varactor.asp

http://www.unicrom.com/Tut_Diodo_Gunn.asp

http://www.unicrom.com/Tut_transistor_bipolar.asp

http://www.unicrom.com/Tut_transistor_bipolar_regiones_operativas_configuraciones.asp

http://www.unicrom.com/tut_darlington.asp

http://www.unicrom.com/Tut_caracteristicas_transistor_bipolar.asp

http://www.unicrom.com/Tut_modos_operacion_transistor_bipolar.asp

http://www.unicrom.com/Tut_modos_operacion_transistor_bipolar_corte.asp

http://www.unicrom.com/Tut_modos_operacion_transistor_bipolar_saturacion.asp

http://www.unicrom.com/Tut_modos_operacion_transistor_bipolar_ruptura_inversa.asp

http://www.unicrom.com/Tut_concepto_punto_trabajo_transistor_bipolar.asp

http://www.unicrom.com/Tut_recta_carga_estatica_transistor_bipolar.asp

http://www.unicrom.com/Tut_potencia_disipacion_estatica_maxima.asp

http://www.unicrom.com/Tut_circuitos_polarizacion_transistor_bipolar.asp

http://www.unicrom.com/Tut_Fet.asp

http://www.unicrom.com/tut_MOSFET.asp

http://www.unicrom.com/tut_MOSFET_operacion.asp

http://www.unicrom.com/tut_seguridad-uso-MOSFET.asp

http://www.unicrom.com/tut_C-MOSFET.asp

http://www.unicrom.com/Tut_transistores_efecto_campo.asp

http://www.unicrom.com/Tut_Caracteristicas_electricas_JFET.asp

http://www.unicrom.com/Tut_JFET_region_corte_lineal.asp

http://www.unicrom.com/Tut_JFET_region_saturacion_ruptura.asp

http://www.unicrom.com/Tut_transistores_MOSFET.asp

http://www.unicrom.com/Tut_transistores_NMOS_region_corte_lineal.asp

http://www.unicrom.com/Tut_transistores_NMOS_region_saturacion_ruptura.asp

http://www.unicrom.com/Tut_polarizacion_FET.asp


Unicrom Página 4

OptoElectrónica

- Optoacoplador

- Fotorresistencia o LDR

- Fotodiodo

- Fototransistor

- Diodo LED

- Diodo láser

- Display de 7 segmentos

- Visualizador LCD (Display de Cristal Líquido)

- Modos de visualización de los LCD

- Construcción de la lámpara incandescente

- Funcionamiento de lámpara de tungsteno

- Lámpara fluorescente

- Tubo fluorescente de precalentamiento

Circuitos Integrados

+ El temporizador 555 - Distribución de patillas del temporizador 555

- Multivibrador astable con temporizador 555

- Multivibrador monostable con temporizador 555

- Oscilador astable con 555 con t1 = t2 + Temporizador (Timer): Circuito fundamental en el control electrónico - Fundamentos del Temporizador (Timer). Control automático de sistema de agua

de sanitarios

- Ajustes, modos y aplicaciones del Temporizador (Timer). Secuenciador con

tiempos de encendido y apagado configurables

+ El Amplificador operacional - Inicios, características, ganancia a lazo abierto

- Ganancia a lazo cerrado (realimentación), inversor en CC

- Circuito inversor en CA, frecuencia, saturación, tierra virtual

- Amplificador Operacional con fuente única. Capacitor de bloqueo

- Amplificador Operacional no inversor, ganancia, impedancia de entrada y salida

- Comparadores con amplificador operacional

- Comparador de ventana con dos amplificadores operacionales

- Comparador regenerativo (disparador Schmitt) - generador de onda cuadrada

- Integrador con amplificador operacional

- Generador de onda triangular, entrada senoidal en un integrador

- Derivador con amplificador operacional

- Rectificador de instrumentación de media onda

- Rectificador de instrumentación de onda completa

http://www.unicrom.com/Tut_optoacoplador.asp

http://www.unicrom.com/Tut_ldr.asp

http://www.unicrom.com/Tut_fotodiodo.asp

http://www.unicrom.com/Tut_fototransistor.asp

http://www.unicrom.com/Tut_diodo_led.asp

http://www.unicrom.com/tut_diodo_laser.asp

http://www.unicrom.com/Tut_display-7-segmentos.asp

http://www.unicrom.com/Tut_LCD.asp

http://www.unicrom.com/Tut_LCD_modos_visualizacion.asp

http://www.unicrom.com/Tut_lamp_incandescente.asp

http://www.unicrom.com/Tut_operacion-lamp-incandescente.asp

http://www.unicrom.com/Tut_lampara_fluorescente.asp

http://www.unicrom.com/Tut_fluorescente_funcionamiento.asp

http://www.unicrom.com/tut_555.asp

http://www.unicrom.com/tut_multivibrador_astable_555.asp

http://www.unicrom.com/tut_multivibrador_monostable_555.asp

http://www.unicrom.com/tut_555_t1igualt2.asp

http://www.unicrom.com/Tut_temporizador_fundamental_en_control.asp

http://www.unicrom.com/Tut_temporizador_fundamental_en_control.asp

http://www.unicrom.com/Tut_temporizador_fundamental_en_control1.asp

http://www.unicrom.com/Tut_temporizador_fundamental_en_control1.asp

http://www.unicrom.com/Tut_opamp.asp

http://www.unicrom.com/Tut_opamp1.asp


http://www.unicrom.com/Tut_opampFuenteUnica.asp

http://www.unicrom.com/Tut_OpAmpNoInversor.asp

http://www.unicrom.com/tut_comparadores.asp

http://www.unicrom.com/tut_comp_ventana.asp

http://www.unicrom.com/tut_comparador_reg.asp

http://www.unicrom.com/Tut_integrador.asp

http://www.unicrom.com/Tut_integrador1.asp

http://www.unicrom.com/tut_derivador.asp

http://www.unicrom.com/Tut_rectificador_instrumentacion.asp

http://www.unicrom.com/Tut_rectificador_instrumentacion1.asp


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Tiristores

- Introducción a los tiristores

- Diodo Shockley. Diodo de 4 capas

- SIDAC

- Generador diente sierra con SIDAC MKP3V120

- SBS o Silicon Bidirectional Switch

- Rectificador Gobernado de Silicio o SCR

- Activación o disparo de un tiristor por puerta

- Activación o disparo de un tiristor por luz, tensión ruptura y aumento dv/dt

- Bloqueo de un tiristor

- Regulación de potencia de un SCR

- Variantes del SCR: LASCR, GTO, PUT

- Variantes del SCR: TRIAC

- Transistor uni-unión o UJT - Funcionamiento de un UJT

- SCR - Silicon Controled Rectifier

- Curva característica de un SCR

- SCR en corriente continua

- SCR en corriente alterna

- Protección del SCR

- TRIAC - DIAC

- Transistor uniunión (UJT)

- Características del Transistor de Uniunión programable (PUT)

- Funcionamiento de PUT. Oscilador

- Encapsulado de los transistores - Disipadores de calor (heatsinks)

- Fusible - Funcionamiento básico del Triodo

Códigos normalizados de semiconductores

- JEDEC: Código americano

- JIS: Código japonés

- PROELECTRON: Código europeo

http://www.unicrom.com/Tut_tiristores.asp


http://www.unicrom.com/Tut_tiristores_diodo_4_capas.asp

http://www.unicrom.com/Tut_tiristores_sidac.asp

http://www.unicrom.com/Tut_generador_diente_sierra_SIDAC_MKP3V120.asp

http://www.unicrom.com/Tut_SBS_silicon_bidirectional_switch.asp

http://www.unicrom.com/Tut_rectificador_gobernado_silicio_SCR.asp

http://www.unicrom.com/Tut_tiristor_activacion_disparo.asp

http://www.unicrom.com/Tut_tiristor_activacion_disparo_luz_tension_ruptura.asp

http://www.unicrom.com/Tut_bloqueo_tiristor.asp

http://www.unicrom.com/tut_regulacion_potencia_SCR.asp

http://www.unicrom.com/tut_variantes_SCR.asp

http://www.unicrom.com/tut_Triac_SCR.asp

http://www.unicrom.com/tut_ujt.asp

http://www.unicrom.com/tut_funcionamiento-ujt.asp

http://www.unicrom.com/Tut_scr.asp

http://www.unicrom.com/Tut_scr_curva_caracteristica.asp

http://www.unicrom.com/Tut_scr-continua.asp

http://www.unicrom.com/Tut_scr-alterna.asp

http://www.unicrom.com/Tut_proteccion-tiristor.asp

http://www.unicrom.com/Tut_triac.asp

http://www.unicrom.com/Tut_DIAC.asp

http://www.unicrom.com/Tut_transistor_ujt.asp

http://www.unicrom.com/Tut_put.asp

http://www.unicrom.com/Tut_put_funcionamiento.asp

http://www.unicrom.com/Tut_encapsulado_transistor.asp

http://www.unicrom.com/tut_disipadores.asp

http://www.unicrom.com/Tut_fusible.asp

http://www.unicrom.com/Tut_comofuncionantubos.asp

http://www.unicrom.com/tut_JEDEC.asp

http://www.unicrom.com/tut_JIS.asp

http://www.unicrom.com/tut_PRO_ELECTRON.asp


Unicrom Página 6

Concepto, unidades

Una resistencia o resistor es un elemento que causa oposición al paso de la corriente,

causando que en sus terminales aparesca una diferencia de tensión (un voltaje).

En el gráfico más abajo tenemos un bombillo / foco en el paso de la corriente que sale

del terminal positivo de la batería y regresa al terminal negativo.

Símbolo de la resistencia

Este bombillo / foco que todos tenemos en nuestros hogares es una resistencia. Las

resistencias se representan con la letra R y el valor de éstas se mide en Ohmios (Ω).

Las resistencias o resistores son fabricadas en una amplia variedad de valores. Hay

resistencias con valores de Kilohmios (KΩ), Megaohmios (MΩ).

Estás dos últimas unidades se utilizan para representar resistencias muy grandes. En la

siguiente tabla vemos las equivalencias entre ellas:

1 Kilohmio (KΩ) = 1,000 Ohmios (Ω)

1 Megaohmio (MΩ) = 1,000,000 Ohmios (Ω)

1 Megaohmio (MΩ) = 1,000 Kilohmios (KΩ)

Para poder saber el valor de las resistencias sin tener que medirlas, existe un código de

colores de las resistencia que nos ayuda a obtener con facilidad este valor con sólo

verlas.

Para obtener la resistencia de cualquier elemento de un material específico, es necesario

conocer algunos datos propios de éste, como son: su longitud, área transversal,

resistencia específica o resistividad del material con que está fabricada.

Conductancia



http://www.unicrom.com/Tut_resistividad.asp


Unicrom Página 7

La recíproca (inverso) de la resistencia es la conductancia. Se representa generalmente

por la letra G. Un circuito con elevada conductancia tiene baja resistencia, y viceversa.

Una resistencia de 1 Ohmio (ohm) posee una conductancia de 1 mho

Una resistencia de 1000 Ohmios (ohms) posee una conductancia de 0.001 mho.


Unicrom Página 8

Tolerancia

La tolerancia de una resistencia / resistor es un dato que nos dice que tanto (en

porcentaje) puede variar el valor de la resistencia (hacia arriba o hacia a bajo) de su

valor indicado.Valores típicos de tolerancia son 5%, 10% y 20%, pero también hay de

0.1%, 0.25%, 0.5%, 1%, 2%, 3% y 4%.

La representación de la tolerancia en un resistor se puede ver en el código de colores

de las resistencias. Ejemplo: un resistor de 1000 ohmios con una tolerancia del 10%

puede tener un valor entre 900 y 1100 ohmios.

Valores normalizados

Los valores comunes de resistencias son: 1.0, 1.2, 1.5, 1.8, 2.2, 2.7, 3.3, 3.9, 4.7, 5.6,

6.8, 8.2, etc., todas ellas x 10n, donde n = 0,1,2,3,4,5,6.

A continuación se presentan los valores normalizados de éstas para diferentes casos de

tolerancia.


Unicrom Página 9

Ruido de fondo, soldabilidad y disipación de potencia

en un resistor / resistencia

Ruido de fondo

Cuando una resistencia / resistor es atravesado por una corriente genera ruido.

Este se llama ruido de fondo

Este ruido es generado por diferentes factores y afectan el funcionamiento del resistor.

Es importante tomar en cuenta esta característica en etapas amplificadoras de

baja frecuencia, pues al amplificarse este ruido a través de sucesivas etapas, aparece al final una gran distorsión en la amplitud de la señal.

Este problema se resuelve utilizando resistencias / resistencias de alta

calidad

Soldabilidad

Un resistor al ser soldado, puede cambiar su valor hasta en un 25%, si esta está

expuesta por mucho tiempo al calor del soldador. Hay que realizar soldaduras

rápidas y si es posible con usar elementos metálicos, como disipadores, unidos a

los terminales a soldar, para radiar el calor.

Disipación de potencia

Cuando circula una corriente por una resistor, se produce calor, que es energía

que no se aprovecha. Este calor (potencia a disipar) es un inconveniente y debe

disiparse al ambiente. La capacidad de disipación de calor de un resistor depende

de su tamaño. A mayor tamaño, mayor capacidad de disipación. Ver la Ley de

Joule


http://www.unicrom.com/Tut_corriente_electrica.asp

http://www.unicrom.com/Tut_amplificadores_.asp


http://www.unicrom.com/Tut_potencia_en_resistencia.asp



Unicrom Página 10

Clasificación (tipos) de resistencias / resistores

Hay básicamente dos tipos de Resistencias:

Las resistencias de valores fijos y las Resistencias variables, que a su vez se subdividen dependiendo de características propias.

A continuación se presenta una tabla con una clasificación general:

Resistencia / resistor

Nota: Ver la tabla de clasificación de izquierda a derecha

R

E

S

I

S

T

0

R

E

S

Resistores Fijos:

Tienen un valor nominal fijo.

Se dividen en

resistores

de película y

bobinadas

Resistores de

Película

(químicas): se

utilizan en potencias

bajas, que van desde

1/8 watt hasta los 3

watts y consisten en

películas que se

colocan sobre bases

de cerámica especial.

Este tipo de

resistores depende

del material, sea

carbón o compuestos metálicos.

Hay resistores de

película metálica y de

carbón.

Resistores

de Película

metálica

- Resistores

de película gruesa

- Resistores

de película delgada

Resistores de carbón

Resistores bobinados: se fabrican con hilos resistivos que

son esmaltados, cementados, vitrificados o son recubiertos de un material cerámico.

Estos resistores por lo general pueden disipar potencias

que van desde los 5 watts (vatios) hasta los 100 watts o

más.

Ver Resistencias bobinadas

Resistores Variables: Resistores

Ajustables

Potenciómetro de ajuste

Potenciómetro giratorio

Potenciómetro de cursor








Unicrom Página 11

Tienen un valor

que se varía intencionalmente.

Se dividen en:

ajustables y

dependientes de

magnitudes

Resistores

Dependientes

de magnitudes

De presión

De luz: (Fotorresistencias)

De temperatura (termistor)

De voltaje (varistor)

De campo magnético


http://www.unicrom.com/Tut_voltaje.asp

http://www.unicrom.com/tut_campomagnetico.asp


Unicrom Página 12


Unicrom Página 13

Resistencias bobinadas o de alambre

Una resistencia bobinada es una resistencia fabricada con una alambre

conductor de una resistividad (resistencia específica) alta.

Este alambre es de una aleación especial y está arrollado sobre un soporte de un tubo de material refractario como la cerámica, porcelana, etc.

Nota: Un material refractario es aquel que no permite la conducción del calor, si no que al contrario lo refleja.

El valor de la resistencia bobinada queda determinado por la sección

transversal del alambre, su longitud y la resistencia específica de la aleación de éste.

Las resistencias bobinadas se utilizan cuando la potencia que deben de disipar

es muy alta. Una vez que la resistencia ha sido construida generalmente se recubre con una capa de esmalte vitrificado.

Este tipo de resistencia se puede comparar con el filamento de una lámpara

incandescente, donde la potencia se transforma en calor (En una lámpara

incandescente, esta potencia se

transforma parte en luz y parte en calor)

Cuanto mas largo es el alambre

y mayor es la sección de éste,

mayor será la capacidad de

disipación de potencia que

podrá aguantar, pues mayor

será la superficie de radiación del calor.

Estas resistencias se fabrican hasta valores de 100 Kilohmios aproximadamente,

debido problemas con las dimensiones físicas. La idea es lograr la mayor

disipación de calor en el menor espacio posible.

Las resistencias bobinadas por lo general pueden disipar potencias que van

desde los 5 watts (vatios) hasta los 100 watts o más

En el diagrama se puede observar el tubo refractario en color azul y los hilos a

alambres que lo rodean. Los puntos negros representan los alambres que entran y

salen de la pantalla formando como una bobina o resorte muy ajustado alrededor

del tubo.


http://www.unicrom.com/Tut_resistividad.asp

http://www.unicrom.com/Tut_potencia_energia.asp



http://www.unicrom.com/Tut_estruct_luz.asp



Unicrom Página 14

Código de colores de las resistencias / resistores

Los resistores son fabricados en una gran variedad de formas y tamaños.

En las más grandes, el valor del resistor se imprime directamente en el cuerpo del

mismo, pero en los más pequeños no es posible. Para poder obtener con facilidad el

valor de la resistencia / resistor se utiliza el código de colores

Sobre estos resistores se pintan unas bandas de colores. Cada color representa un

número que se utiliza para obtener el valor final del resistor.

Las dos primeras bandas indican las dos primeras cifras del valor del resistor, la tercera

banda indica cuantos ceros hay que aumentarle al valor anterior para obtener el valor

final de la resistor.

La cuarta banda nos indica la tolerancia y si hay quinta banda, ésta nos indica su

confiabilidad

Ejemplo: Si un resistor tiene las siguiente bandas de colores:

- El resistor tiene un valor de 2400,000 Ohmios +/- 5 %

- El valor máximo de este resistor es: 25200,000 Ω

- El valor mínimo de este resistor es: 22800,000 Ω

- El resistor puede tener cualquier valor entre el máximo y mínimo calculados.



Unicrom Página 15

Los colores de las bandas de los resistores no indican la potencia que puede disipar,

pero el tamaño que tiene la resistor da una idea de la disipación máxima que puede

tener.

Los resistores comerciales disipan 1/4 watt, 1/2 watt, 1 watt, 2 watts, etc..

A mayor tamaño del resistor, más disipación de potencia (calor). Ver la Ley de Joule.

Nota: En este artículo los términos resistor y resistencia se han utilizado como

sinónimos.




Unicrom Página 16

Resistencia variable: Potenciómetro, reóstato

La resistencia variable es un dispositivo que tiene un contacto móvil que se mueve a lo

largo de la superficie de una resistencia de valor total constante.

Este contacto móvil se llama cursor o flecha y divide la resistencia en dos resistencias

cuyos valores son menores y cuya suma tendrá siempre el valor de la resistencia total.

Las resistencias variables se dividen en dos categorías:

Potenciómetros

Los potenciómetros y los reóstatos se diferencias entre si, entre otras cosas, por la

forma en que se conectan. En el caso de los potenciómetros, éstos se conectan en

paralelo al circuito y se comporta como un divisor de voltaje. Ver la figura.

Reóstatos

En el caso del reóstato, éste va conectado en serie con el circuito y se debe tener

cuidado de que su valor (en ohmios) y su la potencia (en Watts (vatios)) que puede

aguantar sea el adecuado para soportar la corriente I en amperios (ampere) que va a

circular por él.

Como regla general:

Los potenciómetros se utilizan para

variar niveles de voltaje y los reóstatos

para variar niveles de corriente


http://www.unicrom.com/Tut_divisionvoltaje.asp


Unicrom Página 17

Las resistencias también se pueden dividir tomando en cuenta otras características:

- si son resistencia bobinadas.

- si no son bobinadas.

- de débil disipación.

- de fuerte disipación.

- de precisión.

Normalmente los potenciómetros se utilizan en circuitos con poca corriente, pues no

disipan casi potencia, en cambio los reóstatos son de mayor tamaño, por ellos circula

más corriente y disipan más potencia. Ver los diagramas.





Unicrom Página 18

Condensador / Capacitor

En condensador es un dispositivo formado por dos placas metálicas separadas por un

aislante llamado dieléctrico.

Un dieléctrico o aislante es un material que evita el paso de la corriente.

El condensador o capacitor almacena energía en la forma de un campo eléctrico (es

evidente cuando el capacitor funciona con corriente directa) y se llama capacitancia o

capacidad a la cantidad de cargas eléctricas que es capaz de almacenar

El símbolo del capacitor se muestra al lado derecho:

La capacidad depende de las características físicas del condensador:

- Si el área de las placas que están frente a frente es grande la capacidad

aumenta

- Si la separación entre placas aumenta, disminuye la capacidad

- El tipo de material dieléctrico que se aplica entre las placas también afecta la

capacidad

- Si se aumenta la tensión aplicada, se aumenta la carga almacenada.

Dieléctrico o aislante

Un dieléctrico o aislante es un material que evita el paso de la corriente, y su función

es aumentar la capacitancia del capacitor.

Los diferentes materiales que se utilizan como dieléctricos tiene diferentes grados de

permitividad(diferente capacidad para el establecimiento de un campo eléctrico

Mientras mayor sea la permitividad, mayor es la capacidad del condensador. La

capacitancia de un condensador está dada por la fórmula: C = Er x A / d


http://www.unicrom.com/tut_campo_electrico_lineas_fuerza.asp

http://www.unicrom.com/Tut_el_condensador_y_las_corrientes.asp






Unicrom Página 19

donde:

- C = capacidad

- Er = permitividad

- A = área entre placas

- d = separación entre las placas

La unidad de medida es el faradio. Hay submúltiplos como el miliFaradio (mF),

microFaradio (uF), el nanoFaradio (nF) y el picoFaradio (pF)

Las principales características eléctricas de un condensador son su capacidad o

capacitancia y su máxima tensión entre placas (máxima tensión que es capaz de

aguantar sin dañarse).

Nunca conectar un capacitor a un voltaje superior

al que puede aguantar, pues puede explotar




Unicrom Página 20

Capacitancia y voltaje de ruptura de un Capacitor

La capacitancia es un parámetro del capacitor que indica la capacidad de

almacenamiento de carga que éste tiene y su unidad es el Faradio.Esta unidad

es muy grande y para representar valores comerciales de este elemento se utilizan los submúltiplos del Faradio, como por ejemplo:

- El uF (microfaradio)

- El pF (picofaradio) - El nF (nanofaradio), etc.

La siguiente tabla muestra los diferentes rangos de valores de capacidad para

algunos tipos de condensadores, así como su tipo de dieléctrico y tensión de

ruptura.

Voltaje de ruptura de un condensador

El voltaje de ruptura es aquel voltaje máximo que se puede aplicar a los

terminales del capacitor. Si se sobrepasa, el dieléctrico se puede perforar provocando un corto circuito. Ver también la clasificación de los capacitores



http://www.unicrom.com/Tut_localizacion-averias-circuitos-pasivos1.asp

http://www.unicrom.com/Tut_ClasifCapaci.asp


Unicrom Página 21

Tolerancia y corriente de fuga de un Capacitor

Tolerancia del capacitor

Tolerancia: Son los límites dentro de los cuales puede variar el valor teórico o nominal del capacitor. Ver la siguiente tabla.

Corriente de Fuga del capacitor

En un capacitor además de la corriente de carga ya conocida existe otra corriente

llamada corriente de fuga, debido a imperfecciones en el dieléctrico que no es

un aislante perfecto.

Cuando se realicen mediciones de la capacitancia de un capacitor es un

parámetro a tomar en cuenta

- En el capacitor electrolítico de aluminio la corriente de fuga es: < 0.05 uA x voltio x uF y siempre superior a 4 uA

- En el capacitor electrolítico de tantalio la corriente de fuga es: < 0.02 uA x voltio x uF y siempre superior a 1 uA






Unicrom Página 22

Resistencia de aislamiento. Inductancia parásita de un

Capacitor

Resistencia de aislamiento

La resistencia de aislamiento es el factor causante de las pérdidas que se

presentan cuando se aplica corriente continua a un capacitor. Ver la siguiente tabla.

Inductancia parásita

La inductancia parásita se debe a la forma en que está construido el capacitor y se representa como una bobina en serie con el mismo.

A bajas frecuencias es despreciable, pero a frecuencias más altas, influye en la reactancia del capacitor y no debe despreciarse.

http://www.unicrom.com/Tut_corrientecontinua.asp




Unicrom Página 23

Relación de carga, voltaje y capacidad en un capacitor

La corriente por un conductor es un flujo orientado de cargas eléctricas.

Si un capacitor es conectado a una fuente de corriente continua, este recibe carga eléctrica.

El valor de la carga almacenada se obtiene multiplicando la corriente entregada

por la fuente por el tiempo durante el cual la fuente estuvo conectada al capacitor.

Entonces: Q = I x t (carga = corriente x tiempo)

Donde:

Q: está en coulombios

I: está en amperios t: está es segundos

Experimentalmente se puede comprobar que la carga almacenada en un capacitor es directamente proporcional al voltaje aplicado entre sus terminales.

Entonces: Q = C x V (carga = capacidad x voltaje)

Donde:

Q: está en coulombios

C: está en faradios V: está en voltios

Igualando la última ecuación con la primera se tiene que: Q = I x t = C x V

Despejando: V = I x t / C.

Si se mantiene el valor de la corriente "I" constante y como el valor de "C" también es constante, el voltaje "V" es proporcional al tiempo.

Entonces se puede decir que:

Cuando un capacitor se carga a corriente

constante, el voltaje entre sus terminales es proporcional al tiempo de carga.


http://www.unicrom.com/tut_conductores_electricos.asp


http://www.unicrom.com/Tut_fuentepoder.asp




Unicrom Página 24

Energía almacenada en un capacitor / condensador

Si se tiene un capacitor totalmente descargado y a éste se le aplica una fuente de

alimentación, habrá una transferencia de energía de la fuente hacia el capacitor.

Un conocimiento ya adquirido es que:

La potencia es la capacidad

que se tiene de realizar un trabajo en una cantidad

de tiempo

La fórmula: P=W/t ó W=Pxt

Donde:

P = potencia

W = trabajo t = tiempo

Otra fórmula de potencia es: P=IxV

En la última fórmula, si se considera que la corriente es constante (corriente

continua), entonces la potencia es proporcional al voltaje. Si el voltaje aumenta

en forma lineal, la potencia aumentará igual. Ver el diagrama

Como la potencia varía en función del tiempo, no se puede aplicar la fórmula W =

P x t, para calcular la energía transferida.

Pero observando el gráfico, se ve que esta energía se puede determinar midiendo el área bajo la curva de la figura.

El área bajo la curva es igual a la mitad de la potencia en el momento “t”,

multiplicada por “t”. Entonces: W = (P x t) / 2.

Pero se sabe que P = V x I. Si se reemplaza esta última fórmula en la anterior se

obtiene: W = (V x I x t) / 2, y como I x t = CV, entonces:

W = (CV2 / 2) julios

Donde:

W = trabajo en julios

C = Capacidad en faradios

V = voltaje en voltios en los extremos del capacitor












Unicrom Página 25

Clasificación de los Condensadores: Fijos y variables

Capacitores fijos:

Estos se diferencian entre si por el tipo de dieléctrico que utilizan. Materiales comunes

son: la mica, plástico y cerámica y para los capacitores electrolíticos, óxido de

aluminio y de tantalio.

Hay de diseño tubular, y de varias placas y dieléctrico intercalados. El diseño de

múltiples placas es un diseño para aumentar el área efectiva de la placa.

Entre placa y placa se coloca el aislante y se hace una conexión de placa de de por

medio, como si fueran capacitores en paralelo. (ver diagrama).

1 - Condensadores de cerámica

Son capacitores en donde las inductancias parásitas y las pérdidas son casi nulas. La

constante dieléctrica de estos elementos es muy alta (de 1000 a 10,000 veces la del aire)

- Algunos tipos de cerámica permiten una alta permitividad y se alcanza altos valores de

capacitancia en tamaños pequeños, pero tienen el inconveniente que son muy sensibles

a la temperatura y a las variaciones de voltaje.

- Hay otros tipos de cerámica que tienen un valor de permitividad menor, pero que su

sensibilidad a la temperatura, voltaje y el tiempo es despreciable. Estos capacitores

tienen un tamaño mayores que los otros de cerámica. Se fabrican en valores de

fracciones de picoFaradios hasta nanoFaradios.

2 - Condensadores de lámina de plástico

- Láminas de plástico y láminas metálicas intercaladas: Estos tipos de capacitores

son generalmente más grandes que los de lámina metalizada, pero tienen una

capacitancia más estable y mejor aislamiento.

- Lámina metalizada: Tiene la lámina metálica depositada directamente en la lámina

de plástico. Estos capacitores tienen la cualidad de protegerse a si mismos contra sobre

voltajes. Cuando esto ocurre aparece un arco de corriente que evapora el metal

eliminando el defecto.

Capacitor tubular

http://www.unicrom.com/Tut_condensadores_serie_y_paralelo.asp

http://www.unicrom.com/Tut_inductancia.asp




Unicrom Página 26

3 - Condensadores de mica:

Capacitores que consisten de hojas de mica y aluminio colocados de manera alternada y

protegidos por un plástico moldeado.

Son de costo elevado. Tiene baja corriente de fuga (corriente que pierden los

condensadores y que hacen que este pierda su carga con el tiempo) y alta estabilidad. Su

rango de valores de va de los pF a 0.1 uF.

4 -Capacitores de poliester:

Sustituyen a los capacitores de papel, solo que el dieléctrico es el poliéster. Se crearon

capacitores de poliéster metalizado con el fin de reducir las dimensiones físicas.

Ventajas: muy poca pérdida y excelente factor de potencia

5 - Condensadores electrolíticos:

Estos capacitores pueden tener capacitancias muy altas a un precio razonablemente

bajo. Tienen el inconveniente de que tienen alta corriente de fuga y un voltaje de ruptura

bajo.

Son polarizados y hay que tener cuidado a hora de conectarlos pues pueden estallar si se

conectan con la polaridad invertida. Se utilizan principalmente en fuentes de

alimentación.

Físicamente estos elementos constan de un tubo de aluminio cerrado, en donde está el

capacitor. Tienen una válvula de seguridad que se abre en el caso de que el electrolito

entre en ebullición, evitando así el riesgo de explosión. Ver capacitor electrolítico

6 - Condensadores de tantalio:

Son polarizados por lo que hay que tener cuidado a la hora de conectarlo.

Capacitores variables

1 - Capacitores variables giratorios:

http://www.unicrom.com/Tut_parametros_condensador_tolerancia_corriente_fuga.asp






Unicrom Página 27

Muy utilizado para la sintonía de aparatos de radio. La idea de estos es variar con la

ayuda de un eje (que mueve las placas del capacitor) el área efectiva de las placas que

están frente a frente y de esta manera se varía la capacitancia. Estos capacitores se

fabrican con dieléctrico de aire, pero para reducir la separación entre las placas y

aumentar la constante dieléctrica se utiliza plástico. Esto hace que el tamaño del

capacitor sea menor.

2 - Capacitores ajustables "trimmer":

Se utiliza para ajustes finos, en rangos de capacitancias muy pequeños. Normalmente

éstos, después de haberse hecho el ajuste, no se vuelven a tocar. Su capacidad puede

variar entre 3 y 100 picoFaradios. Hay trimmers de presión, disco, tubular, de placas.

Nota: Capacitor = Condensador


Unicrom Página 28

Capacitor / Condensador electrolítico

A diferencia de los capacitores comunes, los capacitores electrolíticos se han

desarrollado para lograr grandes capacidades en dimensiones físicas reducidas.

Este capacitor se logra con un dieléctrico especial. La capacidad de un capacitor tiene fórmula:

C = EA / d

donde:

- A = superficie

- d = separación de placas - E = constante dieléctrica

Si el valor de la constante dieléctrica (E) aumenta, también aumenta la

capacitancia del capacitor.

Este dieléctrico es un electrolito constituido por óxido de aluminio impregnado en un papel absorbente.

Cuando se fabrica el capacitor electrolítico, se arrollan dos láminas de aluminio, separadas por un papel absorbente impregnado con el electrolito.

Después se hace circular una corriente entre las placas, con el propósito de

provocar una reacción química que creará una capa de óxido de aluminio que será

el dieléctrico (aislante). Ver diagrama.

Físicamente consta de un tubo de aluminio cerrado, dentro del cual se haya el

capacitor. Está provisto de una válvula de seguridad que se abre en caso de que

que el electrolito (de allí viene el nombre) entre en ebullición y evitando el riesgo de explosión.

El capacitor electrolítico es un elemento polarizado, por lo que sus terminales no

pueden ser invertidas. Generalmente el signo de polaridad viene indicado en el cuerpo del capacitor.

El inconveniente que tienen estos capacitores es que el voltaje permitido entre

sus terminales no es muy alto. Si fuera necesario cambiar este capacitor, se debe






Unicrom Página 29

buscar uno de la misma capacidad y con un voltaje igual o mayor al del capacitor dañado, pero...

No se recomienda utilizar un capacitor de voltaje (dato de fabrica) muy superior al

dañado pues, un capacitor que recibe un voltaje mucho menor que para la que fue

diseñado, siente que no estuvo polarizado en corriente continua y la capa de óxido de aluminio disminuye hasta que el elemento falla.

Nota: Este tipo de capacitores deben de utilizarse lo antes posible después de su fabricación.

Si el período de almacenamiento antes de usarlo es muy largo, al no recibir voltaje,

se empieza a dañar (se reduce la capa de óxido de aluminio). Es conveniente tomar en cuenta siempre la fecha de fabricación.



Unicrom Página 30

Código de colores de los capacitores. Código 101

Porcentaje de tolerancia

Código de colores de los capacitores

Determinar el valor de un capacitor por medio del código de colores no es difícil y se

rea se realiza sin problemas.

Al igual que en los resistores este código permite de manera fácil establecer su valor

El código 101 de los capacitores:

El código 101 es muy utilizado en capacitores cerámicos. Muchos de ellos que tienen

su valor impreso, como los de valores de 1 uF o más. Donde: uF = microfaradio

Ejemplo: 47 uF, 100 uF, 22 uF, etc.

Para capacitores de menos de 1 uF, la unidad de medida es el pF (picoFaradio) y se

expresa con una cifra de 3 números.

Los dos primeros números expresan su significado por si mismos, pero el tercero

expresa el valor multiplicador de los dos primeros. Ver la siguiente tabla.



Unicrom Página 31

Ejemplo:

Un capacitor que tenga impreso el número 103 significa que su valor es 10 + 1000 pF =

10,000 pF.

Ver que 1000 tiene 3 ceros (el tercer número impreso).

En otras palabras 10 más 3 ceros = 10,000 pF

El significado del tercer número se muestra en la tabla siguiente.

Después del tercer número aparece muchas veces una letra que indica la tolerancia del

capacitor expresada en porcentaje (algo parecido a la tolerancia en las resistores). Ver

el párrafo siguiente

Tabla de tolerancia del código 101

de los capacitores

La siguiente tabla nos muestra las distintas letras y su

significado (porcentaje)

Ejemplo: Un capacitor tiene impreso lo siguiente:

104H

104 significa 10 + 4 ceros = 10,000 pF

H = +/- 3% de tolerancia.

474J

474 significa 47 + 4 ceros = 470,000 pF,

J = +/- 5% de tolerancia.

470.000pF = 470nF = 0.47µF

Algunos capacitores tiene impreso directamente sobre ellos el valor de 0.1 o 0.01, lo

que sindica 0.1 uF o 0.01 uF


Unicrom Página 32

Código JIS (Japan Industrial Standard) de un

condensador / Capacitor.

Código japonés para identificación de condensadores (JIS)

El código JIS (Japan Industrial Standard) es el código utilizado por la

industria japonesa para la identificación de condensadores.

El código es alfanumérico (letras y números) y se lee de la siguiente manera:

- El primer número y la primera letra se refiere a la tensión máxima de operación del capacitor. Ver listado abajo.

- Los tres números que siguen indican el valor de la capacidad del capacitor en

picofaradios (pF).

Los dos primeros números son las cifras significativas y el tercero es el

multiplicador decimal.

- La última letra denota la tolerancia:

- J = 5%

- K = 10% - M = 20%

Para determinar la máxima tensión de operación se utiliza la siguiente nomenclatura:

1H = 50 V.

2A = 100 V.

2T = 150 V.

2D = 200 V.

2E = 250 V.

2G = 400 V. 2J = 630 V.

Ejemplos:

1) 2E 185 K

2E: 250 V

183: 18 x 103 pF = 18 000 pF

K: tolerancia 10%

El capacitor es de: 18,000 pF +/- 10% con una tensión máxima de 250V

2) 1H 323 M

1H: 50V.

324: 3 x 104 pF = 30, 000 pF M: tolerancia = 20%

El capacitor es de: 30,000 pF +/- 20% con una tensión máxima de 50V.





Unicrom Página 33

Bobina o inductor

Definición de bobina o inductor

La bobina o inductor por su forma (espiras de alambre arrollados) almacena energía en

forma de campo magnético

El símbolo de una bobina / inductor es:

El inductor es diferente del condensador / capacitor, que almacena energía en forma de

campo eléctrico

Todo cable por el que circula una corriente tiene a su alrededor un campo magnético,

siendo el sentido de flujo del campo magnético, el que establece la ley de la mano

derecha (ver electromagnetismo).

Al estar el inductor hecho de espiras de cable, el campo magnético circula por el centro

del inductor y cierra su camino por su parte exterior.

Una característica interesante de los inductores es que se oponen a los cambios bruscos

de la corriente que circula por ellas.

Esto significa que a la hora de modificar la corriente que circula por ellos (ejemplo: ser

conectada y desconectada a una fuente de alimentación de corriente continua), esta

intentará mantener su condición anterior.

Este caso se da en forma continua, cuando una bobina esta conectada a una fuente de

corriente alterna y causa un desfase entre el voltaje que se le aplica y la corriente que

circula por ella.

En otras palabras:

La bobina o inductor es un elemento

que reacciona contra los cambios

en la corriente a través de él,

generando un voltaje que se opone

al voltaje aplicado y es proporcional

al cambio de la corriente.

Inductancia, unidades

La inductancia mide el valor de oposición de la bobina al paso de la corriente y se

miden en Henrios (H), pudiendo encontrarse valores de MiliHenrios (mH). El valor

depende de:




http://www.unicrom.com/Tut_electromagnetismo.asp




http://www.unicrom.com/Tut_la_corriente_alterna__.asp




Unicrom Página 34

- El número de espiras que tenga la bobina (a más vueltas mayor inductancia, o sea

mayor valor en Henrios).

- El diámetro de las espiras (a mayor diámetro, mayor inductancia, o sea mayor valor en

Henrios).

- La longitud del cable de que está hecha la bobina.

- El tipo de material de que esta hecho el núcleo, si es que lo tiene.

Aplicaciones de una bobina / inductor

- En los sistemas de iluminación con lámparas fluorescentes existe un elemento

adicional que acompaña al tubo y que comúnmente se llama balastro

- En las fuentes de alimentación también se usan bobinas para filtrar componentes de

corriente alterna y solo obtener corriente continua en la salida

- En muchos circuitos osciladores se incluye un inductor. Por ejemplo circuitos RLC

serie o paralelo

Notas: Bobina = Inductor

http://www.unicrom.com/Tut_lampara_fluorescente.asp


Unicrom Página 35

Bobina / Inductor con núcleo metálico

En el inductor con núcleo de aire se ve que el valor de la inductancia de esta depende

de el número de vueltas (espiras), la longitud, el diámetro, el grosor de la espira, etc.

El valor de la inductancia que se puede obtener es limitado cuando el núcleo es de aire.

Para poder incrementar el valor de la inductancia de una bobina se coloca dentro de

ella un núcleo metálico de características magnéticas muy especiales, que lo que hacen

es reforzar el campo magnético.

El magnetismo del material del núcleo depende de la polarización de "los dominios

magnéticos moleculares", cuando el campo magnético que afecta el inductor cambia

continuamente.

Estos dominios deben poder cambiar su posición para que el núcleo cumpla su objetivo.

Los dominios magnéticos podrán o no seguir las variaciones del campo magnético

dependiendo del material de que está hecho el núcleo. Si esta variación del campo

magnético no puede ser seguida el núcleo pierde su razón de ser y lo dominios

moleculares se desordenan, quedando el núcleo despolarizado magnéticamente.

El material magnético que se utiliza como núcleo de la bobina depende de la

frecuencia a la que trabajará esta.

- Metal sólido: para frecuencias muy bajas.

- Metal laminado: para frecuencias de 10 hertz (Hz) a algunos kilohertz (Khz)

- Núcleos de polvo metálico: para frecuencias arriba de cientos de Kilohertz y hasta

varios cientos de Megahertz (Mhz)

- Núcleo de aire: frecuencia superiores a los 500 Megahertz. En este caso el núcleo

metálico se vuelve obsoleto.

Notas:

- 1 hertz = 1 ciclo por segundo

- Bobina = Inductor





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Bobina (inductor) con núcleo de aire

Hay ocasiones en que se tiene una bobina o inductor con núcleo de aire y no conoce

su valor (en henrios). Ver definición de unidades comunes

Existe un método para obtener este valor si se tienen las medidas externas de la bobina

/ inductor.

La fórmula a utilizar es la siguiente:

L(uH)=(0.393a2n

2)/(9a+10b)

Donde:

- n: es la cantidad de espiras (vueltas de alambre) del inductor

- a: es el radio del inductor en centímetros

- b: es la longitud del arrollado del inductor en centímetros

Esta fórmula es una buena aproximación para inductores de una longitud mayor o igual

a 0.8a. Ver el gráfico anterior.

Ejemplo 1:

Se tiene una bobina o inductor de 32 espiras, 13 vueltas por centímetro y 25 mm de

diámetro. Cuál será su inductancia?

- a = 25 mm / 2 = 1.25 centímetros

- b = 32 / 13 = 2.46

- n = 32

Entonces: L = (0.393 x 1.252 x 32

2) / (9 x 1.25 + 10 x 2.46) = 17.54 uHenrios

Ejemplo 2:

Se desea construir una bobina o inductor que sea de 10 uHenrios (uHenrys), que tenga

2.54 centímetros de diámetro y una longitud de 3.175 centímetros.

Entonces:

- a = 2.54 centímetros / 2 = 2.27 centímetros

- b = 3.175 centímetros

- L = 10 uHenrios

Se despeja de la ecuación original la variable "n" en función de todas las demás.

http://www.unicrom.com/Tut_unidades.asp





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n = [10 x (9a + 10b) / ( 0.393 x a2)]

1/2

y reemplazando los valores.....

n = [10 x (11.43 + 31.75) / 0.393 x 1.613]1/2

= 6801/2

= 26.1 espiras

Notas:

- Bobina = Inductor.

- Los paréntesis elevados a la 1/2 es lo mismo que una raíz cuadrada.

- uHenrio = microHenrio.


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Transformador ideal

Relación de voltajes, corrientes, potencias en un

transformador

El transformador es un dispositivo que se encarga de "transformar" el voltaje de

corriente alterna que tiene a su entrada en otro diferente amplitud, que entrega a su

salida.

Se compone de un núcleo de hierro sobre el cual se han arrollado varias espiras

(vueltas) de alambre conductor.

Este conjunto de vueltas se llaman bobinas y se denominan:

Bobina primaria o "primario" a aquella que recibe el voltaje de entrada y

Bobina secundaria o "secundario" a aquella que entrega el voltaje transformado.

La Bobina primaria recibe un voltaje alterno que hará circular, por ella, una corriente

alterna.

Esta corriente inducirá un flujo magnético en el núcleo de hierro. Como el bobinado

secundario está arrollado sobre el mismo núcleo de hierro, el flujo magnético circulará a

través de las espiras de éste.

Al haber un flujo magnético que atraviesa las espiras del "Secundario", se generará por

el alambre del secundario un voltaje. En este bobinado secundario habría una corriente

si hay una carga conectada (el secundario conectado por ejemplo a un resistor)

La razón de transformación del voltaje entre el bobinado "Primario" y el "Secundario"

depende del número de vueltas que tenga cada uno. Si el número de vueltas del

secundario es el triple del primario. En el secundario habrá el triple de voltaje. La

fórmula:







http://www.unicrom.com/tut_medir_coeficiente_acoplamiento_razon_vueltas_transformador.asp


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Entonces: Vs = Ns x Vp / Np

Un transformador puede ser "elevador o reductor" dependiendo del número de espiras

de cada bobinado. Si se supone que el transformador es ideal. (la potencia que se le

entrega es igual a la que se obtiene de él, se desprecian las perdidas por calor y otras),

entonces:

Potencia de entrada (Pi) = Potencia de salida (Ps). Pi = Ps

Si tenemos los datos de corriente y voltaje de un dispositivo, se puede averiguar su

potencia usando la siguiente fórmula.

Potencia = voltaje x corriente

P = V x I (en watts)

Aplicando este concepto al transformador y como

P(bobinado pri) = P(bobinado sec)

entonces...

La única manera de mantener la misma potencia en los dos bobinados es que cuando el

voltaje se eleve, la corriente se disminuya en la misma proporción y viceversa.

Entonces:

Así, para conocer la corriente en el secundario (Is) cuando tengo:

- Ip (la corriente en el primario),

- Np (espiras en el primario) y

- Ns (espiras en el secundario)

se utiliza siguiente fórmula: Is = Np x Ip / Ns



Unicrom Página 40

Transformador real

Circuitos equivalentes de un transformador real

Circuitos equivalentes para transformadores de potencia y

audio para video y RF (radio frecuencia)

Normalmente en los diseños y análisis donde se utilizan transformadores, es muy común utilizar las características de éste como si fuera transformador ideal

Esto significa que:

- No tiene pérdidas por calor

- No hay caídas de voltaje en los bobinados de los arrollados

- No hay capacitancias debido a los bobinados - No hay pérdidas por histéresis en el núcleo, etc.

Cuando es necesario tomar en cuenta estos parámetros se utilizan circuitos equivalentes.

Para transformadores de potencia o de audio

Los valores son:

- Rp: es la resistencia del bobinado primario

medida directamente con un multímetro.

- Rs: es la resistencia del bobinado secundario

medida directamente con un multímetro.

En este caso el efecto piel se puede despreciar (el efecto piel causa que el valor de la resistencia se incremente dependiendo de las dimensiones del conductor)

Lp y Ls (los bobinados primario y secundario) se comportan como en un transformador ideal.

Esto significa que:

- Cualquier tensión que haya en el bobinado primario aparecerá en el secundario

modificado en un factor 1/n.

- Cualquier corriente que haya en el bobinado secundario aparecerá en el

secundario modificada en un factor n.

- Una impedancia a través de Ls se refleja en Lp multiplicada por un factor igual a

1/n2. (ver transformador ideal)

Donde n: es la razón de transformación o razón de vueltas entre los bobinados primario y secundario

La resistencia Rh representa las pérdidas por histéresis en el núcleo.

Usualmente es varias veces mayor en magnitud que la reactancia XLp. (reactancia





http://www.unicrom.com/Tut_multimetro.asp

http://www.unicrom.com/Tut_impedancia.asp



Unicrom Página 41

del bobinado primario). Dependiendo de su magnitud se podría despreciar.

Para transformadores de vídeo y RF

En este caso el efecto piel no es

despreciable y hace que los valores de

Rs y Rp sea mayores que los valores de medición directa en los bobinados.

Se supone que son transformadores

que no tienen un acoplamiento magnético perfecto debido a que tienen núcleo de aire o ferrita.

El subíndices k indica acoplamiento y el subíndice L fugas en las reactancias. Así:

- LP = LPL + LPk

- LS = LSL + LSk

- k = LPk / LP = LSk / LS

Valores de k (índice de acoplamiento) para transformadores con núcleo de

aire:

- k = 0.95 : cuando el arrollamiento de los bobinados están juntos (dos cables

arrollados juntos)

- k = 0.90: cuando el arrollamiento primario está sobre el secundario

- k = 0.35: cuando los arrollamiento están uno después del otro y su longitud es

igual a la mitad del diámetro

- k = 0.10: cuando los arrollamiento están uno después del otro y su longitud es

igual a 2 diámetros

CP y CS representan las capacitancias de los arrollamientos que van de 0.01 a 0.02

pF por vuelta.


Unicrom Página 42

Autotransformador

El autotransformador es un transformador donde una parte del devanado es

común tanto al primario como al secundario.

El principio de funcionamiento es el mismo que el de el transformador común,

entonces la relación de transformación entre las tensiones y las corrientes y el número de vueltas se mantiene.

Las corrientes primaria y secundaria están en oposición y la corriente total que

circula por las espiras en común es igual a la diferencia de la corriente del devanado de baja tensión y el devanado de alta tensión.

Para que un autotransformador funcione adecuadamente, los dos devanados deben tener el mismo sentido de bobinado.

Autotransformador reductor

- Si se aplica una tensión alterna entre los puntos A y B, y se mide la tensión de

salida entre los puntos C y D, se dice que el autotransformador es reductor de tensión.

relación de vueltas Ns / Np < 1

Autotransformador elevador

- Si se aplica una tensión alterna entre los puntos C y D, y se mide la tensión de

salida entre los puntos A y B, se dice que el autotransformador es elevador de tensión.

relación de vueltas Ns / Np > 1

Los autotransformadores tienen la ventaja sobre los transformadores

comunes, de un peso y costo menor. En lugar de tener un bobinado de alta

tensión de N1 espiras, se debe preveer, para el bobinado de baja tensión, con un número N2 de espiras, un número de espiras adicional de N1 - N2.






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También hay que tomar en cuenta que el conductor de la sección común del

bobinado, debe de tener una sección de cobre en función de la diferencia de

corrientes entre baja y alta tensión.

Otra ventaja es la de no necesitar aislamiento entre los bobinados primario y

secundario. Sin embargo esto trae la desventaja de que el bobinado primario no es independiente del secundario.

Esto causa peligro para una persona, pues entre tierra y el hilo común del

secundario y el primario, existe la tensión del primario. Ver diagrama del

autotransformador reductor.



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Embobinado y reparación de Transformadores

Por: Jorge L. Jiménez, director de LADELEC. Barranquilla, Colombia. www.ladelec.com

Concepto, fórmulas, ejemplo

Tutorial teórico-práctico para aprender a embobinar y reparar transformadores de

poder con potencias de hasta 1000W. Dirigido a personas con conocimientos básicos de electrónica.

Resumen de conceptos

Relación de transformación: Es la relación entre el número de espiras del

primario y del secundario, la cual es igual a la relación entre la tensión del

primario y del secundario sin carga.

Relación entre corrientes: Es inversa a la relación de transformación.

Rendimiento: Nos dice cuanta potencia se aplica al transformador y cuanta

entrega este a la carga. La diferencia se pierde en los devanados en forma de

calor por efecto JOULE, debido a que estos no tienen una resistencia nula, y también en el núcleo debido a histéresis y corrientes de Foucault.

Núcleos: Son las chapas de material ferro-magnético, hierro al que se añade una

pequeña porción de silicio. Se recubre de barniz aislante que evita la irculación de corrientes de Foucault.

Potencia= V x I

N1/N2 = V1/V2

Fórmulas

Area = A

donde * = 0.8 si el núcleo es fino y 1.2 si el núcleo es de inferior calidad.

Se da en cm2 y está determinada por los

lados del sector azul de la figura. Es el

resultado de L x L.

El número de vueltas por voltio = A x 0.02112

El voltaje deseado para cada caso se dividirá por el resultado de este número.

Ejemplo real:Embobinar un transformador de 200 W con un V primario =

115V y un V secundario=50V.

Comenzamos por el área del transformador:

http://www.ladelec.com/





Unicrom Página 45

Número de vueltas por voltio:

A x 0.02112 = 14.14 x 0.02112 VxV = 0.29

Entonces:

115 V / 0.29 = 396 vueltas en el primario. 50 V / 0.29 = 172 vueltas en el secundario.

Ahora sabiendo la potencia (200W) podemos calcular la corriente presente en

ambos devanados.

I = W / V

I = 200/ 115

I = 1.73 amperios en el primario.

I = 200/ 50 I = 4 amperios en el secundario.

Si utilizamos una tabla de equivalencias en AWG como la que mostramos a

continuación sabremos el calibre del alambre a utilizar.

De acuerdo a la tabla, para el primario necesitamos comprar alambre calibre 20 y para el secundario alambre calibre 16.

AWG Diam. mm Amperaje

AWG Diam. mm Amperaje

1 7.35 120 16 1.29 3,7

2 6.54 96 17 1.15 3,2

3 5.86 78 18 1.024 2,5

4 5.19 60 19 0.912 2,0

5 4.62 48 20 0.812 1,6

6 4.11 38 21 0.723 1,2

7 3.67 30 22 0.644 0,92

8 3.26 24 23 0.573 0,73

9 2.91 19 24 0.511 0,58

10 2.59 15 25 0.455 0,46

11 2.30 12 26 0.405 0,37

12 2.05 9,5 27 0.361 0,29

13 1.83 7,5 28 0.321 0,23

14 1.63 6,0 29 0.286 0,18

15 1.45 4,8 30 0.255 0,15


Unicrom Página 46

Cálculo de un transformador

Autor: José Manuel Escoboza, Escuela Técnica de las Fuerzas Armadas de República Dominicana. Donante: Michel Sandino Frías Jiménez, Estudiante.

Tutorial que muestra el método a seguir para el bobinado de un transformador

cuando se tiene el núcleo y se conocen los voltajes para el primario y el

secundario.

Fórmula: Area= A X B

Siendo A = 4 cm y B = 5 cm, entonces: Area = 4 cm x 5 cm = 20 cm²

Constante: (K) = 37.54

Espira = Significa una vuelta en el carretón.

Fórmula = K / Area = Espiras x voltios

(También AREA = Sección del núcleo = SN)

Ejemplo: 37.54 / 20 = 1.877 espiras por voltio

Así que si queremos un transformador de 120V a 18V, tenemos:

1.877 x 120v = 225.24 espiras en el embobinado primario 1.877 x 18v = 33.78 espiras en el embobinado secundario

Fórmula para la potencia máxima: (AREA)²

Siendo Area = 20cm², entonces; Potencia máxima = (20²) = 400 Watts o Vatios

Por la ley de potencia : I = W /V, tenemos que:

IP (corriente en el primario) = 400/120 = 3.33 Amperes que nos da: AWG # 18

(calibre del cable)

IS (corriente en el secundario) = 400/18 = 22.2 Amperes que nos da: AWG # 10 (calibre del cable)

Uso de alambres según su amperaje







Unicrom Página 47

Método para determinar el número de pies de alambre en los bobinados de un transformador.

1- Se elige cual bobina va primero en el carrete, si es el primario o el secundario.

2- Se mide una espira en el carrete en centímetros.

3- Se dividen los centímetros de la espira obtenida anteriormente por un pie, el

cual equivale a 30.34 cm y el resultado será una constante la cual da pies por

espira.

4- La constante se multiplica por el número de espiras del embobinado que vaya

primero y al resultado se le aumenta un 15 %, porque irá creciendo y así se

obtiene los pies de la primera bobina.

5- La constante se multiplica por el número de espiras del embobinado que vaya

segundo y al resultado se le aumenta un 30%, porque irá creciendo y así se obtiene los pies de la segunda bobina.

((Un pie = 30.48 cm))

Fórmula: Una espira en centímetros/30.48 = Constante

Así si tenemos que una espira en el primario nos da 15.5 centímetros tenemos:

K= 15.5/30.48 = 0.5085

Siguiendo con los datos anteriores tenemos que:

Devanado primario:

0.5085 X 33.78 vueltas = 17.1806 + 15% = 19.7577 pies (#10 AWG)


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Devanado secundario: 0.5085 X 225.24 vueltas = 114.54 + 30% =148 pies (#18 AWG)

Peso de una bobina (bobinado)

((Una libra = 16 Onzas))

Fórmula: Onza = [pies bobina / libra x pie] x onzas / libra

Devanado primario : 19.7577 X 16 / 31.8= 9.94 Onzas


Unicrom Página 49

Relé, Relay - Relevador

Relé, Relay

El Relé es un interruptor operado magnéticamente.

El relé se activa o desactiva (dependiendo de la conexión) cuando el electroimán (que

forma parte del relé) es energizado (le ponemos un voltaje para que funcione).

Esta operación causa que exista conexión o no, entre dos o más terminales del

dispositivo (el relé).

Esta conexión se logra con la atracción o repulsión de un pequeño brazo, llamado

armadura, por el electroimán.

Este pequeño brazo conecta o desconecta los terminales antes mencionados.

Funcionamiento del Relé:

Si el electroimán está activo jala el brazo (armadura) y conecta los puntos C y D. Si el

electroimán se desactiva, conecta los puntos D y E.

http://www.unicrom.zzn.com/

http://www.unicrom.com/boletin.asp

http://twitter.com/ElecUnicrom

http://www.thehungersite.com/tpc/THS_linktous_125_01


Unicrom Página 50

De esta manera se puede conectar algo, cuando el

electroimán está activo, y otra cosa conectada, cuando

está inactivo.

Es importante saber cual es la resistencia del bobinado

del electroimán (lo que está entre los terminales A y B)

que activa el relé y con cuanto voltaje este se activa.

Este voltaje y esta resistencia nos informan que

magnitud debe de tener la señal que activará el relé y

cuanta corriente se debe suministrar a éste.

La corriente se obtiene con ayuda de la Ley de Ohm: I = V / R.

donde:

- I es la corriente necesaria para activar el relé

- V es el voltaje para activar el relé

- R es la resistencia del bobinado del relé

Ventajas del Relé

- El Relé permite el control de un dispositivo a distancia. No se necesita estar junto al

dispositivo para hacerlo funcionar.

- El Relé es activado con poca corriente, sin embargo puede activar grandes máquinas

que consumen gran cantidad de corriente.

- Con una sola señal de control, puedo controlar varios relés a la vez.




http://www.unicrom.com/Tut_leyohm.asp


Unicrom Página 51

Transformador de potencia

Utilización de los transformadores de potencia

Los transformadores son máquinas eléctricas estáticas que permiten

modificar los valores de voltaje y corriente con el fin de que éstos tomen los

valores más adecuados para el transporte y distribución de la energía eléctrica.

La utilidad de los transformadores eléctricos se debe a la economía que se obtiene al efectuar el transporte de la energía eléctrica a altos voltajes.

Acordarse de que, para la misma potencia, a mayor tensión menor corriente

circulará por el conductor y el calibre de este será menor. Y un conductor de

menor calibre es más barato.

La sección o área transversal del conductor necesaria en una línea de

transmisión es inversamente proporcional al cuadrado del valor del voltaje que se haya adoptado para el transporte de la electricidad.

Lo anterior explica la conveniencia del empleo de altos voltajes en el transporte de la energía eléctrica.

Así como los transformadores se utilizan para elevar el voltaje y permitir el

transporte de la corriente a largas distancias, los transformadores también se

utilizan para la reducción del voltaje a niveles aceptables para uso doméstico e industrial

En el gráfico anterior se muestra el procedimiento general de distribusión de

energía desde su generación hasta la entrega final de esta en la industria o para uso doméstico.

Nota:

- Muchas industrias no obienen su conexión de alimentación del punto con voltaje

de 120 / 240V sino del punto de 34.5 KV

- 1 KV = 1000 V. Ejemplo 34.5 KV = 34500 voltios. - Los voltajes mostrados en el gráfico anterior podrían variar de un país a otro.






Unicrom Página 52

Constitución del transformador de potencia

Constitución del transformador de potencia

Todos los transformadores sin importar su tamaño, tienen tres partes fundamentales:

- Bobinado de alta tensión:

Es un bobinado de alambre de cobre aislado, de poca sección transversal (es más

delgado), construido para recibir o entregar la tensión mayor nominal del transformador.

- Bobinado de baja tensión:

Es un bobinado de alambre de cobre aislado, de mayor sección transversal (es

más grueso), construido para recibir o entregar la tensión menor nominal del transformador.

Cuando el transformador está instalado, al bobinado que está conectado a la

fuente se le denomina primario y el bobinado que está conectado a la carga, se le denomina secundario.

- Núcleo:

Construido con chapas magnéticas con alta proporción de silicio (4%), grano

orientado y pérdidas por histéresis muy bajas, las cuales tienen por un lado un

aislamiento impregnado en el proceso metalúrgico.

De acuerdo a su disposición, los núcleos pueden

ser:

a- Simple o de columnas: Es estos los

bobinados van dispuestos sobre las dos

columnas. El flujo magnético se canaliza a través de las columnas y las culatas.

b- Doble o acorazado: La columna central tiene el doble de sección que las

culatas laterales, los bobinados van dispuestos en la columna central.

El flujo magnético se canaliza de la

columna central hacia las culatas

laterales. Las columnas de sección

rectangular se usan en pequeños transformadores (hasta 50KVA).

En los transformadores de mayor

potencia, se utiliza la sección escalonada, para aumentar la superficie de enfriamiento.



Unicrom Página 53

En los de alta potencia se utiliza el escalonado con canales de refrigeración. En el

gráfico abajo a la derecha se muestra la parte exterior de un transformador

real. En el se describen los nombres de las diferentes partes que son visibles.

Internamente es posible observar el núcleo, los bobinados primario y secundario

con sus respectivos terminales. Esto último sumergido en aceite dieléctrico (no conductor de la electricidad) que sirve como disipador de calor.


Unicrom Página 54

Principio de funcionamiento del transformador

Para poder comprender el funcionamiento de un transformador se examinará el

de construcción más elemental.

Un circuito magnético simple, constituido por dos columnas y dos culatas, en el que han sido arrollados dos circuitos eléctricos:

- Uno, constituido por una bobina de N1 espiras, es conectado a la fuente de

corriente alterna y recibe el nombre de primario.

- Otro constituido por un bobinado de N2 espiras, permite conectar a sus bornes un circuito eléctrico de utilización (la carga) y recibe el nombre de secundario.

Al alimentar el bobinado primario con una fuente de voltaje alterno, por él (el

bobinado) circulará una corriente eléctrica alterna (I1), que produce una fuerza

magnetomotriz que causa que se establezca un flujo de líneas de fuerza alterno

(Ф1) en el circuito magnético del transformador.

El flujo Ф1 al estar canalizado en el núcleo, induce en las espiras del bobinado secundario una fuerza electromotriz (E2).

Las espiras del bobinado primario también están en la influencia del Ф1. por lo

tanto en ellas se va a inducir una fuerza contraelectromotriz (E1), que se

opone al voltaje de alimentación, dando como resultado una disminución de la intensidad de corriente I1

Cuando se le aplica carga (R) al bobinado secundario, circula por él la intensidad

de corriente I2, la cual produce el flujo magnético Ф2, opuesto al Ф1, por lo

tanto reduce el flujo resultante en el núcleo dando como resultado que la fuerza contraelectromotriz disminuya y la intensidad de corriente I1 aumente.







Unicrom Página 55

Se observa como un aumento de la corriente en el secundario (I2) provoca un

aumento de la corriente en el primario (I1), sin que exista conexión eléctrica entre

ambos bobinados.

Dado que la fuerza contraelectromotriz es directamente proporcional al flujo

inductor (Ф1), al disminuir éste, por la contraposición del Ф2, se da un incremento

en la corriente I1.


Unicrom Página 56

Razón de transformación K del transformador

Relación de transformación K

La razón de transformación K es el valor del conciente que resulta de dividir la cantidad de espiras del bobinado primario (N1) y del bobinado secundario (N2).

K= N1/N2

En un transformador al vacío (sin carga), las fuerzas electromotrices

inducidas (E1 y E2) guardan un relación directa, por lo que también se puede determinar la relación de transformación con E1 y E2.

K= E1/E2

Otra forma de determinar la relación de transformación es partiendo de las

intensidades (corrientes) nominales del bobinado primario y del bobinado

secundario (I1 e I2), basado en la relación inversa que guardan con las fuerza electromotrices.

K= I2/I1

En el gráfico anterior se ilustran los parámetros de N1, N2, E1, E2, I1 e I2

De lo anterior se resume que la relación de transformación se determina:

K= N1/N2 = E1/E2 = I2/I1

Estas últimas ecuaciones no solo permiten obtener la relación de

transformación K por diferentes medios, si no que permiten obtener los valores

de voltaje, corriente y número de vueltas en los bobinados (N1 y N2) si se

conocen el valor de K y uno o más de los otros parámetros.




Unicrom Página 57

Polaridad de un transformador

¿Qué es polaridad en un transformador?

Las bobinas secundarias de los transformadores monofásicos se arrollan en el

mismo sentido de la bobina primaria o en el sentido opuesto, según el criterio del

fabricante.

Debido a esto, podría ser que la intensidad de corriente en la bobina primaria y la de la bobina secundaria circulen en un mismo sentido, o en sentido opuesto.

Polaridad Aditiva:

La polaridad positiva se da cuando en un transformador el

bobinado secundario está arrollado en el mismo sentido que el bobinado primario.

Esto hace que los flujos de los dos bobinados giren en el mismo sentido y se sumen.

Los terminales “H1” y “X1” están cruzados. Ver diagrama.

Polaridad Sustractiva:

La polaridad sustractiva se da cuando en un transformador

el bobinado secundario esta arrollado en sentido opuesto al bobinado primario.

Esto hace que los flujos de los dos bobinados giren en sentidos opuestos y se resten.

Los terminales “H1” y “X1” están en línea. Ver diagrama.

Como determinar la polaridad de un

transformador

Para determinar la polaridad del transformador,

se coloca un puente entre los terminales del lado

izquierdo del transformador y se coloca un

voltímetro entre los terminales del lado derecho del

mismo, luego se alimenta del bobinado primario

con un valor de voltaje (Vx). Ver el diagrama.

Si la lectura del voltímetro es mayor que Vx el

transformador es aditivo o si es menor el transformador es sustractivo.






Unicrom Página 58

Pérdidas de potencia de un transformador eléctrico

Perdidas de potencia

En un transformador eléctrico, al igual que en todas las máquinas eléctricas,

hay pérdidas de potencia. Por tratarse de una máquina estática, no existen

pérdidas de potencia de origen mecánico en un transformador y éstas se reducen a las del hierro del circuito magnético y las del cobre de los bobinados.

Pérdidas en el hierro (Ph):

La potencia pérdida en el hierro del circuito magnético de un transformador puede ser medida la prueba de vacío.

Se alimenta el transformador al vacío, la potencia absorbida en ese momento

corresponde exactamente a las pérdidas en el hierro.

En efecto por ser nula la intensidad de corriente en el bobinado secundario no aparecen en el pérdidas de potencia.

Por consiguiente se puede afirmar que el total de la potencia absorbida por un

transformador funcionando al vacío bajo a voltaje nominal, representa el valor

de la potencia pérdida en el hierro del

circuito magnético.

Dichas pérdidas son causadas por el

fenómeno de histéresis y por las

corrientes de foucoult, las cuales

dependen del voltaje de la red, de la

frecuencia y de la inductancia a que

está sometido el circuito magnético.

La potencia pérdida en el núcleo permanece constante, ya sea en vacío o con carga.

Pérdidas en el cobre (Pc):

Es la suma de las potencias pérdidas en los bobinados de un transformador,

funcionando bajo carga nominal. El valor de esta potencia depende de la

intensidad de corriente tanto en el bobinado primario como en el secundario, la cual varía mucho desde el funcionamiento en vacío a plena carga.

La variación del valor de la potencia pérdida en el cobre es proporcional al

cuadrado de la intensidades de corriente de carga y a la resistencia de los

bobinados.

Pcu = I12 x r1 + I22 x r2

Donde:

Pcu = Pérdidas en los bobinados del transformador.

I1 = Intensidad en el bobinado primario.







Unicrom Página 59

I2 = Intensidad en el bobinado secundario.

r1 = Resistencia del bobinado primario.

r2 = Resistencia del bobinado secundario.

Otra forma de determinar las pérdidas en los bobinados de un transformador es mediante la prueba de cortocircuito.

Para lograr ésto se alimenta el bobinado primario bajo un voltaje de valor tal, que

estando cerrado en cortocircuito el bobinado secundario, sean recorridos ambos

bobinados por intensidades de corriente iguales a sus valores nominales

respectivos.

La potencia absorbida por el transformador en estas condiciones corresponde exactamente a las pérdidas totales en el cobre del conjunto de los dos bobinados.

En efecto las pérdidas de potencia “totales” es el resultado de la pérdidas en el núcleo (Ph) más las pérdidas en el cobre de los bobinados (Pcu).

Pérdidas totales = Ph + Pcu


Unicrom Página 60

Rendimiento de un transformador eléctrico

Rendimiento de un transformador

El rendimiento de un transformador es variable y depende varios factores:

- Del valor de la potencia suministrada

- De la forma del transformador y

- De la calidad de los materiales con los que fue contruido (núcleo y bobinados).

El rendimiento, por ser un dato relativo (un dato de potencia medida depende del otro dato de potencia medido). se expresa en porcentaje. Ver la fórmula abajo.

Para determinar el rendimiento de un transformador, se alimenta el bobinado

primario con el voltaje nominal, se coloca la carga nominal en el bobinado

secundario y se miden la potencia de entrada Pa (potencia absorbida por el

transformador) y la potencia de salida Pu (potencia útil).

Estos valores medidos se reemplazan en la siguiente fórmula.

Rendimiento (%) = (Pu x 100) / Pa

Donde:

- Pu = Potencia útil - Pa = Potencia absorbida.





Unicrom Página 61

Impedancia y tensión de corto circuito

Impedancia y Tensión de corto circuito de un transformador

El propósito que tiene el ensayo o prueba de cortocircuito es el de determinar:

- Las pérdidas en los bobinados.

- Las pérdidas de voltaje en el secundario cuando el transformador está

funcionando nominalmente y - La impedancia del transformador principalmente.

Para realizar la prueba se pone el bobinado secundario del transformador en cortocircuito y se alimenta el bobinado primario con un voltaje alterno regulable.

El voltaje alterno regulable parte de cero voltios y va incrementando su valor

hasta alcanzar las corrientes (Ver corriente alterna) nominales en ambos

bobinados del transformador.

Con los valores nominales de corriente en ambos bobinados se mide el valor del

voltaje en el primario (Ecc) y se determina la impedancia del transformador utilizando la siguiente fórmula

Imp = Ecc x 100 / E1 (%)

Donde:

Imp = Impedancia del transformador en %.

Ecc = Voltaje o tensión de cortocircuito. E1 = Voltaje primario nominal.

En el diagrama que se muestra a continuación se utiliza un autotransformador

para obtener el voltaje alterno regulable para alimentar el bobinado primario del

transformador.

I1 es corriente en el bobinado primario e I2 es corriente en el secundario que está en corto circuito.

El valor de la impedancia del transformador (Imp) debe tomarse en cuenta a

la hora de realizar acoples para que no existan desbalances a la hora de aplicarle

carga al banco de transformadores. También indica la eficiencia y calidad del

transformador, ya que mientras más alto es el valor de la impedancia, mayores serán sus pérdidas.






http://www.unicrom.com/Tut_autotransformador.asp


Unicrom Página 62

Transformador con diferentes cargas. Carga Resistiva

Las características de funcionamiento de los transformadores cambian según el

tipo de carga que tenga conectada en el bobinado secundario.

Esta carga puede ser de origen resistivo, capacitivo o inductivo.

Tomando en consideración que la fuerza electromotriz (E2) que se induce en el

secundario, está determinada por la suma vectorial del voltaje de utilización (v)

más la caída de voltaje interna (ec) producida por los propios bobinados, la cual es de origen inductiva y constante con cualquier tipo de carga.

Dicha caída, tiene un desfase con respecto a la intensidad (corriente) que varía de acuerdo a las características ohmicas de los bobinados.

Transformador con carga resistiva

Al aplicarle carga resistiva al transformador, la intensidad (corriente) de la

carga se encuentra en fase con el voltaje de utilización (v), al circular corriente

por los bobinados se produce la caída interna (ec) que esta adelantada en un ángulo “x” con respecto a la intensidad (corriente).

Al representar gráficamente los vectores de estas magnitudes se obtiene:

Se puede ver en el diagrama anterior que la corriente y el voltaje están en fase como corresponde a una carga resistiva.

Para realizar el cálculo de la representación vectorial, se toma como ejemplo: E2 = 240V, ec = 10V, con un ángulo de desfase de 60º




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Transformador con carga Capacitiva

Cuando se aplica carga capacitiva a un transformador, la corriente (I) en la

carga se adelanta 90º con respecto al voltaje.

Esto quiere decir que la corriente se desfasa hacia adelante 90º con respecto al voltaje de utilización (V).

Tomando en cuenta este desfase, se obtiene la caída interna (ec) del

transformador (caída de voltaje). De esta manera la ecuación que da de la siguiente manera:




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Transformador con carga inductiva

Cuando a un transformador eléctrico se le aplica una carga inductiva, la

corriente (intensidad) en la carga se desfasa (se atrasa) con respecto al voltaje de utilización.

El ángulo de la corriente respecto al voltaje de utilización varía de acuerdo a las características del bobinado de la carga.

Como la caída de voltaje interno y la caída de voltaje en la carga tienen el mismo

origen, se puede asumir que los desfases son similares, por esta razón tienen la

misma dirección.

Partiendo de los datos del ejemplo anterior (Ver: transformador con carga

resistiva y transformador con carga capacitica) tenemos:

V = 230V. E2 - ec = 240 - 10 = 230V

De los cálculos anteriores se obtiene que de acuerdo al

tipo de carga que se le conecte al transformador, así

será el valor del voltaje de utilización, partiendo de un valor dado de fuerza electromotriz.

Entonces:

- con Carga resistiva: E2=240V, ec=10V, V=234.84

- con Carga capacitiva: E2=240V, ec=10V, V=248.60

(Con carga capacitiva el valor del voltaje de utilización se

incrementa debido a la potencia reactiva que tiene el capacitor.)

- con Carga inductiva: E2=240V, ec=10V, V=230.00V





http://www.unicrom.com/Tut_transformador_carga_capacitiva.asp




Unicrom Página 65

Conexión de transformadores monofásicos

A menudo, cuando se requiere aumentar la potencia de un transformador

monofásico, se le acopla otro transformador en paralelo.

Para implementar ésto, se debe respetar los valores del voltaje en el bobinado

primario, voltaje en el bobinado secundario, la impedancia de los bobinados y que

guarden una relación de 4:1 como máximo entre primario y secundario. Ver: Razón de transformación K de un transformador

Para acoplar dos transformadores monofásicos se puede seguir el siguiente procedimiento práctico:

a) La conexión de los bobinados primarios se hace normalmente y en forma difinitiva, H1 con H1 y H2 con H2. (ver diagrama de la izquierda)

b) En el secundario, la conexión que une los bornes intermedios de estos

bobinados y que corresponden al neutro (N) también se puede hacer en forma definitiva. (ver diagrama de la izquierda)

c) Se hace un puente provisional en los bornes del lado izquierdo y se intercala un voltímetro en los bornes del lado derecho.(ver el diagrama)

d) Luego se alimenta el banco.

- Si los transformadores tienen polaridad distinta, el voltímetro indicará algún

valor de voltaje.

- Si los transformadores tienen la misma polaridad, el voltímetro no indicará ningún voltaje.

En este último caso se pueden hacer los puentes en forma definitiva. (diagrama

de la derecha) De lo contrario se intercambian los puentes. Ver: Polaridad de un transformador









Unicrom Página 66

Conexión de transformadores Trifásicos

Para obtener una corriente eléctrica trifásica es necesario la implementación de un

banco de transfomadores trifásico.

El valor de la corriente es determinado por el tipo de conexión de transformadores que se utilise.

El tipo de conexión en los bobinados primarios de los transformadores dependerá

del valor del voltaje de la red y de los mismos bobinados primarios de los transformadores.

El tipo de conexión secundaria esta determinado por el valor de voltaje que se desee.

Hay las siguientes opciones de bancos trifásicos:

Conexión Estrella

Conexión Delta

Conexión Estrella renca (solamente en el primario)





Unicrom Página 67

Conexión Delta abierta (solamente en el primario)

Nota: Las conexiones se hacen el los secundarios de los transformadores a no ser que se indique lo contrario.


Unicrom Página 68

Conexión de transformadores monofásicos

A menudo, cuando se requiere aumentar la potencia de un transformador

monofásico, se le acopla otro transformador en paralelo.

Para implementar ésto, se debe respetar los valores del voltaje en el bobinado

primario, voltaje en el bobinado secundario, la impedancia de los bobinados y que

guarden una relación de 4:1 como máximo entre primario y secundario. Ver: Razón de transformación K de un transformador

Para acoplar dos transformadores monofásicos se puede seguir el siguiente procedimiento práctico:

a) La conexión de los bobinados primarios se hace normalmente y en forma difinitiva, H1 con H1 y H2 con H2. (ver diagrama de la izquierda)

b) En el secundario, la conexión que une los bornes intermedios de estos

bobinados y que corresponden al neutro (N) también se puede hacer en forma definitiva. (ver diagrama de la izquierda)

c) Se hace un puente provisional en los bornes del lado izquierdo y se intercala un voltímetro en los bornes del lado derecho.(ver el diagrama)

d) Luego se alimenta el banco.

- Si los transformadores tienen polaridad distinta, el voltímetro indicará algún

valor de voltaje.

- Si los transformadores tienen la misma polaridad, el voltímetro no indicará ningún voltaje.

En este último caso se pueden hacer los puentes en forma definitiva. (diagrama

de la derecha) De lo contrario se intercambian los puentes. Ver: Polaridad de un transformador









Unicrom Página 69

Conexión de transformadores Trifásicos

Para obtener una corriente eléctrica trifásica es necesario la implementación de un

banco de transfomadores trifásico.

El valor de la corriente es determinado por el tipo de conexión de transformadores que se utilise.

El tipo de conexión en los bobinados primarios de los transformadores dependerá

del valor del voltaje de la red y de los mismos bobinados primarios de los transformadores.

El tipo de conexión secundaria esta determinado por el valor de voltaje que se desee.

Hay las siguientes opciones de bancos trifásicos:

Conexión Estrella

Conexión Delta

Conexión Estrella renca (solamente en el primario)





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Conexión Delta abierta (solamente en el primario)

Nota: Las conexiones se hacen el los secundarios de los transformadores a no ser que se indique lo contrario.


Unicrom Página 71

Diodo semiconductor

El diodo semiconductor es el dispositivo semiconductor más sencillo y se puede

encontrar, prácticamente en cualquier circuito electrónico.

Los diodos se fabrican en versiones de silicio (la más utilizada) y de germanio.

Símbolo del diodo

( A - ánodo, K - cátodo)

Los diodos constan de dos partes, una llamada N y la otra llamada P, separados por una

juntura llamada barrera o unión.

Esta barrera o unión es de 0.3 voltios en el diodo de germanio y de 0.6 voltios

aproximadamente en el diodo de silicio.

Principio de operación de un diodo

El semiconductor tipo N tiene electrones libres (exceso de electrones) y el

semiconductor tipo P tiene huecos libres (ausencia o falta de electrones)

Cuando una tensión positiva se aplica al lado P y una negativa al lado N, los electrones

en el lado N son empujados al lado P y los electrones fluyen a través del material P mas

allá de los límites del semiconductor.

De igual manera los huecos en el material P son empujados con una tensión negativa al

lado del material N y los huecos fluyen a través del material N.

En el caso opuesto, cuando una tensión positiva se aplica al lado N y una negativa al

lado P, los electrones en el lado N son empujados al lado N y los huecos del lado P son

empujados al lado P. En este caso los electrones en el semiconductor no se mueven y

en consecuencia no hay corriente

El diodo se puede hacer trabajar de 2 maneras diferentes:

Polarización directa

Es cuando la corriente que circula por el diodo sigue la ruta de la flecha

(la del diodo), o sea del ánodo al cátodo.

En este caso la corriente atraviesa el diodo con mucha facilidad comportándose

prácticamente como un corto circuito.

Polarización inversa




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Es cuando la corriente en el diodo desea circular en sentido opuesto a la

flecha (la flecha del diodo), o sea del cátodo al ánodo.

En este caso la corriente no atraviesa el diodo, y se comporta prácticamente como un

circuito abierto.

Nota: El funcionamiento antes mencionado se refiere al diodo ideal, ésto quiere decir

que el diodo se toma como un elemento perfecto (como se hace en casi todos los casos),

tanto en polarización directa como en polarización inversa.

Aplicaciones del diodo

Los diodos tienen muchas aplicaciones, pero una de la más comunes es el proceso de

conversión de corriente alterna (C.A.) a corriente continua (C.C.). En este caso se utiliza

el diodo como rectificador



http://www.unicrom.com/Tut_rectificador_media_onda.asp


Unicrom Página 73

Diodo Zener

Características

del diodo Zener

El diodo zener es un tipo especial de diodo, que siempre se utiliza polarizado

inversamente.

Recordar que los diodos comunes, como el diodo rectificador (en donde se aprovechan

sus características de polarización directa y polarización inversa), conducen siempre en

el sentido de la flecha.

En este caso la corriente circula en contra de la flecha que representa el diodo. Si el

diodo zener se polariza en sentido directo se comporta como un diodo rectificador

común.

Cuando el diodo zener funciona polarizado inversamente mantiene

entre sus terminales un voltaje constante.

En el gráfico se ve el símbolo de diodo zener (A - ánodo, K - cátodo) y el sentido de la

corriente para que funcione en la zona operativa

Se analizará el diodo Zener, no como un elemento ideal, si no como un elemento real y

se debe tomar en cuenta que cuando éste se polariza en modo inverso si existe una

corriente que circula en sentido contrario a la flecha del diodo, pero de muy poco valor.

Curva característica

del diodo Zener

Analizando la curva del diodo zener se ve que conforme se va aumentando

negativamente el voltaje aplicado al diodo, la corriente que pasa por el aumenta muy

poco.





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Pero una vez que se llega a un determinado voltaje, llamada voltaje o tensión de Zener

(Vz), el aumento del voltaje (siempre negativamente) es muy pequeño, pudiendo

considerarse constante.

Para este voltaje, la corriente que atraviesa el diodo zener, puede variar en un gran

rango de valores. A esta región se le llama la zona operativa.

Esta es la característica del diodo zener que se aprovecha para que funcione como

regulador de voltaje, pues el voltaje se mantiene practicamente constante para una gran

variación de corriente. Ver el gráfico.

¿Qué hace un regulador con Zener?

Un regulador con diodo zener ideal mantiene un voltaje predeterminado fijo a su

salida, sin importar las variaciones de voltaje en la fuente de alimentación y/o las

variaciones de corriente en la carga.

Nota: En las fuentes de voltaje ideales (algunas utilizan, entre otros elementos el diodo

zener), el voltaje de salida no varía conforme varía la carga.

Pero las fuentes no son ideales y lo normal es que el voltaje de salida disminuya

conforme la carga va aumentado, o sea conforme la demanda de corriente de la carga

aumente. (ver: resistencia interna de las fuentes de tensión)

http://www.unicrom.com/Tut_reg_con_zener.asp


http://www.unicrom.com/Tut_resistencia_interna.asp


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Diodo Schottky

Diodo Schottky

A diferencia del diodo semiconductor normal que tiene una unión P–N, el diodo schottky tiene una unión Metal-N.

Estos diodos se caracterizan por su velocidad de conmutación, una baja caída de

Voltaje uando están polarizados en directo (típicamente de 0.25 a 0.4 voltios).

El diodo Schottky está más cerca del diodo ideal que el diodo

semiconductoromún pero tiene algunas características que hacen imposible su utilización en aplicaciones de potencia.

Estas son:

- El diodo Schottky tiene poca capacidad de conducción de corriente en directo (en sentido de la flecha).

Esta característica no permiten que sea utilizado como diodo rectificador. Hay

procesos de rectificación (por ejemplo fuentes de alimentación) en que la

cantidad de corriente que tienen que conducir en sentido directo es bastante grande.

- El diodo Schottky no acepta grandes voltajes que lo polaricen inversamente (VCRR).

El proceso de rectificación antes mensionado también requiere que la tensión

inversa que tiene que soportar el diodo sea grande.

Sin embargo el diodo Schottky encuentra gran cantidad de

aplicaciones n circuitos de alta velocidad como en computadoras,

donde se necesitan grandes velocidades de conmutación y su poca caída de voltaje en directo ausa poco gasto de energía.

El símbolo del diodo Schottky se ve en el diagrama a la derecha.




http://www.unicrom.com/computadoras.asp


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Diodo Tunnel

Diodo Tunnel (característica de resistencia negativa)

En el diagrama se ve el símbolo del diodo Tunnel

El diodo Tunnel se comporta de una manera muy interesante conforme se le va aumentando una tensión aplicada en sentido directo.

- Cuando se aplica una pequeña tensión, el diodo tunnel empieza a conducir (la

corriente empieza a fluir).

- Si se sigue aumentando esta tensión la corriente aumentará hasta llegar un

punto después del cual la corriente disminuye.

- La corriente continuará disminuyendo hasta llegar al punto mínimo de un "valle"

y ....

- Después volverá a incrementarse. En esta ocasión la corriente continuará aumentando conforme aumenta la tensión.

Este comportamiento de la corriente en función de la tensión en el diodo tunnel se puede ver en el siguiente gráfico.

- Vp: Tensión pico

- Vv: Tensión de valle

- Ip: Corriente pico - Iv: Corriente de valle

La región en el gráfico en que la corriente

disminuye cuando la tensión aumenta (entre

Vp y Vv) se llama "zona de resistencia negativa"

El diodo tunnel se llama también diodo Esaki en honor a su inventor japonés Leo Esaki

Los diodos tunnel tienen la cualidad de pasar entre los niveles de corriente Ip e

Iv muy rápidamente, cambiando de estado de conducción al de no conducción

incluso más rápido que los diodos Schottky.

Desgraciadamente, este tipo de diodo no se puede utilizar como rectificador

debido a que tiene una corriente de fuga muy grande cuando están polarizados en reversa.

Así estos diodos sólo encuentran aplicaciones reducidas como en circuitos osciladores de alta frecuencia.



http://www.unicrom.com/Tut_osciladores.asp


Unicrom Página 77

Diodo varactor (Varicap) Características, relación tensión-capacitancia

Todos los diodos cuando están polarizados en sentido opuesto tienen una capacitancia que aparece entre sus terminales.

Los diodos varactores o varicap han sido diseñados de manera que su

funcionamiento sea similar al de un capacitor y tengan una característica

capacitancia-tensión dentro de límites razonables

En el siguiente gráfico se muestra las similitudes entre un diodo y un capacitor.

Debido a la recombinación de los portadores en el diodo, una zona de agotamiento se forma en la juntura.

Esta zona de agotamiento actúa como un dieléctrico (aislante), ya que no hay ninguna carga y flujo de corriente.

Las áreas exteriores a la zona de agotamiento si

tienen portadores de carga (área

semiconductor). Se puede visualizar sin dificultad

la formación de un capacitor en el diodo (dos

materiales semiconductores deparados por un aislante).

La amplitud de la zona de agotamiento se puede

ampliar incrementando la tensión inversa aplicada al diodo con una fuente externa.

Esto causa que se aumente la separación (aislante) y separa más las áreas semiconductoras. Este último disminuye la capacitancia.

Entonces la capacitancia es función de la tensión aplicada al diodo.

- Si la tensión aplicada al diodo aumenta la capacitancia disminuye - Si la tensión disminuye la capacitancia aumenta

Símbolo del diodo varactor







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Diodo Gunn. Efecto Gunn

Efecto Gunn

El efecto fue descubierto por Gunn en 1963. Este efecto es un instrumento eficaz

para la generación de oscilaciones en el rango de las microondas en los materiales

semiconductores.

Gunn observó esta característica en el Arseniuro de Galio (GaAs) y el Fósforo de Indio (InP)

El efecto Gunn es una propiedad del cuerpo de los semiconductores y no depende

de la unión misma, ni de los contactos, tampoco depende de los valores de voltaje y corriente y no es afectado por campos magnéticos.

Cuando se aplica un pequeño voltaje continuo a través de una plaquita delgada de

Arseniuro de Galio (GaAs), ésta presenta características de resistencia negativa.

Todo esto bajo la condición de que el voltaje en la plaquita sea mayor a los 3.3 voltios / cm.

Ahora, si esta plaquita es conectada a un circuito sintonizado (generalmente una

cavidad resonante), se producirán oscilaciones y todo el conjunto se puede utilizar

como oscilador.

Este efecto Gunn sólo se da en materiales tipo N

(material con exceso de electrones) y las

oscilaciones se dan sólo cuando existe un campo eléctrico.

Estas oscilaciones corresponden aproximadamente

al tiempo que los electrones necesitan para

atravesar una plaquita de material tipo N cuando se aplica el voltaje en continua.

Resistencia negativa en el diodo Gunn

El Arseniuro de Galio (GaAs) es uno de los pocos materiales

semiconductores que en una muestra con dopado tipo N, tiene una banda

de energía vacía más alta que la más elevada de las que se encuentran ocupadas parcial o totalmente.

Funcionamiento de resistencia positiva: Cuando se aplica un voltaje a la

plaquita (tipo N) de Arseniuro de Galio (GaAs), los electrones, que el material tiene

en exceso, circulan y producen una corriente al terminal positivo. Si se aumenta la

tensión, la velocidad de la corriente aumenta. Comportamiento típico y el gráfico tensión-corriente es similar al que dicta la ley de Ohm.

Funcionamiento de resistencia negativa: Si a plaquita anterior se le sigue

aumentando el voltaje, se les comunica a los electrones una mayor energía, pero

en lugar de moverse más rápido, los electrones saltan a una banda de energía más

elevada, que normalmente esta vacía, disminuyen su velocidad y por ende la corriente.










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De esta manera una elevación del voltaje en este elemento causa una disminución de la corriente.

Eventualmente, el voltaje en la plaquita se hace suficiente para extraer electrones

de la banda de mayor energía y menor movilidad, por lo que la corriente aumentará de nuevo con el voltaje.

La característica voltaje contra corriente se parece mucho a la del diodo Tunnel.

La aplicación más común es la del oscilador Gunn

http://www.unicrom.com/Tut_shottky_tunnel.asp


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Transistor bipolar o BJT

El transistor bipolar es el más común de los transistores, y como los diodos, puede

ser de germanio o silicio.

Existen dos tipos transistores: el NPN y el PNP, y la dirección del flujo de la corriente

en cada caso, lo indica la flecha que se ve en el gráfico de cada tipo de transistor.

El transistor es un dispositivo de 3 patillas con los siguientes nombres: base (B),

colector (C) y emisor (E), coincidiendo siempre, el emisor, con la patilla que tiene la

flecha en el gráfico de transistor.

El transistor bipolar es un amplificador de corriente, esto quiere decir que si le

introducimos una cantidad de corriente por una de sus patillas (base), el entregará por

otra (emisor) , una cantidad mayor a ésta, en un factor que se llama amplificación.

Este factor se llama ß (beta) y es un dato propio de cada transistor.

Entonces:

- Ic (corriente que pasa por la patilla colector) es igual a ß (factor de amplificación) por

Ib (corriente que pasa por la patilla base).

- Ic = ß * Ib

- Ie (corriente que pasa por la patilla emisor) es del mismo valor que Ic, sólo que, la

corriente en un caso entra al transistor y en el otro caso sale de él, o viceversa.

Según la fórmula anterior las corrientes no dependen del voltaje que alimenta el circuito

(Vcc), pero en la realidad si lo hace y la corriente Ib cambia ligeramente cuando se

cambia Vcc. Ver figura.

En el segundo gráfico las corrientes de base (Ib) son ejemplos para poder entender que a

más corriente la curva es más alta.






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Transistor bipolar: Regiones Operativas y Configuraciones

Regiones operativas del transistor

- Región de corte: Un transistor esta en corte cuando la corriente de colector = la

corriente de emisor = 0, (Ic = Ie = 0)

En este caso el voltaje entre el colector y el emisor del transistor es el voltaje de

alimentación del circuito.

Como no hay corriente circulando, no hay caída de voltaje, ver Ley de Ohm. Este caso

normalmente se presenta cuando la corriente de base = 0 (Ib = 0)

- Región de saturación: Un transistor está saturado cuando la corriente de colector =

la corriente de emisor = la corriente máxima, (Ic = Ie =

I máxima)

En este caso la magnitud de la corriente depende del

voltaje de alimentación del circuito y de los resistores

conectados en el colector o el emisor o en ambos, ver

L a ley de Ohm.

Este caso normalmente se presenta cuando la corriente

de base es lo suficientemente grande como para inducir

una corriente de colector ß veces más grande. (recordar

que Ic = ß * Ib)

- Región activa: Cuando un transistor no está ni en su región de saturación ni en la

región de corte entonces está en una región intermedia, la región activa.

En esta región la corriente de colector (Ic) depende principalmente de la corriente de

base (Ib), de ß (ganancia de corriente de un amplificador, es un dato del fabricante) y de

las resistencias que hayan conectadas en el colector y emisor).

Esta región es la más importante si lo que se desea es utilizar el transistor como un

amplificador.

Configuraciones del transistor bipolar

Hay tres tipos de configuraciones típicas en los amplificadores con transistores, cada

una de ellas con características especiales que las hacen mejor para cierto tipo de

aplicación. y se dice que el transistor no está conduciendo. Normalmente este caso se

presenta cuando no hay corriente de base (Ib = 0)

- Amplificador emisor común

- Amplificador colector común

- Amplificador base común






http://www.unicrom.com/Tut_emisor_com.asp

http://www.unicrom.com/Tut_emisor_seguidor.asp


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Nota: Corriente de colector y corriente de emisor no son exactamente iguales, pero se

toman como tal, debido a la pequeña diferencia que existe entre ellas, y que no afectan

en casi nada a los circuitos hechos con transistores.


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Transistor Darlington

Estructura interna, configuración de patillas, ganancia de corriente

El transistor Darlington es un tipo especial de transistor que tiene una alta ganancia de corriente.

Está compuesto internamente por dos transistores bipolares que se conectan es cascada. Ver la figura.

El transistor T1 entrega la corriente que sale por su emisor a la base del transistor T2.

La ecuación de ganancia de un transistor típico es: IE= β x IB (Corriente de

colector es igual a beta por la corriente de base).

Entonces analizando el gráfico:

- Ecuación del primer transistor es: IE1 = β1 x IB1 (1), - Ecuación del segundo transistor es: IE2 = β2 x IB2 (2)

Observando el gráfico, la corriente de emisor del transistor (T1) es la misma que la corriente de base del transistor T2. Entonces IE1 = IB2 (3)

El transistor común con la identificación de las patillas

Transistor Darlington con la identificación de las

patillas y su estructura interna

Entonces utilizando la ecuación (2) y la ecuación (3) se obtiene:

IE2 = β2 x IB2 = β2 x IE1

Reemplazando en la ecuación anterior el valor de IE1 (ver ecuación (1) ) se obtiene la ecuación final de ganancia del transistor Darlington.

IE2 = β2 x β1 x IB1

Como se puede deducir, este amplificador tiene una ganancia mucho mayor que la

de un transistor corriente, pues aprovecha la ganancia de los dos transistores. (

la ganancias se multiplican).

Si se tuvieran dos transistores con ganancia 100 (β = 100) conectados como un

transistor Darlington y se utilizara la fórmula anterior, la ganancia sería, en teoría:

β2 x β1 = 100 x 100 = 10000. Como se ve es una ganancia muy grande. En la realidad la ganancia es menor.





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Se utilizan ampliamente en circuitos en donde es necesario controlar cargas grandes con corrientes muy pequeñas.

Muy importante:

La caída de tensión entre la base y el emisor del transistor Darlington es 1.4

voltios que resulta de la suma de las caídas de tensión de base a emisor del

primer transistor B1 a E1 (0.7 voltios) y base a emisor del segundo transistor B2 y E2 (0.7 voltios).



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Características de transistor bipolar o BJT

1.1.- Introducción

El transistor es un dispositivo que ha originado una evolución en el campo electrónico.

En este tema se introducen las principales características básicas del

transistor bipolar y FET y se estudian los modelos básicos de estos dispositivos y su utilización en el análisis los circuitos de polarización.

Polarizar un transistor es una condición previa a muchas aplicaciones lineales y

no-lineales ya que establece las corrientes y tensiones en continua que van a circular por el dispositivo.

Figura 1.1. Símbolos y sentidos de referencia para un transistor bipolar a) NPN y b) PNP.

1.2.- Corrientes en un transistor de unión o BJT

Un transistor bipolar de unión esta formado por dos uniones pn en

contraposición. Físicamente, el transistor esta constituido por tres regiones

semiconductoras -emisor, base y colector- siendo la región de base muy

delgada (< 1µm).

El modo normal de hacer operar a un transistor es en la zona directa. En esta

zona, los sentidos de las corrientes y tensiones en los terminales del transistor se

muestran en la figura 1.1.a para un transistor NPN y en la figura 1.1.b a un PNP. En ambos casos se verifica que:

y

Ebers y Moll desarrollaron un modelo que relacionaba las corrientes con las

tensiones en los terminales del transistor. Este modelo, conocido como modelo

de Ebers-Moll, establece las siguientes ecuaciones generales que, para un

transistor NPN, son: αF = 0.99, αR= 0.66, IES = 10-15A, ICS = 10-15A




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donde IES y ICS representan las corrientes de saturación para las uniones

emisor y colector, respectivamente, aF el factor de defecto y aR la fracción de

inyección de portadores minoritarios. En un transistor bipolar PNP, las ecuaciones de Ebers-Moll son:

Para un transistor ideal, los anteriores cuatro parámetros están relacionados mediante el teorema de Reciprocidad

Valores típicos de estos parámetros son:

Figura 1.2. Zonas de operación de un transistor en la región directa.

Unión de emisor Unión de colector Modo de operación

Directa Inversa Activa directa

Inversa Directa Activa inversa

Inversa Inversa Corte

Directa Directa Saturación

Tabla 1.1. Principales modos de operacion de un transistor bipolar


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Modos de operación del BJT: Región activa lineal

1.3.- Modos de operación de un transistor bipolar

En general, los transistores bipolares de circuitos analógicos lineales están operando en la región activa directa.

En esta región existe cuatro zonas de operación definidas por el estado de las

uniones del transistor (Tabla 1.1): saturación, lineal, corte y ruptura; estas

zonas se indican claramente en la figura 1.2 que representa las zonas de operación de un transistor.

A continuación se describe las características del transistor en estos modos de

operación considerando el transistor NPN únicamente; similar resultado puede

ser aplicado a transistores PNP.

Región activa lineal

En la región activa lineal, la unión emisor-base está directamente polarizada y

la unión base-colector inversamente polarizada; la VBE está comprendida entre 0.4 V y 0.8 V (valor típico de 0.7 V) y la VBC > 100mV.

En estas condiciones, las ecuaciones de Ebers-Moll se pueden aproximar a:

Operando con estas ecuaciones, se obtiene una

relación entre ambas intensidades de forma que:

donde:

Sustituyendo la ecuación 1.1 en 1.7, resulta:

siendo:

ßF, es la ganancia en corriente en continua del transistor que en las hojas de

características del fabricante se representa por hFE. Este parámetro es muy

importante en un transistor de unión y define la relación entre las corrientes de

colector y base.

Al ser ICO una corriente muy baja, el segundo término de la ecuación (1.9) puede

ser despreciado frente al primero. Como resultado, se obtiene una relación muy

utilizada para analizar transistores que operen en esta

región

La ecuación (1.11) indica que en la región activa lineal

la relación entre las corrientes de colector y base es

constante. Sin embargo, en la práctica la hFE de los transistores varía hasta en un 500% debido principalmente a tres factores:



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1) Proceso de fabricación. Los transistores sufren variaciones en el proceso de

fabricación que modifican sus características. El fabricante asigna un valor típico

(typ) a ese transistor con un rango de valores comprendido entre un máximo

(max) y un mínimo (min). Por ejemplo, el BC547B tiene, para una IC=2mA, una hFE(min)=200, hFE(typ)=290 y hFE(max)=450.

2) Corriente de colector. La hFE varía también con la corriente de colector. El

fabricante proporciona curvas de características que permiten obtener la hFE para

diferentes IC. En la figura 1.3 se muestra una de estas curvas

que incluye el valor típico de la hFE con un rango de valores máximo y mínimo.

3) Temperatura. La dependencia de la hFE con la temperatura se puede

observar en las gráficas que proporciona el fabricante para tal fin. En la figura 1.4

se describe diferentes curvas normalizadas a 25º de hFE para temperaturas de -

55ºC y 175ºC.


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Modos de operación del BJT: Región de Corte

Región de corte

En la región de corte las uniones de emisor y colector están polarizadas en inversa; la VBE y la VBC tienen tensiones inferiores a 100mV.

En estas condiciones, las ecuaciones de Ebers-Moll pueden ser simplificadas a:

Estas corrientes son extremadamente bajas y pueden ser despreciadas; a efectos

prácticos se puede considerar al transistor como

si no existiese.

Sin embargo, en muchos circuitos resulta

interesante establecer cuando se dan las

condiciones de conducción de un transistor,

es decir, fijar la frontera entre la región de

corte y lineal.

Esta frontera no es clara y el transistor pasa de una región a otra de una manera gradual.

Es decir, el transistor está en la región lineal

cuando tiene corrientes significativas en sus

terminales y está en corte cuando esas

corrientes son muy bajas.

Normalmente, se asigna una VBE umbral (VBEy)

a partir de la cual las corrientes tienen un valor

suficientemente alto; esta VBEy suele estar comprendida entre 0.4 y 0.5 V.

En la figura 1.5 se muestra gráficamente la relación entre la VBE y la IC en

donde se puede observar como por debajo de 0.58 V (typ) la corriente de colector es de bajo valor (<100µ).




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Modos de operación del BJT: Región de Saturación

Región de saturación

En la región de saturación las uniones de emisor y colector están

polarizadas en directa; la VBE y la VBC tienen tensiones superiores 100mV. En

estas condiciones, las ecuaciones de Ebers-Moll quedan reducidas a

La caída de tensión entre el colector y emisor es muy baja debido a que ambas

uniones pn se encuentran directamente polarizadas. De esta manera, se verifica que

siendo, de 1.13,

Los valores típicos de la VCE(sat) están

próximos a 0.1 o 0.2 V y la VBE(sat) es

ligeramente superior a la de la región lineal (˜0.8 V).

El transistor está operando con una relación

ßF(sat)=IC/IB variable e inferior a la ßF de la

región lineal.

En la figura 1.6 aparece una curva típica que

proporciona el fabricante relacionando la

VCE(sat) con la IC realizada con una

ßF(sat)=20.

La VCE(sat) está comprendida entre 70mV y

200mV, y por ello, en muchos circuitos se

considera prácticamente 0V. En esta región

el transistor se comporta de una manera

no lineal.



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Modos de operación del BJT:

Región de ruptura y zona inversa

Región de ruptura

Las tensiones máximas que pueden soportar las uniones pn inversamente

polarizadas se denominan tensiones de ruptura.

Cuando se alcanza estas tensiones existe peligro de ruptura del transistor debido a dos fenómenos: ruptura por avalancha y ruptura por perforación.

El fabricante proporciona dos tensiones máximas (VCEO, VCES) que limitan de

alguna manera las tensiones máximas de polarización en continua los transistores.

La VCEO define la tensión máxima entre el colector y emisor, estando la base

en circuito abierto, antes de que se produzca fenómenos de multiplicación de

avalancha que incrementa exponencialmente la ICO a través de la unión de colector.

La VCES define la tensión máxima del colector, estando la base en

cortocircuitada al emisor, antes de que la anchura de la región de transición

alcance el emisor perforando la región de base.

Gráficamente, en la figura 1.7 se muestra la definición de ambas tensiones. Por

ejemplo, el transistor BC547 tiene VCES=50 V y VCEO=45 V, y son éstas tensiones las que limitan las propias tensiones máximas de alimentación.

Zona inversa

En la región inversa los terminales colector y emisor se intercambian, es

decir, el emisor hace la función de colector y viceversa. Las curvas eléctricas son

muy similares a las indicadas en la figura 1.2 aunque las prestaciones del

transistor sufren una gran disminución al carecer de simetría; el colector está menos dopado y tiene mayor tamaño que el emisor.

El efecto más importante es la disminución de la ganancia en corriente en

continua que pasa a tener valores altos (p.e., ßF=200) en la región directa lineal a valores bajos (p.e., ßI=2) en la región inversa lineal.




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Concepto de punto de trabajo del BJT

1.4 Punto de trabajo

El transistor bipolar que opera en la región lineal tiene unas características eléctricas lineales que son utilizadas para amplificación.

En estos circuitos, las señales de entrada son amplificadas a la salida y, por

consiguiente, hay un aporte de energía realizado a través de fuentes de tensión externas denominadas fuentes de alimentación o fuentes de polarización.

Las fuentes de alimentación cubren dos objetivos: proporcionar las corrientes y

tensiones en continua necesarias para que el transistor opere en la región

lineal y suministrar energía al transistor de la que parte de ella va a ser

convertida en potencia (amplificación).

Los valores de corrientes y tensiones en continua en los terminales de un

transistor se denomina punto de trabajo y se suele expresar por la letra Q (Quiescent operating point).

En transistor del circuito de la figura 1.8.a está polarizado con dos resistencias y una fuente de tensión en continua VCC. En este circuito se verifica que

Si suponemos que el transistor se encuentra en la región directa lineal,

entonces se puede relacionar las intensidades de base y colector a través de la

hFE y asignar una tensión base-emisor típica de 0.7 V.

El cálculo de las tensiones e intensidades del transistor proporciona su punto de trabajo Q. Para este circuito, Q viene definido por las siguientes ecuaciones:







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Recta de carga estática del transistor bipolar

1.4 Representación del punto de trabajo con la recta en carga estática

En la figura 1.8.b se muestra la representación gráfica del punto de trabajo Q del transistor, especificado a través de tres parámetros: ICQ, IBQ y la VCEQ.

Este punto se encuentra localizado dentro de una recta denominada recta de

carga estática: si Q se encuentra en el límite superior de la recta el transistor

estará saturado, en el límite inferior en corte y en los puntos intermedios en la

región lineal.

Esta recta se obtiene a través de la ecuación del circuito que relaciona la IC con la

VCE que, representada en las curvas características del transistor de la figura 1.8.b, corresponde a una recta.

La tercera ecuación de (1.17) define la recta de carga obtenida al aplicar KVL al circuito de polarización, de forma que

Para dibujar esta recta de una manera sencilla en el plano (VCE, IC) del transistor

se selecciona dos puntos: a) VCE=0, entonces IC=VCC/RC; b) IC=0, entonces

VCE=VCC. Estos puntos se pueden identificar en la figura1.8.b y representan los

cortes de la recta de carga estática con los ejes de coordenadas.

Una de las primeras decisiones relacionadas con la polarización de un

transistor es seleccionar la situación del punto Q. La selección más práctica es

situarle en la mitad de la recta de carga estática para que la corriente de

colector sea la mitad de su valor máximo, condición conocida como excursión

máxima simétrica.

Evidentemente esta es una condición de diseño que asegurará el máximo margen

del punto Q a incrementos de cualquier signo de la intensidad de colector. Sin

embargo, hay muchas otras condiciones de operación del transistor que exige un



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desplazamiento de Q en uno u otro sentido. En estos casos la situación del punto Q estará definida por las diferentes restricciones.


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Potencia de disipación estática máxima del BJT

1.4.1 Potencia de disipación estática máxima (PCMAX)

Un transistor de unión polarizado tiene unas tensiones y corrientes en sus terminales que le hacen disipar energía.

Esta potencia de disipación se puede obtener aplicando la definición de

potencia absorbida por un elemento tri-terminal, que en caso del transistor, se expresa como:

Debido a que generalmente la IB<<<IC y la VBE<<VCE, el primer término de esta ecuación es despreciable frente al segundo, resultando que

Esta ecuación representa a una hipérbola en el plano (VCE, IC) de las curvas

características del transistor. El fabricante proporciona como dato la potencia de

disipación máxima de un transistor; como ejemplo, el BC547 tiene una

PCMAX=500mW.

En la figura 1.8.b se representa la hipérbola de potencia máxima de un

transistor. Es preciso que el punto del trabajo Q esté por debajo de esa curva ya que sino el transistor se dañaría por efecto Joule.





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Circuitos de polarización de transistores bipolares

1.5.- Circuitos de polarización de transistores bipolares

La selección del punto de trabajo Q de un transistor se realiza a través de diferentes circuitos de polarización que fijen sus tensiones y corrientes.

En la siguiente figura 1.9 se incluyen los circuitos de polarización más típicos

basados en resistencias y fuentes de alimentación; además, se indican las

ecuaciones que permiten obtener el punto de trabajo de los transistores. Estos circuitos presentan diferencias en algunos casos importantes.

Por ejemplo, el circuito de la figura 1.8.a (página anterior) es poco recomendable

por carecer de estabilidad; bajo ciertas condiciones se puede producir deriva

térmica que autodestruye el transistor.

La polarización de corriente de base de la figura 1.9 es mucho más estable

aunque el que más se utiliza con componentes discretos es el circuito de

autopolarización. La polarización de colector-base asegura que el transistor nunca entra en saturación al mantener su tensión colector-base positiva






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Por: Gustavo A. Ruiz Robredo [email protected]

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FET (Field Effect Transistor)

El FET es un dispositivo semiconductor que controla un flujo de corriente por un canal

semiconductor, aplicando un campo eléctrico perpendicular a la trayectoria de la

corriente.

El FET está compuesto de una parte de silicio tipo N, a la cual se le adicionan dos

regiones con impurezas tipo P llamadas compuerta (gate) y que están unidas entre si.

Ver la figura

Los terminales de este tipo de transistor se llaman Drenador (drain), Fuente (source) y

el tercer terminal es la compuerta (gate) que ya se conoce. La región que existe entre el

drenador y la fuente y que es el camino obligado de los electrones se llama "canal". La

corriente circula de Drenaje (D) a Fuente (S). Ver el gráfico.

Este tipo de transistor se polariza de manera diferente al

transistor bipolar. El terminal de drenaje se polariza

positivamente con respecto al terminal de fuente (Vdd) y la

compuerta o gate se polariza negativamente con respecto a la

fuente (-Vgg).

A mayor voltaje -Vgg, más angosto es el canal y más difícil para la corriente pasar del

terminal drenador (drain) al terminal fuente o source. La tensión -Vgg para la que el

canal queda cerrado se llama "punch-off" y es diferente para cada FET

El transistor de juntura bipolar es un dispositivo operado por corriente y requieren que

halla cambios en la corriente de base para producir cambios en la corriente de colector.

El FET es controlado por tensión y los cambios en tensión de la compuerta (gate) a

fuente (Vgs) modifican la región de rarefacción y causan que varíe el ancho del canal.

Curva característica

del FET

Este gráfico muestra que al aumentar el voltaje Vds (voltaje drenador - fuente), para un

Vgs (voltaje de compuerta) fijo, la corriente aumenta rápidamente (se comporta como

una resistencia) hasta llegar a un punto A (voltaje de estricción), desde donde la

corriente se mantiene casi constante hasta llegar a un punto B (entra en la región de

disrupción o ruptura), desde donde la corriente aumenta rápidamente hasta que el

transistor se destruye.







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Si ahora se repite este gráfico para más de un voltaje de compuerta a surtidor (Vgs), se

obtiene un conjunto de gráficos. Ver que Vgs es "0" voltios o es una tensión de valor

negativo.

Si Vds se hace cero por el transistor no circulará

ninguna corriente. (ver gráficos a la derecha)

Para saber cual es el valor de la corriente se utiliza

la fórmula de la curva característica de transferencia

del FET.

Ver gráfico de la curva característica de transferencia de un transistor FET de canal tipo

P en el gráfico inferior derecha. La fórmula es: ID = IDSS (1

- [Vgs / Vgs (off)] )

donde:

- IDSS es el valor de corriente cuando la Vgs = 0

- Vgs (off) es el voltaje cuando ya no hay paso de corriente

entre drenaje y fuente (ID = 0)

- Vgs es el voltaje entre entre la compuerta y la fuente para la

que se desea saber ID

Resistencia del canal RDS

Como Vgs es el voltaje que controla el paso de la corriente ID (regula el ancho del

canal), se puede comparar este comportamiento como un resistor cuyo valor depende

del voltaje VDS. Esto es sólo válido para Vds menor que el voltaje de estricción (ver

punto A en el gráfico).

Entonces si se tiene la curva característica de un FET, se puede encontrar La resistencia

RDS con la siguiente fórmula: RDS = VDS/ID

Los símbolos del FET son:

Fet canal N ---- Fet canal P


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MOSFET: Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor

MOSFET significa "FET de Metal Oxido Semiconductor" o FET de compuerta aislada

Es un tipo especial de transistor FET que tiene una versión NPN y otra PNP.

El NPN es llamado MOSFET de canal N y el PNP es llamado MOSFET de canal P.

Una delgada capa de material aislante formada de dióxido de silicio (SiO2) (también

llamada "sílice" o "sílica") es colocada del lado del semiconductor y una capa de metal

es colocada del lado de la compuerta (GATE) (ver la figura)

En el MOSFET de canal N la parte "N" está conectado a la fuente (source) y al drenaje

(drain)

En el MOSFET de canal P la parte "P" está conectado a la fuente (source) y al drenaje

(drain)

En los transistores bipolares la corriente que circula por el colector es controlada por la

corriente que circula por la base. Sin embargo en el caso de los transistores FET, la

corriente de salida es controlada por una tensión de entrada (un campo eléctrico). En

este caso no existe corriente de entrada.

Los transistores MOSFET se pueden dañar con facilidad y hay que manipularlos con

cuidado. Debido a que la capa de óxido es muy delgada, se puede destruir con facilidad

si hay alta tensión o hay electricidad estática.






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MOSFET: Principio de operación

Tanto en el MOSFET de canal N o el de canal P, cuando no se aplica tensión en la

compuerta no hay flujo de corriente entre en drenaje (Drain) y la fuente (Source)

Para que circule corriente en un MOSFET de canal N una tensión positiva se debe

aplicar en la compuerta.

Así los electrones del canal N de la fuente (source) y el drenaje (Drain) son atraídos a la

compuerta (Gate) y pasan por el canal P entre ellos.

El movimiento de estos electrones, crea las condiciones para que aparezca un puente

para los electrones entre el drenaje y la fuente. La amplitud o anchura de este puente (y

la cantidad de corriente) depende o es controlada por la tensión aplicada a la compuerta.

En el caso del MOSFET de canal P, se da una situación similar. Cuando se aplica una

tensión negativa en la compuerta, los huecos (ausencia de electrones) del canal P del

drenaje y de la fuente son atraídos hacia la compuerta y pasan a través del canal N que

hay entre ellos, creando un puente entre drenaje y fuente. La amplitud o anchura del

puente (y la cantidad de corriente) depende de la tensión aplicada a la compuerta.

Debido a la delgada capa de óxido que hay entre la compuerta y el semiconductor, no

hay corriente por la compuerta. La corriente que circula entre drenaje y fuente es

controlada por la tensión aplicada a la compuerta.

Nota: El sentido de la corriente mostrada en los diagramas el es convencional, no la del

flujo de electrones.




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Manipulación del MOSFET MOS FET

MOSFET significa "FET de Metal Oxido Semiconductor" o FET de compuerta aislada.

El aislamiento entre la compuerta y el canal es el dióxido de silicio (SiO2).

Ver el diagrama.

Esta capa aislante (área gris) es tan delgada que se si produjera un campo eléctrico

fuerte, podría destruirse, es por eso que la manipulación del MOSFET es tan

importante

Debido a la alta resistencia de la capa de dióxido de silicio, la carga en el capacitor no

se dispersa rápidamente , sino que se acumula. Esta acumulación de carga puede

producir un campo eléctrico destructivo.

El mayor peligro para un MOSFET son las cargas estáticas durante la manipulación del

mismo en un día seco. También causan peligro los cautines para soldar, que por lo

general no están aislados de la línea de corriente alterna (C.A.).

Para evitar que el MOSFET se dañe de manera accidental, algunos fabricantes incluyen

un diodo zener conectado entre la compuerta (G) y la fuente (S) con el ánodo hacia la

compuerta y el cátodo hacia la fuente.

Este zener esta diseñado para que conduzca a 50 voltios por lo que VGS (tensión

compuerta - fuente) siempre se mantendrá por debajo o igual al valor de esta tensión, y

por ende por debajo del valor de tensión destructivo. Ver la figura.

Otra manera de asegurarse de que el MOSFET no se dañe es almacenarlo y

transportarlo con ayuda de esponjas conductoras, que cortocircuitan los terminales del

MOSFET y así no exista tensión entre ellos.

Si no fuese posible conocer si el MOSFET tiene la protección antes mencionada, la

persona que manipulará el elemento debe de asegurarse que su cuerpo no esté cargado

de estática. Existen unas pulseras especiales conectadas a un punto de tierra, pensadas

para mantener descargado el cuerpo del usuario.








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C-MOSFET (Complementary MOS FET)

Principio de operación.

C-MOS FET es la abreviación de Complementary Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ó Complementary MOS FET ó MOSFET complementario.

Este circuito es la combinación de un MOSFET de canal P y un MOSFET de canal N.

Funcionamiento:

- Cuando la entrada tiene un nivel de tensión negativo (L), el MOSFET de canal P

conduce y el MOSFET de canal N no lo hace

- Cuando la entrada tiene un nivel de tensión positivo (H), el MOSFET de canal N conduce y el MOSFET de canal P no lo hace

Se puede ver que el funcionamiento de ambos es siempre

opuesto. Una característica importante de este circuitos es

que la corriente de salida, que se puede considerar relativamente alta, es controlada con facilidad.

Cuando la entrada está en nivel bajo (L), la salida está

conectada directamente a la fuente de alimentación a través del MOS FET de canal P y se tiene un nivel alto (H).

Cuando la entrada está en nivel alto (H), la salida está conectada directamente a

la tierra a través del MOS FET de canal N y se tiene un nivel bajo (L).

El nivel de salida de la salida es siempre el inverso que el de la entrada (hay inversión de fase).

En el circuito C-MOS FET el MOSFET de canal P y el de canal

N podrían no iniciar o dejar la conducción bajo las mismas

condiciones, esto debido a que la tensión en la compuerta,

que hace que el MOSFET deje de conducir, tiene un valor que va de 1 a 2 voltios.

Esta característica depende de cada MOSFET en particular y es común observar

que la corriente de drenaje de un MOSFET es cero (MOSFET en corte) aún cuando

la tensión en la compuerta no lo sea.

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Transistores de efecto de campo (FET)

1.6- Transistor de efecto de campo (FET)

Los transistores de efecto de campo o FET (Field Effect Transistor) son

particularmente interesantes en circuitos integrados y pueden ser de dos tipos:

transistor de efecto de campo de unión o JFET y transistor de efecto de campo metal-óxido semiconductor (MOSFET).

Son dispositivos controlados por tensión con una alta impedancia de entrada (1012 ohmios).

Ambos dispositivos se utilizan en circuitos digitales y analógicos como amplificador

o como conmutador. Sus caracterísitcas eléctricas son similares aunque su

tecnología y estructura física son totalmente diferentes.

Ventajas del FET

1) Son dispositivos controlados por tensión con una impedancia de entrada muy

elevada (107 a 1012 ohmios).

2) Los FET generan un nivel de ruido menor que los BJT.

3) Los FET son más estables con la temperatura que los BJT.

4) Los FET son más fáciles de fabricar que los BJT pues precisan menos pasos y

permiten integrar más dispositivos en un CI.

5) Los FET se comportan como resistencias controlados por tensión para valores

pequeños de tensión drenaje-fuente.

6) La alta impedancia de entrada de los FET les permite retener carga el tiempo

suficiente para permitir su utilización como elementos de almacenamiento.

7) Los FET de potencia pueden disipar una potencia mayor y conmutar corrientes grandes.

Desventajas que limitan la utilización de los FET

1) Los FET presentan una respuesta en frecuencia pobre debido a la alta

capacidad de entrada.

2) Los FET presentan una linealidad muy pobre, y en general son menos lineales

que los BJT.

3) Los FET se pueden dañar debido a la electricidad estática.

En este apartado se estudiarán brevemente las características de ambos

dispositivos orientadas principalmente a sus aplicaciones analógicas.


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Características eléctricas del JFET

1.7.- Características eléctricas del JFET

El JFET de canal n está constituido por una barra de silicio de material

semiconductor de tipo n con dos regiones (islas) de material tipo p situadas a

ambos lados.

Es un elemento tri-terminal cuyos terminales se denominan drenador (drain), fuente (source) y puerta (gate).

En la figura 1.10.a se describe un esquema de un JFET de canal n, en la 1.10.b el

símbolo de este dispositivo y

en la 1.10.c el símbolo de un

JFET de canal P

La polarización de un JFET

exige que las uniones p-n

estén inversamente polarizadas.

En un JFET de canal n, o

NJFET, la tensión de drenador

debe ser mayor que la de la

fuente para que exista un flujo

de corriente a través de canal.

Además, la puerta debe tener

una tensión más negativa que la fuente para que la unión p-n se encuentre polarizado inversamente. Ambas polarizaciones se indican en la figura 1.11.

Las curvas de características eléctricas de un JFET son muy similares a las curvas

de los transistores bipolares. Sin embargo, los JFET son dispositivos

controlados por tensión a diferencia de los bipolares que son dispositivos controlados por corriente.

Por ello, en el JFET intervienen como parámetros: ID (intensidad drain o drenador

a source o fuente), VGS (tensión gate o puerta a source o fuente) y VDS (tensión

drain o drenador a source o fuente). Se definen cuatro regiones básicas de

operación: corte, lineal, saturación y ruptura. A continuación se realiza una descripción breve de cada una de estas regiones para el caso de un NJFET.




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JFET en región de corte y región lineal

JFET en región de corte

En esta región la intensidad entre drenador y fuente es nula (ID=0).

En este caso, la tensión entre puerta y fuente es suficientemente negativa que las

zonas de inversión bloquean y estrangulan el canal cortando la corriente entre

drenador y fuente.

En las hojas técnicas se denomina a esta tensión como de estrangulamiento o

pinch-off y se representa por VGS(off) o Vp. Por ejemplo, el BF245A tiene una VGS(off)=-2V.

JFET en región lineal

En esta región, el JFET se comporta

como una resistencia no lineal que es

utilizada en muchas aplicaciones donde

se precise una resistencia variable

controlada por tensión.

El fabricante proporciona curvas de

resistencia drenador-fuente (rds(on))

para diferentes valores de VGS tal como

se muestra en la figura 1.12.

En esta región el transistor JFET

verifica las siguientes relaciones:






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JFET en región de saturación y región ruptura

JFET en región de saturación

En esta región, de similares características que un BJT enla región lineal, el JFET tiene unas características lineales que son utilizadas en amplificación.

Se comporta como una fuente de intensidad controlado por la tensión VGS cuya

ID es prácticamente independiente de la tensión VDS.

La ecuación que relaciona la ID con la VGS se conoce como ecuación cuadrática

o ecuación de Schockley que viene dada por

donde Vp es la tensión de estrangulamiento y la IDSS es la corriente de saturación.

Esta corriente se define como el el valor de

ID cuando VGS=0, y esta característica es

utilizada con frecuencia para obtener una

fuente de corriente de valor constante (IDSS).

La ecuación 1.22 en el plano ID y VGS representa una parábola desplazada en Vp.

Esta relación junto a las características del JFET de la figura 1.11 permiten

obtener gráficamente el punto de trabajo Q del transistor en la región de

saturación. La figura 1.13 muestra la representación gráfica de este punto Q y la

relación existente en ambas curvas las cuales permiten determinar el punto de polarización de un transistor utilizando métodos gráficos.

JFET en región de ruptura

Una tensión alta en los terminales del JFET puede producir ruptura por avalancha

a través de la unión de puerta. Las especificaciones de los fabricantes indican la

tensión de ruptura entre drenaje y fuente con la puerta cortocircuitada con la

fuente; esta tensión se designa por BVDSS y su valor está comprendido entra 20

y 50 V.




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Las tensiones de polarización nunca deben superar estos valores para evitar que

el dispositivo se deteriore. Por último, comentar las diferencias existentes entre un

NJFET y PJFET. Las ecuaciones desarrolladas anteriormente para el JFET son

válidas para el PJFET considerando el convenio de signos indicados en la tabla 1.2.


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Transistores MOSFET

1.8. Transistores MOSFET

Los transistores MOSFET o Metal-Oxido-Semiconductor (MOS) son

dispositivos de efecto de campo que utilizan un campo eléctrico para crear una

canal de conducción.

Son dispositivos más importantes que los JFET ya que la mayor parte de los circuitos integrados digitales se construyen con la tecnología MOS.

Existen dos tipos de transistores MOS: MOSFET de canal N o NMOS y MOSFET

de canal P o PMOS. A su vez, estos transistores pueden ser de acumulación

(enhancement) o deplexion (deplexion); en la actualidad los segundos están

prácticamente en desuso y aquí únicamente serán descritos los MOS de acumulación también conocidos como de enriquecimiento.

La figura 1.14 indica los diferentes símbolos utilizados para describir los transistores MOS.

En la figura 1.15 se describe la estructura física de un MOSFET de canal N con

sus cuatro terminales: puerta, drenador fuente y substrato; normalmente el

sustrato se encuentra

conectado a la fuente.

La puerta, cuya dimensión es

W·L, está separado del

substrato por un dieléctrico

(Si02) formando una

estructura similar a las placas de un condensador.

Al aplicar una tensión

positiva en la puerta se

induce cargas negativas (capa de inversión) en la superficie del substrato y se

crea un camino de conducción entre los terminales drenador y fuente.

La tensión mínima para crear ese capa de inversión se denomina tensión umbral o

tensión de threshold (VT) y es un parámetro característico del transistor. Si la


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VGS<VT, la corriente de drenador-fuente es nula; valores típicos de esta tensión son de de 0.5 V a 3 V.



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Región de corte y Lineal de transistor NMOS FET

Regiones de operación del NMOS FET

Los transistores JFET y MOSFET tienen una estructura física muy diferente pero sus ecuaciones analíticas son muy similares.

Por ello, en los transistores MOS se definen las mismas regiones de operación:

corte, lineal, saturación y ruptura.

En la figura 1.16 se muestran las curvas de características eléctricas de un

transistor NMOS con las diferentes regiones de operación que son descritas brevemente a continuación

Región de corte

Se verifica que VGS<VT y la corriente ID es nula.

Región lineal

El transistor se comporta como un elemento resistivo no lineal controlado por

tensión. Verifica las siguientes ecuaciones:

siendo

un parámetro característico del MOS que depende de la tecnología a través de la

constante k y del tamaño de la puerta del transistor (W la anchura y L la longitud).




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Región de saturación y ruptura de transistor NMOS FET

Región de saturación de un MOSFET de canal N (NMOS)

El transistor se comporta como una fuente de corriente controlada por la tensión VGS. Verifica las siguientes ecuaciones

siendo ß el parámetro descrito en la ecuación 1.24. Ver: MOSFET en regiones de corte y lineal

En esta región, la relación cuadrática entre VGS e ID se representa en la gráfica

de la izquierda de la figura 1.16 (Ver: MOSFET en regiones de corte y lineal), y de

una manera similar a los transistores JFET, puede ser utilizada para determinar

por métodos gráficos el punto de polarización de los transistores aunque rara vez

se recurre a ellos.

Región de ruptura de un MOSFET de canal N (NMOS)

Un transistor MOS puede verse afectado por fenómenos de avalancha en los

terminales drenador y fuente, y roturas en la capa de óxido fino de la puerta que pueden dañar irreversiblemente al dispositivo.

Por último, señalar que en la tabla 1.3 se indican las diferencias en el signo y

sentido de las corrientes y tensiones existentes entre transistores NMOS y PMOS.





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Polarización de los FET

1.9 Polarización de los FET

Los circuitos básicos que se utilizan para polarizar los BJT se pueden emplear para los MOSFET.

EL JFET tiene el inconveniente de que la tensión VGS debe ser negativa en un

NJFET (positiva en un PJFET) que exige unos circuitos de polarización característicos para este tipo de dispositivos.

En este apartado únicamente se presentan dos de los circuitos más utilizados:

polarización simple (figura 1.17), se utiliza una fuente de tensión externa para

generar una VGS<0, y autopolarización (figura 1.18), la caída de tensión en la

resistencia RS debida a ID permite generar una VGS<0.






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Optoacoplador

El Optoacoplador es un dispositivo que se compone de un diodo LED y un

fototransistor, de manera de que cuando el diodo LED emite luz, ilumine el

fototransistor y conduzca.

Estos dos elementos están acoplados de la forma más eficiente posible.

La corriente de salida IC del optocoplador (corriente de colector del fototransistor) es

proporcional a la corriente de entrada IF (corriente en el diodo LED).

La relación entre estas dos corrientes se llama razón de transferencia de corriente (CTR)

y depende de la temperatura ambiente.

A mayor temperatura ambiente, la corriente de colector en el

fototransistor es mayor para la misma corriente IF (la corriente por el

diodo LED)

La entrada (circuito del diodo) y la salida (circuito del fototransistor)

están 100% aislados y la impedancia de entrada es muy grande (1013

ohms típico)

El optoacoplador es un dispositivo sensible a la frecuencia y el CTR disminuye al

aumentar ésta.

Este elemento puede sustituir a elementos electromecánicos como relés, conmutadores.

De esta manera se eliminan los golpes, se mejora la velocidad de conmutación y casi no

hay necesidad de mantenimiento.

Otros tipos de optoacopladores

Optoacoplador con Fotodiodo - Optoacoplador con Darlington

Optoacoplador con Fototiristor (SCR) - Optoacoplador con Triac








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LDR - Fotorresistencia

Light Dependent Resistor (LDR)

El LDR (resistor dependiente de la luz) es una resistencia que varía su valor

dependiendo de la cantidad de luz que la ilumina.

Los valores de una fotorresistencia cuando está totalmente iluminada y cuando está

totalmente a oscuras varía.

Puede medir de 50 ohmios a 1000 ohmios (1K) en iluminación total y puede ser de 50K

(50,000 Ohms) a varios megaohmios cuando está a oscuras.

El LDR es fabricado con materiales de estructura cristalina, y utiliza sus propiedades

fotoconductoras.

Los cristales utilizados más comunes son: sulfuro de cadmio y seleniuro de cadmio.

El valor de la fotorresistencia (en Ohmios) no varía de forma instantánea cuando se

pasa de luz a oscuridad o al contrario, y el tiempo que se dura en este proceso no

siempre es igual si se pasa de oscuro a iluminado o si se pasa de iluminado a oscuro.

Esto hace que el LDR no se pueda utilizar en muchas aplicaciones, especialmente

aquellas que necesitan de mucha exactitud en cuanto a tiempo para cambiar de estado

(oscuridad a iluminación o iluminación a oscuridad) y a exactitud de los valores de la

fotorresistencia al estar en los mismos estados anteriores.

Su tiempo de respuesta típico es de aproximadamente 0.1 segundos.

Pero hay muchas aplicaciones en las que una fotorresistencia es muy útil. En casos en

que la exactitud de los cambios no es importante como en los circuitos:




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- Luz nocturna de encendido automático, que utiliza una fotorresistencia para activar

una o mas luces al llegar la noche.

- Relé controlado por luz, donde el estado de iluminación de la fotorresistencia, activa

o desactiva un Relay (relé), que puede tener un gran número de aplicaciones

El LDR o forresistencia es un elemento muy útil para aplicaciones en circuitos donde

se necesita detectar la ausencia de luz de día.

http://www.unicrom.com/cir_luz_nocturna_automatica.asp

http://www.unicrom.com/cir_relay_controlado_luz.asp



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Fotodiodo

Fotodiodo.

Diodo detector de luz

El fotodiodo se parece mucho a un diodo semiconductor común, pero tiene una

característica que lo hace muy especial: es un dispositivo que conduce una cantidad de

corriente eléctrica proporcional a la cantidad de luz que lo incide (lo ilumina).

Luz incidente

Sentido de la corriente generada

Esta corriente eléctrica fluye en sentido opuesto a la flecha del diodo y se llama

corriente de fuga.

El fotodiodo se puede utilizar como dispositivo detector de luz, pues convierte la luz en

electricidad y esta variación de electricidad es la que se utiliza para informar que hubo

un cambio en el nivel de iluminación sobre el fotodiodo.

Si el fotodiodo quedara conectado, de manera que por él circule la corriente en el

sentido de la flecha (polarizado en sentido directo), la luz que lo incide no tendría efecto

sobre él y se comportaría como un diodo semiconductor normal.

La mayoría de los fotodiodos vienen equipados con un lente que concentra la cantidad

de luz que lo incide, de manera que su reacción a la luz sea más evidente.

A diferencia del LDR o fotorresistencia, el fotodiodo responde a los cambios de

oscuridad a iluminación y viceversa con mucha más velocidad, y puede utilizarse en

circuitos con tiempo de respuesta más pequeño.

Si se combina un fotodiodo con una transistor bipolar, colocando el fotodiodo entre el

colector y la base del transistor (con el cátodo del diodo apuntado al colector del

transistor), se obtiene el circuito equivalente de un fototransistor.


http://www.unicrom.com/Tut_estructura_materia_y_electricidad.asp







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Fototransistor

Fototransistor = Fotodiodo + Transistor

Un fototransistor es, en esencia, lo mismo que un transistor normal, solo que puede trabajar de 2 maneras diferentes:

- Como un transistor normal con la corriente de base (IB) (modo común)

- Como fototransistor, cuando la luz que incide en este elemento hace las veces de corriente de base. (IP) (modo de iluminación).

Se pueden utilizar las dos en forma simultánea, aunque el fototransistor se

utiliza principalmente con la patita de la base sin conectar. (IB = 0)

La corriente de base total es igual a corriente de base (modo común) + corriente

de base (por iluminación): IBT = IB + IP

Si se desea aumentar la sensibilidad del fototransistor, debido a la baja

iluminación, se puede incrementar la corriente de base (IB), con ayuda de

polarización externa

El circuito equivalente de un fototransistor, es un transistor

común con un fotodiodo conectado entre la base y el colector,

con el cátodo del fotodiodo conectado al colector del transistor

y el ánodo a la base.

El fototransistor es muy utilizado para aplicaciones donde la

detección de iluminación es muy importante. Como el

fotodiodo, tiene un tiempo de respuesta muy corto, solo que su

entrega de corriente eléctrica es mucho mayor.

En el gráfico se puede ver el circuito equivalente de un fototransistor. Se

observa que está compuesto por un fotodiodo y un transistor. La corriente que

entrega el fotodiodo (circula hacia la base del transistor) se amplifica β veces, y

es la corriente que puede entregar el fototransistor.

Nota: β es la ganancia de corriente del fototransistor.




http://www.unicrom.com/Tut_fotodiodo.asp


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Diodo LED

Diodo LED. Diodo emisor de luz. Light-Emitting Diode

Si alguna vez ha visto, unas pequeñas luces de diferentes colores que se encienden y

apagan, en algún circuito electrónico, ha visto los diodo LED en funcionamiento.

Símbolo del diodo LED

El LED es un tipo especial de diodo, que trabaja como un diodo común, pero que al ser

atravesado por la corriente eléctrica, emite luz.

Existen diodos LED de varios colores que dependen del material con el cual fueron

construidos. Hay de color rojo, verde, amarillo, ámbar, infrarrojo, entre otros.

Eléctricamente el diodo LED se comporta igual que un diodo de silicio o germanio.

Si se pasa una corriente a través del diodo semiconductor, se inyectan electrones y

huecos en las regiones P y N, respectivamente.

Dependiendo de la magnitud de la corriente, hay recombinación de los portadores de

carga (electrones y huecos).

Hay un tipo de recombinaciones que se llaman recombinaciones radiantes (aquí la

emisión de luz). La relación entre las recombinaciones radiantes y el total de

recombinaciones depende del material semiconductor utilizado (GaAs, GaAsP,y GaP)

Dependiendo del material de que está hecho el LED, será la emisión de la longitud de

onda y por ende el color.

Debe de escogerse bien la corriente que atraviesa el LED para obtener una buena

intensidad luminosa y evitar que este se pueda dañar.

El LED tiene un voltaje de operación que va de 1.5 V a 2.2 voltios aproximadamente y

la gama de corrientes que debe circular por él está entre los 10 y 20 miliamperios (mA)






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en los diodos de color rojo y de entre los 20 y 40 miliamperios (mA) para los otros

LEDs.

Los diodos LED tiene enormes ventajas sobre las lámparas indicadoras comunes, como

su bajo consumo de energía, su mantenimiento casi nulo y con una vida aproximada de

100,000 horas.

El diodo LED debe ser protegido. Una pequeña cantidad de corriente en sentido inverso

no lo dañará, pero si hay picos inesperados puede dañarse.

Una forma de protegerlo es colocar en paralelo con el diodo LED pero apuntando en

sentido opuesto un diodo de silicio común.

Aplicaciones tiene el diodo LED. Se utiliza ampliamente en aplicaciones visuales,

como indicadoras de cierta situación específica de funcionamiento.

Ejemplos

- Se utilizan para desplegar contadores

- Para indicar la polaridad de una fuente de alimentación de corriente continua.

- Para indicar la actividad de una fuente de alimentación de corriente alterna.

- En dispositivos de alarma, etc.

Las desventajas del diodo LED son que su potencia de iluminación es tan baja, que su

luz es invisible bajo una fuente de luz brillante y que su ángulo de visibilidad está entre

los 30° y 60°. Este último problema se corrige con cubiertas difusoras de luz.






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Diodo Láser. Luz Láser

Diodo láser. Luz monocromática coherente.

El diodo láser se obtuvo como resultado de la continuación del desarrollo del diodo LED.

La palabra LASER proviene de las siglas en inglés:

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

que significa:

Amplificación de luz por Emisión estimulada de radiación

Lo anterior se refiere a un extraño proceso cuántico, donde la luz característica

emitida por electrones cuando pasan de un estado de alta energía a un estado de menor energía, estimulan a otros electrones para crear "saltos" similares.

El resultado es una luz sincronizada que sale del material.

Otra característica importante es que la luz

emitida no sólo tiene la misma frecuencia

(color), sino también la misma fase. (también está sincronizada).

Este es el motivo por el cual luz láser se

mantiene enfocada aún a grandes

distancias.

En el caso de una fuente de luz blanca común, esta genera todos los diferentes

colores (a sus respectivas frecuencias) en forma de rayos dispersos (van en diferentes direcciones) y no están en fase.

En el caso de una fuente de luz láser todos

los rayos son del mismo color

(monocromáticos) o lo que es lo mismo, tienen la misma frecuencia y están en fase

Nota:los colores del gráfico no guardan relación con los colores ni la frecuencia que irradia la luz en la realidad

Los diodos LED comunes, irradian una sola luz (son monocromáticos), una sola frecuencia, pero no están en fase y se propagan en forma dispersa.

En cambio los diodos LASER, producen una luz coherente.

Esta luz no sólo es monocromática (un solo color), sino que es monofásica (están

en fase), resultando en un rayo de luz muy preciso.




Unicrom Página 123

Los diodos LASER tienen una gran cantidad de aplicaciones, lectura y escritura

de discos ópticos, donde sólo un rayo de luz muy angosto puede ver una área

microscópica en la superficie de un disco.

Para mediciones precisas en donde es indispensable un rayo de luz que no se disperse.

Algunos diodos láser requieren de circuitos que generen pulsos de alta potencia,

para entregar grandes cantidades de voltaje y corriente en pequeños instantes de tiempo.

Otros diodos láser necesitan de un funcionamiento continuo pero a menor

potencia.

Con el envejecimiento los diodos láser podrían necesitar mas corriente para

generar la misma potencia entregada. Pero no hay que olvidarse que estos elementos tienen una vida muy larga.





Unicrom Página 124

Display de 7 segmentos

El displays de 7 segmentos, es un componente que se utiliza para la representación de

números en muchos dispositivos electrónicos.

Cada vez es más frecuente encontrar LCD´s en estos equipos (debido a su bajísima

demanda de energía), todavía hay muchos que utilizan el display de 7 segmentos por su

simplicidad.

Este elemento se ensambla o arma de manera que se pueda activar cada segmento

(diodo LED) por separado logrando de esta manera combinar los elementos y

representar todos los números en el display (del 0 al 9).

El display de 7 segmentos más común es el de color rojo, por su facilidad de

visualización.

Cada elemento del display tiene asignado una letra que identifica su posición en el

arreglo del display. Ver el gráfico

- Si se activan o encienden todos los segmentos se forma el número "8"

- Si se activan solo los segmentos: "a,b,c,d,f," se forma el número "0"

- Si se activan solo los segmentos: "a,b,g,e,d," se forma el número "2"

- Si se activan solo los segmentos: "b,c,f,g," se forma el número "4"

p.d. representa el punto decimal

El display ánodo común

En el display ánodo común, todos los ánodos de los diodos LED unidos y conectados

a la fuente de alimentación. En este caso para activar cualquier elemento hay que poner

el cátodo del elemento a tierra a través de una resistencia para limitar la corriente que

pasa por el elemento

El display cátodo común

http://www.unicrom.com/Tut_LCD.asp






Unicrom Página 125

El display cátodo común tiene todos los ánodos de los diodos LED unidos y

conectados a tierra. Para activar un segmento de estos hay que poner el ánodo del

segmento a encender a Vcc (tensión de la fuente) a través de una resistencia para limitar

el paso de la corriente

También hay display alfanuméricos que permiten representar tanto letras como

números



Unicrom Página 126

LCD: Display de Cristal Líquido (Liquid Crystal Display)

Los LCD son visualizadores pasivos, esto significa que no emiten luz como el

visualizador o display alfanumérico hecho a base de un arreglo de diodos

LEDs. Es por esa razón que, algunas veces, cuando intentamos ver la hora en un reloj que utiliza esta tecnología, es necesario una fuente de luz adicional.

El LCD tiene muy bajo consumo de energía si se lo compara con el display o

visualizador alfanumérico y son compatibles con la tecnología CMOS,

característica que permite que se utilice en equipos portátiles (ejemplo: los relojes

de pulsera, calculadoras, etc.).

Tiene una vida aproximada de 50,000 horas. Hay diferentes tipos de

presentaciones y son muy fáciles de configurar. Hay desde visualizadores

comunes de 7 segmentos, hasta una matriz de puntos, todos ellos muy delgados.

¿Cómo funciona un LCD?

El LCD modifica la luz que lo incide. Dependiendo de la polarización que se esté

aplicando, el LCD reflejará o absorberá más o menos luz. Cuando un segmento

recibe la tensión de polarización adecuada no reflejará la luz y aparecerá en la

pantalla del dispositivo como un segmento oscuro. Seguro que más de un lector

habrá visto este fenómeno en calculadoras, relojes, etc.

El líquido de un LCD está entre dos placas de vidrio paralelas con una separación

de unos micrones. Estas placas de vidrio tienen unos electrodos especiales que definen, con su forma, los símbolos, caracteres, etc. que se visualizarán.

La superficie del vidrio que hace contacto con el líquido es tratada de manera que

induzca la alineación de los cristales en dirección paralela a las placas. Esta

alineación permite el paso de la luz incidente sin ninguna alteración.

Cuando se aplica la polarización adecuada entre los electrodos, aparece un campo

eléctrico entre estos electrodos (campo que es perpendicular a las placas) y esto

causa que las moléculas del liquido se agrupen en sentido paralelo a este (el

campo eléctrico) y cause que aparezca una zona oscura sobre un fondo claro

(contraste positivo). De esta manera aparece la información que se desea mostrar.







Unicrom Página 127

Modos de visualización del LCD (Liquid Crystal Display)

Modos de visualización:

Modo reflector:

En esta modo el sistema

LCD utiliza un reflector

de difusión (una lámina

reflectora), que refleja la

luz ambiente a través del

visualizador.

Excelente para áreas

donde siempre hay luz

disponible y como no

requiere de una fuente

de energía se puede

utilizar con baterías. Este

modo ofrece un alto

contraste.

Modo transmisor:

En este modo el

visualizador LCD es

iluminado desde atrás en

forma artificial. Se utiliza

mucho para

visualizaciones negativas

(segmentos claros sobre

fondo oscuro).

Modo transflector:

Este modo es un híbrido

de los dos modos antes

mencionados y se utiliza

para desplegar la

información bajo

cualquier condición de iluminación.

En este modo el display

LCD refleja tanto la luz

ambiente como la luz

artificial de fondo difusa

para uso nocturno.

Se puede introducir color en los visualizadores LCD de las siguientes maneras:

- Polarizadores selectivos de color.

Estos producen segmentos de color sobre un fondo brillante o segmentos brillantes sobre un fondo de color.

- Filtros de color.

Pueden ser una lámina o estar impresos en el visualizador. Estos filtros trabajan mejor con iluminación trasera.

- Luz trasera de color.

Cuando los segmentos no han sido energizados, aparecen oscuros, pero cuando se energizan permiten el paso de la luz de color.

http://www.unicrom.com/Tut_comofuncionanbaterias.asp


Unicrom Página 128

La lámpara incandescente

¿Cómo está construida una lámpara incandescente?

El componente principal de la lámpara incandescente es el filamento, que

cuando pasa corriente a través de él, puede ser calentado como resistencia hasta

el estado incandescente, manteniéndose en este estado por mucho tiempo.

Este filamento tiene que fabricarse de un material con un alto punto de fusión

(punto en que por la temperatura se derrita) y este es el Tungsteno cuyo punto

de fusión es 3655 °K (grados Kelvin). Este filamento debe estar protegido en un medio que evite que se deteriore.

Este ambiente se logra poniéndolo dentro de un bulbo, bombillo o ampolla de

vidrio que este al vacío o con un gas inerte.

La lámparas incandescentes con filamento de tungsteno es mucho más eficiente que las que tiene otros materiales.

El filamento de tungsteno se torna incandescente

a partir de los 1000 °K (grados Kelvin),

pudiendo llegar a 1800 °K y 2500 °K lo que

significa que su eficiencia luminosa está entre

1 y 8 lumens por vatio (lumen es una unidad de medida de intensidad de luz).

Mientras más se aumenta la temperatura del

filamento (aumentando el voltaje entre sus terminales) , la luz emitida por él es

más blanca. No es conveniente incrementar el voltaje que alimenta un filamento

pues esto reduce la vida útil de la lámpara. De hecho es necesario un corto

período de calentamiento luego de encenderla, para después alcanzar su

temperatura estable.

La longitud del filamento lo define el voltaje de operación del bulbo, a más

voltaje, más largo es el filamento y a veces significa más soportes internos dentro del bulbo de vidrio

Si una lámpara necesita menor corriente para emitir luz, el grosor del filamento será menor.

Este filamento se mantiene en su posición dentro del bulbo con ayuda de unos

alambres electrodos, que son los que permiten que la conexión eléctrica con el exterior del bulbo sea posible

Si las lámparas son del tipo miniatura, los alambres electrodos salen directamente

al exterior, en otros casos utilizan un casquillo enroscable o con unos pequeños

pines laterales (se utilizan en los automóviles). Una lámpara de tungsteno puede

operar con cualquier tipo de fuente de tensión, sea de corriente continua o

corriente alterna, aunque la vida de la lámpara es menor cuando opera en corriente continua









Unicrom Página 129

Principios de operación de una lámpara incandescente

con filamento de tungsteno

Una lámpara incandescente tiene como elemento principal un filamento de tungsteno. Este filamento convierte la energía eléctrica en luz y calor.

La luz irradiada es un espectro continuo compuesto principalmente de energía en

la región gama infrarroja cercana, una cantidad útil en la región visible y una muy pequeña en la región ultravioleta.

Todo lo anterior varía según la temperatura que tenga el filamento de tungsteno.

Si la temperatura del filamento aumenta, la radiación de luz se desplaza a a

longitudes de onda más cortas, dando una mayor proporción a la radiación visible y una luz más blanca.

La sensibilidad del ojo humano abarca desde aproximadamente de 400 nm en azul

hasta 700 nm en rojo y la sensibilidad pico está en los 555 nm en el color verde. Todo esto dentro de la gama visible

Eficiencia luminosa

La eficiencia luminosa es la relación entre el flujo luminoso emitido y la potencia

consumida y se expresa en lumens / watts. La eficiencia es controlada por la

temperatura de operación del filamento. El problema es que a mayor temperatura

del filamento mayor es la velocidad de evaporación del tungsteno y por consiguiente menor el tiempo de vida de la lámpara.

Unidades de medida

La unidad de medida para la luz son las unidades fotométricas. La fotometría trata

la sensibilidad relativa del ojo a diferentes longitudes de onda

La velocidad del flujo o caudal de una salida de luz es conocida como flujo

luminoso, y.....

El flujo luminoso emitido por unidad de ángulo sólido en una dirección es conocido como intensidad de luz.

La salida luminosa de una lámpara con filamento de tungsteno es medida como el

flujo luminoso total emitido en todas direcciones, y esto se expresa en lumens

Cuando la lámpara tiene una salida luminosa direccional (lámparas que utilizan un

lente), la "iluminnancia" del foco proyectado es expresado en Lux, que que es una medida de la luz que incide sobre una superficie:

1 Lux = 1 lumen / m

También se utiliza el siguiente término

1 lumen / pie = 10.76 lux aproximadamente




Unicrom Página 130

La emisión infrarroja de una lámpara de tungsteno

Como se comento antes, mucha de la radiación de una lámpara de tungsteno está

en la región infrarroja, en especial si el filamento está a temperaturas menores.

Las longitudes de onda que abarcan hasta 3000 nm son transmitidas casi sin

pérdidas por el bulbo de vidrio.

Por este motivo las lámparas de tungsteno son especialmente eficientes para los

detectores de infrarrojos. Una lámpara de tungsteno utilizada como emisor de infrarrojo tiene más tiempo de vida pues se puede alimentar a menor tensión.

Notas: nm = nanometros



Unicrom Página 131

Lámpara de tubo fluorescente

Ventajas de la lámpara fluorescente.

La lámpara fluorescente tiene mucha ventajas si se la compara con la lámpara incandescente.

Las más importante son:

- Un consumo de corriente que puede ser hasta tres veces menor que la de

una lámpara incandescente

- Mejor respuesta de color. Es fácil observar que los colores son más fieles al

verdadero.

- La emisión de luz es de 4 a 6 veces mayor que la de una lámpara

incandescente de la misma potencia

- Provee una luz más uniforme y menos deslumbrante, porque el ára de

iluminación es mayor

- Calentamiento reducido - La duración promedio de vida es de 7500 horas en condiciones normales.

Las lámparas fluorescentes son de descarga, de baja presión. Se pueden elegir

entre diferentes clases de luz y se construyen de varias formas y tamaños. Hay de un pin y de 2 pines

La lámpara fluorescente está compuesta de un tubo de vidrio que está revestido por su parte interior con una sustancia fluorescente.

Dentro del tubo hay gases y vapor de mercurio a baja presión. Este tubo tiene, en sus dos extremos, un filamento y un electrodo sensor. Ver el diagrama.

Constitución de una lámpara fluorescente

- Pines de contacto

- Filamentos de wolframio

- Revestimiento (sustancia fosforada) - Gas, que puede ser: argón, neón, et. y gotas de mercurio







Unicrom Página 132

Tubo fluorescente de precalentamiento

Cuando circula una corriente eléctrica por los filamentos de un tubo

fluorescente, éstos se vuelven incandescentes. Ver el gráfico B

Como los filamentos tienen un revestimiento de bario (emisivo), emiten

electrones que ionizan el gas argón, volatilizan el mercurio y convierten el gas

en conductor. Ver el primer gráfico.

La corriente eléctrica puede entonces circular a través del tubo fluorescente.

El gas se vuelve conductor debido al sobrevoltaje provocado por el balastro cuando la corriente circula por el arrancador. Ver gráfico A

El arrancador abre y cierra el circuito mediante una lámina bimetálica y ésto

hace que las bobinas del balastro, mediante el fenómeno de inducción, provoquen un sobrevoltaje instantáneo que convierte el gas en conductor.

Al chocar los electrones dentro del tubo fluorescente con el gas de mercurio y el gas argón o neón, producen una luz ultravioleta.

Esta luz al incidir sobre la capa fosforada que reviste el tubo, produce la luz fluorescente característica de estas lámparas.

Una vez que el tubo fluorescente haya arrancado el arrancador (la lámina

bimetálica) no trabaja más y no permite el paso de la corriente a través de él, quedando sólo el balastro. Ver gráfico C.





Unicrom Página 133

Temporizador 555. Distribución de patillas

El temporizador 555 es un excepcional circuito integrado, muy difundido en nuestros

días.

Nació hace más de 30 años y continúa utilizándose actualmente, puede ver una Breve

reseña histórica del temporizador 555

Se puede ver de las figuras que, independientemente del tipo de encapsulado, la

numeración de las patillas del temporizador es la misma.

El 556 es un circuito integrado con 2 temporizadores tipo 555 en una sola unidad de

14 pines y el 558 tiene 4 temporizadores tipo 555 en una sola unidad de 14 pines.

Ver las representaciones del temporizador 555

Distribución de pines del temporizador 555

1 - Tierra o masa

2 - Disparo: Es en esta patilla, donde se establece el inicio del tiempo de retardo, si el

555 es configurado como monostable. Este proceso de disparo ocurre cuando este pin

va por debajo del nivel de 1/3 del voltaje de alimentación.

Este pulso debe ser de corta duración, pues si se mantiene bajo por mucho tiempo la

salida se quedará en alto hasta que la entrada de disparo pase a alto otra vez.

3 - Salida: Aquí veremos el resultado de la operación del temporizador 555, ya sea

que esté conectado como monostable, astable u otro.

Cuando la salida es alta, el voltaje de salida es el voltaje de aplicación (Vcc) menos 1.7

Voltios. Esta salida se puede obligar a estar en casi 0 voltios con la ayuda de la patilla #

4 (reset)

4 - Reset: Si se pone a un nivel por debajo de 0.7 Voltios, pone la patilla de salida # 3 a

nivel bajo. Si por algún motivo esta patilla no se utiliza hay que conectarla a Vcc para

evitar que el 555 se "resetee"

5 - Control de voltaje: Cuando el temporizador 555 se utiliza en el modo de

controlador de voltaje, el voltaje en esta patilla puede variar casi desde Vcc (en la

practica como Vcc-1 voltio) hasta casi 0 V (en la practica aprox. 2 Voltios). Así es

posible modificar los tiempos en que la patilla # 3 esta en alto o en bajo independiente

http://www.unicrom.com/Art_historia_555.asp

http://www.unicrom.com/Art_historia_555.asp



Unicrom Página 134

del diseño (establecido por las resistencias y condensadores conectados externamente al

555).

El voltaje aplicado a la patilla # 5 puede variar entre un 45% y un 90 % de Vcc en la

configuración monostable.

Cuando se utiliza la configuración astable, el voltaje puede variar desde 1.7 voltios

hasta Vcc. Modificando el voltaje en esta patilla en la configuración astable causará la

frecuencia original del astable sea modulada en frecuencia (FM).

Si esta patilla no se utiliza, se recomienda ponerle un condensador de 0.01uF para evitar

las interferencias

6 - Umbral: Es una entrada a un comparador interno que tiene el 555 y se utiliza para

poner la salida (Pin # 3) a nivel bajo bajo

7 - Descarga: Utilizado para descargar con efectividad el condensador externo utilizado

por el temporizador para su funcionamiento.

8 - V+: También llamado Vcc, es el pin donde se conecta el voltaje de alimentación que

va de 4.5 voltios hasta 16 voltios (máximo). Hay versiones militares de este integrado

que llegan hasta 18 Voltios

El temporizador 555 se puede conectar para que funcione de diferentes maneras, entre

los mas importantes están: multivibrador astable y como multivibrador monoestable



http://www.unicrom.com/tut_comparadores.asp


Unicrom Página 135

Multivibrador astable con circuito integrado 555

Multivibrador Astable con circuito integrado 555

Este tipo de funcionamiento del temporizador 555 se caracteriza por una salida

con forma de onda cuadrada (o rectangular) continua de ancho predefinido

por el diseñador del circuito.

El esquema de conexión y las formas de onda de entrada y salida del multivibrador astable se muestran en los siguientes gráficos.

La señal de salida tiene un nivel alto por un tiempo T1 y en un nivel bajo un tiempo T2.

Los tiempos de duración dependen de los valores de las resistores: R1 y R2 y del capacitor C1.

Conexión y onda de salida del multivibrador astable con temporizador 555

T1 = 0.693(R1+R2)C1 y T2 = 0.693 x R2 x C1 (en segundos)

La frecuencia con que la señal de salida oscila está dada por la fórmula:

f = 1 / [0.693 x C1 x (R1 + 2 x R2)]

y el período es simplemente = T = 1 / f

Hay que recordar que el período es el tiempo que dura la señal hasta que ésta se

vuelve a repetir (Tb - Ta), ver el gráfico.




Unicrom Página 136

Multivibrador monostable con temporizador 555

Multivibrador monoestable con circuito integrado 555

El multivibrador monostable entrega a su salida un solo pulso de un ancho establecido por el diseñador (tiempo de duración).

El esquema de conexión y las formas de onda de la entrada y salida se muestran

en los siguientes gráficos.

Ver que el tiempo en nivel alto de la salida de multivibrador monostable depende del resistor R1 y el capacitor C1.

La fórmula para calcular el tiempo de duración (tiempo que la salida esta en nivel alto) es:

T = 1.1 x R1 x C1 (en segundos)

Conexión y onda de salida del multivibrador monostable con temporizador 555

Observar que es necesario que la señal de disparo, sea de nivel bajo y de muy corta duración en el PIN # 2 del circuito integrado para iniciar la señal de salida.




Unicrom Página 137

Multivibrador astable con temporizador 555 y t1 = t2

Por: Jorge Olaves I. [email protected] Maracaibo-Edo Zulia, Venezuela.

El circuito astable original que se diseña con el temporizador 555 no permite obtener t1 = t2.

Este siguiente circuito, con la ayuda de unos elementos adicionales diodos (D1 y D2) y haciendo que las resistencias R = R' logra este cometido.

El circuito permite generar una onda cuadrada con t1 = t2, aplicando t = 0.693 RC solamente, no así con t1 = 0.693 R1C y t2 = 0.693 (R1+R2) donde t1 = t2.

Los tiempos de carga y descarga del condensador son iguales, dada la

imaginación del lector este puede llevarse a diversos planos, tales como: el

disparo para realizar un inversor CC - CA, sincronización de señal para determinar una frecuencia.

Oscilador astable con un temporizador 555 donde t1 = t2

T = t1 + t2

El periodo:T = t1 + t2 y la frecuencia: f = 1 / T

Recordar que el período es el tiempo que dura la señal desde que se inicia en un momento dado hasta que éste se vuelve a repetir.

mailto:[email protected]






Unicrom Página 138

El temporizador (timer), fundamentos, control electrónico

El Temporizador (Timer): Circuito fundamental para el control electrónico Por: Jorge L. Jiménez. Director de LADELEC www.ladelec.com

Barranquilla, Colombia Octubre 2006

Tutorial teórico-práctico sobre el circuito Temporizador; contiene fundamentos, modos, ajustes y aplicaciones de los temporizadores.

Dirigido a personas con conocimientos básicos de electrónica.

Fundamentos

Iniciamos el tutorial con un ejemplo real. Arma el circuito de la figura 1. Pulse momentáneamente el suiche y al soltarlo observe el brillo del led.

Ahora cambie el C por uno de 470uF/25V y repita el proceso.

Concluimos que el tiempo de descarga del C es mayor cuando aumenta su valor en uF.

Ahora veamos la carga del C. Armamos el circuito de

la figura 2. Con la ayuda de un tester ó multímetro

mida el voltaje DC en los pines del C y observe como

va aumentando lentamente su voltaje de carga. Ahora cambie la R por una de 1M y mida nuevamente.

Concluimos que el tiempo de carga es mayor cuando aumenta el valor de R.

Esto nos marca el principio de funcionamiento de los temporizadores a saber que el tiempo viene dado por el circuito RC asociado.

Un circuito completo real de un temporizador lo

observamos en la figura 3. El temporizador

estará activo un período igual a:

t = 1.1( R . C)

Si queremos que este circuito maneje cargas

reales de 120VAC debemos utilizar la señal

activa en alto del pin 3 (salida) y amplificarla

mediante un transistor driver. Este activará un

relé que servirá para manejar lo que queramos acorde a la capacidad de sus

contactos. Un circuito real que maneja la válvula de agua de un sistema sanitario por un tiempo ajustado en el temporizador es el siguiente:


http://www.unicrom.com/TUT_555.ASP







Unicrom Página 139

Observe que en esencia es el mismo circuito, solo se han agregado unos cuantos dispositivos para dar una aplicación real.


Unicrom Página 140

El Temporizador (Timer): Circuito fundamental para el control electrónico Ajustes, modos, aplicaciones

Ajustes

Al saber que el tiempo o período es igual a

t = 1.1( R . C)

deducimos que para ajustar el tiempo solo debemos variar uno de los dos valores;

bien sea C ó R. El resultado será un mayor o menor tiempo dependiendo si es

mayor o menor el valor de R ó C. Usualmente se varía R cambiándola por un potenciómetro ya que es más fácil.

Ahora bien hay un circuito temporizador que se ajusta con suiches de selección el

cual es el que mostramos a

continuación con su tabla de

tiempos

Como puedes observar es el

mismo principio de

funcionamiento ya que en el

pin 1 y 2 van los componentes

R C; el suiche pulsador de

inicio está en el pin 6 que

viene haciendo las veces del

suiche de la figura 1 y los

suiches de selección de

temporización propios del

integrado se conectan al pin 12

y 13.

De esta forma uno programa

cuanto tiempo va a activar o temporizar el circuito.

Modos

Hasta aquí hemos visto como

trabaja el temporizador activando una carga desde que le damos start ó inicio.

Podemos decir que este es el modo activo en alto. Sin embargo puede

presentarse una necesidad que haga todo lo contrario: es decir que se active en

bajo y pase a alto solo después que haya pasado el temporizado. Este es el caso

de los protectores de nevera que al recibir energía no la conectan enseguida sino

solo después de que ha pasado el temporizado. Para ello solo tenemos que invertir

la posición de los componentes R y C. La R que estaba arriba se coloca donde iba

el C y el C pasa al lugar de la R. Todo lo demás queda igual y solo resta colocarle el circuito de potencia que queramos.



Unicrom Página 141

Aplicaciones

Los temporizadores están presentes en casi todos los circuitos electrónicos.

Aparte de los ejemplos mostrados tenemos uno muy usual en la industria: Un sistema temporizado secuencial de procesos.

El circuito esta mostrado abajo y sirve para controlar un proceso (por ejemplo una

inyectora de plásticos) y al terminar el proceso reiniciarse automáticamente.

Por: Jorge L. Jiménez. www.ladelec.com



Unicrom Página 142

Amplificador Operacional: Características, ganancia a lazo abierto

Historia

El Amplificador Operacional fue desarrollado para ser utilizado en computadoras

analógicas en los inicios de los años 1940.

Los primeros Amplificadores Operacionales (Op. Amp.) utilizaban los tubos al vacío,

eran de gran tamaño y consumían mucha potencia.

En 1967 la empresa "Fairchild Semiconductor" introdujo al mercado el primer

amplificador operacional en la forma de un circuito integrado, logrando disminuir su

tamaño, consumo de energía y su precio.

Este dispositivo es un amplificador lineal de alto rendimiento, con una gran variedad de

usos.

Características del Op. Amp. (AO)

Básicamente el Amp. Op. (Op. Amp.) es un dispositivo amplificador de la diferencia de

sus dos entradas, con una alta ganancia, una impedancia de entrada muy alta, (mayor a 1

Megaohm) y una baja impedancia de salida (de 8 a 20 ohmios).

Con estas característica se deduce que las corrientes de entrada son prácticamente nulas

y que tiene la característica de poder entregar corriente relativamente alta (ver datos del

fabricante).

Internamente el Amplificador Operacional contiene un gran número de transistores,

resistores, capacitores, etc..

El terminal + es el terminal no inversor.

El terminal - es el terminal inversor

Hay varios tipos de presentación de los amplificadores operacionales, como el paquete

dual en línea (DIP) de 8 pines o patitas.

Para saber cual es el pin 1, se ubica una muesca entre los pines 1 y 8, siendo el # 1 el

pin que está a la izquierda de la muesca cuando se pone el integrado como se muestra en

el diagrama.

La distribución de los terminales del Amplificador operacional en el Circuito integrado

DIP de 8 patillas es:

http://www.unicrom.com/Tut_comofuncionantubos.asp








Unicrom Página 143

- pin 2: entrada inversora ( - )

- pin 3: entrada no inversora ( + )

- pin 6: salida (out)

Para alimentar un amplificador operacional se utilizan 2 fuentes de

tensión:

- una positiva conectada al pin 7 y

- otra negativa conectada al pin 4

También hay otra presentación con 14 pines. En algunas versiones no hay muesca, pero

hay un circulo pequeño cerca de la patita # 1.

Ganancia en lazo abierto

Esta ganancia es aquella que tiene el amplificador operacional cuando no existe

ningún camino de realimentación entre la salida y alguna de las dos entradas. Ver el

diagrama inferior.

La ganancia del amplificador en lazo abierto está dada por la siguiente fórmula:

AV = Vsal/Vent

Donde:

AV = ganancia de tensión

Vsal = tensión de salida

Vent = tensión de entrada

En un amplificador operacional ideal, esta ganancia es infinita. Como el operacional

es real, su ganancia está entre 20,000 y 200,000 (en amplificador operacional 741C).

Este tipo de configuración se utiliza en comparadores, en donde lo que se desea es saber

cual de las dos entradas tiene mayor tensión.





Unicrom Página 144

Amplificador Operacional Ganancia en lazo cerrado (realimentación)

Para poder controlar la ganancia de tensión que tiene un amplificador operacional,

se le provee de una realimentación negativa, que hará que este circuito sea

mucho más estable. La ganancia es dada por la siguiente fórmula: AV = - Vo / Vin.

El signo menos indica que la señal en la salida será la opuesta a la entrada (sale

invertida, una tensión positiva aplicada a la entrada produce una tensión negativa a la salida).

El valor de la ganancia está dada por: AV = - R2 / R1

Si se modifican los valores de R2 y R1, se modifica la ganancia.

Ejemplo:

Si R2 = 500 Kohmios y R1 = 10 Kohmios, entonces AV = - Vo / Vin = - R2 / R1 = - 500 / 10 = - 50.

La ganancia será de 50 y la señal a la salida estará

invertida (signo menos)

Amplificación en CC (amplificador

inversor)

Si al amplificador con ganancia de 50 mencionado en

el párrafo anterior, se la aplica una señal de 0.1

voltios = 100 mV (milivoltios) en la entrada, la salida será:

Vo = - Av x Vin = - 50 x 0.1V. = - 5 V.

La entrada positiva y salida la salida está ampliada e invertida (negativa).

Nota: El gráfico no está a escala




Unicrom Página 145

Amplificador Operacional Amplificador inversor, respuesta de frecuencia, saturación, tierra virtual

El amplificador inversor amplifica e invierte (ver el signo menos) una señal de

corriente alterna. En este caso la señal alterna de entrada sale amplificada en la salida, pero también desfasada 180° (invertida).

La ganancia de tensión se obtiene con la fórmula:

AV = -Vsal/Vent y AV = -R2/R1

Si Vent = 0.1 V = 100 mV y Vsal = -10 V, entonces AV = -10 / 0.1 = -100.

Las magnitudes de la señales alternas se pueden medir en tensión pico, pico-pico o RMS.

Respuesta de frecuencia

El amplificador operacional no amplifica de la misma manera para todo el rango

de frecuencias. Conforme la frecuencia de la señal a amplificar aumenta, la

capacidad del Amplificador Operacional para amplificar disminuye.

Hay una frecuencia en particular para la cual la

ganancia de tensión ha disminuido al 70.7 % de

la ganancia a frecuencias medias. (la ganancia a disminuido en 3 dB. (decibeles))

Esta es la frecuencia de corte y nos indica el límite superior del ancho de banda (BW) de este Op. Amp.

Saturación

Si se aumenta la señal de entrada en amplificador operacional, aumentará

también la salida. Pero hay un límite máximo al que puede llegar la salida

(aproximadamente entre 1.5 y 2 voltios menos que la tensión entregada por las

fuentes de alimentación). Después de esta tensión, aunque aumentemos la entrada la salida no aumentará

Entonces hay una señal de entrada máxima que hará que la señal de salida llegue

también a su máximo. (máximo permitido por la fuente). Si señal de entrada es

mayor a ésta se produce la saturación y la tensión de salida será recortada en los

picos negativos y positivos. Ver figura.



http://www.unicrom.com/Tut_rms_promedio.asp


http://www.unicrom.com/Tut_decibel.asp



Unicrom Página 146

Tierra virtual

Cuando un amplificador operacional no está saturado, trabaja en condiciones

normales.

Así la diferencia de tensión entre la entrada inversora y tierra es casi 0 voltios.

Entonces se dice que la entrada inversora es una tierra virtual.

Si el amplificador entra en saturación, lo anterior ya no es cierto, pues aparece

una tensión entre la entrada inversora y tierra.

Enlaces relacionados

- Amplificador diferencial


- Generador de onda triangular, entrada senoidal en un integrador - Convertidor Tensión a Corriente con Amplificador operacional


http://www.unicrom.com/Tut_amplificador_diferencial.asp



http://www.unicrom.com/cir_convertidor-tension-corriente.asp


Unicrom Página 147

Amplificador Operacional Amplificador de fuente única, capacitor de bloqueo

Cuando se utilizan amplificadores operacionales, se indica que éstos deben de funcionar con dos tipos de tensión: una positiva y otra negativa.

Esto podría no ser un problema si se tiene más de una fuente, pero en equipos

portátiles es normal que sólo se utilice una fuente de tensión (como una batería o

pila)

Para lograrlo se elimina la fuente de tensión negativa y se implementa una

división de tensión. Ver que con esta división de tensión se elevó el nivel de

tensión que antes era 0 voltios y ahora tiene un valor igual a la mitad del valor de

la fuente de alimentación utilizada.

La división de tensión se implementa con dos

resistencias R3 y R4 y es aplicada a la entrada no inversora.

La tensión sobre R4 establece la tensión de

polarización aplicada a la entrada no inversora y

produce un desplazamiento en el nivel de tensión

en CC a la salida del amplificador. Ver la siguiente figura.

La tensión de salida será, de esta manera, similar a la salida original con dos

fuentes de tensión, pero desplazada en nivel en una cantidad igual a la tensión de

polarización (5 voltios si se supone que R3 = R4).

La tensión de polarización de obtiene con la siguiente fórmula:

Vpolarización = R4 / (R3 + R4) x Vfuente alimentación

La ganancia se obtiene con las fórmulas: Av = - Vo / Vin = - R2 / R1

Condensador / capacitor de bloqueo

Si se agrega un divisor de tensión se estaría entregando a la fuente de la señal de

entrada un nivel de corriente continua. Para evitar ésto se incluye en el paso de la

señal de entrada un condensador de bloqueo (C) que dejará pasar la señales

alternas y detendrá la corriente continua. (a esto se le llama desacoplar la fuente de señal de la entrada)


http://www.unicrom.com/Tut_comofuncionanbaterias.asp






Unicrom Página 148

Nota: Tomar en cuenta que tanto la entrada inversora, como la no inversora están

al mismo nivel de tensión y que si se pone un nivel de tensión en CD en la entrada

no inversora, también aparecerá en la entrada inversora.




- Generador de onda triangular, entrada senoidal en un integrador





Unicrom Página 149

Amplificador Operacional No inversor, ganancia de tensión, impedancia de entrada y salida

En este caso la señal a amplificar se aplica al pin no inversor (+) del amplificador

operacional. Como el nombre lo indica, la señal de salida no está invertida respecto a la entrada

Del gráfico se ve que la tensión en R1 es igual a VR1 = [R1 / (R1 + R2)] x Vsal (por división de tensión)

En operación normal la tensión entre las entradas (inversora y no inversora) es

prácticamente cero, lo que significa que la entrada Ven es igual a VR1. Entonces

con Ven = VR1, y con la formula anterior

Ven = [R1 / (R1 + R2)] x Vsal.

Despejando para Vsal / Vent (ganancia de tensión)

AV = Vsal / Ven = (R1 + R2 ) / R1 = R1 / R1 + R2 / R1 entonces AV = 1 + R2 / R1

De la anterior fórmula se deduce que la ganancia de tensión en este tipo de

amplificador será de 1 o mayor.

Impedancia de entrada

La impedancia de entrada del amplificador no inversor es mucho mayor que la del

amplificador inversor. Se puede obtener este valor experimentalmente colocando

en la entrada no inversora una resistencia R de valor conocido. Ver el siguiente gráfico

En los terminales de la resistencia R habrá una

caída de tensión debido al flujo de una corriente

por ella que sale de la fuente de señal y entra en

el amplificador operacional. Esta corriente se

puede obtener con la ayuda de la ley de ohm: I = VR / R, donde VR = Ven - V(+)

Para obtener la impedancia de entrada se utiliza la siguiente fórmula (ley de Ohm):

Zin = V+ / I

Donde

- V(+): es la tensión en el terminal de entrada no inversor del amplificador

http://www.unicrom.com/Tut_divisionvoltaje.asp








Unicrom Página 150

operacional

- I : es la corriente anteriormente obtenida

Impedancia de salida

La impedancia de salida se puede obtener, como la impedancia de entrada, experimentalmente.

1 - Se mide la tensión en la salida del amplificador operacional sin carga Vca. (Al

no haber carga, no hay corriente y por lo tanto, no hay caída de tensión en Zo.)

2 - Se coloca después en la salida un resistor de valor conocido RL.

3 - Se mide la tensión en la carga (tensión nominal) = VRL

4 - Se obtiene la corriente por la carga con al ayuda de la ley de ohm: I = VRL /

RL

5 - Para obtener la impedancia de salida Zo se utiliza la siguiente formula:

Zo = [VCA - VRL] / I

Donde:

- Zo = impedancia de salida

- VCA = tensión de salida del operacional sin carga

- RL = resistencia de carga

- VRL = tensión de salida del amplificador operacional con carga

- I = corriente en la carga



- Integrador con amplificador operacional - Generador de onda triangular, entrada senoidal en un integrador





Unicrom Página 151

Comparador con Amplificador Operacional

Comparador Inversor

Un Amplificador Operacional puede ser utilizado para determinar cual de dos señales

en sus entradas es mayor. (se utiliza como comparador).

Basta con que una de estas señales sea ligeramente mayor para que cause que la salida

del amplificador operacional sea máxima, ya sea positiva (+Vsat) o negativa (-Vsat).

Esto se debe a que el operacional se utiliza en lazo abierto (tiene ganancia máxima)

La ganancia real de un amplificador operacional es de 200,000 o más y la fórmula de la

señal de salida es: Vout = AOL (V1 – V2)

Donde:

- Vout = tensión de salida

- AOL = ganancia de amplificador operacional en lazo abierto

(200,000 o más)

- V1 y V2 = tensiones de entrada (las que se comparan)

Vout no puede exceder la tensión de saturación del amplificador operacional, sea esta

saturación negativa o positiva. (normalmente este valor es unos 2 voltios menos que el

valor de la fuente ( V+ ó V- )

Del gráfico se ve que el valor de la entrada en V2 es mayor que la de V1 (que se utiliza

como referencia y tiene un valor fijo), hasta que en un momento t1, V2 cambia y ahora

es menor que V1.

Como V2 está conectado a la entrada no inversora del operacional, la salida (Vout) está

en saturación positiva, hasta que llega a t1, en donde la salida ahora está en saturación

negativa.

Comparador No inversor





Unicrom Página 152

En este comparador la tensión de referencia se aplica a la entrada inversora, y la señal a

detectar será aplicada a la entrada no inversora. La tensión de referencia puede ser

positiva o negativa.

- Si la señal a detectar tenga una tensión superior a la tensión de referencia, la salida

será una tensión igual a +Vsat (tensión de saturación positiva).

- Si la señal de entrada tiene una tensión inferior a la señal de referencia, la salida será

igual a -Vsat (tensión de saturación negativa)

Comparador Inversor

En este comparador la tensión de referencia se aplica a la entrada no inversora, y la

señal a detectar será aplicada a la entrada inversora. La tensión de referencia puede ser

positiva o negativa.

- Si la señal a detectar tenga una tensión superior a la tensión de referencia, la salida

será una tensión igual a -Vsat (tensión de saturación negativa).

- Si la señal de entrada tiene una tensión inferior a la señal de referencia, la salida será

igual a +Vsat (tensión de saturación positiva)


Unicrom Página 153

Comparador de ventana con operacionales (Op. Amp.)

Comparador de ventana con dos Amplificadores Operacionales

Algunas veces es necesario saber si una señal o nivel de tensión está dentro o fuera de un límite aceptable.

Con ayuda de un comparador (amplificador operacional) que controle el nivel

superior y otro comparador que controle el nivel inferior, se puede implementar

un comparador de ventana.

El nivel de tensión a censar (Vin) se aplica a la entrada inversora del operacional

que controla el límite superior (ver Vh) y también a la entrada no inversora del operacional que controla el límite inferior (ver VL). Ver el gráfico

Comparador de ventana con dos amplificadores operacionales

La lámpara sólo se encenderá cuando la salida de los amplificadores operacionales sea un nivel bajo.

Formas de onda de la salida y entrada del comparador de ventana

De los dos diagramas anteriores se puede ver con claridad que el nivel bajo a la

salida sucede cuando la señal de entrada (ver onda triangular) esta por encima

del límite superior (línea roja) y por debajo del límite inferior (línea azul). Este

nivel bajo en la salida activaría la lámpara o circuito de alarma que indica el

estado no permitido.




Unicrom Página 154

Comparador regenerativo


Unicrom Página 155

Comparador regenerativo con Amplificador Operacional (Disparador schmitt) Generador de onda cuadrada

Cuando se utiliza un comparador en su configuración básica, existe el

inconveniente de que sólo es necesario que la entrada a comparar tenga un nivel

ligeramente diferente al de referencia para que la salida pase a saturación positiva

o negativa.

Ver que el comparador en configuración básica está en lazo abierto (no tiene

resistencias de realimentación para controlar la ganancia del operacional) y su

ganancia es máxima. (saturación, ya sea positiva o negativa)

Esto significa que la señal a comparar debe ser una

señal libre de ruidos, (ver línea roja en el segundo

gráfico) pues estos causarían que hayan tensiones

de salida falsas.

Si una señal de entrada de 0.01 voltios fuera

afectada por ruido que tuviera una amplitud de 0.5

voltios pico-pico. Esta señal aun estando en la parte

positiva del gráfico, tendría un valor negativo no

deseado de 0.01 - 0.25 = - 0.16 voltios (valor negativo) salida errónea

Para evitar estas salidas falsas en el comparador se utiliza la realimentación positiva en el circuito.

La tensión de realimentación es la que aparece en el

resistor Rb, se aplica a la entrada no inversora del

amplificador operacional y se obtiene con ayuda de la fórmula:

Vrealimentación =

+/- Rb x Vsat/(Ra + Rb)

+Vrealimentación = VHL - Vrealimentación = VLH

(ver signos "+" y "–" que indican que hay dos

tensiones de realimentación, una positiva y una

negativa)

Analizar el gráfico de la derecha de izquierda a






Unicrom Página 156

derecha

- Cuando Ventrada < VHL entonces la Salida = V+ (voltaje de saturación

positivo)

- Cuando Ventrada > VHL entonces la Salida = V- (voltaje de saturación

negativo)

- La salida se mantendrá en voltaje de saturación negativa mientras la onda

triangular este por encima de VHL, después pase por cero ( 0 ) y seguirá así

hasta...

- Cuando Ventrada < VLH entonces la salida = V+ (voltaje de saturación

positivo)

- Cuando Ventrada > VLH entonces la salida = V+ (voltaje de saturación

positivo) y se mantendrá así hasta ....

- Cuando Ventrada > VHL entonces la Salida = V- (voltaje de saturación negativo)

Este circuito también se utiliza como generador de onda cuadrada partiendo de una onda triangular como se puede ver del gráfico anterior.

Este tipo de circuito, debido a su configuración, tiene una "curva de histéresis"

debido a que la salida sólo pasa de saturación positiva a negativa y viceversa

cuando Ventrada excede a los valores de tensión de realimentación tanto positiva

como negativa.

Ver: Histéresis


Unicrom Página 157

Integrador con Amplificador Operacional Área bajo la curva

Un circuito integrador realiza un proceso de suma llamado "integración". La

tensión de salida del circuito integrador es proporcional al área bajo la curva de

entrada (onda de entrada), para cualquier instante.

Integrador con un amplificador operacional

En el siguiente gráfico se puede ver una señal de entrada (línea recta) de 3 voltios que se mantiene continuo con el pasar del tiempo.

Onda de entrada

El el siguiente gráfico se muestra que el área bajo la curva en un momento

cualquiera es igual al valor de la entrada multiplicado por el tiempo. Vsal = Vent x t

Onda de salida

Por ejemplo:

al terminar el primer segundo, el área bajo la curva es Vent x t = 3 x 1 = 3

al terminar el siguiente segundo, el área bajo la curva es Vent x t = 3 x 2 = 6

al terminar el tercer segundo, el área bajo la curva es Vent x t = 3 x 3 = 9 al terminar el cuarto segundo, el área bajo la curva es Vent x t = 3 x 4 = 12

Dando los valores de resistor R = 1 MΩ y capacitor C = 1 uF al primer gráfico, el

valor de la tensión de salida es: Vsal = - (1 / RC) x Vent x t.

La ganancia de este amplificador en este caso es: -1 / (1 x 106 x 1 x 10-6) = -1, y

el signo negativo se debe a que el amplificador operacional está configurado como amplificador inversor

Así:

al terminar el primer segundo, Vsal = - Vent x t = - 3 x 1 = - 3

al terminar el siguiente segundo, Vsal = - Vent x t = - 3 x 2 = - 6







Unicrom Página 158

al terminar el tercer segundo, Vsal = Vent x t = - 3 x 3 = - 9 al terminar el cuarto segundo, Vsal =Vent x t = - 3 x 4 = - 12

Esta tensión de salida no crece indefinidamente (en sentido negativo).

Hay un momento, como se puede ver el último gráfico en que ésta línea se

mantiene a un valor constante. Esto sucede cuando el amplificador llega a su tensión de saturación.


Unicrom Página 159

Generador de onda triangular. Integrador con Amplificador Operacional

Entrada senoidal, salida triangular

Si a un integrador se le mantiene la entrada a un nivel de corriente continua

(constante), por un largo periodo de tiempo, este llegará a saturación.

Observando las figuras del gráfico más abajo se puede ver que si la onda de

entrada es cuadrada, el área acumulada es la que se muestra en la primera figura y la forma de onda de la salida será la que se muestra en la tercera figura.

Se puede ver que la tercera figura es el inverso de la segunda debido a que se utiliza un amplificador operacional como inversor

Entre t0 y T1: En el gráfico superior se ve que

mientras la tensión de entrada (Vent) se mantiene

constante positiva el área acumulada aumenta y la

tensión de salida (Vsal) tiene pendiente negativa

debido a la inversión (la señal de entrada ingresa

por el terminal inversor del amplificador operacional).

En t1: La forma de onda de la entrada cambia su

polaridad bruscamente a un valor negativo, el área

acumulada va disminuyendo y la forma de onda

de la salida tiene pendiente positiva.

En t2: La entrada cambia a un valor positivo bruscamente y el ciclo se vuelve a repetir.

En el gráfico anterior el tiempo en que la señal de entrada permanece constante,

ya sea positiva o negativa, no es suficiente para que el integrador de se sature en su salida

Si la entrada es una onda cuadrada, el integrador se puede utilizar como

generador de onda triangular

Señal de entrada sinusoidal

Si la tensión de entrada es sinusoidal, las diferentes formas de onda se ven en el siguiente gráfico





Unicrom Página 160

En este caso el área acumulada inicia con un valor negativo debido a la parte de la

señal de entrada (Vent) que existe entre -90° y 0°. De 0° a 90° el área

acumulada es positiva. Esta área se resta del área negativa previa hasta

cancelarse cuando se llega a los 90°. Después el área acumulada vuelve a crecer

hasta llegar a los 180°. Después de los 180° la entrada empieza a disminuir y esto causa que también empiece a disminuir el área acumulada.

La forma de onda de la salida es invertida a la del área acumulada debido a que la entrada de la señal se hace en la entrada inversora

Matemáticamente:

- Área acumulada = -Vp cos ωt - Salida invertida = Vsal = Vp cos ωt

Con la tensión pico de salida = Vp = (1 / RC) Vent

La tensión de salida será: Vsal = (1 / RC) Vent cos ωt


- Orden, fase, relación de tensión entrada / salida

- Filtros (concepto)

http://www.unicrom.com/tut_filtros1.asp

http://www.unicrom.com/tut_filtros.asp


Unicrom Página 161

Derivador con Amplificador Operacional Ondas de entrada y salida

Derivador es un circuito en el que la señal de salida es proporcional a la derivada en el tiempo de la señal de entrada.

En otras palabras la salida es proporcional a la velocidad de variación de la señal de la entrada.

Velocidad de cambio

= ∆ Vent / ∆ t

Nota: ∆ = cambio

Tipos de ondas de entrada:

Señal de entrada es una

tensión fija (ejemplo: 3 Voltios):

La velocidad de variación de la

señal de entrada es cero y por

consiguiente la salida también será

cero.

Señal de entrada es una onda cuadrada:

Cada vez que la señal cambia de nivel hay un brusca

variación en la señal de entrada (se pasa de un nivel

de tensión a otro en un tiempo muy corto) y en la

salida se observan unos picos, tanto en el sentido

positivo como negativo. (dependiendo del sentido de la variación).

Señal de entrada es un onda triangular:

La señal de salida es cuadrada, ejemplo:

En el caso de la onda cuadrada de 3 voltios de amplitud:

Velocidad de cambio = (3 V - 0 V) / (0.005 s - 0 s) = 600 voltios / s

Si el tiempo fuera menor la velocidad de cambio aumentaría.

La salida de cada salto está invertida debido a que la entrada está conectada al la

patita inversora del amplificador operacional

Cuando la señal de entrada es sinusoidal, la salida del derivador es como se muestra en el siguiente gráfico

Aquí Vsal = - VP cos wt (negativo pues

el derivador es también inversor)

Como VP = A Vent w, entonces Vsal = - A

Vent w cos wt ó Vsal = - A Vent 2pif cos

wt

De la última fórmula se puede ver que un

derivador es proporcional a la frecuencia




Unicrom Página 162

de la señal de entrada. La mayor velocidad se da cuando la señal cruza el eje horizontal con un ángulo pronunciado.

Si hubiese ruido a la entrada, éste normalmente sería de una frecuencia más alta

comparado con la señal a derivar, esto causaría que pequeños valores de ruido aparezcan a la salida mucho más grandes.

Para evitar ésto se coloca en la entrada un resistor R1 y un capacitor C1 se agrega

en paralelo con la resistencia de realimentación para reducir la inclinación a oscilar del circuito.

Estos dos últimos componentes reducen la capacidad de derivación del circuito, pero sólo lo hacen hasta la frecuencia que determinan los resistores y capacitores.





Unicrom Página 163

Rectificador instrumentación de media onda con Amplificador Operacional Funcionamiento

Para poder comprender mejor lo que se plantea en este tutorial se recomienda

que vea primero Inicios, características, ganancia a lazo abierto, Ganancia a lazo

cerrado (realimentación), inversor en CC, Circuito inversor en CA, frecuencia,

saturación, tierra virtual.

Si ya lo hizo o considera que no es necesario continúe

Cuando se analiza los rectificadores de media onda o rectificador de onda

completa para fuentes de alimentación, se puede notar que en casi todos los

casos se desprecia la caída de tensión (0.7 voltios aproximadamente) que hay en los diodos.

Cuando se rectifica señales alternas de 110 o 220

voltios, despreciar 0.7 voltios no es problema. Pero

cuando se trata de rectificar una señal alterna de una

amplitud mucho menor (en el orden de los milivoltios),

esta caída en el diodo es importante, y más, si la señal

a rectificar tiene una amplitud menor a la tensión de diodo polarizado en directo (0.7 V.)

Para poder rectificar estas tensiones tan pequeñas, se utiliza un amplificador

operacional (Op. Amp.). Ver el gráfico anterior.

Funcionamiento:

- Cuando la tensión de entrada es cero: los diodos no están polarizados y se

comportan como circuitos abiertos. El amplificador funciona como si estuviera en circuito abierto. Ver gráfico.

- Cuando la tensión en la entrada cambia

ligeramente hacia un valor negativo: La entrada en

el pin inversor del operacional será negativo, causando

que la salida sea positiva, así conduce D2 a través de Rf y el diodo D1 no conduce

Nota: En lazo abierto (ver el gráfico anterior) la

ganancia del operacional es muy grande (200,000 aproximadamente). Si la

tensión en la entrada cambia ligeramente hacia un valor negativo, este valor será amplificado y habrá señal suficiente para polarizar D2.

La señal necesaria para hacer conducir el diodo 2 es: Vin = Vo / Ganancia = 0.7 / -200,000 = -0.35 x 10-15 Voltios = -0.35 microvoltios

Acordarse que: Ganancia = Vo / Vin

- Cuando la señal pasa por el nivel de cero voltios (0 V.) (de negativo a

positivo): Nuevamente el D2 se comporta como un circuito abierto, mientras D1

conduce y cierra el lazo de realimentación del amplificador.






http://www.unicrom.com/Tut_rectificador_media_onda.asp

http://www.unicrom.com/Tut_rectificador_onda_completa.asp

http://www.unicrom.com/Tut_rectificador_onda_completa.asp








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Rectificador instrumentación de 1/2 onda (continuación) y Rectificador de onda completa con Amplificador Operacional

Funcionamiento

Para poder comprender mejor lo que se plantea en este tutorial se recomienda que vea primero:

Inicios, características, ganancia a lazo abierto, Ganancia a lazo cerrado

(realimentación), inversor en CC, Circuito inversor en CA, frecuencia, saturación, tierra virtual.

Si ya lo hizo o considera que no es necesario continúe

- Cuando empieza a aplicar el ciclo positivo, una pequeña tensión a

la entrada mantiene el diodo D2 sin conducir.

La entrada inversora del amplificador operacional se mantiene a tierra virtual y el

amplificador es recortado en una caída del diodo por debajo del nivel de tierra,

con D2 apagado no circula corriente por Rf y la salida es 0 voltios

En otras palabras, si una pequeña tensión de entrada

(microvoltios) es aplicada, se mantiene D2 apagado y el

amplificador operacional es llevado a saturación

negativa. De esta manera la salida se mantiene en 0 voltios por todo el ciclo positivo de la señal de entrada.

Y...... el ciclo se vuelve a repetir.

Rectificador para instrumentación de onda completa

Para lograr obtener una salida totalmente rectificada. se ponen unos elementos

adicionales al rectificador de media onda que ya se conoce

En el rectificador de media onda, en el

ciclo positivo de la entrada, el diodo 2 no

conduce, y no se obtiene la señal a la

salida. En el diagrama anterior la

resistencia Ra esta conectada entre la

entrada Ven y la entrada no inversora

del segundo operacional. La salida del

segundo operacional entonces entrega una señal negativa (El semiciclo positivo de la señal de entrada se invierte una vez)

También la señal de salida del primer operacional se aplica a la entrada del

segundo operacional. En este caso el semiciclo negativo de la señal de entrada se

invierte en el primer operacional y se vuelve a invertir en el segundo. Y el ciclo se vuelve a repetir.












Unicrom Página 165

De esta manera se obtiene un rectificador de onda completa.

El capacitor C, si se conecta mediante "S", se utiliza para "aplanar" la salida.



Unicrom Página 166

Introducción a los Tiristores


12.1- Introducción

La electrónica de potencia concierne a los circuitos con tiristores, a su diseño y

a su función en el control de potencia en un sistema.

Existen gran variedad de tiristores, pero todos ellos tienen ciertas propiedades en

común: son dispotivos de estado sólido que se ¨disparan¨ bajo ciertas condiciones

pasando de un estado de alta impedancia a uno de baja, estado que mantiene

mientras que la corriente y la tensión sean superiores a un valor mínimo

denominado niveles de mantenimiento.

Estructuralmente, todos los tiristores consisten en varias capas alternadas de

silicio dopado con impurezas p y n. El disparo de un tiristor se realiza inyectando

corrientes en esas uniones de forma que, mediante una reacción regenerativa,

conmuta o conducción y lo mantiene en este estado aunque la señal de disparo sea

retirada, siempre que se verifiquen unos requerimientos mínimos de tensión y corriente.

Estas características hacen que los tiristores sean mucho más útiles que los conmutadores mecánicos, en términos de flexibilidad, duración y velocidad.

mailto:[email protected]





Unicrom Página 167

Estos dispositivos se utilizan en control de potencia, convertidores DC-DC o DC-AC o AC-DC o AC-AC, motores, luz incandescente, etc.

En la figura 12.1 se muestran los símbolos de los dispositivos pertenecientes a la

familia de los tiristores.

El rectificador controlado se silicio o Silicon Controlled Rectifiers (SCR) es el

tiristor de mayor interés hoy en día.

Fue introducido en 1956 por los laboratorios de Bell Telephone y son capaces de

controlar hasta 10MW con niveles de corriente de hasta 2000A a 18000V. El control

de estos dispotivos se realiza a través de transistores, familias lógicas, luz (en

triacs optoelectrónicos), transistores de uniunión (UJTs), transistores uniunión programables (PUTs), conmutadores bidireccionales de silicio (SBSs), etc.





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Diodo de 4 capas (Diodo Shockley)

12.2.- Diodo de cuatro capas

El diodo de cuatro capas o diodo Shockley es un dispositivo compuesto por

cuatro capas semiconductoras npnp, cuya estructura y símbolo se describen en la

figuras 12.2.a y 12.2.b.

Esencialmente es un dispositivo interruptor.

Al aplicar un tensión positiva entre ánodo y cátodo se puede observar que la unión J1 y J3 está polarizada en directa, y la unión J2 polarizada en inversa.

En estas condiciones únicamente circula una corriente muy baja (despreciable) y el dispositivo se encuentra cortado.

Aumentando esta tensión positiva se llega a una tensión VBO de ruptura o avalancha

donde la corriente crece de forma abrupta y la caída de tensión decrece de la

misma manera.

En este momento, el diodo ha conmutado desde el estado de bloqueo a conducción.

Una manera sencilla de entender el funcionamiento de este diodo consiste en

separar su estructura física en dos mitades (figura 12.2.c).

La mitad izquierda es un transistor NPN y la mitad derecha PNP, resultando el circuito mostrado en la figura 12.3.d que normalmente es referido como candado.

Las características eléctricas de un diodo de cuatro capas se muestran en la

gráfica de la figura 12.3. En esta gráfica, se pueden identificar dos zonas y cuatro regiones de operación:





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1.- Zona directa (V > 0)

1.a) Región de corte. El diodo se encuentra en corte con unas corrientes muy

bajas. En esta región se puede modelar como una resistencia ROFF de valor

1.b) Región de resistencia negativa. Cuando la tensión entre ánodo y cátodo es

suficientemente alta se produce la ruptura de la unión con un incremento muy

elevado en corriente comportándose el diodo como si fuera una resistencia

negativa debido a la realimentación positiva de su estructura.

1.c) Región de saturación o conducción. En esta región, la caída de tensión

entre ánodo y cátodo está comprendida entre 0.5V y 1.5V, prácticamente

independiente de la corriente. Se mantendrá en este estado siempre que la tensión

y corriente alcancen unos valores mínimos conocidos como niveles de

mantenimiento definidos por VH e IH.

2.- Zona inversa (V < 0 )

2.a) Región de ruptura. El diodo puede soportar una tensión máxima inversa

VRSM que superado ese valor entra en conducción debido a fenómenos de ruptura por avalancha.



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SIDAC (Silicon Diode for Alternating Current)

12.2.1 - SIDAC

El SIDAC es un dispositivo bilateral de disparo de alta tensión y corriente.

Es básicamente un diodo de cuatro capas con unas características eléctricas simétricas.

En la figura 12.4.a se describe su estructura física, en la figura 12.4.b el símbolo de

este dispositivo y en la figura 12.4.c sus características eléctricas simétricas.

El SIDAC se utiliza en aquellas aplicaciones que se necesitan una tensión de disparo VBO cuyos valores están comprendidos entre 120 V y 270V (típicos).

El MKP3V120 de Motorola es un ejemplo típico de un SIDAC, con una corriente

máxima de 1A y una tensión de ruptura de VBO = 120 V (pertenece a la serie

MKP3VXXX en donde las tres últimas cifras

definen la VBO).

En la figura 12.5 se indican sus

características I-V en estado de conducción.

En este caso, la tensión ánodo-cátodo es

aproximadamente ~1.1V prácticamente

independiente de la corriente.

Una de las aplicaciones más típicas del

SIDAC es como generador de diente de

sierra en donde se aprovecha las

características de disparo y bloqueo de

este dispositivo.




Unicrom Página 171

Generador diente sierra con SIDAC MKP3V120

En la figura 12.6.a se presenta el esquema de este circuito basado en el

MKP3V120. Las principales características de este dispositivo son:

En la figura 12.6.b se muestra la forma de onda de Vo que se asemeja a un diente de sierra. El funcionamiento del circuito es el siguiente.

El condensador se carga a través de R cuando el SIDAC está cortado. En estas condiciones, el dispositivo se comporta como una resistencia ROFF de valor

Esta resistencia es tan elevada que a efectos prácticos se puede considerar como despreciable.

La ecuación de carga del condensador parte de una tensión inicial VH (VH =1.1V),

correspondiente a la tensión de mantenimiento del SIDAC, hasta la tensión final Vcc (Vcc = 200V). Esta ecuación es

La tensión Vo(t) evoluciona de forma exponencial tal como se muestra en la figura

12.6.b. Este proceso de carga del condensador finalizará cuando el SIDAC entre en

conducción, situación que se produce cuando la tensión Vo(t) alcance la tensión de

ruptura, es decir, el proceso de carga durará un tiempo to correspondiente al

tiempo que tarda Vo(t) en tomar el valor VBO, es decir, Vo(t=to) = VBO = 120 V.

Este tiempo está definido por la siguiente ecuación

En el momento que entra en conducción el SIDAC, éste descarga rápidamente el

condensador C hasta su tensión de mantenimiento (VH). El dispositivo estará

permanentemente en ese estado siempre que se asegure la corriente de mantenimiento IH de 100mA. Pero en este circuito, la corriente que circula por R es




Unicrom Página 172

que es menor que la corriente de mantenimiento, luego el SIDAC pasará a estado

de corte de forma natural permitiendo que el condensador se cargue nuevamente a

través de R y se repita el proceso indefinidamente. Si se desea que el SIDAC

permanezca en conducción permanente con VO=VH es preciso asegurar la corriente

de mantenimiento, para lo cual la resistencia R tiene que ser menor que el valor de

la resistencia crítica obtenido por la siguiente expresión


Unicrom Página 173

SBS - Silicon Bidirectional Switch

El SBS o Silicon Bidirectional Switch es un dispositivo de baja potencia simétrico

para aplicaciones de disparo más versátil que el SIDAC.

Tiene además un terminal adicional (gate o G) que permite modificar sus características de disparo con pequeños pulsos de corriente (decenas de µA).

Su reducido coste, alta velocidad y capacidad para disparar puertas de tiristores

con altos valores de corriente hace que este dispositivo sea muy útil en muchas aplicaciones.

EL SBS no es solamente un versión mejorada del diodo de cuatro capas, sino

que es fabricado como un circuito integrado constituido por transistores, diodos y resistencias.

La figura 12.7.a muestra su símbolo, la figura 12.7.b su estructura a nivel circuital

y la figura 12.7.c sus características I-V. El MBS4991 de Motorola es un ejemplo típico de un SBS simétrico.

Sus parámetros característicos de acuerdo a la gráfica de la figura 12.7.c son: V =8

V, I =175 µA, I =0.7 mA y V =1.4 V. El disparo de este dispositivo se puede

realizar bien superando la tensión V o bien aplicando una corriente de puerta I

=100µA.





Unicrom Página 174

Rectificador Gobernado de Silicio o SCR

El SCR o Silicon Controled Rectifier es un dispositivo triterminal (A o ánodo, C o

cátodo y G o gate o puerta de control) muy similar al diodo de cuatro capas

descrito en la anterior sección pero que posee una entrada adicional (G) que permite disparar el dispositivo antes de alcanzar la VBO.

En la figura 12.8.a se muestra el símbolo del SCR y en la figura 12.8.b su modelo a nivel transistor.

En el modelo a nivel de transistor se observa claramente que al introducir una

corriente por la línea G se produce la conducción de los transistores, es decir, el disparo del dispositivo sin ser necesario alcanzar la VBO.

La figura 12.9 permite ver claramente como las características del SCR varían con

la corriente de su puerta cuyos valores son del orden de miliamperios o inferiores.

A continuación se detallan algunos parámetros característicos de los SCR.

• Tiempo de conducción (Turn-on Time). Tiempo de duración mínima de la tensión

de disparo para pasar el SCR de bloqueo a conducción. Este tiempo tiene dos


http://www.unicrom.com/tut_corriente_electrica.asp

http://www.unicrom.com/tut_voltaje.asp


Unicrom Página 175

componentes: TON=td+tr, siendo td el tiempo de retraso (delay time) y tr el tiempo

de subida (rise time). Por ejemplo, el 2N5060 tiene el TON=td+tr

=3µs+0.2µs=3.2µs.

• Tiempo de corte (Turn-off Time). Tiempo que el SCR puede permanecer por debajo de las condiciones de mantenimiento. El 2N5060 tiene un TOFF =tq de 10µs.

• Máxima corriente de conducción. Máxima corriente eficaz que puede circular por el SCR durante el estado de conducción. Para el 2N5060, la IT(rms) =0.8A.

• Velocidad crítica de elevación . Variaciones muy rápidas de tensión entre el ánodo y cátodo en un SCR pueden originar un disparo indeseado.

Para evitar este problema, la variación de tensión ánodo-cátodo no debe superar un

valor conocido como velocidad crítica de elevación (dv/dt); si se supera este valor

además de producir el disparo puede llegar a deteriorar el dispositivo. El 2N5060 tiene un dv/dt=30V/µs.

A veces transitorios en las líneas de alimentación pueden originar problemas de comportamiento del SCR al ser superado su velocidad crítica de elevación.

Los circuitos de protección contra transitorios de corriente (figura 12.10.a) y

transitorios de tensión (figura 12.10.b) evitan este indeseado disparo. Básicamente

son filtros basados en RC o inducciones que eliminan esas señales espúreas.

http://www.unicrom.com/Tut_circuitoRC.asp


Unicrom Página 176

Activación o disparo de tiristores: Por puerta

12.4.- Activación o disparo y bloqueo de los tiristores

El tiristor es un dispositivo de estado sólido que su modo de operación emula a un relé.

En estado de conducción tiene una impedancia muy baja que permite circular

grandes de niveles de corriente con una tensión ánodo-cátodo del orden de 1V.

En estado de corte, la corriente es prácticamente nula y se comporta como un

circuito abierto. A continuación se describen las diferentes maneras de activar o disparar y de bloqueo de un tiristor.

Existen cuatro maneras de poner a un tiristor en estado de conducción:

a) Activación o disparo por puerta.

El método más común para disparar un tiristor es la aplicación de una corriente en

su puerta. Los niveles de tensión y corriente de disparo en la puerta deben tener un rango de valores comprendidos dentro de una zona de disparo de seguridad.

Si se sobrepasa ese límite puede no dispararse el tiristor o puede deteriorarse el

dispositivo; por ejemplo, para el 2N5060 la máxima potencia eficaz que puede soportar la puerta es PG(av)=0,01 W.

Gráficamente, en la figura 12.11 se muestra la forma típica de esa zona de

seguridad de disparo del SCR TF521S de Sanken Electric; obsérvese la su elevada dependencia con la temperatura.

Este tiristor soporta corrientes de hasta

IT(rms) = 5A y la corriente máxima de disparo

es IGT(max) es I=15mA a 25ºC para una

VGT(max) V =2.5 V.

Otro ejemplo es el C701 de SPCO capaz de soportar 1300A con una corriente IGT=500mA.

Además, el disparo debe tener una duración

dependiente del tiristor con valores típicos de

1 useg para que resulte eficaz. El tiempo de

conexión o de activación es el tiempo que

tarda en conducir el tiristor desde que se ha producido el disparo.

Los valores típicos de tiristores comerciales están alrededor de 1 a 3 useg, aunque

para aplicaciones especiales como son los moduladores de impulsos de radar se

fabrican tiristores con valores por debajo de 100nseg.






Unicrom Página 177

Activación de tiristores: Por luz, tensión de ruptura,

aumento de dv/dt

b) Activación o disparo por luz.

Un haz luminoso dirigido hacia una de las uniones del tiristor provoca su disparo.

Son los dispositivos conocidos como foto-SCR o LASCR y sus derivados (foto-TRIAC, opto-TRIAC, etc).

El SP-101 de Sunpower es un ejemplo típico de un LASCR de 2 A que precisa de

una radicación luminosa efectiva de 24mW/cm2 con una longitud de onda de 850nm para su activación.

c) Activación por tensión de ruptura.

Una aumento de la tensión ánodo-cátodo puede provocar fenómenos de ruptura

que activa el tiristor. Esta tensión de ruptura directa (VBO) solamente se utiliza como método para BO disparar los diodos de cuatro capas.

b) Disparo por aumento de dv/dt.

Un rápido aumento de la tensión directa de ánodo cátodo puede producir una

corriente transitoria de puerta que active el tiristor. Generalmente se elimina este

problema utilizando circuitos de protección basados en R, C o L (figuras 12.10.a y 12.10.b). Valores típicos de dv/dt están comprendidos entre 5V/useg a 500V/useg.




Unicrom Página 178

Existen numerosos circuitos de disparo de tiristores que pueden ser clasificados en

tres tipos básicos en función del tipo de señal de disparo: DC, impulso o fase de alterna.

Los circuitos de disparo en DC están basados en un interruptor mecánico o electró

nico (figura 12.12.a) que incluyen circuitos de protección para evitar daños al

tiristor. Estás señales también pueden ser generadas desde un ordenador o cualquier circuito de control digital (figura 12.12.b).

Los circuitos de disparo por impulso están basados generalmente en un transformador de acoplo que transmite el pulso de disparo (figura 12.12.c).

Este transformador permite el aislamiento eléctrico entre el tiristor y el circuito de

control y precisa menor potencia de disparo. Sin embargo, son más voluminosos

debido al tamaño del transformador y suelen ser sustituidos por opto-acopladores luminosos.

Por último, los circuitos de disparo en alterna están diseñados para sincronizar la

fase entre el suministro en alterna y el disparo que permita la regulación en

potencia (figura 12.12.d). Debido a la importancia de este último tipo de disparo,

se va a dedicar un apartado completo a su estudio.

http://www.unicrom.com/Cmp_queescomputadora.asp




Unicrom Página 179

Bloqueo de un tiristor

La conmutación en corte o bloqueo es el proceso de poner en estado de corte al

tiristor que puede realizarse de tres formas: conmutación natural, polarización

inversa o conmutación por puerta.

a) Conmutación natural.

Cuando la corriente del ánodo se reduce por debajo de un valor mínimo, llamado corriente de mantenimiento, el tiristor se corta.

Sin embargo, hay que señalar que la corriente nominal de un tiristor es del orden de 100 veces la corriente de mantenimiento.

Para reducir esa corriente es preciso abrir la línea, aumentando la impedancia de

carga o derivando parte de la corriente de carga a un circuito paralelo, es decir,

cortocircuitando el dispositivo.

b) Corte por polarización inversa.

Una tensión inversa ánodo-cátodo tenderá a interrumpir la corriente del ánodo. La

tensión se invierte en un semiperiodo de un circuito de alterna, por lo que un

tiristor conectado a la línea tendrá una tensión inversa en un semiperiodo y se

cortará. Esto se llama conmutación por fase o conmutación de línea alterna.

c) Corte por puerta.

Algunos tiristores especialmente diseñados, como los GTO, se bloquean con una corriente de puerta negativa.

El tiempo de conmutación en corte es el tiempo que tarda en bloquearse un

tiristor. Con conmutación natural su valor está comprendido entre 1 a 10µseg,

mientras que conmutación forzada puede ser de 0.7 a 2µseg. Sin embargo, existen

gran variedad de tiristores diseñados para tener tiempos de conmutación muy bajos.





Unicrom Página 180

Regulación de potencia en SCR

Existe una gran variedad de aplicaciones de potencia basados en los tiristores como

elementos de control.

Su propiedad de conmutación de corte a conducción y viceversa resulta muy útil cuando

se desea controlar la transferencia de potencia a una carga.

Las aplicaciones más comunes de uso doméstico son los reguladores de luz, control de

velocidad de motores, etc.

En la figura 12.13 se muestra la estructura básica de un circuito regulador de potencia

básico.

Se quiere entregar una determina energía de la red eléctrica a una carga (ZL) y, para

ello, se utiliza un tiristor (en este caso un SCR) como dispositivo de control y un

circuito de disparo que controla ese tiristor.

Este circuito de disparo introduce un desfase φ respecto al inicio de la onda sinusoidal; a

φ se le denomina ángulo de desfase o de disparo y a π - φ ángulo de conducción.

En la figura 12.14 se representa las formas de onda del regulador de potencia. Se

identifican tres zonas del funcionamiento del tiristor:

1) 0 ≤ α < φ. El SCR está bloqueado. En estas condiciones no circula ninguna corriente

por la carga v (IL=0) y la VAK = Vmsenφ

2) φ ≤ α < π. En el instante α = π el circuito de disparo aplica un pulso que hace entrar el

SCR a conducción. Aparece una corriente por la carga de valor IL = Vmsenα/ZL, si se

desprecia la caída de tensión en el SCR (VAK~0V).

En esas condiciones, VS = VL+VAK ≈ VS.

3) π ≤ α < 2π . En el instante α = π el SCR conmuta a corte de forma natural. En el

semiperiodo negativo el SCR se mantiene a corte porque la tensión del ánodo es inferior

a la del cátodo. La corriente es nula (IL = 0) y la VAK = Vmsenα


http://www.unicrom.com/cir_dimmer_cntrl_motor.asp

http://www.unicrom.com/cir_dimmer_cntrl_motor.asp





Unicrom Página 181

En términos eficaces, la corriente eficaz (rms) entregada a la carga se obtiene mediante

la siguiente ecuación

y, de una manera similar, la tensión eficaz (rms) de la carga

La potencia eficaz entregada a la carga se define como el producto de la corriente eficaz

por la tensión eficaz.



Unicrom Página 182

Variantes del SCR: LASCR, GTO, PUT

12.6.- Variantes del SCR

Existen otros dispositivos de cuatro capas cuyo modo de funcionamiento es similar a la

de un SCR.

En esta sección se realiza una breve descripción de las variantes del SCR más

importantes.

12.6.1.- Foto-SCR o LASCR

El foto-SCR o SCR activado por luz (light activated SCR o LASCR) es, como su

propio nombre indica, un SCR cuyo disparo es controlado por luz. Cuando la luz

incidente es suficientemente intensa, el SCR se dispara y permanece en conducción

aunque desaparezca esa luz.

En la figura 12.15.a se muestra su símbolo y en la figura 12.15.b aparece una aplicación

sencilla del foto-SCR con una resistencia ajustable que controla la intensidad de luz

incidente de disparo.

Un ejemplo de un LASCR es el SP-101 de SunPower que se activa cuando la luz

incidente es de 24mW/cm2

12.6.2.- GTO




Unicrom Página 183

El GTO o Gate Turn-Off SCR es un tiristor que puede ser disparado con un pulso

positivo a su terminal gate y bloqueado si se aplica un impulso negativo a ese mismo

terminal.

El GTO se emplea actualmente en muchas aplicaciones interesantes en el dominio de

altas potencias cuyo control se realiza fácilmente mediante transistores bipolares.

Los bajos requerimientos de potencia de su control facilitan la aplicación de técnicas de

modulación de anchura de pulsos.

En la figura 12.16 se indica su símbolo. El MGTO1000/2000 de Motorola es un GTO

diseñado para aplicaciones de alta velocidad y es capaz de porporcionar hasta 18 A.

12.6.3.- PUT

El PUT o programmable unijunction transistor perteneciente a la familia de los

dispositivos uniunión y sus características son similares al SCR. En la figura 12.17.a se

indica su símbolo.

Es un dispositivo de disparo ánodo-puerta (anode-gate) puesto que su disparo se realiza

cuando la puerta tenga una tensión más negativa que el ánodo, es decir, la conducción

del PUT se realiza por control de las tensiones en sus terminales.

Como ejemplo sencillo, la figura 12.17.b muestra el esquema de un oscilador de

relajación basado en este dispositivo. La tensión de puerta está fijada a un valor

constante a través de las resistencias R1 y R2.

Si inicialmente el condensador está descargado, la tensión del ánodo es menor que la de

la puerta (VA < VG) y el PUT está cortado. En estas condiciones, el condensador se

carga a través de R aumentando la tensión del ánodo.

Llegará un momento en que VA = VG y, en ese instante, se dispara el PUT el cual

descarga bruscamente el condensador C produciendo una caída de tensión en la

resistencia Ro. Si R y Ro tienen un valor que impida circular a través del PUT la

corriente de mantenimiento mínima de conducción el dispositivo se cortará y el

condensador se carga nuevamente a través de R repitiéndose el proceso.







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TRIAC - Triode for Alternative Current

12.6.4.- TRIAC

Un TRIAC (TRIode for Alternative Current) es un SCR bidireccional que se comporta

como dos SCR en paralelo e invertidos, de tal manera que este dispositivo puede

controlar corriente en cualquier dirección.

Normalmente, tiene una tensión de ruptura alta y el procedimiento normal de hacer

entrar en conducción a un TRIAC es a través de un pulso de disparo de puerta (positivo

o negativo).

La figura 12.18.a muestra su símbolo y la figura 12.18.b su modelo equivalente basado

en dos SCR conectados en oposición.

Ejemplos típicos de TRIACS: BT136 (de 5 A) y el BT138 (16 A) de Philips y la serie

MAC de Motorola con corrientes de 8 A (MAC97-8) hasta 350 A (MAC224A4).

12.6.5.- TRIAC con acoplado óptico (opto coupler

TRIAC)

Los TRIACs acoplados ópticamente

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 figura 12.19.

Al no existir conexión eléctrica entre la entrada y la salida, el acoplo es unidireccional

(LED al foto-TRIAC) y permite un aislamiento eléctrico entre ambos dispositivos de

hasta 7500 V (typ).

Además, algunos foto-TRIAC incluyen una circuito de detección de paso por cero que

permite sincronizar señales de la red eléctrica con señales de control del LED para

ajustar el ángulo de conducción.




Unicrom Página 185

Como ejemplo de estos circuitos se encuentra el MOC3009 (Motorola) que necesita una

corriente en el LED de 30mA para disparar el foto-TRIAC o el MOC3021 (Motorola)

que únicamente requiere 10mA.

Cuando el LED está apagado, el foto-TRIAC está bloqueado conduciendo una pequeña

corriente de fuga denominada IDRM (peak-blocking current). Cuando el diodo conduce,

dispara al foto-TRIAC pudiendo circular entre 100mA y 1A.

Al no ser un dispositivo que soporte grandes niveles de potencia, el propio foto-TRIAC

en muchos casos actúa sobre el control de un TRIAC de mucho mayor potencia, tal

como se indica en la figura 12.20.

En este circuito, una señal digital (por ejemplo, una señal de un microcomputador)

activa el opto-acoplador que a su vez activa el TRIAC de potencia conectado a la red

eléctrica; el valor de R está comprendido entre 50 y 500 ohmios.

http://www.unicrom.com/Tut_potenciaEnAC.asp

http://www.unicrom.com/Tut_optoacoplador.asp


Unicrom Página 186

Transistor uni-unión o UJT

El transistor de uni-unión (unijunction transistor) o UJT está constituido por dos

regiones contaminadas con tres terminales externos: dos bases y un emisor.

En la figura 12.21.a aparece la estructura física de este dispositivo. El emisor está

fuertemente dopado con impurezas p y la región n débilmente dopado con n.

Por ello, la resistencia entre las dos bases, RBB o resistencia interbase, es elevada (de 5 a

10K estando el emisor abierto).

El modelo equivalente representado en la figura 12.21.b está constituido por un diodo

que excita la unión de dos resistencias internas, R1 y R2 , que verifican RBB = R1 + R2.

Cuando el diodo no conduce, la caída de tensión en R1 (V1) se puede expresar como

en donde VB2B1 es la diferencia de tensión entre las bases del UJT y n es el factor de

división de tensión conocido como relación intrínseca.

El modelo de este dispositivo utilizando transistores se muestra en la figura 12.21.c,

cuya estructura es muy similar a un diodo de cuatro capas. Cuando entra en conducción

los transistores la caída de tensión en R es muy baja. El símbolo del UJT se muestra en

la figura 12.21.d.





Unicrom Página 187


Unicrom Página 188

Funcionamiento de un UJT

El funcionamiento de un UJT es muy similar al de un SCR.

En la gráfica de la figura 12.22 se describe las características eléctricas de este

dispositivo a través de la relación de la tensión de emisor (VE) con la corriente de

emisor (IE).

Se definen dos puntos críticos: punto de pico o peak-point (Vp, Ip) y punto de valle o

valley-point (Vv, Iv), ambos verifican la condición de dVE/dIE = 0.

Estos punto a su vez definen tres regiones de operación: región de corte, región de

resistencia negativa y región de saturación, que se detallan a continuación:

Región de corte

En esta región, la tensión de emisor es baja de forma que la tensión intrínseca mantiene

polarizado inversamente el diodo emisor. La corriente de emisor es muy baja y se

verifica que VE < VP e IE < IP.

Esta tensión de pico en el UJT viene definida por la siguiente ecuación:

donde la VF varía entre 0.35 V a 0.7 V con un valor típico de 0.5 V. Por ejemplo, para el

2N2646 es de 0.49V a 25ºC. El UJT en esta región se comporta como un elemento

resistivo lineal entre las dos bases de valor RBB.

Región de resistencia negativa




Unicrom Página 189

. Si la tensión de emisor es suficiente para polarizar el diodo de emisor, es decir, VE=VP

entonces el diodo entra en conducción e inyecta huecos a B1 disminuyendo bruscamente

la resistencia R1 debido a procesos de recombinación.

Desde el emisor, se observa como el UJT disminuye su resistencia interna con un

comportamiento similar a la de una resistencia negativa (dVE/dIE < 0). En esta región, la

corriente de emisor está comprendida entre la corriente de pico y de valle (IP < IE < IV).

Región de saturación

Esta zona es similar a la zona activa de un tiristor con unas corrientes y tensiones de

mantenimiento (punto de valle) y una relación lineal de muy baja resistencia entre la

tensión y la corriente de emisor. En esta región, la corriente de emisor es mayor que la

corriente de valle (IE > IV). Si no se verifica las condiciones del punto de valle, el UJT

entrará de forma natural a la región de corte.

En la figura 12.22 también se observa una curva de tipo exponencial que relaciona la VE

y la IE cuando la base B2 se encuentra al aire (IB2 = 0). Esta curva tiene una forma

similar a la característica eléctrica de un diodo y representa el comportamiento del

diodo de emisor.


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SCR - Silicon Controled Rectifier

SCR - Símbolo, estructura y funcionamiento básico.

El SCR (Rectificador controlado de silicio) es un dispositivo semiconductor de 4 capas

que funciona como un conmutador casi ideal.

El símbolo y estructura del SCR son:

Analizando los diagramas: A = ánodo, G = compuerta o Gate y C = K = cátodo

Funcionamiento básico del SCR

El siguiente gráfico muestra un circuito equivalente del SCR para comprender su

funcionamiento.

Al aplicarse una corriente IG al terminal G (base de Q2

y colector de Q1), se producen dos corrientes: IC2 =

IB1.

IB1 es la corriente base del transistor Q1 y causa que

exista una corriente de colector de Q1 (IC1) que a su

vez alimenta la base del transistor Q2 (IB2), este a su

vez causa más corriente en IC2, que es lo mismos que

IB1 en la base de Q1, y......

Este proceso regenerativo se repite hasta saturar Q1 y

Q2 causando el encendido del SCR.

Los parámetros del SCR son:

-VRDM: Máximo voljaje inverso de cebado (VG = 0)

- VFOM: Máximo voltaje directo sin cebado (VG = 0)

- IF: Máxima corriente directa permitida.

- PG: Máxima disipación de potencia entre compuerta y cátodo.

- VGT-IGT: Máximo voltaje o corriente requerida en la compuerta (G) para el cebado

- IH: Mínima corriente de ánodo requerida para mantener cebado el SCR

- dv/dt: Máxima variación de voltaje sin producir cebado.

- di/dt: Máxima variación de corriente aceptada antes de destruir el SCR.






Unicrom Página 191

Nota: dv/dt, di/dt: Ver parámetros del SCR en SCR en corriente continua



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SCR - Silicon Controled Rectifier

En la figura inferior de muestra la dependencia entre el voltaje de conmutación y la

corriente de compuerta.

Cuando el SCR está polarizado en inversa se comporta como un diodo común (ver la

corriente de fuga característica que se muestra en el gráfico).

En la región de polarización en directo el SCR se comporta también como un diodo

común, siempre que el SCR ya haya sido activado (On). Ver los puntos D y E.

Para valores altos de corriente de compuerta (IG) (ver punto C), el voltaje de ánodo a

cátodo es menor (VC).

Si la IG disminuye, el voltaje ánodo-cátodo aumenta. (ver el punto B y A, y el voltaje

anodo-cátodo VB y VA).

Concluyendo, al disminuir la corriente de compuerta IG, el voltaje ánodo-cátodo

tenderá a aumentar antes de que el SCR conduzca (se ponga en On / esté activo)





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Tiristor (Silicon Controled Rectifier - SCR) en CC

Tiristor / SCR y la corriente continua

Activación, el pulso, desactivación, tiristor con carga

inductiva

Antes de iniciar la lectura de este tutorial se recomienda leer el tutorial el tiristor.

Si ya lo hizo o no lo considera conveniente, continúe.

El funcionamiento de un tiristor en corriente continua es fácil de entender.

Normalmente el tiristor trabaja con polarización directa entre ánodo (A) y cátodo (C o K) (la corriente circula en el sentido de la flecha del tiristor).

Con esta condición, sólo es necesario aplicar un pulso en la compuerta (G) para

activarlo. Este pulso debe de tener una amplitud mínima, para que la corriente de compuerta (IG) provoque la conducción.

Activacion del tiristor

En el gráfico siguiente se ve una aplicación sencilla del tiristor en

corriente continua.

El SCR se comporta como un circuito abierto hasta que activa su

compuerta (GATE) con un pulso de tensión que causa una

pequeña corriente. (se cierra momentáneamente el interruptor

S). El tiristor conduce y se mantiene conduciendo, no necesitando de ninguna señal adicional para mantener la conducción.

No es posible desactivar el tiristor (que deje de conducir) con la compuerta.

Características del pulso de disparo

La duración del pulso aplicado a la compuerta G debe ser lo suficientemente largo

para asegurar que la corriente de ánodo se eleve hasta el valor de retención. Otro

aspecto importante a tomar en cuenta es la amplitud del pulso, que influye en la

duración de éste.

Desactivación de un tiristor

El tiristor una vez activado, se mantiene conduciendo, mientras la corriente de

ánodo (IA) sea mayor que la corriente de mantenimiento (IH). Normalmente la

compuerta (G) no tiene control sobre el tiristor una vez que este está

conduciendo.

Opciones para desactivar un tiristor:

1. Se abre el circuitos del ánodo (corriente IA = 0)

2. Se polariza inversamente el circuito ánodo-cátodo (el cátodo tendrá un nivel de

tensión mayor que el del ánodo)

3. Se deriva la corriente del ánodo IA , de manera que esta corriente se reduzca y sea menor a la corriente de mantenimiento IH.






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Si se disminuye lentamente el voltaje (tensión), el tiristor seguirá conduciendo

hasta que por él pase una cantidad de corriente menor a la llamada "corriente de

mantenimiento o de retención (IH)", lo que causará que el SCR deje de

conducir aunque la tensión VG (voltaje de la compuerta con respecto a tierra) no sea cero.

Como se puede ver el SCR , tiene dos estados:

1- Estado de conducción, en donde la resistencia entre ánodo y cátodo es muy

baja 2- Estado de corte, donde la resistencia es muy elevada.

El Tiristor con carga inductiva

Cuando la carga del SCR no es resistiva pura como se muestra en el gráfico

anterior si no, una carga inductica, (se comporta como un inductor), es

importante tomar en cuenta el tiempo que tarda la corriente en aumentar en una bobina.

El pulso que se aplica a la compuerta debe ser lo suficientemente duradero para

que la corriente de la carga iguale a la corriente de enganche y así el tiristor se

mantenga en conducción.




Unicrom Página 195

Tiristor - SCR en AC

Tiristor / SCR y la corriente alterna

Antes de iniciar la lectura de este tutorial se recomienda leer los tutoriales el

tiristor y el tiristor en corriente continua. Si ya lo hizo o no lo considera conveniente, continúe

Control de fase con tiristor

Se usa principalmente para controlar la potencia que se entrega a una carga. (en el caso de la figura es un bombillo o foco)

La fuente de voltaje puede ser de 110V c.a., 120V c.a., 240V c.a. , etc. La

potencia suministrada a la carga se controla variando el ángulo de conducción.

El circuito RC produce un corrimiento de la fase entre

la tensión de entrada y la tensión en el condensador

que es la que suministra la corriente a la compuerta del SCR.

Como R es un potenciómetro, el valor resistivo puede

variar y así producir un corrimiento de fase ajustable,

que causará que la entrega de potencia a la carga (el bombillo) también sea variable.

Con ésto se logra que la intensidad de la luz en el bombillo varíe. El diodo en la

compuerta del SCR se usa para bloquear la tensión de compuerta durante el ciclo

negativo (de 180° a 360°)

Formas de onda de la señal de entrada y en la carga para diferentes corrimientos de

fase.

- El 1er diagrama muestra la onda de

entrada. Observar los ptos. 0°, 180° y 360°.

- El 2do diagrama muestra la señal

aplicada a la carga cuando el disparo es a los 45°

- El 3er diagrama muestra la señal

aplicada a la carga cuando el disparo es a los 150°.

En el segundo y tercer diagrama se ve

que la semionda negativa ha












Unicrom Página 196

desaparecido, y esto es debido a que el tiristor se comporta, cuando está conduciendo, como un diodo.

El área bajo la curva en el segundo y tercer diagrama representa la energía

transferida a la carga.

El segundo diagrama tiene un área bajo la curva mayor, entonces indica que, en

este caso, hay más energía entregada al bombillo que en el tercer diagrama.

El máximo corrimiento de fase se logra cuando el potenciómetro tiene su mayor valor y el mínimo cuando este tiene su valor más pequeño.

Ver que cuando R = 0 (valor mínimo del potenciómetro) el capacitor está en

paralelo con el tristor y el éste se comporta prácticamente como un diodo, pues se dispara casi inmediatamente que la señal de entrada pasa los 0°.


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Como proteger un tiristor

Protección del Tiristor

Protección contra los incrementos bruscos de corriente,

protección contra cambios bruscos de tensión

Antes de iniciar la lectura de este tutorial se recomienda leer los tutoriales el

tiristor, tiristor en corriente continua y tiristor en corriente alterna. Si ya lo hizo o no lo considera conveniente, continúe.

El tiristor puede dañarse si no se toman algunas precauciones.

- Protección contra incrementos bruscos de corriente (di/dt).

"La derivada de la corriente con respecto al tiempo". La di/dt máxima es especificada por el fabricante.

Este problema aparece cuando se tiene una carga capacitiva

(tiene el comportamiento de un capacitor).

Un capacitor descargado se comporta inicialmente (al ser

conectado) como un corto circuito y la gran demanda de corriente tiene que atravesar el tiristor.

Para evitar este problema se pone en serie con la carga un

inductor (ver diagrama) de poco valor, para retardar el

incremento de la corriente a un valor aceptable. Acordarse que el inductor se

opone a cambios brusco de corriente.

- Protección contra cambios bruscos de tensión (dv/dt).

"La derivada de la tensión con respecto al tiempo". Los cambios bruscos de

tensión entre el ánodo (A) y el cátodo (K = C), pueden producir cebados no

deseados, causando con ello que el tiristor se dispare y empiece a conducir. El dv/dt máximo es especificado por el fabricante.

A veces por diferentes motivos, la tensión entre los terminales del

SCR pueden cambiar en forma repentina y de manera evidente (el

cambio de tensión es grande)

Para evitar este inconveniente, se utiliza un circuito RC en

paralelo con el tiristor como se muestra en el gráfico de la

derecha. Este circuito limita la velocidad de subida de la tensión

en los terminales del tiristor. Acordarse que el capacitor se opone a cambio

bruscos de tensión.



http://www.unicrom.com/Tut_scr-alterna.asp






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TRIAC. Control de potencia en corriente alterna

El Triac es un dispositivo semiconductor que pertenece a la familia de los dispositivos

de control tiristores.

El triac es en esencia la conexión de dos tiristores en paralelo pero conectados en

sentido opuesto y compartiendo la misma compuerta. (ver imagen).

El triac sólo se utiliza en corriente alterna y al igual que el tiristor, se dispara por la

compuerta. Como el triac funciona en corriente alterna, habrá una parte de la onda que

será positiva y otra negativa.

La parte positiva de la onda (semiciclo positivo) pasará por el triac siempre y cuando

haya habido una señal de disparo en la compuerta, de esta manera la corriente circulará

de arriba hacia abajo (pasará por el tiristor que apunta hacia abajo), de igual manera:

La parte negativa de la onda (semiciclo negativo) pasará por el triac siempre y cuando

haya habido una señal de disparo en la compuerta, de esta manera la corriente circulará

de abajo hacia arriba (pasará por el tiristor que apunta hacia arriba)

Para ambos semiciclos la señal de disparo se obtiene de la misma patilla (la puerta o

compuerta).

Lo interesante es, que se puede controlar el momento de disparo de esta patilla y así,

controlar el tiempo que cada tiristor estará en conducción.

Recordar que un tiristor sólo conduce cuando ha sido disparada (activada) la compuerta

y entre sus terminales hay un voltaje positivo de un valor mínimo para cada tiristor)

Entonces, si se controla el tiempo que cada tiristor está en conducción, se puede

controlar la corriente que se entrega a una carga y por consiguiente la potencia que

consume.

Ejemplo: Una aplicación muy común es el atenuador luminoso de lámparas

incandescentes (circuito de control de fase).

Donde:

- Ven: Voltaje aplicado al circuito (A.C.)

- L: lámpara

- P: potenciómetro

- C: condensador (capacitor)

- R: Resistor

- T: Triac

- A2: Anodo 2 del Triac












Unicrom Página 199

- A3: Anodo 3 del Triac

- G: Gate, puerta o compuerta del Triac

El triac controla el paso de la corriente alterna a la lámpara (carga), pasando

continuamente entre los estados de conducción (cuando la corriente circula por el triac)

y el de corte (cuando la corriente no circula)

Si se varía el potenciómetro, se varía el tiempo de carga de un capacitor causando que

se incremente o reduzca la diferencia de fase de la tensión de alimentación y la que se

aplica a la compuerta

Notas:

- La diferencia de fase o la fase entre dos señales u ondas se define como el ángulo

(diferencia de tiempo) que existe entre los dos orígenes de las mismas.

- En este documento se utiliza el termino tiristor como sinónimo de SCR.

http://www.unicrom.com/Tut_cargacondensador.asp


Unicrom Página 200

DIAC (Diode Alternative Current). Diodo de disparo bidireccional Control de potencia en corriente alterna (AC)

El DIAC es un diodo de disparo bidireccional, especialmente diseñado para

disparar TRIACs y Tiristores (es un dispositivo disparado por tensión).

Tiene dos terminales: MT1 y MT2. Ver el diagrama.

El DIAC se comporta como dos diodos zener conectados en serie, pero orientados

en formas opuesta. La conducción se da cuando se ha superado el valor de

tensión del zener que está conectado en sentido opuesto.

El DIAC normalmente no conduce, sino que tiene una pequeña corriente de fuga.

La conducción aparece cuando la tensión de disparo se alcanza.

Cuando la tensión de disparo se alcanza, la tensión en el DIAC se reduce y entra

en conducción dejando pasar la corriente necesaria para el disparo del SCR o

TRIAC. Se utiliza principalmente en aplicaciones de control de potencia mediante

control de fase.

La curva característica del DIAC se muestra a continuación

En la curva característica se observa que cuando

- +V o - V es menor que la tensión de disparo, el DIAC se comporta como un

circuito abierto

- +V o - V es mayor que la tensión de disparo, el DIAC se comporta como un

cortocircuito








Unicrom Página 201

Sus principales características son:

- Tensión de disparo

- Corriente de disparo

- Tensión de simetría (ver grafico anterior)

- Tensión de recuperación

- Disipación de potencia (Los DIACs se fabrican con capacidad de disipar potencia

de 0.5 a 1 watt.)


Unicrom Página 202

El Transistor UJT (UniJunction Transistor)

Muy importante: No es un FET

El transistor UJT (transistor de unijuntura - Unijunction transistor) es un dispositivo

con un funcionamiento diferente al de otros transistores. Es un dispositivo de disparo.

Es un dispositivo que consiste de una sola unión PN

Físicamente el UJT consiste de una barra de material tipo N con conexiones eléctricas a

sus dos extremos (B1 y B2) y de una conexión hecha con un conductor de aluminio (E)

en alguna parte a lo largo de la barra de material N.

En el lugar de unión el aluminio crea una región tipo P en la barra, formando así una

unión PN. Ver el siguiente gráfico

Como se dijo antes este es un dispositivo de disparo. El disparo ocurre

entre el Emisor y la Base1 y el voltaje al que ocurre este disparo está

dado por la fórmula: Voltaje de disparo = Vp = 0.7 + n x VB2B1

Donde:

- n = intrinsic standoff radio (dato del fabricante)

- VB2B1 = Voltaje entre las dos bases

La fórmula es aproximada porque el valor establecido en 0.7 puede variar

de 0.4 a 0.7 dependiendo del dispositivo y la temperatura.

Dos ejemplos sencillos

1.- Un UJT 2N4870 tiene un

n = 0.63 y 24 voltios entre B2 y B1.

Cuál es el voltaje de disparo aproximado?

Voltaje de disparo = Vp =

0.7 + (0.63 x 24) = 15.8 Voltios

2.- Un UJT 2N4870 tiene un

n = 0.68 y 12 voltios entre B2 y B1.

Cuál es el voltaje de disparo aproximado?

Voltaje de disparo = Vp =

0.7 + (0.68 x 12) = 8.86 Voltios.

Notas:

- Un dato adicional que nos da el fabricante es la corriente necesaria que debe haber

entre E y B1 para que el UJT se dispare = Ip.

- Es importante hacer notar que también se ha construido el UJT donde la barra es de

material tipo P (muy poco). Se le conoce como el CUJT o UJT complementario. Este se

comporta de igual forma que el UJT pero con las polaridades de las tensiones al revés





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PUT: Transistor Uniunión Programable

PUT: Características

Importante: No es un UJT (transistor uniunión)

El PUT (Transistor Uniunión programable) es un dispositivo que, a diferencia del transistor bipolar común que tiene 3 capas (NPN o PNP), tiene 4 capas.

El PUT tiene 3 terminales como otros transistores y sus nombres son: cátodo K, ánodo A, puerta G.

A diferencia del UJT, este transistor permite que se puedan controlar los valores

de RBB y VP que en el UJT son fijos. Los parámetros de conducción del PUT son controlados por la terminal G

Este transistor tiene dos estados: Uno de conducción (hay corriente entre A y K

y la caída de voltaje es pequeña) y otro de corte cuando la corriente de A a K es muy pequeña.

Este transistor se polariza de la siguiente manera:

Del gráfico, se ve que cuando IG = 0,

VG = VBB * [ RB2 / (RB1 + RB2) ] = n x VBB donde: n = RB2 / (RB1 + RB2)

La principal diferencia entre los transistores UJT y PUT es

que las resistencias: RB1 + RB2 son resistencias internas en

el UJT, mientras que el PUT estas resistencias están en el

exterior y pueden modificarse.

Aunque el UJT y el PUT son similares, El Ip es más débil que en el UJT y la tensión mínima de funcionamiento es menor en el PUT.







Unicrom Página 204

PUT: Funcionamiento. Oscilador

PUT: funcionamiento

Para pasar al modo activo desde el estado de corte (donde la corriente entre A y K

es muy pequeña) hay que elevar el voltaje entre A y K hasta el Valor Vp, que depende del valor del voltaje en la compuerta G

Sólo hasta que la tensión en A alcance el valor Vp, el PUT entrará en conducción

(encendido) y se mantendrá en este estado hasta que IA corriente que atraviesa el

PUT) sea reducido de valor. Esto se logra reduciendo el voltaje entre A y K o

reduciendo el voltaje entre G y K

Ejemplo de oscilador con PUT

Una aplicación típica: Oscilador con PUT

El funcionamiento es el siguiente: El condensador C se carga a través de la

resistencia R hasta que el voltaje en A alcanza el voltaje Vp. En este momento el PUT se dispara y entra en conducción.

El voltaje en VG cae casi hasta 0 (cero) voltios y el PUT se apaga, repitiéndose

otra vez el proceso (oscilador). Ver a continuación las formas de onda de las tensiones en C, K y G

La frecuencia de oscilación es: f = 1 / 1.2 x RC







Unicrom Página 205

Encapsulados de transistores y otros semiconductores

Los transistores bipolares, triacs, SCR y otros tipos de dispositivos

semiconductores vienen en muchas presentaciones o encapsulados.

Estas presentaciones dependen del tipo de aplicación en que se les van a utilizar.

Cada transistor (dispositivo semiconductor) tiene impreso en el cuerpo del mismo,

el tipo de transistor que es, siendo así muy fácil poder encontrar sus características

técnicas en un manual como el ECG, NTE u otro.

En estos manuales también se pueden encontrar transistores de características similares o muy parecidas a los que se les llama "equivalentes"

Entre los encapsulados más comumes están: (hay más)

- El TO-92: Este transistor pequeño es muy utilizado para la

amplificación de pequeñas señales.

La asignación de patitas (emisor - base - colector) no está

estandarizado, por lo que es necesario a veces recurrir a los manuales de equivalencias para obtener estos datos.

- El TO-18: Es un poco más grande que el encapsulado TO-92,

pero es metálico. En la carcasa hay un pequeño saliente que indica

que la patita más cercana es el emisor.

Para saber la configuración de patitas es necesario a veces recurrir

a los manuales de equivalencias.

- El TO-39: Tiene le mismo aspecto que es TO-18, pero es más

grande.

Al igual que el anterior tiene una saliente que indica la cercanía del

emisor, pero también tiene la patita del colector pegado a la carcasa, para efectos de disipación de calor.

- El TO-126: Se utiliza mucho en aplicaciones de pequeña a mediana

potencia. Puede o no utilizar disipador dependiendo de la aplicación en

se este utilizando.

Se fija al disipador por medio de un tornillo aislado en el centro del

transistor. Se debe utilizar una mica aislante

- El TO-220: Este encapsulado se utiliza en aplicaciones en que se

deba de disipar potencia algo menor que con el encapsulado TO-3, y

al igual que el TO-126 debe utilizar una mica aislante si va a utilizar disipador, fijado por un tornillo debidamente aislado.

- El TO-3: Este encapsulado se utiliza en transistores de gran potencia. Como se

puede ver en el gráfico es de gran tamaño debido a que tiene que disipar bastante

calor. Está fabricado de metal y es muy normal ponerle un "disipador" para liberar la energía que este genera en calor.

Este disipador no tiene un contacto directo con el cuerpo del transistor, pues este

estaría conectado directamente con el colector del transistor (ver siguiente







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párrafo). Para evitar el contacto se pone una mica para que sirva de aislante y a la vez de buen conductor térmico.

El disipador de fija al transistor con ayuda de tornillos adecuadamente aislados que se introducen el los orificios que estos tienen. (ver figura arriba)

En el transistor con encapsulado TO-3 el colector esta directamente conectado al

cuerpo del mismo (carcasa), pudiendo verse que sólo tiene dos pines o patitas.

Estas patitas no están en el centro del transistor sino que ligeramente a un lado y

si se pone el transistor como se muestra en la figura, al lado izquierdo estará el emisor y la derecha la base.


Unicrom Página 207

Disipadores de calor (Heatsinks)

Los disipadores de calor son componentes metálicos que utilizan para evitar que

algunos elementos electrónicos como los transistores bipolares , algunos diodos,

SCR, TRIACs, MOSFETS, etc., se calienten demasiado y se dañen.

El calor que produce un transistor no se transfiere con facilidad hacia el aire que lo

rodea.

Algunos transistores son de plástico y otros metálicos. Los que son metálicos

transfieren con más facilidad el calor que generan hacia el aire que lo rodea y, si su tamaño es mayor, mejor.

Es importante aclarar que el elemento transistor que uno ve, es en realidad la

envoltura de un pequeño "chip" que es el que hace el trabajo, al cual se le llama "juntura" o "unión".

La habilidad de transmitir el calor se llama conductancia térmica y a su recíproco

se le llama resistencia térmica (Rth) que tiene unidad de °C/W (grado Centígrado/Watt).

Ejemplo: Si la resistencia térmica RTH de un transistor es 5°C/W, esto significa,

que la temperatura sube 5°C por cada Watt que se disipa.

Poniéndolo en forma de fórmula se obtiene: R = T/P, Donde:

- R = resistencia

- T = temperatura

- P = potencia

La fórmula anterior se parece mucho a una fórmula por todos conocida: La Ley de

Ohm. R = V/I. Donde se reemplaza V por T a I por P y R queda igual. Analizando el siguiente diagrama a la derecha:

Donde:

- TJ = Temperatura máxima en la "Juntura" (dato que suministra

el fabricante)

- TC = Temperatura en la carcasa. depende de la potencia que

vaya a disipar el elemento y del tamaño del disipador de calor

y la temperatura ambiente.

- TD = Temperatura del disipador de calor y depende de la

temperatura ambiente y el valor de RDA (RD) - TA = Temperatura ambiente

- RJC = Resistencia térmica entre la Juntura y la carcasa

- RCD = Resistencia térmica entre la carcasa y el disipador

(incluye el efecto de la mica, si se pone, y de la pasta de silicón).

Mejor poner pasta de silicón y evitar poner la mica.









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- RDA = Resistencia térmica entre el disipador de calor y el Aire (Resistencia térmica del disipador) (RD)

Ejemplo: Se utiliza un transistor 2N3055 que produce 60 Watts en su "juntura".

Con los datos del transistor 2N3055, este puede aguantar hasta 200 Watts en su

"juntura" (máximo) y tiene una resistencia térmica entre la juntura y la carcasa

de: 1.5°C/W (carcasa es la pieza metálica o plástica que se puede tocar en un transistor)

Si la temperatura ambiente es de 23°C, ¿Cuál será la resistencia térmica del disipador de calor que se pondrá al transistor? (RDA)

Con RJC = 1.5°C/W (dato del fabricante), la caída de temperatura en esta resistencia será T = RxP = 1.5°C x 60 Watts = 90 °C (ver fórmula)

Con RCD = 0.15°C/W (se asume que se utiliza pasta de silicón entre el elemento y

el disipador de calor), la caída de temperatura en RCD es T = RxP = 0.15 x 60 Watts = 9°C.

Tomando en cuenta que la temperatura del aire (temperatura ambiente es de

23°C), el disipador de calor tiene que disipar: 200°C – 90°C – 9°C – 23°C = 78°C.

Esto significa que la resistencia térmica del disipador de calor será: RDA =

78°C/60 W = 1.3°C/Watt. Con este dato se puede encontrar el disipador adecuado.

Importante:

Cuando se ponga un disipador de calor a un transistor, hay que evitar que haya

contacto entre ellos. Se podría evitar ésto con plástico o el aire, pero son malos conductores de calor.

Para resolver este problema se utiliza una pasta especial que evita el contacto. La

virtud de esta pasta es que es buena conductora de calor. De todas maneras hay

que tomar en cuenta que esta pasta aislante también tiene una resistencia térmica.

Es mejor evitar si es posible la utilización de la mica pues esta aumenta el RCD. El

contacto directo entre el elemento y el disipador de calor, contrario a lo que se

pueda pensar, aumenta el valor de RCD, así que es mejor utilizar la pasta.


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Fusible: Protección contra sobre corrientes y corto circuitos

El Fusible

El fusible es dispositivo utilizado para proteger dispositivos eléctricos y electrónicos

El fusible permite el paso de la corriente mientras ésta no supere un valor establecido.

Fusible encapsulado de vidrio

Si el valor de la corriente que pasa, es superior a éste, el fusible se derrite, se abre el

circuito y no pasa corriente.

Si esto no sucediera, el equipo que se alimenta se puede recalentar por consumo

excesivo de corriente: (un corto circuito) y causar hasta un incendio.

El fusible normalmente se coloca entre la fuente de alimentación y el circuito a

alimentar. En equipos eléctricos o electrónicos comerciales, el fusible está colocado

dentro de éste.

El fusible está constituido por una lámina o hilo metálico que se funde con el calor

producido por el paso de la corriente.

Es una practica común reemplazar los fusibles, sin saber el motivo por el cual este se

"quemó", y muchas veces el reemplazo es por un fusible de valor inadecuado.

Los fusibles deben de tener la capacidad de conducir una corriente ligeramente superior

a la que supuestamente se de "quemar". Esto con el propósito de permitir picos de

corriente que son normales en algunos equipos.

Los picos de corriente son valores de corriente ligeramente por encima del valor

aceptable y que dura muy poco tiempo.

Hay equipos eléctricos que piden una gran cantidad de corriente cuando se encienden

(se ponen en ON).

Si se pusiera un fusible que permita el paso de esta corriente, permitiría también el paso

de corrientes causadas por fallas "normales" que harían subir la corriente por encima de

lo normal. En otras palabras: el circuito no queda protegido.




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Un caso es el de los motores eléctricos, que en el arranque consumen una cantidad de

corriente bastante mayor a la que consumen en funcionamiento estable.

Para resolver este problema hay fusibles especiales que permiten, por un corto período

de tiempo (ejemplo: 10 milisegundos), dejar pasar una corriente hasta 10 veces mayor

que la corriente normal.

Si después de pasado este tiempo la corriente sigue siendo grande, el fusible se

"quema".

Cuando se queme un fusible, siempre hay que reemplazarlo por uno de las mismas

características, sin excepciones, previa revisión del equipo en cuestión, para determinar

la causa de que el fusible se haya quemado.

Tipos de fusibles:

- Fusible desnudo: constituido por un hilo metálico

(generalmente de plomo) que se funde por efecto del

calor.

- Fusible encapsulado de vidrio: utilizado

principalmente en equipos electrónicos.

- Fusible de tapón enroscable: pieza cilíndrica de

porcelana o similar, sobre la cual se pone una camisa

roscada que sirve para que sea introducido en el circuito.

El alambre (fusible) se coloca internamente, se fija con

tornillos y se protege con una tapa roscada

- Fusible de cartucho: Están constituidos por una base de material aislante, sobre la

cual se fijan unos soportes metálicos que sirvan para introducir a presión el cartucho.

Ver diagrama.

Algunos símbolos de fusibles se pueden ver a continuación:

Notas:

- Hay más tipos de fusibles

- Los fusibles también muestran entre sus especificaciones, el voltaje máximo al que se

puede conectar.

http://www.unicrom.com/Tut_MotorAC.asp



Unicrom Página 211

Funcionamiento básico del triodo

Para comprender el funcionamiento de un tubo al vacío o válvula electrónica se

verá el concepto básico del funcionamiento de un triodo.

El triodo básico se compone de un filamento, un cátodo, un ánodo y una rejilla. Ver la figura.

Funcionamiento de un triodo

El filamento se calienta y causa que el cátodo libere electrones que

inmediatamente tratan de llegar al ánodo (plate / placa) que tiene voltaje

positivo. Este continuo flujo de electrones se convierte en una corriente eléctrica.

Hay que acordarse que los electrones tienen carga negativa y son atraídos por las

cargas positivas como la del ánodo

Si en el camino de este flujo de electrones se pone un dispositivo adicional

llamado grilla con voltaje negativo, este repelerá algunos de los electrones que

pasan del cátodo al ánodo y como resultado habrá una menor corriente.

Si ahora se modifica el voltaje que se aplica

a la rejilla del triodo, se modifica también la

corriente entre cátodo y ánodo (se modula la

corriente). De esta manera un voltaje

aplicado a la rejilla se modifica, también se

modificará la corriente que pasa de cátodo a ánodo

Pero el tubo al vacío no es lineal. No lineal

significa que no se da el caso de que si

aumentamos al doble el voltaje en la rejilla,

la corriente que pasa de cátodo a ánodo se convierte en la mitad de lo que era antes.

Una de las causas de esta no linealidad en la

válvula electrónica es que no todos los

electrones que salen del cátodo no pasan al ánodo, estos solamente se quedan en los alrededores de cátodo como una nube de electrones.

Esta nube de carga negativa apoya el efecto que tiene la rejilla. Este efecto causa

que la nube de electrones aumente. Esta nube de electrones aumentada

nuevamente incrementa el efecto de la rejilla en el flujo de electrones y así se

entra en un ciclo continuo que causa una mayor linealidad.

La vida de un tubo o válvula electrónica depende mucho de la temperatura, que

a su vez depende del voltaje que tiene el filamento. Si se opera con el filamento muy caliente o muy frío la vida de el tubo al vacío se acorta.

Algunos experimentadores han observado que si se disminuye el voltaje del

filamento del triodo en aproximadamente el 20% de lo aconsejado por el

fabricante, la operación del tubo al vacío tiende a linealizarse, aunque este hecho no ha sido realmente comprobado.

http://www.unicrom.com/Art_tubos.asp




Unicrom Página 212

JEDEC Código normalizado (Sistema de numeración)

JEDEC Number System. El sistema americano

JEDEC viene de: Joint Electron Device Engineering Council. Este sistema tiene el siguiente formato: cifra, letra, secuencia de cifras, sufijo

- La primera cifra indica el número de uniones PN que tiene el semiconductor

- La letra siempre es "N" (silicio)

- El secuencia de cifras es un número entre 100 y 9999

- El sufijo (si lo tiene) indica la ganancia del semiconductor. Si no hubiera sufijo el semiconductor, no tiene una ganancia determinada y podría ser cualquiera.

Las opciones del sufijo son:

A = baja ganancia

B = ganancia media C = alta ganancia

Ejemplos:

2N2222 es un transistor pues tiene dos uniones PN

1N4001 es un diodo pues tiene una unión PN

3N201A es un MOSFET de canal N (Amplificador / mesclador) que tiene 3 uniones PN y es de baja ganancia

Código de colores de los diodos

Para designar los diodos hay también un sistema de designación por colores. En

este caso la secuencia de cifras que sigue a la letra N se codifica por un sistema de bandas de colores con las normas siguientes:

Nota: La lectura siempres se realiza siempre de cátodo a ánodo. El cátodo se identifica con facilidad pues las bandas siempre están más cerca de este terminal

Cuando la secuencia es de 2 cifras: Hay una banda negra de anchura doble seguida

de dos bandas, que representan cada una una cifra según la tabla de abajo. Si

existiese una letra como sufijo, se codifica con una cuarta banda según la misma tabla.

Cuando la secuencia es de 3 cifras: Hay tres bandas representando, cada una, una

cifra según la tabla. Si existiese una letra como sufijo, se codifica con una cuarta

banda según la misma tabla.






Unicrom Página 213

Cuando la secuencia es de 4 cifras: Hay cuatro bandas representando, cada una,

una cifra según la tabla. Si existiese una letra como sufijo, se codifica con una

quinta banda según la tabla mencionada. En caso de que esta última banda (sufijo) no se utilice, se debe poner en color negro.


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JIS Código normalizado (Sistema de numeración)

JIS Number System. El sistema japonés

El sistema japonés JIS System. JIS viene de: Japanese Industrial Standard

Este sistema tiene el siguiente formato: Número, dos letras, número serial, sufijo.

- El primer número indica la cantidad de uniones PN

- Las 2 letras indican el tipo de aplicación para el que fue fabricado el

semiconductor según el siguiente código:

SA: transistor PNP HF

SB: Transistor PNP AF

AD: Transistor NPN AF

SC: Transistor NPN HF

SF: Tiristores

SH: Transistores de uniunion (UJT)

SG: Dispositivo Gunn

SJ: FET/MOSFET canal P

SK: FET/MOSFET canal N

SM: TRIAC

SR: Rectificador

ST: Diodo

SS: Diodos de señal

SQ: Diodo LED

AV: Varicaps

SZ: Diodo Zener

- El número serial es un número entre 10 y 9999

- El sufijo indica si el tipo de semiconductor es aprobado para su uso por varias organizaciones japonesas.




http://www.unicrom.com/Tut_Diodo_Gunn.asp







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PRO ELECTRON Código normalizado (Sistema de

numeración)

El Sistema europeo Pro Electron

Este sistema tiene el siguiente formato: dos letras, letra optativa, secuencia de

cifras, sufijo.

La primera letra indica el material del semiconductor

A Germanio Ge

B Silicio Si

C Arseniuro de galio NaAs

D Indio Antimonide InSb

E Material compuesto como el empleado en generadores de efecto Hall y fotoconductores

La segunda letra indica el tipo de dispositivo:

A Diodo de baja potencia o señal. (Diodos de detección, de conmutación,

mezclador)

B Diodo de capacitancia variable. (Diodo de sintonía)

C Transistor de audio frecuencia baja potencia

D Transistor de audio frecuenca de potenia

E Diodo tunnel

F Transistor de alta frecuencia baja potencia

G Dispositivos varios

H Diodo sensible al magnetismo

K Dispositivo efecto Hall

L Transistor de potencia alta frecuency

M Modulador o multiplicador Hall

N Optoacopladores. (Componentes sensible a la radiación)

P Detectores de luz

Q Emisor de luz (diodo LED)

R Componente de control o de conmutación de baja potencia como el SCR, diac,

UJT, etc.

S Transistor para aplicaciones de conmutación de potencia

T Componente de control o de conmutación de potencia como el SCR, triac, etc.

U Transistor de conmutación de potencia

V Antenas

W Dispositivo de onda acustica

X Diodo multiples, como el diodo varactor

Y Diodo rectificador, diodo de potencia Z Diodo referencia de voltaje. Diodo estabilizador de voltaje como el diodo Zener.

La Tercera letra tiene el siguiente significado:

A cuando está después de R o T indica que es un triac.

B indica que es un transistor HBT (transistor bipolar de heterounión

pseudomórfico).

F cuando está después de G, P o Q, indica emisor o receptor para fibra óptica.

H indica que es un transistor HEMT (tipo especial de transistor FET).

L cuando está después de G o Q, indica láseres para aplicaciones que no se aplican

a la fibra óptica.



http://www.unicrom.com/Tut_diodo_tunnel.asp



http://www.unicrom.com/Tut_DIAC.asp




http://www.unicrom.com/art_FibraOptica.asp



Unicrom Página 216

M cuando está después de R son para para drivers de transistores.

O cuando está después de R, indica que es un optotriac.

R cuando está después de C, indica una red semiconductora resistiva.

T cuando está después de Q, indica que es un diodo LED bicolor. W cuando está después de Z, indica que es un diodo supresor de transitorios.

- El secuencia de cifras es un número entre 100 y 9999 (puede ser una letra y 2

cifras)

- El sufijo, si esta presente, indica una subclasificación del dispositivo

A = baja ganancia

B = ganancia media C = alta ganancia


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Tutoriales: Electrónica componentes.

Versión 1.00 http://www.unicrom.com/tutoriales_componentes.asp

Web original: www.unicrom.com

Cualquier información puedes participar en el foro: http://www.unicrom.com/fhome.asp

Portado a PDF por Meta.

http://electronica-pic.blogspot.com

http://www.unicrom.com/tutoriales_componentes.asp

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http://www.unicrom.com/fhome.asp

http://www.unicrom.com/pop_profile.asp?mode=display&id=13000

http://electronica-pic.blogspot.com/

componentes básicos de electrónica

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