componentes electrónicos diodos, transistores y tiristores 1-0… · geometría del condensador y...
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UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-Secades
SESIÓN 1: Jueves 17 Noviembre: (10:45 hasta 12:45)
2 horas CE = Clase Expositiva
Componentes electrónicos
Diodos, transistores y tiristores
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Componentes básicos: pasivos y fuentes
Resistencias
Condensadores
Inductancias o bobinas
Transformadores
Fuentes de alimentación (Tensión y corriente)
COMPONENTES ELECTRICOS Y ELECTRÓNICOS
Breve sumario
V A
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ELEMENTOS AUXILIARES DE INTERÉS: RESISTENCIAS
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ELEMENTOS AUXILIARES DE INTERÉS: RESISTENCIAS
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ELEMENTOS AUXILIARES DE INTERÉS: CONDENSADORES
Un condensador está formado por un aislante (dieléctrico) colocado entre dos
conductores (p.e. condensador de placas planas).
Símbolo
Los condensadores tienen capacidad de almacenar energía en
campo electrostático.
dt
tdVCtdI
)()(
La capacidad C depende de la
geometría del condensador y
de la permitividad () del
aislante.
p.e. para un condensador de
placas planas
El parámetro C indica la capacidad de un elemento de
almacenar energía.
Se define como la carga necesaria para provocar una
variación de una unidad de tensión.
)(
)(
tdV
tdQC
De donde se obtiene la conocida relación
diferencial entre la tensión y la corriente de un
condensador. Los condensadores se oponen a las
variaciones bruscas de tensión.
Placas
Dieléctrico
d
SC
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ELEMENTOS AUXILIARES DE INTERÉS: CONDENSADORES
En función del material dieléctrico podemos tener:
•Condensadores de aire (Air dielectric capacitors)
•Condensadores de Mica (Silver mica capacitors)
•Condensadores cerámicos (Ceramic capacitors)
•Condensadores de papel (Paper capacitors)
•Condensadores plásticos (Plastic film capacitors)
•Condensadores electrolíticos (Electrolytic capacitors)
O = 0.0885 x 10-10 F/m
d
SC RO
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ELEMENTOS AUXILIARES DE INTERÉS: BOBINAS
dt
tdILtU L
L
)()(
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DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS
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Semiconductores elementales:
Germanio (Ge) y Silicio (Si)
Compuestos IV:
Si C y Si Ge
Compuestos III-V:
Binarios: Ga As, Ga P, Ga Sb, Al As, Al P, Al Sb, In As, In P y In Sb
Ternarios: Ga As P, Al Ga As
Cuaternarios: In Ga As P
Compuestos II-VI:
Zn S, Zn Se, Zn Te, Cd S, Cd Se y Cd Te
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Sb
Ge
Ge
Ge
Ge
-
+
+
-
Cada átomo dopante aporta al cristal un electrón libre.
Cada átomo dopante aporta un ión positivo fijo (no se
puede mover).
Al igual que en un semiconductor intrínseco habrá pares
electrón hueco generados a la forma convencional.
No obstante, el número de huecos disminuirá bastante, al
tener un gran número de electrones libres "pululando" por
el cristal.
SEMICONDUCTORES TIPO N: Dopantes grupo V (p.e. Sb)
El Sb tiene 5 electrones en la última capa.
El Sb sustituye al Ge en la estructura cristalina.
Le queda un electrón ligeramente unido al átomo del
dopante.
Con muy poca energía (0.01 eV - 0.05 eV puede
liberarse.
A temperatura ambiente todos los átomos de Sb han
perdido su electrón.
El átomo de Sb está fijo en la estructura cristalina y no
se puede mover (no es un hueco)
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SEMICONDUCTORES TIPO N: Dopantes grupo V (p.e. Sb)
+
+
+
+
+
Tipo N
Muchos electrones libres
Muy pocos Huecos Iones positivos
Fijos en el cristal
No se pueden Mover
COMENTARIO: Darse cuenta que un trozo de Semiconductor N por si solo tiene
poca utilidad. Simplemente es un regular conductor (una determinada resistencia)
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In
Ge
Ge
Ge
Ge
- +
+
-
Cada átomo dopante aporta al cristal un hueco.
Cada átomo dopante aporta un ión negativo fijo
(no se puede mover).
Al igual que en un semiconductor intrínseco
habrá pares electrón hueco generados a la forma
convencional.
No obstante, el número de electrones disminuirá
bastante, al tener un gran número de huecos el
cristal.
SEMICONDUCTORES TIPO P: Dopantes grupo III (p.e. In)
El In tiene 3 electrones en la última capa.
El In sustituye al Ge en la estructura cristalina.
Le queda un enlace covalente "huerfano" de
electrón.
Con muy poca energía (0.01 eV - 0.05 eV puede
"robar" un electrón a un enlace covalente vecino.
A temperatura ambiente todos los átomos de In han
"robado" un electrón.
El átomo de In está fijo en la estructura cristalina y
no se puede mover (no es un electrón/carga libre)
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SEMICONDUCTORES TIPO III: Dopantes grupo III (p.e. In)
-
-
-
-
-
Tipo P
Muchos huecos
Muy pocos electrones Iones negativos
Fijos en el cristal
No se pueden Mover
COMENTARIO: Darse cuenta que un trozo de Semiconductor P por si solo
también tiene poca utilidad. Simplemente es un regular conductor (una
determinada resistencia)
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LOS DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS SURGEN DE UNIR
TROZOS DE SEMICONDUCTOR P Y N.
LOS FENÓMENOS "ESPECIALES" QUE SURGEN SE
APROVECHAN PARA MUY DIVERSAS APLICACIONES Y
HAN DADO LUGAR AL FRUCTÍFERO MUNDO DE LA
ELECTRÓNICA.
COMUNICACIONES
ORDENADORES
MÚSICA
TELEVISIÓN
ELECTROMEDICINA
SENSORES
ETC
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DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES (PANORÁMICA)
DIODOS
TRANSISTORES
TIRISTORES
2 uniones PN
varias uniones PN
1 unión PN Diodo Zener, Diodo LED, Diodo
Schottky, diodo Tunel (Gunn),
diodo Varicap
Bipolares,
Fototransistores,
Transistores
multiemisor, JFET y
MOSFET
SCR, TRIAc, DIAC, GTO
ASOCIACIÓN DE DISPOSITIVOS
IGBT, optoacoplador, Display, puentes rectificadores, Darlington
CIRCUITOS INTEGRADOS
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+
-
V
I
P
N
I
V
DIODO
Idealmente, permite corriente directa (se comporta como un cable) y bloquea o
no permite la corriente inversa (se comporta como un cable roto)
ANÉCDOTA
Un símil hidráulico podría ser una válvula anti-retorno, permite pasar el agua
(corriente) en un único sentido.
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DIODOS ESPECIALES
Diodo Zener (Zener diode) La ruptura no es destructiva.
(Ruptura Zener).
En la zona Zener se comporta
como una fuente de tensión
(Tensión Zener).
Necesitamos, un límite de corriente
inversa.
Podemos añadir al modelo lineal la
resistencia Zener.
Aplicaciones en pequeñas fuentes
de tensión y referencias.
I
V
Tensión
Zener
(VZ)
Límite máximo
Normalmente, límite de
potencia máxima
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DIODOS ESPECIALES
Diodo LED (LED diode) Diodo emisor de Luz = Light Emitter Diode
El semiconductor es un compuesto III-V (p.e. Ga As). Con la unión PN
polarizada directamente emiten fotones (luz) de una cierta longitud de
onda. (p.e. Luz roja)
A K A K
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DIODOS ESPECIALES
Fotodiodos (Photodiode)
0
i
V
iopt
Los diodos basados en compuestos III-V, presentan una
corriente de fugas proporcional a la luz incidente (siendo
sensibles a una determinada longitud de onda).
Estos fotodiodos se usan en el tercer cuadrante. Siendo
su aplicaciones principales:
Sensores de luz (fotómetros)
Comunicaciones
COMENTARIO
Los diodos normales presentan variaciones en la corriente de
fugas proporcionales a la Temperatura y pueden ser usados
como sensores térmicos
i
0
V
T1
T2>T1
El modelo puede ser una fuente de
corriente dependiente de la luz o de la
temperatura según el caso
I = f(T)
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DIODOS ESPECIALES
Células solares (Solar Cell)
i
V VCA
iCC
Cuando incide luz en una unión PN, la característica
del diodo se desplaza hacia el 4º cuadrante.
En este caso, el dispositivo puede usarse como
generador.
Paneles de células
solares
Zona
uso
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DIODOS ESPECIALES
Diodo Varicap
(Varicap , Varactor or Tuning diode)
P N
- +-
-
-
-
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
d
Dieléctrico
La unión PN polarizada inversamente puede
asimilarse a un condensador de placas planas
(zona de transición).
Esta capacidad se llama Capacidad de Transición
(CT).
Notar, que al aumentar la tensión inversa aumenta
la zona de transición. Un efecto parecido al de
separar las placas de un condensador (CT
disminuye).
Tenemos pues una capacidad dependiente de la
tensión inversa.
Un diodo Varicap tiene calibrada y caracterizada
esta capacidad.
Uso en equipos de comunicaciones (p.e. Control
automático de frecuencia en sintonizadores)
CT
VI
30 pF
10 V
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DIODOS ESPECIALES
Diodo Schottky (Schottky diode)
Unión Metal-semiconductor N. Produciéndose el llamado efecto
schottky.
La zona N debe estar poco dopada.
Dispositivos muy rápidos (capacidades asociadas muy bajas).
Corriente de fugas significativamente mayor.
Menores tensiones de ruptura.
Caídas directas mas bajas (tensión de codo 0.2 V).
Aplicaciones en Electrónica Digital y en Electrónica de Potencia
El efecto Schottky fue predicho teóricamente en
1938 por Walter H. Schottky
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DIODOS ESPECIALES
Diodo tunel y diodo GUNN (Gunn diode and Tunnel diode)
ID
VD
Zona de resistencia
negativa.
Efecto Túnel
Tienen dopadas mucho las dos zonas del diodo (105 veces
mayor).
Aparece un efecto nuevo conocido como efecto túnel.
(Descubierto por Leo Esaki en 1958).
Un efecto parecido (GUNN) se produce en una cavidad tipo N de
Ga As.
El diodo GUNN fue descubierto por Ian Gunn en 1962.
Los efectos se traducen en una zona de resistencia negativa en
la característica directa del diodo.
Esta zona se aprovecha para hacer osciladores de microondas.
(El diodo GUNN aparece en el oscilador local del receptor del
radar. Está presente en todos los radares marinos actuales).
Diodo GUNN
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ASOCIACIÓN DE DIODOS
DISPLAY
Diodo de alta tensión
(Diodos en serie)
Puente rectificador
+
-
+
-
Monofásico
Trifásico
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APLICACIONES DE DIODOS
Detectores reflexión de espejo
Detectores reflexión de objeto
Detectores de barrera
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APLICACIONES DE DIODOS
Sensores de luz: Fotómetros
Sensor de lluvia en vehículos
Detectores de humo
Turbidímetros
Sensor de Color
LED
Fotodetector
LED azul
LED verde
LED rojo Fotodiodo
Objetivo
LED
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TRANSISTORES (Panorámica)
BIPOLARES
NPN
PNP
EFECTO DE
CAMPO
UNIÓN
METAL-OXIDO-
SEMICONDUCTOR
CANAL N (JFET-N)
CANAL P (JFET-P)
CANAL N (MOSFET-N)
CANAL P (MOSFET-P)
TRANSISTORES
* FET : Field Effect Transistor
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TRANSISTOR BIPOLAR NPN (NPN bipolar transistor)
N P N Colector
(C)
Base
(B) Emisor
(E)
C E
B
SÍMBOLO
Descubiertos por
Shockley, Brattain
y Barden en 1947
(Laboratorios Bell)
COMENTARIO:
Un símil podría ser un grifo de agua. La corriente de base
hace el papel del mando de grifo (aumentar la máxima
capacidad de agua - corriente- del grifo).
BASE
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IC [mA]
VCE
IB [mA] =
0
10
20
C
E
B
30 3000
2000
1000
= 100
CARACTERÍSTICAS DE UN TRANSISTOR NPN
ZONA DE SATURACIÓN:
Comportamiento como interruptor
cerrado.
ZONA DE TRANSISTOR INVERSO:
Emisor y colector intercambias papeles.
Podemos tener una INVERSA, que en el
dispositivo ideal consideraremos cero
ZONA DE CORTE:
Comportamiento como
interruptor abierto.
ZONA ACTIVA:
Comportamiento como
Fuente de Corriente.
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TRANSISTOR BIPOLAR PNP (PNP bipolar transistor)
P N P Colector
(C)
Base
(B) Emisor
(E)
C E
B
SÍMBOLO
IC [mA]
VEC
IB [mA] =
0
10
20
30 3000
2000
1000
= 100
COMENTARIO:
Un símil podría ser un grifo de agua. La corriente de base
hace el papel del mando de grifo (aumentar la máxima
capacidad de agua - corriente- del grifo).
BASE
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FOTOTRANSISTOR (Phototransistor)
La luz (fotones de una cierta longitud de onda) al incidir en la zona de base
desempeñan el papel de corriente de base
C
E
El terminal de Base, puede estar presente o no.
No confundir con un fotodiodo.
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ASOCIACIÓN DE TRANSISTORES
OPTOACOPLADOR
OBJETIVO:
Proporcionar aislamiento galvánico y
protección eléctrica.
Detección de obstáculos.
Conjunto fotodiodo + fototransistor
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APLICACIÓN TÍPICA DE LOS OPTOACOPLADORES:
"Encoder" óptico para medida de velocidad y posicionado
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TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO (FET - Field Effect Transistor)
EFECTO DE
CAMPO
UNIÓN
METAL-OXIDO-
SEMICONDUCTOR
CANAL N (JFET-N)
CANAL P (JFET-P)
CANAL N (MOSFET-N)
CANAL P (MOSFET-P)
Dr Julius Lilienfield (Alemania) en 1926 patentó el concepto de "Field Effect Transistor".
20 años antes que en los laboratorio Bell fabricaran el primer transistor bipolar.
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JFET DE CANAL N (Característica real de salida)
ID
VDS
UGS[V]
≥0
-10
-20
-30
ZONA DE COMPORTAMIENTO RESISTIVO
ZONA COMPORTAMIENTO
FUENTE DE CORRIENTE D
S
G
SE COMPORTA COMO UN TRANSISTOR BIPOLAR DONDE LA TENSIÓN DE PUERTA
(UGS) JUEGA EL PAPEL DE LA CORRIENTE DE BASE.
PODEMOS DECIR QUE ES UN DISPOSITIVO CONTROLADO POR TENSIÓN.
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JFET DE CANAL P (Característica real de salida)
ID
VSD
USG[V]
≥0
-10
-20
-30
ZONA DE COMPORTAMIENTO RESISTIVO
ZONA COMPORTAMIENTO
FUENTE DE CORRIENTE S
D
G
SE COMPORTA COMO UN TRANSISTOR BIPOLAR DONDE LA TENSIÓN DE PUERTA
(USG) JUEGA EL PAPEL DE LA CORRIENTE DE BASE.
PODEMOS DECIR QUE ES UN DISPOSITIVO CONTROLADO POR TENSIÓN.
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ID
VDS
UGS[V]
=+15 V
=+10 V
=+5 V
= 0 V
MOSFET DE CANAL N
Diodo parásito
(Substrato - Drenador)
COMENTARIO:
Aunque a veces se dibuje el símbolo con
un diodo, tener en cuenta que NO ES UN
COMPONENTE APARTE.
D
S
G
D
S
G
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ID
VSD
USG[V]
=+15 V
=+10 V
=+5 V
= 0 V
MOSFET DE CANAL P
Diodo parásito
(Substrato - Drenador)
COMENTARIO:
Aunque a veces se dibuje el símbolo con
un diodo, tener en cuenta que NO ES UN
COMPONENTE APARTE.
S
D
G
S
D
G
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ID
VGS
MOSFET (precauciones con la puerta)
- 30 V + 30 V
CAUTION, ELECTROSTATIC SENSITIVE !!!
La puerta (G) es muy sensible.
Puede perforarse con tensiones
bastante pequeñas (valores típicos de
30 V).
No debe dejarse nunca al aire y debe
protegerse adecuadamente.
D
S
G
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TIRISTORES
(Thyristor)
En 1956 se desarrollo el primer Tiristor Bell Telephoned Laboratory.
Inicialmente fue llamado Transistor PNPN (hoy conocido como SCR)
Los tiristores son dispositivos especialmente populares en Electrónica de Potencia.
Son sin duda los dispositivos electrónicos que permiten alcanzar potencias mas altas, son
dispositivos realmente robustos.
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Definición y tipos
- Dispositivo de 4 capas con estados estables de conducción y bloqueo
- Interruptor de potencia muy alta
- Potencias y tensión muy altas
- Frecuencias de conmutación no superiores a 2kHz
SCR (Silicon Controlled Rectifier).
Interruptor unidireccional
GTO (Gate Turn-off)
Interruptor unidireccional. Apagado por puerta
TRIAC (Triode AC)
Interruptor bidireccional
DIAC. (Diode AC)
Interruptor bidireccional ( Control de tiristores)
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SCR: Un modelo ideal sencillo
Podemos decir que es un interruptor unidireccional que se cierra con un pulso de corriente
de puerta (disparo) y se abre cuando la corriente pasa por cero
G
A
C
MODELO IDEAL DE UN SCR
A
C G
A
C
G NOTA:
El disparo por tensión directa (VB) se considera indeseable
y, como norma general, debe seleccionarse el SCR para
que esto no ocurra
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500 V
24A
1300 V
1800A
500 V
100A
TO 200 AF
B 20
TO 209 AD
B 7
TO 208 Ac
B 2
SCR: Algunos ejemplos
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Unos de los 12 SCR para un “pequeño”
rectificador trifásico de 500 MW y 500 KV
(Inga-Shaba, ZAIRE)
EL SCR es el dispositivo electrónico mas
robusto que existe.
Puede manejar tensiones y corrientes
realmente impresionantes.
Algunos ejemplos son realmente
espectaculares.
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TRIAC: Un modelo ideal sencillo
Podemos decir que es un interruptor bidireccional que se cierra con un pulso de corriente
de puerta (disparo) y se abre cuando la corriente pasa por cero. La puerta es ahora
bidireccional (2 diodos en anti-serie)
G
T2
T1
MODELO IDEAL DE UN TRIAC
T2
T1 G
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Dispositivo auxiliar (p.e. disparo de tiristores)
Soporta picos de corrientes elevados
Se debe conocer la Tensión de cebado (p.e. 33V en el DB3)
DB3: Diac comercial muy popular
DIAC: Diode AC
Característica
IT
VT +VB -VB
A1 A2
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DIAC: Algunos elementos similares
DESCARGADOR DE GAS
VARISTOR
Gránulos de óxidos
metálicos sinterizadas
(Óxido de cinc, etc)
Recinto de descarga
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DIAC: Uso como elemento de protección
Equipo a proteger Ve
I F
TRIAC,
VARISTOR,
DESCARGADOR,...
Sobretensión
NOTA:
Seguramente el VARISTOR es el elemento mas popular para esta aplicación
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GTO: (Gate Turn-off)
A C
G
La especial estructura del dispositivo
permite el apagado por puerta (con un
pulso negativo).
Por lo demás es similar al SCR.
Estructura de un GTO simétrico
A
C G
Vista desde abajo
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LASCR, Tiristor controlado por luz.
Son Tiristores activados por luz
Utilizados en Alta tensión
Frecuencias de conmutación de hasta 2KHz
Tensiones elevadas 6000V y 1500A
A K
G
NOTA:
Normalmente disponen de conexiones especiales para ser disparados
con fibra óptica. Son interesantes en entornos de corrientes y tensiones
elevadas, permitiendo un elevado aislamiento entre el circuito de
potencia y el de gobierno.
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Unos de los 12 SCR para un “pequeño”
rectificador trifásico de 500 MW y 500 KV
(Inga-Shaba, ZAIRE)
EL MAS PEQUEÑO
UNO GRANDE
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS:
PEQUEÑOS Y GRANDES SEGÚN LA APLICACIÓN
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Circuitos Integrados (Integrated Circuits - IC)
En un IC se implementa un circuito electrónico
completo (Resistencias, condensadores,
diodos, transistores, etc) realizado sobre el
mismo circuito semiconductor (Substrato).
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1948
Transistor
Lab. Bell
Schokley,
Brattain,
Bardeen
1958
Primer IC
Kilby
1971
Primer P
4004
INTEL
2001
Pentium IV
INTEL
Transistor 2 Transistores 42 millones de transistores
1960
MOSFET
2.300 Transistores
1945
ENIAC
1er Computador
válvulas
La evolución del tamaño de los circuitos integrados ha sido
espectacular.
Teniendo sus máximos de capacidad de integración, en el mundo
de la Electrónica Digital (Microprocesadores)
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LOS CIRCUITOS INTEGRADOS PUEDEN LLEGAR A TENER
MUCHÍSIMOS COMPONENTES REALIZADOS SOBRE EL
MISMO CIRCUITO INTEGRADO
Buscando errores
sobre un esquema de
un Circuito Integrado
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EJEMPLO TÍPICO DE CIRCUITO INTEGRADO DE PROPÓSITO GENERAL:
DIP-8
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DATOS EN EL ENCAPSULADO DE UN CIRCUITO INTEGRADO
FABRICANTE
AD Analog Devices
A Fairchild
CR RCA
LM National Semiconductor
MC Motorola
NE/SE Signetics
OP Precision Monolithics
RC/RH Raytheon
SG Silicon General
TL Texas Instrument
DESIGNADOR
Nombre/función del dispositivo
741 Amplificador de propósito general
081 Amplificador entrada FET
311 Comparador rápido
RANGO TEMPERATURA
C: Comercial 0ºC hasta 70ºC
I: Industrial -40ºC hasta 85 ºC
M: Militar -55ºC hasta 125 ºC
ENCAPSULADO
D,P: Plástico
J, N: Cerámico
M: Metálico
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1
2
3
4
5
6
Encapsulado típico DIL - 6
Orden para numerar los pines
Pin número 1
DATOS EN EL ENCAPSULADO DE UN CIRCUITO INTEGRADO
DIL = Dual In Line SIL = Serial In Line
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USOS DEL TRANSISTOR NPN: Como interruptor
12 V
12 V
36 W 3 A
I
12 V
12 V
36 W 3 A
I
= 100
40 mA
Sustituimos el interruptor principal por un
transistor.
La corriente de base debe ser suficiente
para asegurar la zona de saturación.
Ventajas:
No desgaste, sin chispas, rapidez, permite
control desde sistema lógico.
Electrónica de Potencia y Electrónica
digital
IB = 40 mA 4 A
IC
VCE
3 A
PF (OFF) 12 V
PF (ON) ON
OFF
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USOS DEL TRANSISTOR NPN: Como fuente de corriente (amplificador)
12 V
= 100
RB RC
UE
IB
IC
+
-
UC
En RC (p.e. altavoz) obtenemos una copia de UE (p.e.
música).
El punto de funcionamiento cambia "al ritmo de la
música".
Notar la presencia de un indeseable nivel de continua.
Necesitamos polarizar el transistor para que siempre se
comporte como una fuente de corriente dependiente: IC =
f(IB)
UBIAS
PF
UE
UC
UBIAS 12
ELECTRÓNICA
ANALÓGICA
Podremos aplicar el principio de
superposición y linealizar el transistor
entorno a su punto de funcionamiento.
Hablaremos de circuito de continua
(polarización) y de circuito de alterna.
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PF 12 V
= 100
RB RC
UE
IB
IC
+
-
UC
USOS DEL TRANSISTOR NPN: Saturación como amplificador
UBIAS
UE
UC
UBIAS
12
El transistor se sale de la zona de fuente de
corriente. Las tensiones del circuito no pueden
sobrepasar las de alimentación.
Decimos que el amplificador se satura (y
distorsiona).
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USOS DEL MOSFET - Canal N: Como interruptor
12 V
12 V
36 W 3 A
I
12 V
12 V
36 W 3 A
I
Sustituimos el interruptor principal por un
transistor.
¡¡¡ LA CORRIENTE DE PUERTA ES NULA
(MUY PEQUEÑA) !!!
UGS= 12 V 4 A
ID
VDS
3 A
PF (OFF) 12 V
PF (ON) ON
OFF
La puerta no puede
quedar al aire
(debe protegerse)