diodo y transistor

Fundamentos de Electrónica

INDICE

UNIDAD I: “EL DIODO Y EL TRANSISTOR” 1. INTRODUCCIÓN A LOS SEMICONDUCTORES ....................... 1 2. EL DIODO SEMICONDUCTOR ..................................................... 4

2.1 Constitución Interna ................................................................. 4 2.2 Funcionamiento ........................................................................ 5

3. EL DIODO RECTIFICADOR ........................................................... 8 4. EL DIODO ZENER ............................................................................ 8 5. EL TRANSISTOR BIPOLAR .......................................................... 10 6. FUNCIONAMIENTO ..................................................................... 11 7. CURVAS CARACTERÍSTICAS ..................................................... 11 8. MODELOS EQUIVALENTES ........................................................ 13

UNIDAD II: DISPOSITIVOS DE POTENCIA 1. TIRISTORES ..................................................................................... 15

1.1 EL DIODO SHOCKLEY ......................................................... 15 2. CARACTERÍSTICA TENSIÓN-INTENSIDAD ........................... 16 3. EJEMPLO DE APLICACIÓN: DETECTOR DE SOBRETENSIÓN ....................................................................................... 17 4. SCR (SILICON CONTROLLED RECTIFIER) .............................. 17 5. CARACTERÍSTICA TENSIÓN INTENSIDAD ........................... 18 6. MÉTODOS DE CONMUTACIÓN ................................................ 18 7. APLICACIONES DEL SCR ............................................................ 20 8. MODELO DE TIRISTOR DE DOS TRANSISTORES ................. 21 9. ACTIVACIÓN DEL TIRISTOR ..................................................... 22

9.1 Tiristores de Desactivación Por Compuerta (GTO). ......... 23 9.2 Tiristores De Triodo Bidireccional (TRIAC) ...................... 23 9.3 Rectificadores Controlados De Silicio Activados Por

Luz (LASCR) ....................................................................... 24 10. SCS (SILICON CONTROLLED SWITCH) ................................... 24 11. EL DIAC............................................................................................ 25 12. EL TRIAC ......................................................................................... 27 13. APLICACIONES DEL TIRISTOR ................................................. 30 14. TRANSISTOR MONOUNION (UJT) ........................................... 30 15. TRANSISTOR MONOUNIÓN PROGRAMABLE ...................... 31


UNIDAD III: “TRANSFORMADOR Y RECTIFICADOR”

1. TRANFORMADOR DE AISLAMIENTO ....................................... 33 2. FUNCIONAMIENTO ........................................................................ 34 3. SEÑAL ALTERNA Y SEÑAL RECTIFICADA ............................. 35 4. RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA ............................................ 36 5. RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA ................................... 42

5.1 Con Dos Diodos .................................................................. 42 5.2 En Configuración Tipo Puente ......................................... 45

UNIDAD IV: “FILTRADO Y REGULACIÓN”

1. FILTRO A CAPACITO ...................................................................... 49 2. DUPLICADOR DE VOLTAJE DE MEDIA ONDA Y ONDA COMPLETA ............................................................................................... 55 3. EL DIODO ZENER COMO REGULADOR DE VOLTAJE .......... 57 4. FUNCIONAMIENTO DEL CIRCUITO BÁSICO .......................... 59 5. RESUMEN ........................................................................................... 62 6. AUTO COMPROBACIÓN ................................................................ 64 7. SOLUCIONARIO ............................................................................... 65

UNIDAD V: “POLARIZACIÓN DEL TRANSISTOR”

1. PUNTO DE OPERACIÓN .............................................................. 66 2. CIRCUITOS BÁSICOS DE POLARIZACIÓN ............................. 67 3. CÁLCULO DEL PUNTO DE OPERACIÓN ................................ 69

UNIDAD VI: “APLICACIONES DEL TRANSISTOR”

1. EL TRANSISTOR COMO INTERRUPTOR .................................... 78 2. CIRCUITO DE APLICACIÓN Y CÁLCULO ................................. 79 3. EL TRANSISTOR COMO AMPLIFICADOR ................................. 83 4. TIPOS DE AMPLIFICADORES ........................................................ 83

4.1 CLASE A: ................................................................................. 84 4.2 CLASE B: .................................................................................. 84 4.3 CLASE AB: ............................................................................... 86 4.4 CLASE C: .................................................................................. 87

5. EL TRANSISTOR COMO FUENTE DE CORRIENTE .................. 88 6. APLICACIÓN COMO REGULADOR DE VOLTAJE ................... 90 7. CIRCUITO DE APLICACIÓN ......................................................... 90 8. RESUMEN ........................................................................................... 93 9. AUTOCOMPROBACIÓN ................................................................. 94 10. SOLUCIONARIO ............................................................................ 94


UNIDAD VII: “CI REGULADORES DE VOLTAJE”

1. REGULADORES DE VOLTAJE INTEGRADOS ........................... 95 1.1 Reguladores de Voltaje Positivo Fijo .................................... 95 1.2 Reguladores de Voltaje Negativo Fijo. ................................. 97 1.3 Reguladores de Voltaje Variables. ....................................... 98

2. APLICACIONES DE LOS REGULADORES DE VOLTAJE INTEGRADOS. .......................................................................................... 99

UNIDAD VIII: “LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES (OPAMP)”

1. EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL IDEAL ...................... 101 1.1 Configuraciones Básicas Con Amplificadores

Operacionales ................................................................... 102 1.1.1 Amplificador Inversor .................................................... 102

1.1.2 Amplificador No Inversor ................................................... 102

1.2 El Amplificador Operacional Como Comparador ......... 113 2. EJERCICIOS DE PRÁCTICA ....................................................... 114 3. APÉNDICE ..................................................................................... 118

Fundamentos de Electrónica 1

UNIDAD I

“EL DIODO Y EL TRANSISTOR” 1. INTRODUCCIÓN A LOS SEMICONDUCTORES

Por naturaleza, algunos materiales forman cuerpos caracterizados por una geometría regular y son llamados cristales. Se dice que tales sustancias son cristalinas; en cambio otros sólidos carecen de forma definida y son denominados plásticos o amorfos. Entre las sustancias cristalinas hay tanto elementos simples como compuestos, así como metales y no metales. La mayoría de los minerales naturales son sustancias cristalinas.

Figura N° 1: Fotografía de un Cristal

En lo externo, el cristal presenta caras planas dispuestas según cierta simetría particular. En lo interno, el cristal esta caracterizado por un ordenamiento definido de sus átomos en un sistema muchas veces repetido, el que se denomina estructura cristalina básica. El carácter cristalino de una substancia no siempre se reconoce a simple vista, pues sus cristales individuales son muy pequeños y están aglomerados irregularmente, de modo que el aspecto del conjunto se confunde con el de una sustancia amorfa. Cuando un trozo de material cristalino esta formado por un cristal único y no por un conglomerado de cristales, se habla de un monocristal.

2 Fundamentos de Electrónica

Figura N° 2: Estructura Cristalina

De los monocristales pueden cortarse placas, barras y es frecuente llamarlos cristales erróneamente. Del mismo modo se llaman cristales a las placas de germanio utilizadas en los diodos y en los transistores.

Figura N° 3: Átomo de Germanio

Figura N° 4: Átomo de Silicio


Átomos de Germanio y silicio en los que se muestra su número atómico y los electrones de valencia en su última capa ( 4 e- - claros ) los círculos oscuros indican los espacios para un electrón de enlaces. El germanio y el silicio son por ahora los semiconductores más utilizados en la electrónica. Sin embargo, se presta mucha atención al Silicio, a causa de su capacidad de funcionar a temperaturas más elevadas que las que admite el germanio. Los semiconductores comunes incluyen elementos químicos y compuestos como silicio, germanio, selenio, arseniuro del galio, y otros. En un semiconductor puro, o intrínseco, como el silicio, los electrones de valencia, o los electrones exteriores de un átomo se aparean y se comparten entre los átomos para hacer un enlace del tipo covalente que unen el cristal . Estos electrones de valencia no generan espontáneamente la corriente eléctrica.

Figura N° 5: Átomos de Silicio enlazado con un átomo de Fósforo

Figura N° 6: Átomos de Silicio enlazado con un átomo de Aluminio


Obsérvese que cuando el silicio se enlaza con un átomo como el fósforo sobra un electrón libre, por tanto esta impureza generará un semiconductor tipo n. Cuando se enlaza con un átomo de aluminio en cambio, le falta un electrón para completar los cuatro enlaces covalentes, generándose un espacio libre denominado hueco, por tanto, esta impureza generará un semiconductor tipo p. Para producir electrones de conducción se usa la temperatura o la luz, para excitar los electrones de valencia fuera de sus enlaces, al moverse libres dejan los llamados huecos o regiones de carga positiva que contribuye al flujo de la corriente eléctrica. Se dice que estos agujeros son portadores de electricidad positiva. Este es el origen físico del aumento en la conductividad eléctrica de semiconductores por la temperatura. En cambio en el de dopado, otro método para producir a los portadores libres de electricidad, se agregan impurezas al semiconductor. La diferencia en el número de electrones de valencia entre el material agregado (donadores o aceptadores de electrones), y el organizador ( el semiconductor ) da lugar a los dos tipos, negativo (tipo n) o positivo (tipo p) de semiconductores. Este concepto se ilustra en el diagrama; acompañando al silicio está el fósforo (P); sus cinco electrones de valencia reemplazan a un átomo de silicio y proporcionan electrones negativos extras. En un semiconductor de tipo p, átomos con tres electrones de valencia como el aluminio (Al) lleva al sistema a una deficiencia de electrones, o a agujeros que actúan como elementos de carga positivos. Los elementos de carga positivos extras o agujeros pueden dirigir electricidad.

2. EL DIODO SEMICONDUCTOR

2.1 Constitución Interna

En la constitución interna de un diodo encontramos dos tipos de semiconductores, unidos a través de una región llamada juntura, estos tipos de semiconductores son denominados por el exceso de portadores que ellos presentan, en el caso del tipo n , son los electrones y del tipo p, son los elementos de carga positiva denominados huecos .


Semiconductor tipo n Semiconductor tipo p

Juntura

Figura N° 7: Estructura interna de un Diodo de unión o juntura

Figura N° 8: Símbolo

2.2 Funcionamiento

En un Diodo ideal la corriente pasa sólo en una dirección. Si un voltaje positivo es aplicado con la convención de polaridades mostrado en la figura. A través de sus terminales denominados respectivamente Ánodo y Cátodo.

Ánodo Cátodo Batería + VD _ Resistencia de Carga

ID

Sentido de Corriente

Figura N° 9


En este caso el diodo es considerado en polarización directa ( forward – biased ) en la cual no presenta resistencia, y la corriente fluye en la dirección de la flecha, dicha corriente es limitada únicamente por una resistencia externa. Cuando la polaridad de la batería es contraria, el diodo es polarizado en inversa ( reverse – biased ) y no fluye corriente entre sus terminales. La dirección de corriente asumida es convencional ( no corresponde al flujo de electrones ). Un diodo real sólo es aproximado en su comportamiento a uno ideal. Cuando un diodo real es polarizado en directa, la corriente crece exponencialmente con el voltaje y la resistencia interna toma un valor finito.

Germanio

Corriente en el Diodo

Silicio ID

VD VD

Región de Ruptura 0.6 V 0.2 V Voltajes Umbrales

Figura N° 10

Para propósitos más prácticos, se observa que no fluye una corriente apreciable hasta que sea aplicado un voltaje de 0.5 a 0.7 voltios de polarización directa (Este dato corresponde a un diodo de silicio). Pero una vez alcanzado estos valores de voltaje la corriente crece rápidamente. En efecto existe un umbral de conducción (VT), el cual es de 0.6 voltios aproximadamente. Este rápido crecimiento exponencial de la corriente es representado através de una aproximación por tramos (piecewise approximation) como se muestra en la figura anterior. Nótese que el voltaje en el diodo en la región de polarización directa es siempre aproximadamente la misma (0.6 v. Para el Silicio) y casi


independiente de la variación de corriente. El diodo de Germanio presenta un voltaje umbral bien definido en aproximadamente 0.2 v, mientras que los diodos de Arseniuro de Galio (GaAs – Diodos emisores de luz) tienen un voltaje umbral de 1.6 v . En la figura se muestra un diodo de Silicio, Germanio y un Diodo Emisor de Luz (LED).

Figura N° 11: Diodos de Arseniuro de Galio, Germanio y Silicio

La corriente de polarización inversa en un diodo real es pequeña ( un valor típico suele ser de 10-8 Amperios ) y aproximadamente independiente al voltaje aplicado al diodo hasta que se alcanza la región de ruptura con valores de voltaje de polarización inversa altos. A este punto se lo denomina región de rompimiento por Avalancha o Zener, la corriente crece rápidamente con el incremento del voltaje inverso. La temperatura es un parámetro importante, el valor del voltaje umbral sufre una variación (un corrimiento) a valores menores cuando la temperatura crece, de acuerdo al siguiente gráfico.

Variación de Voltaje Umbral

Temperatura Co

Figura N° 12


Para muchas aplicaciones, los parámetros más importantes que distinguen a los varios tipos de diodos son el máximo voltaje de operación y la corriente. El máximo voltaje se refiere al de polarización inversa y especifica el mínimo voltaje en el cual el rompimiento por avalancha ocurre para cada dispositivo. Debido a que el rompimiento puede producirse incluso por rápidos pulsos o picos de voltaje, el diodo debe de ser escogido con un voltaje inverso lo suficientemente alto para que no lo afecte los voltajes transitorios de valor alto que pudieran ocurrir. De manera similar el pico máximo de corriente para un diodo es especificado, y la corriente que circula por el diodo en un circuito determinado debería de ser substancialmente menor al valor máximo. Otros parámetros a tener en cuenta en la selección de un diodo son la rapidez de conmutación entre el estado de conducción y no conducción y la corriente inversa de pérdidas (current leakage).

3. EL DIODO RECTIFICADOR

El Diodo proyectado para aplicaciones de rectificadores de fuentes poseen una capacidad de corriente relativamente alta y usualmente valores altos de voltaje inverso. Un pequeño rectificador típico sería capaz de manejar 1 A. en promedio y un pico de 10 A. con un voltaje inverso de 100 V. o más. Unidades que sobrepasen los 100 A. o 1 kV. son disponibles. Las unidades grandes poseen un tornillo que les permite ser montados de manera que puedan disipar calor a través de disipadores de aluminio, debido al calentamiento interno motivado por la conducción de niveles altos de corriente. La caja que contiene al diodo denominado case es usualmente conectado al terminal de cátodo con excepción de aquellas unidades designados con R ( inverso) en los cuales esta conectado al ánodo. Debido a que la corriente de fuga (reverse bias) puede ser apreciable y la respuesta en el tiempo (velocidad de conmutación entre conducción y no conducción) comparativamente bajo en los diodos rectificadores, su trabajo no suele ser satisfactorio en otras aplicaciones.

4. EL DIODO ZENER

Dispositivos diseñados para trabajar en la región de rompimiento inverso son denominados como reguladores de voltaje o diodos Zener. Un buen diodo regulador debe de poseer un codo de rompimiento marcado y una pronunciada inclinación en la curva característica de voltaje corriente en la región de polarización inversa.


Punto de Operación Región de Polarización Directa

Región de Polarización Inversa Codo de Rompimiento

Figura N° 13

La operación de este diodo regulador es a través de un resistor y una fuente de voltaje que lo polarice inversamente como se muestra en la figura, el diodo debe de mantener el voltaje entre sus terminales aproximadamente constante, el símbolo que lo representa es un tanto distinto al correspondiente a un diodo simple

Sentido de la corriente Diodo Zener Figura N° 14


Figura N° 15: Fuente de poder doble

5. EL TRANSISTOR BIPOLAR

En el transistor, una combinación de dos uniones puede usarse para lograr amplificación. Un tipo, llamado el transistor de unión de n-p-n, consiste en una capa muy delgada de material del tipo p entre dos secciones de material del tipo n, colocado en un circuito como el mostrado en la figura.

Sentido del Flujo de corriente

Figura N° 16

El color claro indica un semiconductor tipo n y el oscuro uno tipo p


6. FUNCIONAMIENTO

El material del tipo n a la izquierda del diagrama es el elemento del emisor del transistor y constituye la fuente de electrones. Permitir el flujo directo de corriente por la unión n-p es su trabajo, el emisor tiene un voltaje negativo pequeño con respecto a la capa del tipo p que controla el flujo de electrones. El material del tipo n al otro lado en el circuito sirve como el elemento del colector que tiene un voltaje positivo grande con respecto a la base para prevenir el flujo inverso. Similar en funcionamiento al tipo n-p-n es el transistor de unión p-n-p que también tiene dos uniones , pero en el cual las corrientes fluyen en sentidos contrarios . Nótese la diferencia en el tamaño y espesor del emisor, la base y el colector .

7. CURVAS CARACTERÍSTICAS

Las características de entrada y salida de un Transistor n-p-n se muestran en el siguiente gráfico. Se ha exagerado la variación no lineal por propósitos de ilustración; se ha asumido la usual configuración emisor común. Se nota que la característica corriente voltaje de entrada por base es idéntica a la de un diodo, ésto es dado a que la juntura base emisor es en realidad un diodo. Una sola curva es mostrada debido a que las variaciones del voltaje de colector, lo afectan pero de manera muy leve. Es interesante notar que la resistencia de entrada del transistor es alta y posee una variación no lineal (exponencial) con respecto al voltaje de base; esta resistencia es definida como la inversa de la variación entre la corriente de base y el voltaje de base a emisor.

Sentido de las Corrientes

Característica de Entrada Característica de Salida

Figura N° 17


El valor de esta resistencia se encuentra por lo general en el rango de 100 a 1000 Ohms. Con respecto a la característica de salida mostrado en el gráfico se puede ver que la corriente de colector aparentemente es constante frente a las variaciones del voltaje de colector, pero que en la región en la cual el voltaje de colector es pequeño, se produce una respuesta diferente (Región de Saturación) o también cuando el voltaje de colector es bastante alto Voltaje de Ruptura (Voltage break-down).

Zona de Saturación Zona Activa

Zona de Corte

Figura N° 18

Por cada valor de corriente de base, se obtiene una corriente mayor y proporcional en el colector, esta relación de proporcionalidad es denominada

ganancia de corriente (usualmente denominada ); este parámetro está definido de la siguiente manera:

= Ic

Ib Es necesario mencionar que este parámetro presenta variaciones dependientes de la temperatura, no obstante para muchos propósitos se puede considerar constante. Este es uno de los parámetros más importantes

en un transistor. Existe otro denominado alfa ( ) el cual nos da la relación entre la corriente de colector y la de emisor mediante la siguiente expresión:

= Ic Ie


Figura N° 19: Tipos Diferentes de empaques de Transistores

Los valores máximos de operación de un transistor con respecto a voltaje, corriente y potencia son especificados para cada tipo particular de transistor pero a manera general, podemos decir que por ejemplo el máximo valor de voltaje break-down para muchos transistores está en el rango de 15 a 100 voltios, la máxima corriente pico típicamente está en el rango de 50 a 500 mA. Pero podría llegar al orden de los 10 A. para ciertos dispositivos de potencia. La máxima potencia de disipación está en el orden de 0.1W a 150W. Es necesario tener cuidado de hacer trabajar al dispositivo sin llegar a su límite de temperatura de operación; es recomendable tener un margen considerable para asegurar la vida útil del dispositivo.

8. MODELOS EQUIVALENTES

A continuación se muestran dos modelos o circuitos equivalentes que tratan de representar el comportamiento de este dispositivo; en el primero se muestra una simplificación de su comportamiento o característica de entrada y salida; en este caso conformado por un diodo entre base y emisor. Y una fuente de corriente dependiente de la corriente de base entre el colector y emisor; algo que debemos recordar es que el voltaje de operación del transistor entre base y emisor está representado por el voltaje de operación del diodo el cual se tomará como 0.6 voltios.


El segundo, es el modelo convencional para pequeña señal o de parámetros híbridos; éste es ligeramente diferente al anterior, aquí se representan las resistencias de entrada y salida del transistor y su equivalente en parámetros híbridos:

Modelo Simplificado Modelo Híbrido

Ri = h ie

= h fe go = h oe

Si estos parámetros son conocidos ya sea por medición o por la información que los fabricantes de dispositivos dan en los manuales, es posible realizar los cálculos para poder determinar el comportamiento del transistor en un circuito determinado.

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