III INTRODUCCINA LA ASIGNATURADurante el periodo 1904 -1947, el tubo de vaco fue sin duda el dispositivo electrnico de inters y desarrollo. Sin embargo, a principios de la dcada de los treinta elttrodo de cuatro elementos y el pentodo de cinco elementos se distinguieron en la industria de tubos electrnicos, y en los aos siguientes, la industria se convirti en una de primera importancia y se lograron avances rpidos en el diseo, las tcnicas de manufactura, las aplicaciones de alta potencia y alta frecuencia y la miniaturizacin.Walter H. Brattain y John Bardeen demostraron el efecto amplificador del primer transistor en los Bell Telephone Laboratorios. Las ventajas de este dispositivo de estado slido de tres terminales sobre el tubo electrnico fueron evidentes: era ms pequeo y ligero; no tena filamentos o prdidas trmicas; construccin de mayor resistencia y ms eficiente al absorber menos potencia; de uso rpido, sin requerir un periodo decalentamiento; adems, las tensiones de operacin son ms bajas. El alumno descubrir que todos los amplificadores (dispositivos queincrementanel nivel devoltaje, corrienteopotencia) tendrn al menos tres terminales con una de ellas controlando el flujo entre las otras dos.Por otro lado el concepto original del AO (amplificador operacional) procede del campo de los computadores analgicos, usados entcnicas operacionales enlos aos 40. El nombre deamplificador operacionalderiva del concepto de un amplificadordc (amplificador acoplado en continua) con una entrada diferencial y ganancia extremadamente alta. Cambiando los tipos y disposicin de los elementos de retroalimentacin, podan implementarse diferentes operaciones analgicas; en gran medida, lascaractersticasglobalesdel circuitoestabandeterminadasslopor estos elementos de realimentacin. De esta forma, el mismo amplificador era capaz de realizar diversas operaciones, y el desarrollo gradual de los amplificadores operacionales dio lugar al nacimiento de una nueva era en los conceptos de diseo de circuitos.En cuanto a la historia de la electrnica de potencia empez en elao de 1900, con la introduccindel rectificador dearcodemercurio. Luegosedescubreel rectificador de tanque metlico, el rectificador de tubo al vaco de rejilla controlada, el ignitrn, el fanotrn y el tiratrn. Estos dispositivos tuvieron su aplicacin en el control de la energa hasta la dcada de 1950. La primera revolucin electrnica tiene su inicio en 1948 con la invencin del transistor de silicioenlosBell TelephoneLaboratories. Lamayoradelastecnologaselectrnicas avanzadas actuales tienen su origen en este descubrimiento. En 1956, el mismo laboratorio, incorporoel transistor dedisparoPNPN, quesedefinicomountiristor o rectificador controlado de silicio (SCR). La Segunda revolucin electrnica empez en 1958 con el desarrollo del tiristor comercial por General Electric Company. Ese fue el principio de una nueva era en la electrnica de potencia. Desde entonces se han introducido muy diversos tipos de dispositivos semiconductores de potencia y tcnicas de conversin. En la actualidad la revolucin de la electrnicadepotencianos estdandolacapacidaddeformar y controlar grandes cantidades de energa con una eficiencia cada vez mayor. Pgina 1 de 126UNIDAD 1T R A N S I S T O R E SI N T R O D U C C I NCon la presente unidad referida a uno de los dispositivos fundamentales de la electrnica como lo es eltransistor, se pretende abordar los temas concernientes a los transistores bipolares (BJT) y los tipo efecto campo (FET), tanto en su conocimiento de funcionamiento electrnicobsicoysusprincipalesconfiguracionesdepolarizacin, as comodesus aplicaciones ms prcticas en la industria tal como un interruptor de estado slido y como un amplificador de pequea seal. Logrando as aportar un conocimiento que es fundamental para el T.S.U. en Electrnica y automatizacin.OBJETIVO Y CRITERIOS DE APRENDIZAJE1.- Identificar las caractersticas y comportamiento de la unin de semiconductores NPN y PNP.1.1Explicar las principales caractersticas de la unin de semiconductores tipo N y tipo P..1.2Describir el comportamiento de la unin NPN y PNP.RESULTADO DEL APRENDIZAJE1.1.1. Identificar las terminales de un transistor.1.2.1. Explicar el funcionamiento de un transistor.OBJETIVO Y CRITERIOS DE APRENDIZAJE2. Aplicar las diferentes configuraciones de polarizacin de un transistor bipolar.2.1Reconocer las principales configuraciones de polarizacin de un transistor. 2.2Elaborar circuitos de polarizacin de un transistor.RESULTADO DEL APRENDIZAJE2.1.1 Utilizar las principales configuraciones de polarizacin de un transistor. 2.2.1 Interpretar los circuitos de polarizacin de un transistor.Pgina 2 de 126OBJETIVO Y CRITERIOS DE APRENDIZAJE3. Probar el transistor bipolar como interruptor y como amplificador.3.1Analizar las caractersticas de corte y saturacin del transistor bipolar. 3.2 Obtener un amplificador con un transistor bipolar.RESULTADO DEL APRENDIZAJE3.1.1 Examinar si un transistor trabaja en corte o saturacin. 3.2.1 Analizar un circuito amplificador con transistores.OBJETIVO Y CRITERIOS DE APRENDIZAJE4. Analizar las diferentes familias de transistores y sus caractersticas.4.1Identificar las caractersticas del FET, JFET y tiristores.RESULTADO DEL APRENDIZAJE4.1.1 Utilizar circuitos bsicos de familia de transistores.Pgina 3 de 126TEMA ITRANSISTORES BIPOLARES.Objetivo del Aprendizaje:1. Identificar las caractersticas y comportamiento de la unin de semiconductores NPN y PNP.Criterio de Aprendizaje:1.1 Explicar principales caractersticas de la unin de semiconductores tipo N y tipo P.POLARIZACIN EN DIRECTAEn la electrnica, el termino polarizacinse refiere a un voltaje fijo de cd que establece lascondiciones deoperacinparaundispositivosemiconductor. Lapolarizacinen directa es la condicin que permite el paso de la corriente a travs de una unin pn. En la figura 1.1 se observa un voltaje de cd conectado en una direccin que polariza directamente al diodo. nodo Ctodo V polarizacin + -Figura 1.1 Conexin de polarizacin en directaObservequelaterminalnegativadelabateraseconectaalareginn(denominada ctodo), y que la terminal positiva se conecta a la regin p (denominada nodo).Acontinuacinsedescribeel funcionamientodelapolarizacinendirecta: la terminal negativa de la batera empuja a los electrones de conduccin en la regin n hacia la unin, mientras que la terminalpositiva empuja a los huecos en la regin p tambin hacia la unin. (Recuerde que cargas iguales se repelen mutuamente). Cuando se supera lapotencial debarrera, lafuentedevoltajedepolarizacinexternaproporcionaalos electrones de la regin n la energa suficiente para penetrar a la capa de empobrecimiento y cruzar launin, dondesecombinancon los huecos delaregin p. Cuandolos electrones dejan la regin n, fluyen ms electrones procedentes de la terminal negativa de labatera. Deestamanera, lacorrienteatravsdelareginnesel movimientode electrones de conduccin (portadores mayoritarios) hacia la unin.Pgina 4 de 126 P NUna vez que los electrones de conduccin penetran a la regin p y se combinan con huecos, seconviertenenelectronesdevalencia. Acontinuacinsedesplazancomo electronesdevalenciadehuecoahuecohacialaconexinpositivadelabatera. El movimientodeestoselectronesdevalenciaproduceesencialmenteunmovimientode huecos en la direccin opuesta, como ya se estudi. As, la corriente en la regin p es el movimiento de huecos (portadores mayoritarios) hacia la unin ( prctica 4 ).POLARIZACIN EN INVERSA.La polarizacin en inversaes la condicin que evita el paso de corriente a travs de la unin pn. En la figura 1.2 se observa una fuente de voltaje de cd conectada para polarizar en inversa aldiodo. Observe que la terminalnegativa de la batera est conectada a la reginpyquelapositivaestalareginn. Laterminal negativadelabateraatrae huecosenlareginp, alejndolosdelauninpn, mientrasquelaterminal positiva tambinatraeelectronesalejndolosdelaunin. Amedidaqueloselectronesylos huecos se alejan de la unin, la capa de empobrecimiento se ampla; se crean ms iones positivos en la regin n y ms iones negativos en la p. nodo Ctodo V polarizacin- +Figura 1.2 Conexin de polarizacin en inversaLa capa de empobrecimiento se ampla hasta que la diferencia de potencial a travs deellaesigual al voltajedepolarizacineninversa. Enestepunto, loshuecosylos electrones dejandealejarsedelauninyseinterrumpelacorrientemayoritaria. El movimiento inicial de portadores mayoritarios alejndose de la unin se denomina corrientetransitoriayduramuypocounavezquesehaaplicadolapolarizacinen inversa. Cuando el diodo se encuentra polarizado en inversa, la capa de empobrecimiento acta efectivamente como un aislador entre las capas de iones cargados opuestamente. Estoconstituyeefectivamenteuncapacitor. Dadoquelacapadeempobrecimientose amplaconvoltajedepolarizacineninversaincrementado, lacapacitanciadecrecey viceversa. Esta capacitancia interna se denominacapacitancia de capa de empobrecimiento y tiene aplicaciones bastante prcticas que aprender posteriormente.RUPTURA INVERSA.Si el voltaje de polarizacin en inversa externo se incrementa hasta un valor suficientemente grande, ocurre una ruptura de avalancha. Sucede lo siguiente: suponga queunelectrndebandadeconduccinminoritariaadquieresuficienteenergadela fuente externa para acelerarse hacia el extremo positivo del diodo. Durante su recorrido, choca con un tomo y le impartela suficienteenerga paraproyectar a un electrnde valencia hacia la banda de conduccin. Ahora hay dos electrones de banda de Pgina 5 de 126 P Nconduccin. Cada uno choca con un tomo, proyectando dos electrones de valencia ms hacia la banda de conduccin. Ahora hay cuatro electrones de banda de conduccin que, a su vez, envan cuatro ms hacia la banda de conduccin. Esta multiplicacin rpida de electrones de banda de conduccin, conocida como efecto de avalancha, origina el rpido establecimientodeunacorrienteeninversa. Normalmente, casi ningn diodooperaen ruptura inversa, ya que pueden daarse por la potencia excesiva resultante si lo hicieran. Sin embargo, un tipo particular de diodo (que se estudiar ms tarde), denominado diodo Zener, se optimiza para operacin en ruptura inversa.1.2 Describir el comportamiento de la unin NPN y PNP.El transistor unipolar es un elemento cuya resistencia interna puede variar en funcin de la seal de entrada aplicada; esta variacin provocada hace que sea capaz de regular la corriente que circula por el circuito en el que se encuentra conectado. El transistor esaquel dispositivoelectrnicoqueestconstituidopor tres materiales semiconductores extrnseco, deformaPNPoNPN, es decir, porcindematerial N, seguidodematerial P, luegootraporcindematerial N, enel tipoNPN, ydeforma anloga en el PNP, pero con los materiales semiconductores inversos.Eltransistor BJT se conoce tambin como transistor bipolar, porque la conduccin es a travs de huecos y electrones. Lazonacentral sedenominabase, lasotrasdossedenominancolector yemisor. El emisor se construye estrecho y muy dopado, la base es estrecha y menos dopada y el colector es la zona ms ancha. Para proteger elmaterialsemiconductor, se emplean el encapsulado, que puede ser plstico, de baquelita o metlico. Apesar delapoca disipacin de energa que tienen los transistores en determinadas ocasiones es necesario el empleo de disipadores de calor para favorecer la ventilacin del transistor.El emisor est fuertemente dopado de portadores, y su misin es inyectarlos en la base. La base est ligeramente impurificada (menos dopada), y es por aqu por donde pasan los portadoresqueprocedendel emisor caminodel colector; deestamanerasecreauna corriente. El colector est ms dopado que la base, pero menos que el emisor, siendo ste quien recoge los portadores que vienen del emisor y no ha recogido la base. Fig. 1.3 Smbolo y configuracin del transistor bipolar.Pgina 6 de 126En todo transistor se cumple, respecto a tensiones y corrientes, lo siguiente: Vcb + Vbe = Vce Ic + Ib = Ie Adems, como un parmetro muy importante, tenemos que: (beta o hfe) = Ic/Ib y es la ganancia de corriente colector-base cuando la resistencia de carga es nula. Resultado de aprendizaje.-1.1.1. Identificar las terminales de un transistor.Cuando seleccionamos un transistor tendremos que conocer el tipo de encapsulado, as como el esquema de identificacin de los terminales. Tambin tendremos que conocer una serie de valores mximos de tensiones, corrientes y potencias que no debemos sobrepasar paranodestruir el dispositivo. El parmetrodelapotenciadisipadapor el transistor es especialmente crtico con la temperatura, de modo que esta potencia disminuye amedida que crece el valordela temperatura,siendoa vecesnecesario la instalacin de un radiador o aleta refrigeradora. Todos estos valores crticos los proporcionan los fabricantes en las hojas de caractersticas de los distintos dispositivos.Una forma de identificar un transistor NPN o PNP es mediante un polmetro: Este dispone dedosorificiosparainsertar el transistor, unoparaunNPNyotroparael PNP. Para obtener la medida de la ganancia es necesario insertarlo en su orificio apropiado, con lo que queda determinado si es un NPN o un PNP.Fig. 1.4 Identificacin de las terminales de un transistor bipolar.El transistor PNP es complemento del NPN de forma que todos los voltajes y corrientes son opuestos a los del transistor NPN.Para encontrar el circuito PNP complementario: 1. Se sustituye el transistor NPN por un PNP.2. Se invierten todos los voltajes y corrientes. 1.2.1. Explicar el funcionamiento del transistor.Zonas de funcionamiento del transistor bipolar: Pgina 7 de 126ACTIVADIRECTA: El transistor sloamplificaenestazona, ysecomportacomouna fuente de corriente constante controlada por la intensidad de base (ganancia de corriente).Este parmetro lo suele proporcionar el fabricante dndonos un mximo y un mnimo para una corriente de colector dada (Ic); adems de esto, suele presentar una variacin acusada con la temperatura y con la corriente de colector, por lo que enprincipionopodemosconocer suvalor. Algunospolmetrossoncapacesde medir esteparmetroperoestamedidahayque tomarlasolamentecomouna indicacin, ya que el polmetro mide este parmetro para un valor de corriente de colector distinta a la que circular por el BJT una vez en el circuito.SATURACIN: En esta zona el transistor es utilizado para aplicaciones de conmutacin (potencia, circuitos digitales, etc.), y lo podemos considerar como un cortocircuito entre el colector y el emisor.CORTE: el transistor esutilizadoparaaplicacionesdeconmutacin(potencia, circuitos digitales, etc.), y podemos considerar las corrientes que lo atraviesan prcticamente nulas (y en especial Ic).ACTIVA INVERSA: Esta zona se puede considerar como carente de inters. Fig. 1.5 Curvas caractersticas del transistor.Polarizacin Consiste en conseguir las tensiones adecuadas en cada punto del circuito, las corrientes deseadasyel puntodereposo(otrabajo) Q. Todoloanterior implicaconectar los transistores a ciertas resistencias que, por medio de las cadas de tensin producidas en ellas, lograrn establecer los valores pretendidos, as como su estabilidad. Todo esto se har a partir de tensiones contnuas.Recta de carga esttica Pgina 8 de 126Serunarectasituadaenel primer cuadrantequecortaralascurvasIc=f(Vce) --corriente de colector funcin de la tensin colector-emisor.Para obtener los dos puntos que definen la recta, plantearemos la ecuacin de la malla de colector en el circuito que estemos analizando, haremos Ic = 0 y obtendremos Vce (punto decorteconel ejehorizontal ymximatensinquesepuedeaplicar). Acontinuacin hacemos Vce = 0 y obtendremos Ic (punto de corte con el eje vertical y mxima corriente que nos puede proporcionar). Punto de trabajo Siempre est situado en la recta de carga y dentro de alguna curva, especificando una cierta corriente de colector Ic y una determinada tensin colector-emisor Vce.Para obtener el punto de trabajo Q plantearemos tres ecuaciones: La de la malla de base, la de la malla de colector y por ltimo la ecuacin del transistor Ic = Bx Ib.Posteriormente veremos aplicaciones de lo anterior en diversos circuitos de aplicacin. Estabilizacin La estabilizacin tiene por objeto evitar cambios bruscos debido a la temperatura y reducir el desplazamiento del punto de trabajo. Para conseguirlo se utilizan mtodos por los que un incremento de la corriente de colector d lugar, por realimentacin, a una variacin de otra magnitud que ocasione un decremento compensador de dicha corriente de colector, de forma que el incremento de Ic resultante sea mucho menor que el aumento de Ic sin el sistema estabilizador. Pgina 9 de 126TEMA 2CONFIGURACIONES BSICASObjetivo del aprendizaje:2.- Aplicar las diferentes configuraciones de polarizacin de un transistor bipolar.Criterio de aprendizaje:2.1.- Reconocer las principales configuraciones de polarizacin de un transistor. CONFIGURACIN BASE COMN (BC).LaconfiguracinBCproporcionaunpuntodepartidasimpleymuyfcil ennuestras consideraciones de polarizacin en corriente continua. Dicha configuracin se muestra en la figura 1.6. Por BC debemos entender que la base es elpunto de referencia (comn) para las medidas de la entrada (emisor) y salida (colector).n p nR C R EV E E V C CV B EV C B++ --I E I CFigura 1.6: Configuracin Base ComnSeccin de entrada.El lazo de entrada (o malla) est formada por la batera (VEE), la resistencia (RE) y la unin base-emisor del transistor (VBE). Empleando la ley de voltajes de Kirchhoff tenemos:despejando IE obtenemos:Cuando se polariza directamente, el valor de VBE es del orden de 0.3V para transistores de germanioy 0.7V parasilicio.Por esto, para consideraciones prcticas,siVEEes de un valor mayor igual a 10V, se puede despreciar el efecto de la cada de tensin en VBE, teniendo as:Pgina 10 de 1260 + + BE E E EEV R I VEBE EEER V VIEEEERVI Seccin de salida.El lazo de salida contiene una batera (VCC), la resistencia de colector (RC), y el voltaje a travsdela unin base-colector del transistor (VCB). Parausarsecomoamplificador, la unin colector-base debe polarizarse inversamente y la unin base-emisor directamente.Sumando las cadas de tensin alrededor del lazo de salida colector-base del circuito de la figura 1.6, obtenemos:despejando la tensin colector-base se obtiene:lacorrientedecolector (IC)esaproximadamenteigual alacorrientedeemisor (IE), es decir:En realidad, IC = IE, donde tiene un valor tpico de 0,9 a 0,998.CONFIGURACIN EMISOR COMN (EC).Esta es la configuracin ms comn para los transistores pnp y npn. La seal de entrada se aplica a labase del transistorcon elemisorcomoterminalcomn.El circuito de la figura 1.7 muestra una sola fuente de suministro de tensin. Las condiciones de polarizacin directa e inversase logranen la configuracin ECcon una sola fuente de tensin.R CR BV C CS a l i d aE n t r a d aV c++- -V B EV C EFigura 1.7: Configuracin Emisor ComnSeccin de entradaConsiderando ellazo mostrado enelcircuito parcialdela figura 1.8(a), laecuacin de tensiones de Kirchhoff para el lazo es:Pgina 11 de 1260 +CB C C CCV R I VC C CC CBR I V V E CI I 0 +BE B B CCV R I Vresolviendo para IB obtenemos:Se hace la consideracin de que VCC >> VBE, por lo que la expresin se simplifica.Seccin de salidaDebidoaquelacorrientedebaseesmuypequea, lascorrientesenel colector yel emisor son casi las mismas. Para operacin lineal del amplificador la corriente de colector est relacionada con la corriente de base por la ganancia de corriente del transistor, hfe. Esto es:IC = IBLacorrientedebasesecalculadeacuerdoalafrmulaexpresadaenlaseccinde entrada.Calculando las cadas de tensin en el lazo de salida, nosotros obtenemos:VCC - ICRC - VCE = 0VCE = VCC - ICRCR B V C C+-V B ER CV C CV c+-V C E( b ) ( a )I BI CFigura 1.8 Lazos de entrada y salida en emisor comn.Pgina 12 de 1260 CE C C CCV R I VBCCBBE CCBRVR V VI 2.2.- Elaborar el armado de circuitos de polarizacin de un transistor.Polarizacin fija con resistencia de emisor.-Fig. 1.9 Circuito de polarizacin fijaObtencin del punto Q:Ecuacin de corrientes: Ie = Ic+Ib Malla de colector: Vcc-Vce = IcRc+(Ic+Ib)Re Malla de base: Vcc-Vbe = IbRb+(Ic+Ib)Re Ecuacin del transistor: Ic = BIb (suponemos B = 120) De la malla de base ---> Ib = 38,87 microamperios. De la ecuacin del trt ---> Ic = 4,58 miliamperios. De la malla de colector ---> Vce = 5,42 voltios. Polarizacin por realimentacin de colector.-Fig. 1.10 Circuito con retroalimentacinPgina 13 de 126Obtencin del punto Q:Ecuacin de corrientes:Ie = Ic+Ib I = Ic+Ib Malla de colector: Vcc-Vce = IR+(Ic+Ib)Re (R = 810 ohmios) Malla de base: Vcc-Vbe = IR+IbRb+(Ic+Ib)Re Ecuacin del trt: Ic = BIb (suponemos B = 110) De la malla de base ---> Ib = 42,53 microamperios. De la ecuacin del trt ---> Ic = 4,58 miliamperios De la malla de colector ---> Vce = 4,95 voltios. Resultado de aprendizaje.-2.1.1.- Utilizar las principales configuraciones de polarizacin de un transistor. Estabilizacin por resistencia de emisor (Re) y polarizacin por divisor de tensin en base (autopolarizacin).-Fig. 1.11 Circuito con estabilizacinEl mecanismo elctrico de este circuito es muy eficaz y se desarrolla del siguiente modo: Sisuponemosun aumentode Ic,la cada detensin en Reaumenta y contrarresta el aumento de la corriente Ic porque se produce un descenso en la tensin de polarizacin de base Vbe.R1 y R2 son las resistencias que hacen variar el punto de trabajo Q y consecuentemente la zona de trabajo. Obtencin del punto Q:Ecuacin de corrientes: Ie = Ic+Ib Malla de colector: Vcc-Vce = IcRc+(Ic+Ib)Re Ecuacin de tensin en base:Vbb = Vcc R2/(R1+R2) Rb = R1R2/(R1+R2) Malla de base: Vbb-Vbe = IbRb+(Ic+Ib)Re Ecuacin del transistor: Ic = BIb (suponemos B = 110) De la malla de base Ib = 55,11 microamperios. De la ecuacin del trt Ic = 5,31 miliamperios De la malla de colector Vce = 5 voltios. Pgina 14 de 126Configuraciones bsicas Son las siguientes: * Emisor comn: La entrada es por la base y la salida por el colector. * Base comn: Entrada por emisor y salida por colector. * Colector comn: Entrada por base y salida por emisor. Cada configuracin tiene sus caractersticas propias como pueden ser la amplificacin de tensin y/o corriente, impedancia de entrada/salida alta, media o baja, etc. 2.2.1.- Interpretar los circuitos de polarizacin de un transistor.Amplificacin Una vez polarizado el transistor para que trabaje en una zona determinada, introduciremos una seal alterna en su entrada para amplificarla. La amplificacin consiste en aumentar la amplitud de una seal elctrica, por tanto en la salida del amplificador tendremos una seal idntica a la de la entrada pero de mayor amplitud. Dependiendo de donde se site el punto de trabajo Q tendremos los siguientes tipos de amplificadores: * Amplificador en clase A: El punto de trabajo est situado en la zona activa. * Amplificador en clase B: El punto de trabajo se sita en el lmite de la zona activa. Slo amplifican el semiciclo positivo de la seal de entrada, por lo cual se necesitarn dos transistores para amplificar ambos semiciclos (positivo y negativo). * Amplificador en clase AB: El punto de trabajo est situado en la parte ms baja de la zona de conduccin. * Amplificador en clase C: El punto de trabajo se sita en la zona de corte. Tambin aqu se necesitan dos transistores. Si atendemos a la magnitud a amplificar podemos tambin hacer la siguiente clasificacin: - Amplificador de tensin. - Amplificador de corriente. - Amplificador de potencia. - Amplificador de corriente continua. - Amplificador de baja frecuencia. - Amplificador de alta frecuencia. - Amplificador de vdeo frecuencia. Nos centraremos exclusivamente en los amplificadores de tensin clase A. Pgina 15 de 126Amplificador en emisor comn Fig.1.12 Amplificador emisor comnAl circuito ya polarizado en zona activa se le ha conectado un condensador en la entrada y otroenlasalida(condensadoresdeacoplo). Deestemodoseimpideel pasodela corriente continua procedente de o hacia otra etapa anterior o posterior respectivamente; el condensador en paralelo con la resistencia de emisor (condensador de desacoplo) evita la disminucin de la ganancia debida a la presencia de la resistencia de emisor, la cual es necesaria para evitar los cambios bruscos de temperaturaEn la base se aplica una seal de entrada senoidal de 10 mv (Ve = 10 mv), obtenindose en el colector la seal de salida, tambin senoidal, de amplitud 1v (Vs = 1v); la ganancia es de 100, pues Gv = Vs/Ve = 1000 mv/10 mv = 100. Tanto la ganancia de tensin como de intensidad son de valor medio, siendo la impedancia de entrada pequea y la impedancia de salida media. Debido a las caractersticasdesusganancias, suaplicacinmscomnescomoamplificador de medias y bajas frecuencias, y como la diferencia entre las impedancias no es muy elevada se puede emplear como amplificador de varias etapas ya que permite un relativo buen acoplamiento entre ellas. Pgina 16 de 126Amplificador en base comnFig. 1.13 Amplificador base comnTambin como en el caso del emisor comn el circuito lleva los condensadores de acoplo y desacoplo. Aqu la entrada es por el emisor y la salida se obtiene en el colector. Con Ve = 10 mv se obtiene 1 voltio y la ganancia de tensin ser de 100. En este tipo de disposicin, la ganancia de tensin es elevada (normalmente ms grande que en caso del emisor comn), sin embargo la ganancia de corriente es menor (aunque prxima) o igual a la unidad. La impedancia de entrada es pequea y la de salida grande. Su aplicacin ms comn es como amplificador en altas frecuencias. Amplificador en colector comn Fig. 1.14 Amplificador colector comnLa seal a amplificar va conectada a la base del transistor y la salida se toma en el emisor. En nuestro circuito Ve = 1v, Vs = 1v, consecuentemente la ganancia de tensin ser:Gv = 1.Pgina 17 de 126Lagananciadetensinesmenor oigual auno, lagananciadecorrienteesalta, la impedanciadeentradaesaltay ladesalidabaja. Debidoalascaractersticasdesus impedancias, su aplicacin tpica es como adaptador de impedancias. Amplificadores de salidaLosamplificadores desalida, tambindenominadosdepotencia, tienencomomisin entregar a la carga una sealde potencia grande con la mnima distorsin y el mximo rendimiento. La impedancia de salida ha de ser pequea puesto que la carga suele ser un altavoz (4 u 8 ohmios); as pues, estos amplificadores suelen ser en colector comn ya que su ganancia de intensidad es muy elevada y esto hace que la intensidad de salida sea grande, lo suficiente como para mover la membrana del altavoz.Existen diversos montajes tales como amplificador en emisor comn con acoplo de salida mediante transformador, amplificador con salida en push-pull (complementaria) y amplificador con salida en simetra complementaria, en el que nos centraremos a continuacin. Pgina 18 de 126TEMA 3APLICACIONES DEL TRANSISTORObjetivo del aprendizaje:3.- Probar el transistor bipolar como interruptor y como amplificador.Criterio de aprendizaje:3.1.- Analizar las caractersticas de corte y saturacin del transistor bipolar.REGIONES DE OPERACIN DEL TRANSISTOR BIPOLAR (BJT).El transistor puede trabajar en 3 formas:Regin de corte,regin de saturaciny regin activa. En la figura 1.15 se ilustra las regiones de trabajo del transistor.Figura 1.15: Regiones de operacin del transistor.Regin de CorteComo ya se mencion, un transistor se encuentra en corte cuando la unin base-emisor no est polarizada en directa. Sin tomar la corriente de fuga, todas las corrientes son cero y VCE es igual a VCC.VCE ( corte ) = VCCRegin de SaturacinComoyaseaprendi, cuandolaunindel emisor estpolarizadaendirectayhay suficiente corriente en la base para producir una corriente mxima del colector, entonces el transistor est saturado. La frmula para calcular la corriente de saturacin del colector esIc (sat) = VCC - VCE ( sat ) / RCEn virtud de que en saturacin VCE es muy pequeo, una aproximacin para la corriente de saturacin del colector esPgina 19 de 126IC ( sat ) = VCC / RCEl valor mnimo de corriente de base necesaria para producir saturacin esIB ( min ) = IC ( sat ) /cdIBdebe ser significativamentemayorque IB( min)para poder mantener profundamente saturado el transistor.( prctica 5 )Regin Activa.Lapolarizacindeuntransistor espuramenteunaoperacinencd. Sinembargo, su propsitoesestablecer unpunto Qalrededordel cual puedanocurrir variacionesene corriente y de voltaje en respuesta a la aplicacin de una seal de ca. En aplicaciones en dondedebanamplificarse seales de voltaje muy pequeos,como los provenientesde unaantena, lasvariacionesalrededor del puntoQsonrelativamentepequeas. Alos amplificadores diseados para manejar estas seales de ca diminutas se les denomina amplificadores en seal pequea.EL TRANSISTOR COMO INTERRUPTOR.En la figura 1.16 se ilustra la operacin bsica de un transistor como dispositivo interruptor. En la parte (a) el transistor est en corte porque la unin BE no est polarizada en directa. En esta condicin existe, idealmente, un circuito abierto entre el colector y el emisor, como se indica por medio del interruptor equivalente. En la parte (b), el transistor est saturado porque la unin BEse encuentra polarizada en directa y la corriente de la base es suficientemente grande para hacer que la corriente del colector alcance su valor de saturacin. En esta circunstancia existe, idealmente, un corto circuito entre el colector y el emisor, como se indica por medio del interruptor equivalente. En realidad, normalmente ocurreunacadadevoltajedeunas cuantas dcimasdevolt, quees el voltajede saturacin.Figura 1.16: Accin de conmutacin de un transistorPgina 20 de 1263.2.- Obtener un amplificador con un transistor bipolar.EL TRANSISTOR COMO AMPLIFICADOR EN SEAL PEQUEAEn la figura 1.17 se muestra un transistor polarizado,alimentado con una fuente de ca acoplada mediante un capacitor a la base y una carga acoplada mediante un capacitor al colector. Los capacitores de acoplamiento bloquean la cd, evitando as que la resistencia de la fuente y la resistencia de la carga cambien el voltaje de polarizacin en la base y en el colector.Elvoltajede la sealhace queelvoltajede la basevareporarribay por debajo de su nivel de polarizacin de cd. La variacin resultante en la corriente de la base produce una variacin ms grande en la corriente delcolector debido a la ganancia de corriente del transistor.A medida que aumenta la corriente del colector, disminuye el voltaje de ste. La corriente del colector vara por arriba y por debajo de su valor de punto Q, en fase con la corriente de la base, y el voltaje del colector al emisor oscila por arriba y por debajo de su valor de punto Q, desfasado 180 con respecto al voltaje de la base, como se ilustra en la figura 1.17.Figura 1.17 Amplificador con polarizacin mediante divisor de voltaje alimentado por una fuente de cd con una resistencia interna, RsPgina 21 de 126R 3R CV C CR 2 R LR 1R EC 1C 2V BV C E QI C QRESULTADO DE APRENDIZAJE:3.1.1. Examinar si un transistor trabaja en corte en saturacin.Para el circuito de la figura 1.18, considere lo siguiente: RB=4.7K, RC=270, Vb=5V, VBE=0.6V, =50. Determine si el transistor est trabajando en corte o en saturacin.Fig 1.18 Polarizacin del transistorSOLUCIN:En la base se obtiene la siguiente ecuacin de mallaIBRB + VBE = VbDonde nicamente no se conoce el valor de la corriente de base (IB), y que se calcula de la siguiente forma:IB = 936 APor lo tanto, la corriente de colector es:IC = IB = (50)(936A)IC = 46.8 mAAhora, analizando la malla del colector y emisor, obtenemos:ICRC + VCE = Vcc(46.8mA)(270) + VCE = 12V12.636V + VCE = 12VVCE = -0.636VEn este caso, VCE result con un valor negativo, lo cual quiere decir, que el transistor est trabajando en saturacin, pues en la prctica, esto no ocurre pues el valor de VCE es igual a 0V.Pgina 22 de 126V c cV C EV B E++--R cR BV b+-K V VRV VbIBBEB7 . 46 . 0 5 Calcular los valores de la resistencia de base para saturar el transistor.Para el circuito de la figura 1.16, se tienen las siguientes ecuaciones de malla:IBRB + VBE = Vb (1)ICRC + VCE = Vcc (2)Para que un transistor se encuentre en la regin de saturacin, se debe cumplir que VCE = 0. Por lo tanto, aplicando esta condicin en la ecuacin (2): ICRC = VCC(3)En base a esta ecuacin, y conociendo la demanda de corriente de la carga, se puede calcular el valor de la IB y la RB necesaria para llevar a saturacin al transistor, usando las ecuaciones: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (4). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (5)Ejemplo: determinar la resistencia de base para saturar el transistor.Sedeseahacer usodelafiguraanterior, parasaturar auntransistor queactiveaun relevador de 12 Vcd, que consume 560mA. Cul debe ser el valor de la resistencia de base (RB) del transistor si se utiliza una fuente de 5V en la base del transistor (Vb).SOLUCION:Haciendo uso de la ecuacin (4), obtenemos que y por medio de la ecuacin (5):RB = 589.81 560Pgina 23 de 126CBII BBEBI V VbRmAmA IICB46 . 775560 mAV VI V VbRBBEB46 . 76 . 0 5 3.2.1. Analizar un circuito amplificador con transistores.Para el circuito de la figura 1.19 considere que VCC = 12V, Vb = 3V, RB = 5.6 Kohms, Rc = 100 Kohms y = 100. Calcule el valor de VCE, que es la tensin de salida.V c cV C EV B E++--R cR BV b+-Fig. 1.19 Amplificador con transistorSOLUCIN:Resolviendo la ecuacin en la malla de la base, obtenemos:IB RB + VBE = VbIB 5.6K + 0.6 = 3IB = 428 AIC = IBIC = 100 * 428 A = 42.8 mAIC RC + VCE = 12V(42.8 Ma) (3.3K) + VCE = 12VVCE = 7.71VPgina 24 de 126TEMA 4FAMILIAS DE TRANSISTORESObjetivo del aprendizaje:4.- Analizar las diferentes familias de transistores y sus caractersticas.Criterio de aprendizaje:4.1.- Identificar las caractersticas del FET, JFET y tiristores.TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO (FETs)Un transistor de unin bipolar (BJT) construido comonpnpnpes un dispositivo controlado por corriente, involucrando la corriente de los huecos y de los electrones. El transistor de efecto de campo es un transistor unipolar, cuyo smbolo se muestra en la figura 1.20. Las caractersticas bsicas de un FET son: Alta impedancia de entrada (del orden de 100 M). No tiene voltaje de offset cuando se usa como interruptor. Relativamente inmune a la radiacin. Menos ruidoso. Proporciona gran estabilidad trmica.JFET NJFET PFigura 1.20 Smbolos del transistor FET (JFET)Zonas de operacin del transistor de efecto de campo (FET): Al igual que el transistor, el JFET tiene diversas zonas de operacin, las que se ilustran en la figura 1.21.1. Zona hmica O Lineal: En esta zona el transistor se comporta como una resistencia variabledependientedel valor deVGS. Unparmetroqueaportael fabricanteesla resistencia que presenta el dispositivo para VDS=0 (rds on), y distintos valores de VGS.2. ZonaDeSaturacin:Enestazonaesdondeel transistor amplificaysecomporta como una fuente de corriente gobernada por VGS.3. Zona De Corte: La intensidad de drenador es nula (ID=0).Pgina 25 de 126Figura 1.21 Curva caracterstica del J-FETA diferencia del transistor BJT, los terminales drenaje y fuente del FET pueden intercambiar sus papeles sin que se altere apreciablemente la caracterstica V-I (se trata de un dispositivo simtrico).Las principales aplicaciones de un transistor JFET son:APLICACIN PRINCIPAL VENTAJA USOSAislador o separador (buffer)Impedancia de entrada alta y de salida bajaUso general, equipo de medida, receptoresAmplificador de RF Bajo ruido Sintonizadores de FM, equipo para comunicacionesMezcladorBaja distorsin de intermodulacinReceptores de FM y TV, equipos para comunicacionesAmplificador con CAGFacilidad para controlar gananciaReceptores, generadores de sealesAmplificador cascodoBaja capacidad de entrada Instrumentos de medicin, equipos de pruebaResistor variable por voltajeSe controla por voltajeAmplificadores operacionales, rganos electrnicos, controlas de tonoAmplificador de baja frecuenciaCapacidad pequea de acoplamientoAudfonos para sordera, transductores inductivosOscilador Mnima variacin de frecuencia Generadores de frecuencia patrn, receptoresCircuito MOS digital Pequeo tamaoIntegracin en gran escala, computadores, memoriasPgina 26 de 126EL TRANSISTOR JFET COMO AMPLIFICADOR DE SEAL.En la figura 1.22 se muestra un amplificador en fuente comn con un JFET de canaln autopolarizado. Adems del capacitor de puenteo en la fuente, en la entrada y en la salida hay capacitores de acoplamiento. El circuito tiene una combinacin de operacin en cd y en ca.FIGURA 1.22 FIGURA 1.23Amplificador en fuente comn con JFET Circuito equivalente en cd para el amplificador de la figura 1.22ANLISIS EN CA .Para analizar el amplificador de la figura 1.22 es necesario determinar en primer lugar los valores de polarizacin en cd. Para lograr lo anterior, se establece un circuito equivalente encdsustituyendotodos los capacitores por circuitosabiertos,como se muestra en la figura1.23. Es necesariodeterminar IDantes dequeseaposibleefectuar cualquier anlisis. Si el circuito se polariza en el punto medio de la recta de carga, entonces la ID puede calcularse usando la IDSS de las hojas de datos de los FET.ID = IDSS / 2Encasocontrario, laIDdebeconocerseantes depoder efectuar otros clculos. La determinacin de la ID a partir de los valores paramtricos del circuito es tediosa, pues es necesario resolver la siguiente ecuacin,Pgina 27 de 126( )2111]1

apag GSS DDSS DVR II IV entCIRCUITO EQUIVALENTE EN CA.Para analizar la operacin con la seal del amplificador de la figura 1.22, a continuacin se desarrolla un circuito equivalente en ca. Los capacitores se sustituyen por cortocircuitos efectivos, con base en la hiptesis de que XC = 0 ( aprox ) a la fecuencia de la seal. Con base en la consideracin de que la fuente de voltaje tiene una resistencia interna nula, la fuente de cd se sustituye por una tierra. La terminal VDD est en un potencial de ca de 0 V y, por lo tanto, acta como una tierra en ca.El la figura 1.22(a) se muestra el circuito equivalente en ca. Observe que el extremo + VDD de Rd y la terminal de la fuente estn efectivamente en la tierra de ca. Recuerde que, el anlisis en ca,latierra en ca yla tierra realdelcircuito se consideran como el mismo punto.FIGURA 1.24 Equivalente en ca para el amplificador de la figura 1.22VOLTAJE DE SEAL EN LA COMPUERTA.En la figura 1.24 se muestra una fuente de voltaje de ca conectada a la entrada. Como la resistencia de entrada alFET es extremadamente alta, prcticamente todo elvoltaje de entrada procede de la fuente de la seal se manifiesta en la compuerta, con una cada de voltaje muy pequea en la resistencia interna de la fuente.Vgs = VentEL VOLTAJE DE SALIDA.La expresin para la ganancia de voltaje para el amplificador en fuente comn es.Av = gmRdEl voltaje de la seal de salida Vds en el drenaje esVsal = Vds = Av VgsO bien Vsal = gmRd VentEn donde Rd = RD | | RL.Pgina 28 de 126VgsVdsTRANSISTORES MOSFETsLas prestaciones del transistor MOSFET son similares a las del JFET, aunque su principio de operacin y su estructura interna son diferentes. Existen cuatro tipos de transistores MOS: Enriquecimiento de canal N Enriquecimiento de canal P Empobrecimiento de canal N Empobrecimiento de canal P Los smbolos son: Fig 1.25 Smbolos del transistor MOSFETLa caracterstica constructiva comn a todos los tipos de transistor MOS es que el terminal depuerta(G) estformadopor unaestructuradetipoMetal/xido/Semiconductor. El xido es aislante, con lo que la corriente de puerta es prcticamente nula, mucho menor que en los JFET. Por ello, los MOS se emplean para tratar seales de muy baja potencia. PRINCIPIO DE OPERACION De entre todos los tipos de transistores MOS existentes se va a analizar elprincipio de funcionamiento de dos de ellos: los NMOS de enriquecimiento y empobrecimiento. NMOS de enriquecimientoEn la Figura 1.26 se presenta el esquema de un MOS de canal N de enriquecimiento. Figura 1.26 Esquema del transistor NMOS de enriquecimientoPgina 29 de 126Supongamos que se aplica una tensin VDS mayor que cero mientras que VGS se mantiene en cero. Al aplicar una tensin positiva a la zona N del drenaje, el diodo que forma ste con el sustrato P se polarizar en inversa, con lo que no se permitir el paso de corriente: el MOS estar en corte. Sigamos suponiendo, y pensemos ahora que aplicamos un potencial VGS positivo, mientras mantenemos la VDSpositiva tambin. La capa de aislante de la puerta es muy delgada, tantoquepermiteal potencial positivoaplicadorepeler alos huecos y atraer alos electrones del material P. A mayor potencial aplicado, mayor nmero de electrones ser atrado, ymayor nmerodehuecosrepelido. Laconsecuenciadeestemovimientode cargas es que debajo del terminal G se crea un canal negativo, de tipo N, que pone en contacto el drenaje con la fuente. Por este canal puede circular una corriente. Recapitulando,porencima deun valor positivo VGS=VTHse posibilita la circulacin de corriente ID (Figura 1.24). Nos encontramos ante una regin de conduccin lineal. Figura 1.27 Esquema del transistor NMOS de enriquecimiento en conduccinSi el valor deVDSaumenta, latensinefectivasobreel canal enlasproximidadesdel drenaje (VGS - VDS) va disminuyendo, con lo que el canal se estrecha en dicha zona, y se pierdelalinealidad enlarelacinID- VDS. Finalmente sellegaaunasituacin de saturacin similar a la que se obtiene en el caso del JFET. NMOS de empobrecimientoEn la Figura 1.28 se presenta el esquema de un MOS de canal N de empobrecimiento. Figura 1.28 Esquema del transistor NMOS de empobrecimientoPgina 30 de 126En este caso el canal ya est creado. Por lo tanto, si con VGS = 0 aplicamos una tensin VDSaparecer una corriente de drenaje ID. Para que el transistor pase al estado de corte ser necesario aplicar una tensin VGSmenor que cero, que expulse a los electrones del canal.TIRISTORESUntiristores uno de los tiposms importantes de los dispositivossemiconductores de potencia. Los tiristores seutilizanenformaextensaenlos circuitos electrnicos de potencia. Se operan como conmutadores biestables, pasando de un estado no conductor a un estado conductor. Para muchas aplicaciones se puede suponer que los tiristores son interruptores o conmutadores ideales, aunque los tiristores prcticos exhiben ciertas caractersticas y limitaciones.Conmutador casiideal, rectificador y amplificador a la vez, eltiristor es un componente idneoenelectrnicadepotencia. El tiristor, comnmenteconocidocomoSCR, esun dispositivo unidireccional. Su variante bidireccional es el TRIAC.Los tiristores se fabrican casi exclusivamente por difusin. La corriente del nodo requiere de un tiempo finito para propagarse por toda el rea de la unin, desde el punto cercano a la compuerta cuando inicia la seal de la compuerta para activar el tiristor. Para controlar el di/dt, el tiempo de activacin y el tiempo de desactivacin, los fabricantes utilizan varias estructuras de compuerta. Dependiendo de la construccin fsica y del comportamiento de activacin y desactivacin, en general los tiristores pueden clasificarse en nueve categoras: 1. Tiristores de control de fase (SCR). 2. Tiristores de conmutacin rpida (SCR). 3. Tiristores de desactivacin por compuerta (GTO). 4. Tiristores de trodo bidireccional (TRIAC). 5. Tiristores de conduccin inversa (RTC). 6. Tiristores de induccin esttica (SITH). 7. Rectificadores controlados por silicio activados por luz (LASCR). 8. Tiristores controlados por FET (FET-CTH). 9. Tiristores controlados por MOS (MCT).Untiristores uno de los tiposms importantes de los dispositivossemiconductores de potencia. Los tiristores seutilizanenformaextensaenlos circuitos electrnicos de potencia. Se operan como conmutadores biestables, pasando de un estado no conductor a un estado conductor. Para muchas aplicaciones se puede suponer que los tiristores son interruptores o conmutadores ideales, aunque los tiristores prcticos exhiben ciertas caractersticas y limitaciones.Conmutador casiideal, rectificador y amplificador a la vez, eltiristor es un componente idneoenelectrnicadepotencia. El tiristor, comnmenteconocidocomoSCR, esun dispositivo unidireccional. Su variante bidireccional es el TRIAC.Pgina 31 de 126Los tiristores se fabrican casi exclusivamente por difusin. La corriente del nodo requiere de un tiempo finito para propagarse por toda el rea de la unin, desde el punto cercano a la compuerta cuando inicia la seal de la compuerta para activar el tiristor. Para controlar el di/dt, el tiempo de activacin y el tiempo de desactivacin, los fabricantes utilizan varias estructuras de compuerta. Dependiendo de la construccin fsica y del comportamiento de activacin y desactivacin, en general los tiristores pueden clasificarse en nueve categoras: 1. Tiristores de control de fase (SCR). 2. Tiristores de conmutacin rpida (SCR). 3. Tiristores de desactivacin por compuerta (GTO). 4. Tiristores de triodo bidireccional (TRIAC). 5. Tiristores de conduccin inversa (RTC). 6. Tiristores de induccin esttica (SITH). 7. Rectificadores controlados por silicio activados por luz (LASCR). 8. Tiristores controlados por FET (FET-CTH). 9. Tiristores controlados por MOS (MCT).Resultado del aprendizaje:4.1.1.- Utilizar circuitos bsicos de familias de transistoresAPLICACIONES DE LOS TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPOLas aplicaciones generales de todos los FET son: Electrnica AnalgicaPara estas aplicaciones se emplean transistores preparados para conducir grandes corrientes y soportar elevadas tensiones en estado de corte. Resistenciasvariablesdevalor gobernablepor tensin(variandolaanchuradel canal). Amplificadores de tensin, especialmente en la amplificacin inicial de seales de muy baja potencia. Control de potencia elctrica entregada a una carga. En el caso de la amplificacin los circuitos se disean para que el punto de operacin DC del MOS se encuentre en la regin de saturacin. De este modo se logra una corriente de drenaje dependiente slo de la tensin VGS. Electrnica DigitalLos MOS se emplean a menudo en electrnica digital, debido a la capacidad de trabajar entre dos estados diferenciados (corte y conduccin) y a su bajo consumo de potencia de control. Para esta aplicacin se emplean dispositivos de muy baja resistencia, de modo que idealmente pueda considerarse que: Pgina 32 de 126 La cada de tensin en conduccin es muy pequea. La transicin entre el estado de corte y el de conduccin es instantnea. Ejemplo:Considerar el circuito de la figura 1.29 Se desea saber cual debe ser el valor de Vin que se necesita para hacer conducir el SCR y la potencia que disipara el resistor R1. El valor de R1 es 150 y el SCR es el 2N3669, el cual requiere una IG = 20 mA en condiciones normales.Figura 1.29 Circuito con SCR.Respuesta:Vin = (20 mA)(150 ) + 0,7 V = 3,7 VPR1 = (20 mA)(150 ) = 60 mW Pgina 33 de 126UNIDAD IIPaquetes para la Simulacin de Circuitos Electrnicos y Diseo de Circuitos Impresos.I N T R O D U C C I NEnestaunidadsedarnlosprincipiosparael usodelosprogramasquepermitanal alumno comprobar los diseos de circuitos electrnicos que haya realizado as como la elaboracin de los esquemas para los circuitos impresos en los que se pueda armar un circuito electrnico determinado.TEMAS 1 y 2OBJETIVO Y CRITERIOS DE APRENDIZAJEIdentificar cada una de las reas de trabajo del software de simulacin de circuitos empleado. RESULTADO DEL APRENDIZAJESimular con el programa circuitos electrnicos previamente diseados mediante clculos.TEMA 3OBJETIVO Y CRITERIOS DE APRENDIZAJEManejar el ambiente (mens y barras de herramientas) y rea de trabajo del software para la edicin de esquemticos y circuitos impresos.RESULTADO DEL APRENDIZAJEElaboracin de placas de circuito impreso de circuitos previamente diseados y simulados en el programa correspondiente.Pgina 34 de 126UNIDAD IIPaquetes para la Simulacin de Circuitos Electrnicos y Diseo de Circuitos Impresos.I N T R O D U C C I NEnestaunidadsedarnlosprincipiosparael usodelosprogramasquepermitanal alumno comprobar los diseos de circuitos electrnicos que haya realizado as como la elaboracin de los esquemas para los circuitos impresos en los que se pueda armar un circuito electrnico determinado.TEMAS 1 y 2OBJETIVO Y CRITERIOS DE APRENDIZAJEIdentificar cada una de las reas de trabajo del software de simulacin de circuitos empleado. RESULTADO DEL APRENDIZAJESimular con el programa circuitos electrnicos previamente diseados mediante clculos.TEMA 3OBJETIVO Y CRITERIOS DE APRENDIZAJEManejar el ambiente (mens y barras de herramientas) y rea de trabajo del software para la edicin de esquemticos y circuitos impresos.RESULTADO DEL APRENDIZAJEElaboracin de placas de circuito impreso de circuitos previamente diseados y simulados en el programa correspondiente.Pgina 35 de 126TEMA 1Software para Simulacin de Circuitos Electrnicos.Paraeldesarrollodeestetema haremos uso delprograma denominado Multisim7 que incorpora capacidades avanzadas de captura de diagramas electrnicos y simulacin de funcionamiento, sin embargo estos principios pueden ser adaptables y aplicables a otros paquetes similares. Para ello se seguirn los pasos siguientes:1. Introduccin del diseo usando la captura esquemtica.2. Verificacin del comportamiento del circuito a travs de la simulacin.3. Modificacin del diseodel circuitosi sufuncionamiento noest conforme alo esperado y repetir el paso 2.1. INTRODUCCIN A LA INTERFASE DE USUARIOLa interfase consiste de los elementos bsicos mostrados en la figura 2.1.Fig. 2.1. Interfaz del programa Multisim7Los mens son en donde se pueden encontrar comandos y funciones.Pgina 36 de 126La barra de herramientas estndar contiene botones para las funciones ms comnmente utilizadas.Fig. 2.2.- Barra de herramientas estndarA continuacin damos una breve descripcin de los botones excepto aquellos que son comunes en el ambiente Windows.Incrementa zoomMagnifica la zona en donde se encuentra el cursorDecrementa zoomDisminuye la zona en donde se encuentra el cursorZoom 100%Muestra el circuito a su tamao normalFija a la pginaMuestra en la pantalla la pgina completa.ProyectoMuestra u oculta la ventana de proyectoVentana de detallesMuestra u oculta la ventana de detallesBase de datosMuestra el administrador de la base de datosCrea componenteMuestra el asistente para crear o modificar componentes.Simulacin Inicia o detiene la simulacinGraficador Muestra la grfica de anlisis.Post procesador Muestra el dilogo de post procesoReglas elctricas Revisa que las reglas se cumplanLista de usuarioMuestra la lista de componentes activos del circuitoLa barra de instrumentos contiene botones para cada instrumento como Multmetro, osciloscopios, generadores de seal, etc.Fig. 2.3.- Barra de instrumentos.La barra de componentes tiene botones que permiten seleccionarlos a partir de las bibliotecas de Multisim para colocarlos en el diagrama. Tiene tambin una referencia a Edaparts.com de donde se pueden bajar partes no incluidas en las bibliotecas.Pgina 37 de 126Fig. 2.4.- Barra de componentesLa barra de componentes virtuales permite colocar componentes virtuales, es decir, componentes con caractersticas generales y no especficas para un modelo en particular como los que se obtienen a partir de la barra de componentes.Fig. 2.5.- Barra de componentes virtualesLa ventana del circuito (o lugar de trabajo) es donde se pueden construir los diagramas.Labarradeestadomuestrainformacintil acercadelaoperacinqueseesta ejecutando y una descripcin del item sobre el que esta puesto el cursor del ratn.La barra de proyecto permite navegar a travs de los diferentes tipos de archivos en un proyecto o para ver una jerarqua esquemtica.Laventanadedetallesdelahojapermitevery editar parmetros que incluyenlos detalles de los componentes tales como huellas, atributos y limitaciones de diseo.Fig. 2.6.- Ventana de detalles de la hoja.2. MENS2.1. Archivo2.1.1. Nuevo.-Abre una hoja nueva2.1.2. Abrir.- Abre un circuito existente2.1.3. Cerrar.- Cierra el circuito actual2.1.4. Guardar.- Guarda el circuito actual en el disco.2.1.5. Guarda como.- Guarda el circuito actual en el disco con otro nombre.2.1.6. Nuevo proyecto.- Abre un proyecto nuevo.2.1.7. Abre proyecto.- Abre un proyecto existente.2.1.8. Guarda proyecto.- Guarda el proyecto actual en el disco.2.1.9. Cierra proyecto.- Cierra el proyecto actual.Pgina 38 de 1262.1.10. Configuracindeimpresin.- Abreel dilogodeconfiguracindela impresin2.1.11. Vista previa.- Vista previa de la pgina a imprimir.2.2. Editar.2.2.1. Giro horizontal.- Mueve el elemento como espejo horizontalmente.2.2.2. Giro vertical.- Mueve el elemento como espejo verticalmente.2.2.3. Giro 90 cw.- Gira el elemento 90 en el sentido de las manecillas del reloj.2.2.4. Giro 90 ccw.- Gira el elemento 90 en el sentido contrario al de las manecillas del reloj.2.2.5. Propiedades.- Muestra las propiedades del elemento seleccionado.2.3. Colocar.-Da las opciones para colocar diferentes elementos de construccin del circuito como componentes, conectores, uniones, etc.2.4. Simulacin.- Muestra las opciones para iniciar o parar la simulacin as como las posibles configuraciones y tipos de simulacin.2.5. Herramientas.-Tales como el asistente de componentes, el editor de componentes, etc.2.6. Opciones.-La configuracin de las restricciones y preferencias de funcionamiento.Pgina 39 de 126TEMA 2ELABORACIN DE UN CIRCUITO ELECTRNICO.Acontinuacindescribiremos pasoapasolaelaboracindeuncircuitoysu correspondiente simulacin.El circuito a elaborar es el de la figura 2.7.Fig. 2.7.- Circuito de ejemplo.Los pasos para la elaboracin del circuito son los siguientes:1.- En el men Archivo seleccione Nuevo2.- En el men Archivo seleccione Guardar como.. y asgnele un nombre.3.- De la barra de Componentes seleccione Transistor y aparecer el siguiente cuadro de dilogo mostrado en la figura 2.8.4.- En el campo Grupo seleccione transistores.5.- En el campo familia seleccione BJT_NPN6.- En el cuadro componente seleccione 2N2222 y oprima OK.7.- Abra nuevamente el cuadro de dilogo de seleccin de componente.8.- En el campo Grupo seleccione Bsico como se muestra en la figura 2.9.9.- En el campo Familia seleccione Resistencia.10.- En el cuadro componente seleccione 2.00kOhm_1% y oprima OK11.- Repita los pasos 7 a 10 seleccionando las opciones correspondientes.12.- Coloque los componentes adecuadamente y conctelos.Pgina 40 de 126Fig. 2.8.- Ventana de componentes para seleccin de un transistor.Pgina 41 de 126Fig. 2.9.- Ventana de componentes para seleccin de una resistencia13.- De la barra de instrumentos seleccione el generador de funciones y el osciloscopio, colquelos y conctelos. El circuito deber verse aproximadamente como se muestra en la figura 2.10.Fig. 2.10.- Circuito con todos los componentes e instrumentos.14.- De doble clic sobre el generador de funciones para configurarlo como se muestra en la figura 2.11.Pgina 42 de 126Fig. 2.11.- Configuracin del generador de funciones.15.- Cirrelo con la X y d doble clic en el osciloscopio.16.- Oprima el Icono y ajuste el osciloscopio para que se vea como en la figura 2.12.Fig. 2.12.- Vista de las formas de onda resultantes de la simulacin del circuito.Como podr observarse, el circuito es un amplificador con ganancia de 91.Pgina 43 de 126TEMA 3SOFTWARE PARA ELABORACINDE CIRCUITOS IMPRESOSParael desarrollodeestetemaseharusodel programadenominadoORCAD, sin embargo, lo aqu explicado puede hacerse extensivo a otros paquetes cuidando solamente los requerimientos del entorno.1.- INTRODUCCIN A LA INTERFASE DEL USUARIO.a. Programa CAPTUREEsta parte del software permite dibujar el diagrama elctrico del circuito a elaborar. En primer lugar se describir la interfaz y a continuacin se dar un ejemplo de uso.La interfaz se muestra en la figura 2.13.Fig. 2.13.- Interfaz del programa capture.Pgina 44 de 126La paleta de herramientas es la que se muestra en la figura 2.14. y contiene las herramientas necesarias para construir el circuito colocando componentes, conectores, conexiones, etc.La barra estndar tiene botones con funciones propias del ambiente Windows.En laventana deproyecto semuestran todos losarchivos que forman el proyecto.Parahacer estomssencillo, vamosahacer el diagramadel circuito de la figura 2.15.El procedimiento lleva los pasos siguientes:1.- Abrir el programa Capture2.- Abrir un proyecto nuevo. Aparecer la ventana mostrada en la figura 2.16. y se escriben los datos que ah se piden como el nombre del proyecto, el directorio en donde se va a guardar y el tipo de proyecto, en este caso esquemtico.3.- Oprimir el botn de seleccin de componentes en la paleta de herramientas y aparecer la ventana mostrada en la figura 2.17.NOTA: Sedeberseleccionar todaslasbibliotecasal oprimir el botnAdd LibraryPgina 45 de 126Fig. 2.14.- Paleta de herramientasFig. 2.16.- Ventana de proyecto nuevoFig. 2.15 Circuito de ejemploFig. 2.17.- Ventana de seleccin de componentes.4.- Seleccionar elcomponente deseado escribiendo su clave en elcampo Parte y oprimir Ok.5.- Repetirel pasoanterior paratodosloscomponentesycolocarlosdelamanera ms apropiada en la ventana de trabajo.6.- Utilizar el botn conexin de la paleta de herramientas para conectar los componentesyas crear lasmallas. El circuitoquedasimilaral delafigura 2.18.Fig. 2.18.- Circuito terminado7.- Ahora resta crear la lista de mallas que servir para fabricar elcircuito impreso. Para esto seleccione la ventana de proyecto y en especial sobre el archivo con extensin:dsn. Del menHerramientas(Tools) seleccioneCrear listade mallas (Create netlist) y aparecer el cuadro de dilogo mostrado en la figura 2.19.Pgina 46 de 126Fig. 2.19.- Ventana Crear lista de mallas8.- Seleccione la pestaa Layout y configrela como se muestra en la figura 2.19. y oprima Aceptar. El diseo est terminado.Ahora toca el lugar al diseo de la placa de circuito impreso con el programa LAYOUTb. Programa LAYOUTEsta parte del software permite disear la placa de circuito impreso.Para esto seguiremos los siguientes pasos:1.- Abrir el programa LAYOUT y seleccionar archivo nuevo, aparecer un cuadro de dilogo solicitando la plantilla de diseo. Seleccione jump5535.TCH. enseguida aparece otro cuadro solicitando la lista de mallas ( .MNL) que habra que buscarla en su directorio de trabajo seleccionado en el diseo en CAPTURE.2.- Guarde el Archivo con extensin .MAX despus de lo que aparecer el cuadro de dilogo mostrado en la figura 2.20.Pgina 47 de 126Fig. 2.20.- Cuadro de asignacin de huella (footprint) al componente indicado.3.- Seleccionar Linkexistingfootprint tocomponent yaparecerel cuadrode dilogocorrespondiente, enel quesebuscarlahuellaapropiadasegnel componente (consultar manuales de componentes para empaquetados).4.- Unavezasignadastodaslashuellasaloscomponentes, aparecerel reade trabajo con los componentes en desorden como se muestra en la figura 2.21.Fig. 2.21.- Componentes colocados en desorden por el programa.Pgina 48 de 1265.- Colocar los componentes de acuerdo a la mejor distribucin que se crea conveniente y rtelos oprimiendo la letra Rdel teclado al seleccionar el componente. Un ejemplo de este arreglo se muestra en la figura 2.22.Fig. 2.22.- Componentes ya organizados.6.- Acontinuacin sepueden trazar las pistas oprimiendoel botn trazar pistas mostrado en la figura 2.21. as el diagrama terminado queda como se muestra en la figura 2.23.Fig. 2.23.- PCB terminadaPgina 49 de 126 UNIDAD IIIAMPLIFICADORES OPERACIONALESI N T R O D U C C I NLos amplificadores operacionales son circuitos integrados compuestos de hasta cientos o miles de transistores que permiten la amplificacin y manipulacin de seales elctricas. Sususospueden ser variados, pasando desdesumadores, restadores,multiplicadores, integradores, derivadores, hasta funciones exponenciales, divisiones y muchas ms. Pueden ser manipulados en lazo abierto, presentando ganancias tpicas de 5000 o ms, o en lazo cerrado en donde la ganancia estar definida por los elementos externos que se le conecten.OBJETIVO Y CRITERIOS DE APRENDIZAJE1. Analizar las caractersticas de entrada, salida y alimentacin de un amplificador operacional.1.1.Explicar el concepto de amplificador operacional.1.2.Analizar las caractersticas de entrada y salida del amplificador operacional.RESULTADOS DE APRENDIZAJE1.1.1. Identificar un amplificador operacional.1.2.1. Interpretar las caractersticas de entrada y salida del amplificador operacional.OBJETIVO Y CRITERIOS DE APRENDIZAJE2. Analizar las diferentes configuraciones bsicas del amplificador operacional para instrumentacin.2.1.Analizar el amplificador operacional en su configuracin como comparador, inversor, sumador, seguidor de voltaje, integrador y derivador.RESULTADO DE APRENDIZAJE2.1.1. Analizar las ecuaciones que rigen el funcionamiento de las diferentes configuraciones del amplificador operacional.OBJETIVO Y CRITERIOS DE APRENDIZAJE3. Aplicar el amplificador operacional para acondicionamiento de seales en la instrumentacin.Pgina 50 de 1263.1.Identificar las caractersticas de entrada y salida del amplificador de instrumentacin. RESULTADO DE APRENDIZAJE3.1.1. Interpretar las caractersticas de entrada y salida del amplificador de instrumentacin.OBJETIVO Y CRITERIOS DE APRENDIZAJE4.- Utilizar el amplificador operacional en la ejecucin de procesos industriales.4.1.- Conocer el funcionamiento de un convertidor de corriente a voltaje y de voltaje a corriente.RESULTADO DE APRENDIZAJE4.1.1 Utilizar el amplificador operacional como convertidor de corriente a voltaje, de voltaje a corriente y algunas aplicaciones en procesos industriales.Pgina 51 de 126TEMA ICARACTERSTICAS DE ENTRADA, SALIDA Y ALIMENTACIN DE UN AMPLIFICADOR OPERACIONALObjetivo de aprendizaje:1. Analizar las caractersticas de entrada, salida y alimentacin de un amplificador operacional.Criterio de aprendizaje:1.1 Explicar el concepto de amplificador operacional.EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL ( OP-AMP )El amplificador operacional op-amp se ha convertido en un importante elemento funcional en todos losgneros de reasdeaplicacin.Sibien elamplificador operacionalesun circuito un tanto complejo, puede considerarse un dispositivo con caractersticas especficas de entrada y salida. La mayora de los op-amp existen actualmente en la forma de circuitos integrados, de manera que no es necesario comprender su sistema interno, sino es ms importante tener un buen conocimiento de sus caractersticas de entrada y salida. Este es el enfoque que se adoptar en la introduccin a los op-amp.QU ES UN AMPLIFICADOR OPERACIONAL?El trmino amplificador operacional se refiere normalmente a un amplificador de voltaje de altaganancia, conacoplamientodirectoyunaentradadiferencial ( dosterminalesde entrada, ningunadelascualesestpuestaatierra. ). Puestoquetieneacoplamiento directo (lo que significa que no utiliza capacitores de acoplamiento para bloquear la CD), puede amplificar todas las frecuencias de seal hasta 0 hz. Su frecuencia lmite superior est tpicamente por arriba de 1 Mhz. Aunque el op-amp es un amplificador completo, se ha diseado para que puedan conectarse componentes externas a sus terminales, a fin de determinar las caractersticas deoperacin del amplificador. Esto es, la ganancia de voltaje del amplificador, las impedancias de entrada y salida, y la respuesta de frecuencia dependen casi exclusivamentedelascomponentesexternasestables. Estohacequeel amplificador satisfaga fcilmente las condiciones de cualquier aplicacin particular, y es esta versatilidad la que hace que el uso de los amplificadores operacionales sea tan popular en la industria.En muchos casos, un op-amp tiene su salida conectada a una de sus entradas, ya sea directa o indirectamente. Esto se denomina retroalimentacin, y cuando sta se emplea se dice que el amplificador operacional funciona en el modo de ciclo (malla) cerrado. Cuando no se utiliza la retroalimentacin, se dice que elamplificador operacionalfunciona en el modo de ciclo ( malla ) abierto.Pgina 52 de 1261.2 Analizar las caractersticas de entrada y salida del amplificador operacional. CARACTERSTICAS BSICAS DEL OP-AMPTodoslosamplificadoresoperacionalestienenal menoscincoterminales, comopuede verseenel smbolodel op-ampdelafig. 2.1. Existendosterminalesdeentrada, una terminal de salida y dos terminales de la fuente de polarizacin. La mayora de los op-amp tienen otras terminales que se utilizan para fines especiales.El smbolo triangular del amplificador operacionalde la fi.3.1 es por lo general estndar, aunque en ocasiones puede ser diferente. Algunas veces las polaridades de entrada (-) y (+) se invierten, con en la parte superior y + en la inferior. En algunos casos la terminal + no aparece en absoluto, y se supone que est conectada a tierra. Fig. 3.1 Smbolo del amplificador operacional.DNDE ES TIERRA?Cmose establecienladefinicin inicial del amplificador operacional,ningunadelas terminalesdeentradadebeestar conectadaatierra. Por consiguiente, ningunadelas terminales del op-amp sirve como referencia de tierra. Entonces dnde est la referencia de tierra?. Esto se puede contestar examinando la fig. 3.2a.Lasdosfuentesdepolarizacinseencuentranconectadasaunatierradereferencia comn.Estatierrasirvecomoreferenciaparatodaslasterminalesdevoltajesdelos amplificadores operacionales como sigue :e1 voltaje de la entrada + del op-amp respecto a tierra.e2 voltaje de la entrada respecto a tierra.esal voltaje de la terminal de salida respecto a tierra. (La carga, si la hay, se conecta entre esta terminal y tierra). Pgina 53 de 126+ Vs - voltaje de la terminal positiva de la fuente de alimentacin respecto a tierra.- Vs- voltaje de la terminal negativa de la fuente de alimentacin respecto atierra.El diagrama de la fig. 3.2a normalmente se representa como se observa en la fig. 3.2b, dondelatierra noaparece pero sesupone que est en laterminal comndelas polaridades positiva y negativa de las fuentes.Fig. 3.2 Amplificador operacionalVALORES DE LA FUENTE DE POLARIZACINEn la mayora de los op- amp se utilizan voltajes de alimentacin + y simtricos; esto es, ambasfuentes tienen la mismamagnitud. Losvoltajes ms comunesson +/- 15V. En algunosamplificadoresoperacionalesse utilizaunasolapolaridaddealimentacin; por ejemplo + 30 V y 0 V.CARACTERISTICAS DE ENTRADA Y SALIDAEl op-amp es un amplificador diferencial, lo que significa que amplifica la diferencia de los voltajes presentes en las dos terminales de entrada. Especficamente el voltaje de salida esta dado por:esal = Avol x (e1 e2)Comoyasedijoe1ye2son, respectivamente, losvoltajesdelasterminales+yde entradarespectoa tierra.Avoles la ganancia de voltaje en ciclo abierto delop-amp; es decir, la ganancia del voltaje del op-amp sin conexin externa de retroalimentacin alguna. El trmino(e1-e2) esladiferenciadevoltajespresentesenlasterminalesdeentrada. Frecuentemente denominaremos a esta diferencia de voltaje entrada diferencial, ed. Por consiguiente, ( ed = e1-e2 ) que es el voltaje que se medira en la entrada + respecto a la entrada - . Se observa que cuando e1> e2, ed ser positivo, y que cuando e1< e2, ed ser Pgina 54 de 126negativo. Es importante recordar que el op-amp amplifica este diferencial y no e1 e2. As nuestra ecuacin queda expresada como:esal = AvoledPgina 55 de 126Ejemplo:Determine ed y esal para la fig. 3.3 , utilizando Avol = 1000Fig. 3.3 Circuito con amplificador operacionalSOLUCIN :ed = e1 e2 = 100mV 90mV = + 10 mVesal = Avol ed = 1000 x 10 mV = 10VSATURACIN DEL VOLTAJE DE SALIDALa amplitud mxima del voltaje de salida del op-amp est limitada por la magnitud de los voltajes de la fuente de alimentacin que se conecten a las terminales de polarizacin del amplificador operacional. Tpicamente, la amplitud mxima es cerca de 1.5 V menor que la fuente de polarizacin. Por ejemplo, si se utilizan fuentes de polarizacin de +/- 15 V, la amplitud de esal est limitada a +/- 13.5 V; es decir, -13.5V2, y quelos amplificadores operacionales son ideales. Por los dos primeros axiomas se cumple que Vd = 0 y tambin que Is, = 0 Por lotanto, el voltajediferencial deentradao ladiferenciadelassealesdeentrada sern las que fijen el valor y direccin de la corriente en el potencimetro. En este caso es hacia arriba y esFIG. 3.32. Amplificador de instrumentacin.Bajo el supuesto de que V2 > V1, en las salidas de los amplificadores operacionales A2 Y A1 el voltaje es Sustituyendo la corriente en esta ltima ecuacin..(1)Simplificando..............................................(2)Pgina 81 de 126El voltaje de salida del amplificador diferencial es................................................................(3)Sustituyendo la ecuacin (2) en (3)............................................(4)El control de ganancia es mediante el potencimetro R, cuando est en su mximo valor es muy grande, entonces tiende a . Por lo tanto, el ltimo trmino de la ecuacin de Vo,, se hace igual a 1 y el voltaje de salida esElotro caso es cuando elpotencimetro es cero, es decir = 0; entonces elvoltaje de salidatiendeainfinito, locual causaqueel amplificador sesature. Paraevitar esta situacin, se conecta en serie con el potencimetro una resistencia mR de un valor tal que limita y fija la mxima ganancia. Para ello, en la ecuacin (1) se suma mRal potencimetro R, resultando:.......................................(5)Cuando = 0, el voltaje de salida es mximo y toma un valor finito, expresado comoEl otro extremo es cuando se aproxima a , en este caso Vose hace mnimo. En la ecuacin 5 se factoriza ( + m) en el numerador y denominador resultandoPgina 82 de 126Y ahora haciendo = En este caso, elvoltaje de salida lo define exclusivamente la ganancia delamplificador diferencial.Resultado de aprendizaje:3.1.1 Interpretar las caractersticas de entrada y salida del amplificador de instrumentacin.Rechazo de Modo Comn en Amplificadores de Instrumentacin Existen en equipos en la industria, en equipos de electromedicina, y en equipos en otras muchas aplicaciones, la necesidad de medir seales muy pequeas del orden de microvoltios o pocos milivoltios en la presencia de comparativamente grandes seales de ruidoprovenientes dedistintas fuentes, comoser motores, tubos deiluminacin de descarga gaseosa, y la siempre presente induccin de la frecuencia de lnea de alimentacin, ennuestrocaso50Hz. Pararealizar lasmencionadasmedicionesestos debern utilizar en su entrada Amplificadores de Instrumentacin con un adecuada Relacin Rechazo de Modo Comn (CMRR).En la siguiente figura se coloca un esquema bsico de medicin Fig. 3.33 Amplificador de instrumentacin.Al Amplificador de Instrumentacin ingresan dos seales de modo comn: una de c.c. de +2.5V provenientes delpuentes de resistencias y otra de c.a. Vruido inducida sobre los cables de entrada al amplificador.Pgina 83 de 126Rechazo de Modo ComnLosamplificadoresdeInstrumentacinamplificanladiferenciaentredosseales. Esas seales diferenciales en la prctica provienen de sensores como ser termocuplas, fotosensores, puentes de medicin resistivos, etc. En la figura de arriba se ve que de un puente resistivo, en estado de equilibrio sin seal, en la mitad de las ramas delpuente existe una seal de 2.5V respecto a masa. Esta seal de corriente continua es comn a ambas entradas por lo cual es llamada Voltaje de Modo Comn de la seal diferencial. Se puede ver que estas seales no contienen informacin tilen lo que se quiere medir y como elamplificador amplificar la diferencia de ambas, alser iguales, se restan y a la salida el resultado ser cero o sea idealmente no estn contribuyendo a la informacin de salida. Tambin se ve que se inducen seales de corriente alterna en ambas entradas a la vez y que sern rechazadas como en el caso de continua. Pero al producirse un desbalancedel equilibriodel puentepor lavariacindeunadesus resistencias se producir una sealque ser aplicada entre ambas entradas y ser amplificada. Por lo expuesto, esquesejustificalautilizacindeamplificadores deinstrumentacinpara rechazar seales que entran en modo comn, o sea en las dos entradas se presenta la misma seal.En la prctica, las seales de modo comn nunca sern rechazadas completamente, de manera que alguna pequea parte de la seal indeseada contribuir a la salida.Para cuantificar la calidad delAmplificador de Instrumentacin, se especifica la llamada Relacin de Rechazo de Modo Comn (CMRR) que matemticamente se expresa como:Siendo:AD = Amplificador diferencial.ACM = Amplificador modo comn.De la ltima frmula podemos obtener la Vout como:Donde:Vout = Voltaje de salida.VCM = Voltaje de modo comn en la entrada.Pgina 84 de 126Configuraciones circuitales de Amplificaciones de Instrumentacin Configuracin de dos amplificadores operacionales.-El circuito esquemtico se muestra abajo:Fig. 3.34 Configuracin con dos amplificadores operacionales.Amplificador diferencial:Amplitud de Salida DiferencialVoutDiferencial = Vout (donde VA es distinto de VB) es la siguiente:Esta ecuacin surge haciendo el siguiente anlisis del circuito anterior: considerando que R1 = R4 y R2 = R3 la tensin diferencial ser: Pgina 85 de 126Es de destacar que de acuerdo con las frmulas obtenidas, con este circuito no se puede tener ganancia unitaria, y en caso de necesitarse hay que utilizar la configuracin de tres AO's.-Amplitud de Salida de Modo ComnConsiderando VA=VB =VCM de las ecuaciones anteriores obtenemos: La tensin de Salida de Modo Comn ser:Y la ecuacin del CMRR:Considerando la frmula para el CMRR vemos que este se incrementa con la amplificacin diferencial y con el apareamiento de las resistencias, ya que si se logra, el CMRR tiende a infinito.-Amplitud de Salida DiferencialVoutDiferencial = Vout (donde VA es distinto de VB) es la siguiente:Esta ecuacin surge haciendo el siguiente anlisis del circuito anterior: Pgina 86 de 126Configuracin de tres amplificadores operacionalesVista anteriormente, el circuito esquemtico es:Fig. 3.35 Configuracin con tres amplificadores operacionales.Amplificacin DiferencialEn este amplificador se acostumbra a hacer R5 = R6 = R; R1= R3 y R2 = R4 y como ya vimos la amplificacin diferencial ser:Amplificacin de Modo ComnConsiderando VA= VB= VCMy como los amplificadores de entrada estn en una configuracinsimtrica, lamismatensinapareceenV1yV2, demaneraquedelas ecuaciones vistas anteriormente en amplificadores diferencia, surge que:Y el CMRR serNuevamente el CMRR depende de la ADy del cuidado en seleccionar los valores de las resistencias, ya sea para que sean lo ms iguales posibles o sus relaciones de unas a otras sean lo ms exactas posibles.Pgina 87 de 1261212 14 34RRR R RR R RVVCMsal++1111]1

++1212 14 34log 20RRR R RR R RACMRRDTEMA 4APLICACIONES DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL EN PROCESOSObjetivo de aprendizaje:4.- Utilizar el amplificador operacional en la ejecucin de procesos industriales.Criterio de aprendizaje:4.1 Conocer el funcionamiento de un convertidor de corriente a voltaje y de voltaje a corriente.Los sensores generadores ofrecen una tensin o una corriente cuya magnitud, frecuencia eimpedanciadesalidadeterminanlascaractersticasrequeridasenlaetapade acondicionamiento. Cuando la tensin o corrientes ofrecidas son dbiles, hace falta una amplificacin, que exige soluciones nuevas a las vistas hasta el momento. Las tensionesmanejadas, ademsdeser muydbiles, sondemuybajafrecuencia, hasta el punto de impedir la utilizacin de amplificadores de alta ganancia acoplados enalternaporqueloscondensadoresnecesarios serandemasiadograndes. En amplificadores de continua, se presenta la problemtica de su tensin de desequilibrio (offset), sus corrientes de polarizacin y de desequilibrio y las derivas de todas ellas, principalmente con el tiempo y la temperatura. Dado que cuando se deseaaltaganancia. losamplificadoresdecontinuasebasanhabitualmenteen amplificadoresoperacionales. Enotros casoslaseal aacondicionar noesdbil, pero procede de una fuente de alta impedancia. La consideracin de las impedancias parsitas lleva entonces a la necesidad de utilizar amplificadores con caractersticas singulares oconestructuras distintas alaconvencional. Cuandosedeseauna solucin elevada, aun en el caso de la medida de magnitudes variables a las que no afectanlasderivasenlosamplificadores, surgeel problemadel ruidointernoen stos. sta es una limitacin inherente a todos los dispositivos electrnicos.Convertidor de corriente a voltaje.-Elamplificador con retroalimentacin negativa de voltaje, por los efectos de mejora que produce,haceque elcircuito secomporte como unperfectoconvertidordecorriente a voltaje, porquepresentaunaresistenciadeentradacero, resistenciadesalidaceroy proporcionaunaraznfijay estableentreIiy Vo.Por lo tantoesteamplificadorpuede considerrsele como el convertidor de corriente a voltaje.Laaplicacinnatural deestaconfiguracinsepresentacuandosedeseaamplificar y convertirunaseal decorriente quefacilitauntransductor, porejemploelcasodelos fotodiodos. Estossondispositivosqueproporcionanunacorrientedel ordendeAen corto circuito, proporcionala la intensidad de radiacin luminosa o solar. Como se habla de corriente en corto, esto nos induce a buscar un circuito que tenga una Rif = 0 y, por lo tanto, que sea corriente la seal de entrada. El convertidor de corriente a voltaje que se Pgina 88 de 126acaba de analizar cumple con las esas condiciones, y se convierte en el circuito natural para esta aplicacin (vase fig. 3.36b).Fig. 3.36 a) Convertidor de corriente a voltaje, b) amplificador con fotodiodo, c) Amprmetro electrnico.Otraaplicacinsepresentacuandosenecesitamedir corrienteenuncircuito. Los dispositivos que lo hacen en forma directa como el ampermetro de bobina mvil, tiene una resistenciainternaquepuedeinfluir enel circuitocuyacorrientesedeseamedir. Por ejemplo, un ampermetro con una deflexin a plena escalade 50 A, tiene una resistencia caractersticade 2 Kohms que esta lejos de ser ideal. Cuando se conecta en serie este ampermetro en alguna rama de un circuito, agrega la resistencia de 2 Kohms en dicha rama, alterando las condiciones normales de funcionamiento del mismo. Usando la retroalimentacin negativa de voltaje, se puede construir un ampermetro electrnico cuya resistencia tienda a cero.La figura 3.36c muestra el circuito de tal instrumento. Por ejemplo, usando un amplificador operacional quetenga Ao=100dB(100000)yunaRf=100Kohms,laresistenciade entrada ser:Rif = (Rf)/(1+Ao) = 1 ohm.Adems,Vo = Rf Ii = 100000 IiLas conclusiones a las que se llega con este ltimo ejemplo son: La resistencia que se suma al conectarse en serie el instrumento en la rama donde se desea medir la corriente, es slo de 1 ohm. Para efectos de mediciones de corriente del orden de A a mA, no afecta. El problema cambia si la corriente a medirse fuera del orden de amperes; en este caso, se disea un circuito pasivo divisor de corriente y se procede de la misma manera. La ecuacin del Vo indica que tan sensible es el ampermetro. En este caso, a plena escala Ii= 50 A y Vo ser igual a 5 V, que es un voltaje suficiente para medirse son Pgina 89 de 126cualquier vltmetro. Aun utilizando componentes poco costosos, elinstrumento de la figura 3.36c es de mejor calidad que cualquier ampermetro de bobina mvil (en lo que se refiere a impedancia).La retroalimentacin de corriente no inversora, es un ejemplo de retroalimentacin serie-serie, vase la figura 3.37. Con retroalimentacin de corriente no inversora, como seal de entrada, se aplica un voltaje a la terminal no inversora del amplificador operacional. Luego, la corriente de salida pasa por la red de retroalimentacin Rf para ser convertida a voltaje. Esta es la muestra de la variable de salida que se introducea la terminal no inversora del amplificador, ydeestamaneraserealizael procesoderetroalimentacinnegativade corriente. Con este tipo de retroalimentacin, un amplificador tiende a comportarse como un convertidor ideal de voltaje a corriente, mismo que presenta una resistencia de entrada infinita, unaresistenciadesalidainfinitayunatransconductanciaestable. Enlafigura siguiente se muestra el circuito equivalente para un amplificador de corriente no inversora.Fig. 3.37 Retroalimentacin de corriente no inversora.Por medio de la resistencia de carga RL, se conecta en serie la salida del amplificador al bloque de retroalimentacin, por lo que la corriente de carga pasa a travs de la resistencia deretroalimentacin. El voltaje deretroalimentacin es proporcional a la corriente de salida, el circuito tiene retroalimentacin de corriente.Pgina 90 de 126Resultado de aprendizaje:4.1.1. Utilizar el amplificador operacional como convertidor de corriente a voltaje, de voltaje a corrientey algunas aplicaciones en procesos industriales.Acondicionamiento lineal de seales: amplificador de instrumentacin.-Este amplificador es una herramienta poderosa para medir seales anlogas de bajo nivel que se originan en sensores remotos y que se trasmiten a travs de un par de alambres.Fig. 3.38 Amplificador de instrumentacin.Convertidor de voltaje a corriente.-Convertidor del tipo V-I (carga flotada): (V+) Esta conectado a Vi. (V-) = (V+),de tal forma que la terminal inversora tiene el mismo potencial que Vi La corriente a travs de R1 es IL. La corriente IL no depende de la resistencia RL. Notar que la carga esta flotada.Fig. 3.39 Convertidor de voltaje a corriente.Pgina 91 de 126Otro convertidor de voltaje a corriente.-Convertidor de V-I con carga aterrizada: IL no depende de RL. Slo depende de VIN y VREF. 1/R1 determina la constante de proporcionalidad entre V e I. Notar que la carga esta referida a tierra.Fig. 3.40 Convertidor de voltaje a corriente.IL = (1/R1)(VIN-Vref).Convertidor de corriente a voltaje.-Convertidor de I-V inversor: (V+) Esta conectado a tierra, o(V+) = 0. (V-) = (V+) = 0, la terminal inversora es tierra virtual. I fluye solamente a travs de R. R determina la constante de proporcionalidad entre la corriente y el voltaje.Fig. 3.41 Convertidor de corriente a voltajePgina 92 de 126Otro convertidor de corriente a voltaje.-Convertidor I-V no inversor: Si R1 >> Rs, IL fluye casi totalmente a travs de Rs.Fig. 3.42 Convertidor de corriente a voltaje.Ejemplos: Usando amplificadores operacionales, disear el siguiente circuito aritmtico:Fig. 3.43 Diagrama a bloque.Solucin: Usar un amplificador sumador con entradas Vi y 5 volts, ajustar la ganancia a 3.4 y 1, respectivamente.Fig. 3.44 Amplificador sumador.Pgina 93 de 126 Disear un circuito basado en amplificadores operacionales que conviertan un intervalo de tensionesde 20 a 250 mV a un intervalo de 0 a 5 V.Fig. 3.45 Convertir de 20-250 mV a 0-5 V.Solucin:Fig. 3.46 Acondicionamiento de seal en tensin. Disear un circuito basado en amplificadores operacionales para convertir seales de 4 a 20 mA (estndar en corriente) a un intervalo de tensin de 0 a 10 volts.Fig. 3.47ConvertirI-V del estndar 4-20 mA a 0-10 V.Pgina 94 de 126UNIDAD IVSEMICONDUCTORES DE POTENCIAINTRODUCCINEstos trminos se utilizan indistintamente para describir dispositivos cuya operacin obedece los siguientes principios generales:a) El dispositivoactacomointerruptor entredosdesusterminales; esdecir, tiene elevada resistencia en el estado apagado, baja resistencia en el estado encendido y no tiene otra regin operativa.b) El dispositivosedisparadel estadoapagado al estadoencendido medianteun valor especfico de voltaje o corriente aplicado a la terminal apropiada.c) Una vez que el dispositivo se ha disparado a encendido permanece en ese estado, aunque el voltaje o la corriente de disparo sehayan suprimido.En otras palabras, dichodispositivoes retenidoenencendido. El interruptor normalmentepasaa apagado al reducirseel flujodecorrienteatravsdel por debajodeunvalor mnimo. Unavezenapagado, el dispositivopuedevolver adispararseal estado encendidoOBJETIVO Y CRITERIOS DE APRENDIZAJE1. Utilizar el modo de activacin y desactivacin de varios tiristores.1.1.Discutir las formas posibles de activar y desactivar los tiristores.RESULTADOS DE APRENDIZAJE1.1.1. Identificar las posibles formas de activacin y desactivacin de los tiristores.OBJETIVO Y CRITERIOS DE APRENDIZAJE2. Analizar las diferentes configuraciones de circuitos con tiristores en aplicaciones de procesos industriales.2.1.Analizar los circuitos de aplicacin de los tiristores.RESULTADO DE APRENDIZAJE2.1.1. Comprobar varias configuraciones de control con tiristores.Pgina 95 de 126OBJETIVO Y CRITERIOS DE APRENDIZAJE3. Analizar las configuraciones de potencia para los transistores y el encendido de dispositivos de potencia utilizando diferentes tipos de tiristores.3.1.Analizar las configuraciones de potencia para los transistores bipolares, y diferentes tipos de tiristores.RESULTADO DE APRENDIZAJE3.1.1. Comprobar el encendido de dispositivos de potencia utilizando diferentes tipos de tiristoresOBJETIVO Y CRITERIOS DE APRENDIZAJE4. Comprobar el funcionamiento de un puente H para controlar cargas inductivas.4.1. Analizar el funcionamiento del puente H para controlar cargas inductivas.RESULTADO DE APRENDIZAJE4.1.1 Comprobar el puente H para controlar cargas inductivas.Pgina 96 de 126TEMA ICIRCUITOS DE DISPAROObjetivo de aprendizaje:1. Utilizar el modo de activacin y desactivacin de varios tiristores.Criterio de aprendizaje:1.1.Discutir las formas posibles de activar y desactivar los tiristores. DIODOS PNPN DE CUATRO CAPAS: CARACTERISTICAS Y OPERACINEl diododecuatrocapasfueinventadopor W. Shockley, cuyonombreperduraenel campo de los semiconductores por este motivo. En efecto, este dispositivo se denomina frecuentemente diodo Shockley. Su construccin es bsicamente la que se muestra en la figura 2, y ya se analiz en la seccin anterior.Laoperacindel diododecuatrocapaspuedeexplicarseconlaayudadesucurva caracterstica (ver figura 5) como sigue:a) Con Vd = 0, el diodo no conduce e Id = 0.b) A medida que Vd aumenta gradualmente, la corriente aumenta muy lentamente a lo largo de la curva O A. Esta Id es una corriente de fuga relativamente pequea y esta porcin de la curva se denomina regin de apagado.c) Por ltimo cuando Vd aumenta, alcanza un valor Vs, llamado voltaje de conmutacin. A este voltaje (punto A) el diodo conmutar rpidamente (lo cual es ilustrado por la lnea punteada) a su regin encendido (B C). En esta regin su caracterstica es similar a la correspondiente a un diodo P N polarizado directamente.En este estado la cada de voltaje directo a travs del diodo VF, ser muy pequea, tpicamente de entre 0.5 y 2 V, por lo que la corriente del diodo puede llegar a ser muy grande.d) Una vez que el diodo haya conmutado al estado encendido, permanecer as mientras el valor de la corriente se mantenga por encima del valor de la corriente de mantenimiento IHque es elvalor de la corriente de diodo necesaria para mantenerlo encendido. Si lacorrientedel diodocaepor debajodeIH, el diodorpidamente regresa a su estado apagado.e) Otroparmetroimportantedel diodoes Is, lacorrientedel diodoenel puntode conmutacin A. Isse denomina corriente de conmutacin y es el valor de la corriente del diodo apagado cuando su voltaje est en su valor de voltaje de conmutacin Vs. Is siempre es menor que Ih por un factor de por lo menos 3 a 1.Pgina 97 de 126EL RECTIFICADOR CONTROLADO DE SILICIOINTRODUCCIONOperacionesindustrialescomoalumbrado, control develocidaddemotores, soldadura elctrica y calentamiento elctrico requieren la entrega de una cantidad variable y controlable de energa elctrica.Es posible controlarla energa elctricaentregada por medio detransformadores variables y restatos. Sin embargo, cuando se requieren niveles altos de energa, los transformadores variables son caros y voluminosos y requiere mantenimientofrecuente. Porsupartelosrestatosresultangrandes, caros, requieren mantenimiento y desperdician cantidades enormes de energa [1].Desde1960laindustriahatenidodisponibleundispositivoelectrnicoquenotiene ninguna de las desventajas mencionadas. El Rectificador Controlado de Silicio (SCR) es pequeo, relativamente barato, no requiere mantenimiento y casi no desperdicia energa. AlgunosSCRmodernospuedencontrolar corrientesdevarioscientosdeamperesen circuitos que operan a voltajes mayores de 1000 V. Por estas razones, los SCR son muy importantes en la industria moderna.El trmino tiristor se refiere a la familia de dispositivos semiconductores de conmutacin de cuatro capas p-n-p-n. Los tiristores slo tienen dos estados de operacin: encendido y apagado. El SCR es el miembro ms importante de la familia de los tiristores [2].CARACTERISTICAS DEL RECTIFICADOR CONTROLADO DE SILICIOLa estructura y elsmbolo delSCRse muestran en la Figura 4.1. Es un dispositivo de conmutacin de cuatro capas p-n-p-n, con tres uniones J1, J2 y J3. Las terminales externas son elnodo, elctodo y la compuerta. Las terminales nodo y ctodo se conectan al circuito de potencia, mientras que la terminal de la compuerta porta una pequea corriente de control en direccin compuertactodo. La caracterstica nodoctodo es mostrada en la Figura 4.1. Dicha caracterstica presenta tres regiones de operacin: de bloqueo directo, de bloqueo inverso y de conduccin alta, las cuales son descritas a continuacin [2].Figura 4.1 (a) Estructura y (b) Smbolo del rectificador controlado de silicio.Regin de bloqueo inverso. En esta regin la caracterstica de bloqueo inverso delSCR es similar a la de un diodo. Cuando se aplica un voltaje inverso alSCR(nodo negativo con respecto al ctodo), las uniones exteriores J1 y J3 estn polarizadas inversamente y J2 Pgina 98 de 126est polarizada directamente. Por lo tanto slo fluye una pequea corriente de fuga (en miliamperes). Si el voltaje aplicado alcanza el nivel de ruptura inverso, la corriente de fuga se incrementar abruptamente destruyendo al dispositivo. Si el voltaje aplicado no alcanza el puntoderupturainversoel dispositivosecomportarcomoundispositivodealta impedancia.Regin de bloqueo directo. En esta regin elnodo es hecho positivo con respecto al ctodo, ypor lotantolasuniones exterioresJ1yJ3estnpolarizadas directamente, mientras que J2permanece polarizada inversamente. De aqu que la corriente del nodo es una pequea corriente de fuga en directa.Figura 4.2 Caracterstica nodoctodo de un rectificador controlado de silicio.Regin de conduccin: Conforme el voltaje directo de nodoctodo es incrementado, ocurre la avalancha de ruptura en J2 en el voltaje de ruptura directo, y el SCR conmuta el estadodeconduccinodebajaimpedancia. El voltajedenodoctodocaede varios cientos de volts a 1 V o 2 V, dependiendo del rango del SCR. En el estado de conduccin la corriente del nodo est determinada por la impedancia de la carga.Si se aplica una corriente en compuerta, el nivel del voltaje de ruptura