tema 7
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24/02/2016
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TEMA 7
COMPONENTES ELECTRÓNICOS ACTIVOS
Componentes electrónico activos 2
Componente electrónico activo: componente de comportamiento no lineal.
Relación no lineal entre la tensión aplicada y la corriente
suministrada.
Controlan tensiones e intensidades.
Realizan acciones de amplificación o como conmutadores.
Equipos que usan componentes activos:
Amplificadores de audio y vídeo.
Sistemas de control.
Robótica.
Ordenadores.
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Componentes electrónico activos 3
Tipos de componentes activos:
Componentes individuales: diodo, transistor, tiristor, triac y diac.
Componentes integrados:
Amplificadores operacionales.
Microprocesadores: componente principal de los ordenadores.
El semiconductor. La unión PN 4
Los componentes electrónicos activos se basan en el uso de materiales semiconductores.
Comportamiento de los semiconductores:
Aislante: no conduce la electricidad.
Conductor: conducen la electricidad en función de ciertas condiciones (tensión aplicada en sus extremos, temperatura, etc.)
Tipos de cargas en los semiconductores:
1. Electrones libres: cargas negativas en movimiento.
2. Huecos: cargas positivas en movimiento.
Materiales empleados en la fabricación de componentes semiconductores:
Germanio (Ge): elemento químico con 4 electrones de valencia.
Silicio (Si): elemento químico con 4 electrones de valencia.
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El semiconductor. La unión PN 5
Tipos de semiconductores:
1. Semiconductor intrínseco: formado por átomos iguales (Si o Ge).
Su conductividad depende de la temperatura.
2. Semiconductor extrínseco: semiconductor intrínseco de Si o Ge con otros átomos distintos para mejorar la conductividad.
Impureza: átomos distintos añadidos al semiconductor.
Dopado: proceso de añadir impurezas a un
semiconductor intrínseco.
El semiconductor. La unión PN 6
Tipos de semiconductores extrínsecos:
1. Semiconductor tipo N: dopado con átomos de 5 electrones de valencia (Antimonio, Fósforo, Arsénico) llamados donadores.
Mayor cantidad de portadores de carga negativa (electrones libres).
2. Semiconductor tipo P: dopado con átomos de 3 electrones de valencia (Boro, Galio, Indio) llamados
aceptores.
Mayor cantidad de portadores de carga positiva (huecos).
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El semiconductor. La unión PN 7
Unión PN: cristal semiconductor con una mitad de tipo N y la otra
mitad de tipo P.
Mitad N: más electrones que huecos.
Mitad P: más huecos que electrones.
Barrera de potencial: zona alrededor de la unión.
Fenómeno de difusión: los electrones libres de N se pasan a la
zona P y se combinan con los huecos .
Crean iones positivos en la zona N.
Crean iones negativos en la zona P.
Impiden el paso de la corriente.
Tensión mínima en los extremos de la unión PN para conducir la
corriente:
Germanio: 0,3 V.
Silicio: 0,7 V.
El diodo semiconductor 8
Diodo semiconductor: componente electrónico que solo deja pasar
la corriente en un sentido.
Aplicaciones de los diodos:
1. Protección de circuitos: debido a su cualidad de permitir el
paso de la corriente en un solo sentido.
2. Dispositivos de computación: debido a que pueden manejar
grandes corrientes.
3. Demodulación en los receptores de radio: diodos muy
pequeños que manejan corrientes bajas.
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El diodo semiconductor 9
Terminales del diodo:
1. Ánodo (A): terminal positivo conectado al semiconductor P.
2. Cátodo (K): terminal negativo conectado al semiconductor N
Símbolo del diodo:
Polarización directa de un diodo 10
Polarización directa del diodo:
1. El ánodo (zona P) esta conectado con el terminal positivo de la fuente.
2. El cátodo (zona N) esta conectado con el terminal negativo de la fuente.
Si la tensión de la fuente es mayor que la barrera de potencial:
Los huecos de la zona P se mueve hacia el polo negativo de la fuente saltando la barrera de potencial.
Los electrones libres de la zona N hacia el polo positivo de la fuente saltando la barrera de potencial.
Circula una corriente (corriente directa: IF).
Si la tensión del generador es menor que la barrera de potencial no hay
corriente.
Si el diodo esta polarizado directamente:
Equivale a una pila de valor VF (tensión directa).
Actúa como un interruptor cerrado.
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Polarización inversa de un diodo 11
Polarización inversa del diodo:
1. El ánodo (zona P) esta conectado con el terminal negativo de la fuente.
2. El cátodo (zona N) esta conectado con el terminal positivo de la fuente.
En la polarización inversa del diodo:
Los huecos de la zona P se mueve hacia el polo negativo de la fuente sin atravesar la barrera de potencial.
Los electrones libres de la zona N hacia el polo positivo de la fuente sin atravesar la barrera de potencial.
La barrera de potencial se hace más grande.
Corriente inversa de saturación (IR): corriente muy pequeña debido a
los portadores minoritarios (huecos en la zona N y electrones libres en la zona P).
Si el diodo esta polarizado inversamente:
El diodo no conduce (resistencia infinita).
Actúa como un interruptor abierto.
Característica tensión-corriente del diodo 12
Característica tensión-
corriente del diodo: gráfica que
indica la relación entre la tensión y
la corriente en un diodo.
Valores característicos:
1. Tensión umbral (VF): tensión
necesaria para compensar la
barrera de potencial del diodo.
2. Tensión de ruptura o Zener
(VR): tensión máxima que
soporta el diodo cuando esta en
polarización inversa.
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Tipos de diodos especiales 13
Hay una gran variedad de diodos:
1. Diodo zener.
2. Diodo LED.
3. Diodo varicap.
4. Fotodiodo.
Diodo zener 14
La característica principal del diodo Zener es trabajar en polarización
inversa.
Al aumentar la tensión aplicada al diodo Zener, no aumenta la
tensión Zener que es constante, sino que aumenta la corriente para
mantener constante la tensión Zener.
En polarización directa se comporta como un diodo normal.
Entre las aplicaciones más destacadas del diodo zener es la de
estabilizador de tensión.
Mantiene la tensión constante en las fuentes de alimentación.
Símbolo de un diodo zener:
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Diodo zener 15
Principales parámetros de un diodo zener:
1. Tensión de polarización inversa o tensión zener (VZ): tensión que el zener va a mantener constante.
2. Corriente mínima de funcionamiento (IZmin): valor mínimo de corriente inversa para que el zener funcione en la zona de tensión constante.
3. Potencia máxima de disipación (PZ): máxima potencia de disipación del diodo Zener en polarización
inversa.
Debido a la tensión constante, indica el máximo valor de la corriente que puede soportar el zener.
Potencia del zener: PZ= VZ · IZ
Polarización de un diodo zener 16
Polarización del diodo zener: cálculo de la resistencia de polarización del zener para mantener la tensión de polarización y evitar su destrucción.
Condiciones para la correcta polarización del diodo zener:
1. Comprobación de que la tensión en los extremos del zener es mayor que la tensión zener (V> VZ).
2. Comprobación que la corriente del zener es menor que la corriente
máxima del zener (IZ < IZmáx), para evitar su destrucción.
3. Comprobación que la corriente del zener es mayor que la corriente mínima de funcionamiento del zener (IZ > IZmín), para estar en la zona de ruptura.
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Polarización de un diodo zener 17
Datos:
1. Tensión de la fuente (V).
2. Tensión del zener (VZ).
3. Corriente mínima de mantenimiento del zener (IZmín).
4. Potencia máxima del zener (PZ).
Polarización de un diodo zener 18
Proceso de cálculo
Calcular la corriente a través de la resistencia
de polarización aplicando la ley de Ohm:
Despejar la resistencia de polarización de la
ecuación:
Calcular la intensidad máxima que soporta el
zener:
Calcular el valor máximo de la resistencia de
polarización:
Calcular el valor mínimo de la resistencia de
polarización:
Escoger una resistencia de valor normalizado entre los valores máximo y
mínimo calculados.
Zmáx
Zmín
I
VVR
Zmín
Zmáx
I
VVR
Z
ZZmáxZmáxZZ
V
PIIVP ·
Z
Z
I
VVR
R
VV
R
VI ZR
Z
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Diodo LED 19
Diodo LED (Light-Emiting Diode): diodo que produce una
radiación luminosa (luz) cuando circula una corriente por él.
Comportamiento del diodo LED:
Polarización directa: emisión de radiación luminosa.
Polarización inversa: igual que un diodo normal.
Se fabrica en material encapsulado transparente y en diferentes colores
usando arseniuro de galio (GaAs) y fosforo (P).
La radiación luminosa del LED depende de:
El material semiconductor (color del LED).
La corriente directa (IF) (intensidad de la radiación).
Símbolo de un diodo LED Composición interna del LED
Diodo LED 20
El material semiconductor del LED determina el color y la tensión directa de polarización para que funcione.
Color del LED Tensión directa de polarización
Infrarrojo 1,3 V
Rojo 1,7 V
Naranja 2,0 V
Amarillo 2,5 V
Verde 2,5 V
Azul 4,0 V
Transparente 2,9 V
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Parámetros del diodo LED 21
1. Tensión directa (VD): tensión entre los extremos del
diodo cuando esta polarizado directamente.
Cuando circula la corriente directa está comprendida entre 1,3 y 4 V.
2. Corriente directa (IF): corriente de excitación directa necesaria para que el diodo LED se ilumine.
Suele tomar valores entre 10 y 15 mA.
3. Corriente inversa (IR): máxima corriente que puede circular por el LED cuando esta en polarización inversa.
4. Potencia disipada (PD): máxima potencia de disipación
permitida en el diodo LED.
Aplicaciones del diodo LED 22
Señalización luminoso.
Optoacopladores.
Detectores ópticos.
Visualizadores alfanuméricos.
1. Displays de 7 segmentos: conjunto de diodos LED, distribuidos según la figura.
La distribución de los segmentos (a, b, c, d, e, f y g) esta normalizada, pudiendo tener uno o dos puntos decimales (PD).
Cada segmento es un diodo LED, que polarizados convenientemente pueden representar los diez dígitos (0 al 9) y algunas letras.
Formas de conexionado de los displays:
Cátodo común: todos los cátodos están unidos.
Ánodo común: todos los ánodos están unidos.
2. Matrices de LED: conjuntos de diodos LED distribuidos en forma de matriz.
El número de LED puede variar entre 3x5, 4x6 ó 7x5.
Semejantes a los displays de siete segmentos.
Pueden representar caracteres alfabéticos, numéricos, de puntuación y especiales.
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Polarización de un diodo LED 23
Polarización del diodo LED: cálculo de la resistencia de
polarización del LED para mantener la tensión de polarización y evitar
su destrucción.
Condiciones para la correcta polarización del diodo LED:
1. Comprobar que la tensión de alimentación del LED es mayor que la
tensión directa (V > VD).
2. Comprobar que la corriente del LED es mayor la corriente mínima
de excitación del LED (ILED > IF), para que se ilumine.
3. Comprobar que la potencia disipada por el LED es menor que la
máxima potencia de disipación permitida (PLED < PD), para no
destruirse.
Polarización de un diodo LED 24
Proceso de cálculo
Calcular la corriente a través de la resistencia
de polarización aplicando la ley de Ohm:
Despejar la resistencia de polarización de la
ecuación:
Calcular la intensidad máxima que soporta el
diodo LED:
Calcular el valor máximo de la resistencia de
polarización:
Calcular el valor mínimo de la resistencia de
polarización:
Escoger una resistencia de valor normalizado (E24) entre los valores
máximo y mínimo calculados.
D
DFmáxFmáxDD
V
PIIVP ·
F
Dmáx
I
VVR
Fmáx
Dmín
I
VVR
R
VV
R
VI DR
LED
LED
D
I
VVR
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Diodo varicap 25
Diodo varicap: diodo que se comporta como un condensador.
Tiene la capacidad de variar su capacidad en función de la tensión
aplicada.
Se polarizan en inversa:
Al aumentar la tensión inversa, aumenta la barrera de potencial y
disminuye la capacidad de la unión PN.
Aplicaciones de los varicap:
1. Generadores de armónicos.
2. Filtros activos.
3. Circuitos resonantes para sintonizar señales:
Permiten seleccionar una señal de frecuencia específica.
Símbolo del diodo varicap:
Fotodiodo 26
Fotodiodo: diodo sensible a la incidencia de la luz.
Sensible a la luz visible e infrarroja.
Realiza la función inversa al diodo LED.
Se polariza inversamente.
La corriente circulará por el diodo cuando sea excitado por la luz.
Aplicaciones del fotodiodo:
1. Fotodetector: elemento capaz de transformar una magnitud luminosa en
eléctrica.
2. Sistemas de alarma (detectores de presencia, etc.).
3. Mandos a distancia por infrarrojos:
Receptor: fotodiodo sensible a la luz infrarroja.
Emisor: diodo LED que irradia luz infrarroja.
4. Fotodiodo infrarrojo: fotodiodo con un filtro para aceptar solo señales
luminosas infrarrojas.
Símbolo de fotodiodo:
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El transistor bipolar 27
Transistor bipolar: dispositivo de 3 terminales
construido mediante dos uniones PN.
Base de la fabricación de los circuitos integrados.
Aplicaciones de los transistores:
Amplificación (radio, televisión, instrumentación,
etc.).
Generación de señales (osciladores, generadores de
ondas, emisión de radiofrecuencia, etc.).
Osciladores de alta frecuencia para
telecomunicaciones.
Conmutación (control de relés, fuentes de
alimentación conmutadas, control de lámparas,
modulación por anchura de pulsos (PWM), etc.).
Detección de la radiación luminosa (fototransistores).
El transistor bipolar 28
Terminales de un transistor:
Emisor (E): terminal de un extremo que emite electrones.
Colector (C): terminal del otro extremo que recibe los electrones
emitidos por el emisor.
Base (B): terminal central que controla el paso de electrones.
Tipos de transistores
Transistor NPN Transistor PNP
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Tensiones e intensidades de un transistor 29
Corrientes de los transistores:
1. Corriente de base: IB
2. Corriente de emisor: IE
3. Corriente de colector: IC
Tensiones de los transistores:
1. Tensión base-colector: VBE
2. Tensión colector-emisor: VCE
3. Tensión colector-base: VCB
Relación entre las corrientes del transistor: IE = IB + IC
Relación entre las tensiones de transistor: VCE = VCB + VBE
Ganancia de corriente del transistor (β): relación entre las
corrientes de colector y base. β = IC/IB
Zonas de funcionamiento de un transistor 30
1. Zona activa (zona de amplificación):
Unión base-emisor polarizada en directa.
Unión base-colector polarizada en inversa.
La base controla el flujo de electrones libres entre emisor y
colector.
La polarización de la unión base-emisor controla la cantidad de
corriente que pasa por el colector.
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Zonas de funcionamiento de un transistor 31
2. Zona de saturación: el transistor se comporta como un interruptor
cerrado.
Uniones base-emisor y base-colector polarizadas directamente,
pero con la tensión base-emisor ligeramente mayor que la tensión
base-colector.
Tensión colector-emisor muy próxima a cero.
Valor máximo de la corriente de colector.
Zonas de funcionamiento de un transistor 32
3. Zona de corte: el transistor se comporta como un interruptor
abierto.
Uniones base-emisor y base-colector polarizadas inversamente.
Corrientes del transistor nulas.
Tensión colector-emisor máxima.
4. Zona de ruptura: el transistor se destruye.
El fabricante facilita los valores máximos que el transistor puede
soportar.
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Polarización de un transistor 33
Polarización de un transistor: aplicación de las tensiones adecuadas para que circulen las intensidades deseadas.
Polarización de un transistor: elección de la zona de trabajo del transistor.
Datos:
Fuente o fuentes de alimentación (VCC, VBB).
Resistencias del circuito (RB,RE,RC).
Parámetros del transistor (VBE, VCE(sat), PD).
Ecuaciones del circuito de polarización:
Ecuación de corrientes del transistor: IE = IB + IC
Ecuación de ganancia de corriente: β = IC/IB
Ecuación de potencia del transistor: PD = VCE · IC
Ecuación de la malla de entrada del circuito de polarización:
Depende del circuito.
Ecuación de la malla de salida del circuito de polarización:
Depende del circuito.
Polarización de un transistor 34
Proceso de polarización de un transistor:
Calcular la corriente de base, despejando la ecuación de entrada.
Calcular la corriente de colector con la ecuación de ganancia de corriente.
Calcular la corriente de emisor con la ecuación de corrientes del transistor.
Calcular la tensión colector-emisor despejando la ecuación de salida.
Calcular la potencia del transistor con la ecuación de
potencia.
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Polarización de un transistor 35
Determinar la zona de funcionamiento del transistor:
1. Zona de ruptura:
La potencia que consume el transistor es mayor que la indicada por el fabricante.
2. Zona de corte:
Las corrientes del transistor son cero.
La tensión colector-emisor es casi igual a la tensión de alimentación.
3. Zona de saturación:
La tensión colector-emisor es menor o igual que la tensión colector-emisor de saturación indicada por el fabricante.
4. Zona activa:
Las corrientes del transistor son distintas de cero.
La tensión colector-emisor es mayor que la tensión colector-emisor de saturación.
Transistor unipolar 36
Transistor unipolar: transistor que depende su funcionamiento de
un solo tipo de portadores.
Tipos de transistores unipolares:
FET de unión: canal N y canal P.
MOSFET de enriquecimiento: canal N y canal P.
MOSFET de empobrecimiento: canal N y canal P.
Terminales de un transistor unipolar:
Fuente o Surtidor (S): terminal por donde entran los portadores
provenientes de la fuente externa.
Puerta o Compuerta (G): terminal conectado a las zonas a ambos
lados del canal para controlar el paso de portadores.
Drenador o Sumidero (D): terminal por donde salen los
portadores, una vez atravesado el canal.
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Zonas de funcionamiento de un transistor unipolar
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1. Zona de ruptura: los valores de tensión o potencia
superan las máximos permitidos (destrucción del transistor unipolar).
2. Zona de corte: el transistor unipolar se comporta como un interruptor abierto y no circula corriente por el canal.
3. Zona óhmica: el transistor se comporta como una resistencia, donde la relación entre intensidad y la tensión
cumple la ley de OHM.
4. Zona de saturación: el transistor se comporta como un interruptor cerrado.
Es la zona de amplificación de los transistores unipolares.
El tiristor 38
Tiristor: dispositivo semiconductor formado por 3 uniones PN.
Funcionamiento:
Semejante a un conmutador ideal.
Los tiristores reales tienen ciertas características y limitaciones.
Tiene dos estados estables de funcionamiento:
Conducción.
No conducción.
Aplicaciones:
Circuitos electrónicos de potencia.
Terminales de un tiristor:
Ánodo (A).
Cátodo (K).
Puerta (G): controla el paso de la corriente entre ánodo y cátodo
Símbolo de un tiristor:
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Componentes comerciales. Encapsulados de diodos, transistores y tiristores
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En el mercado hay numerosos componentes
comerciales para diodos, transistores y tiristores.
Los fabricantes facilitan unas hojas con las
características de los componentes.
Diodos 40
El encapsulado determina ciertas características de los
dispositivos.
La potencia que pueden disipar.
Dispositivos con el mismo encapsulado disipan la misma potencia.
A partir de 1 W, los encapsulados son metálicos.
Para grandes potencias, tienen la posibilidad de acoplar sistema de refrigeración (disipadores o ventiladores).
Las hojas de características que facilita el fabricante indican los principales parámetros de dispositivos.
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Diodos 41
Tipos de encapsulado de los diodos
DO-5 DO-35 DO-41 TO-220AC
TO-3 PWRTAB PWRTABS SOT-223
SMA SMB SMC D618sl
D2pak Dpak TO-200AB TO-200AC
Comprobación del estado de un diodo mediante un polímetro
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Para comprobar el estado de un diodo se usa el polímetro en función de óhmetro (medida de resistencia eléctrica).
Diodo polarizado directamente:
Terminal positivo en el ánodo.
Terminal negativo en el cátodo.
Resistencia muy pequeña: diodo en perfectas condiciones.
Diodo polarizado inversamente:
Terminal positivo en el cátodo.
Terminal negativo en el ánodo.
Resistencia muy grande: diodo en perfectas condiciones.
Posibles funcionamientos erróneos:
Resistencia muy pequeña del diodo en directa e inversa: diodo en cortocircuito.
Resistencia muy grande del diodo en directa e inversa: diodo está abierto.
Resistencia baja del diodo en polarización inversa: diodo con fugas.
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Tipos de encapsulados de transistores 43 Tipos de encapsulado de los transistores
2N3055 (NPN) 2N5590 (NPN) PC100 (NPN) PC110 (NPN)
2N6099 BDX53 (NPN) BDX54 (NPN)
BD131 (NPN) BD132 (NPN) BD135 (NPN)
BD136 (PNP) BD137 (NPN)
BD138 (PNP) BD139 (NPN) BD140 (PNP)
SC157 (PNP) SC158 (PNP) SC159 (PNP)
SC147 (PNP) SC148 (PNP)
SC149 (PNP)
AC125 (PNP) AC126 (PNP) AC127 (NPN)
AC128 (PNP)
SC107 (NPN) SC108 (NPN) SC109 (NPN)
SC115 (NPN)
2N3866 (NPN) 2N3924 (NPN)
MC140 (NPN) MC150 (PNP)
BSX20 (NPN) BC547 (NPN) BC548 (NPN) BC549 (NPN)
Comprobación del estado de un transistor con un óhmetro
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La comprobación del estado del transistor se realiza
con el polímetro, como en los diodos.
Terminal + Terminal - Transistor PNP Transistor NPN
Colector Emisor Resistencia alta Resistencia alta
Emisor Colector Resistencia alta Resistencia alta
Emisor Base Resistencia baja Resistencia alta
Base Emisor Resistencia alta Resistencia baja
Base Colector Resistencia alta Resistencia baja
Colector Base Resistencia baja Resistencia alta
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Encapsulado de tiristores 45
Hay diferentes tipos de encapsulados de los
tiristores:
Los parámetros más importante de un tiristor son facilitados por el fabricante en la hojas de
características.