UNIDAD 1 ELECTRONICA ANALOGICA

PRINCIPIOS ELECTRONICOS Y APLICACIONES DIGITALES.

 la corriente directa, que implica un flujo de carga que fluye siempre en una sola dirección. Una batería produce corriente directa en un circuito porque sus bornes tienen siempre el mismo signo de carga. Los electrones se mueven siempre en el circuito en la misma dirección: del borne negativo que los repele al borne positivo que los atrae. Aún si la corriente se mueve en pulsaciones irregulares, en tanto lo haga en una sola dirección es cd.La corriente alterna (ca) se comporta como su nombre lo indica. Los electrones del circuito se desplazan primero en una dirección y luego en sentido opuesto, con un movimiento de vaivén en torno a posiciones relativamente fijas. Esto se consigue alternando la polaridad del voltaje del generador o de otra fuente.La popularidad de que goza la ca proviene del hecho de que la energía eléctrica en forma de ca se puede transmitir a grandes distancias por medio de fáciles elevaciones de voltaje que reducen las pérdidas de calor en los cables.La aplicación principal de la corriente eléctrica, ya sea cd o ca, es la transmisión de energía en forma silenciosa, flexible y conveniente de un lugar a otro.

Componente Función más común

CondensadorAlmacenamiento de energía, filtrado, adaptación impedancia.

Inductor o BobinaAlmacenar o atenuar el cambio de energía debido a su poder de autoinducción.

Resistor o ResistenciaDivisión de intensidad o tensión, limitación de intensidad.

Componentes pasivosSon aquellos que no necesitan una fuente de energía para su correcto funcionamiento. No tienen la capacidad de controlar la corriente en un circuito. Los componentes pasivos se dividen en:Componentes pasivos lineales:

Componentes electromecánicos:A este grupo pertenecen los interruptores, fusibles y conectores.

Dispositivo activo: aquel que necesita una fuente de energía externa a la señal para funcionar. ejemplo, los transistores.

CARACTERÍSTICAS DE LOS SEMICONDUCTORES:Un semiconductor es un elemento con propiedades eléctricas entre las de un conductor y un aislante. Son materiales que ocupan una oposición intermedia entre los aislantes y los conductores. Los primeros poseen muy pocas cargas móviles y, en consecuencia, presentan una resistencia muy alta al paso de la corriente(idealmente una resistencia infinita).

SilicioEl átomo de silicio posee catorce electrones. De éstos, los cuatro más alejados del núcleo son los electrones de valencia que participan en los enlaces con otros átomos. El silicio es, por tanto, un átomo tetravalente.El silicio que se utiliza para fabricar dispositivos electrónicos es un mono cristal cuya estructura cristalina se denomina de diamante. Se utiliza en aleaciones, en la preparación de las siliconas, en la industria de la cerámica técnica y, debido a que es un material semiconductor muy abundante, tiene un interés especial en la industria electrónica y microelectrónica como material básico para la creación de obleas o chips que se pueden implantar en transistores, pilas solares y una gran variedad de circuitos electrónicos. Cada átomo de silicio está unido a otros cuatro mediante enlaces covalentes. Un enlace covalente se forma entre dos átomos que comparten dos electrones. Cada uno de los electrones del enlace es aportado por un átomo diferente. Resulta muy engorroso trabajar con la representación cristalina tridimensional. Por ello suele recurrirse a un esquema bidimensional, denominadomodelo de enlaces,en el que se representa la característica esencial dela estructura cristalina: cada átomo está unido a cuatro átomos vecinos mediante enlaces covalentes. En este modelo cada átomo dedica sus cuatro electrones de valencia a constituir cuatro enlaces covalentes.

EL GERMANIOEl germanio pertenece a la misma familia química que el carbono, el silicio y el plomo; se parece a estos elementos en que todos ellos forman derivados orgánicos como el tetra etilo de germanio y el tetrafenilo de germanio. Se encuentra en pequeñas cantidades en yacimientos de plata, cobre y cinc, así como en el mineral germanita, que contiene un 8% de germanio. El elemento y sus compuestos tienen numerosas aplicaciones. Los cristales de germanio convenientemente tratados tienen la propiedad de rectificar o permitir el paso de la corriente eléctrica en un solo sentido. Su uso es en semiconductores y transistores. En forma de mono cristales para la fabricación de elementos ópticos (lentes, prismas y ventanas) para espectroscopia infrarroja: Espectroscopios, detectores de infrarrojos. El alto índice de refracción del óxido de germanio lo hace útil para la fabricación de lentes gran angular de cámaras fotográficas y objetivos de microscopio.

MATERIAL TIPO PAñadiendo al silicio puro una impureza trivalente, como el boro, se produce un material de tipo p. Cada átomo de impureza ocupa una posición en la retícula cristalina y forma enlaces covalentes con tres de sus vecinos más próximos. El átomo de impureza no tiene el cuarto electrón que se necesita para completar el enlace con su cuarto vecino. A temperaturas de trabajo normales, un electrón de un átomo de silicio cercano se puede desplazar para llenar el cuarto enlace de cada átomo de impureza. Esto crea un hueco que se mueve libremente por el cristal. Sin embargo, el electrón se enlaza con el átomo de impureza ionizado. Así, la conducción en el material de tipo pse debe mayoritariamente a los huecos.En un material de tipo  p, los huecos se llaman portadores mayoritarios y, los electrones portadores, minoritarios. Desde luego, esta terminología es la inversa a la de los materiales de tipo n.Las impurezas de valencia tres se denominan aceptadores, porque aceptan un electrón extra. Con cada átomoaceptador ionizado, se asocia una carga negativa: hay presentes cuatro electrones enlazados, pero sólo hay lasuficiente carga positiva en el núcleo iónico como para equilibrar la carga de tres electrones

MATERIAL TIPO NAñadir al cristal pequeñas cantidades de las impurezas apropiadas, afecta de manera espectacular a la concentración relativa de huecos y electrones. Se tiene así un semiconductor extrínseco. Por ejemplo, si se añade fósforo, que tiene cinco electrones de valencia, los átomos de fósforo se posicionan en la estructura cristalina y forman enlaces covalentes con sus cuatro vecinos. El quinto electrón de valencia sólo está débilmente unido al átomo de fósforo. A temperaturas de trabajo normales, este electrón extra rompe su enlace con el átomo de impureza, y se convierte en un electrón libre. Sin embargo, el átomo de impurezas no crea un hueco; la carga positiva que equilibra al electrón libre está bloqueada en el núcleo iónico del átomo de impureza. Así, podemos crear electrones libres añadiendo al silicio impurezas pentavalentes, llamadas donantes. Al material resultante, se le conoce como material de tipo n. En un material de tipo n , la conducción se debe principalmente a los numerosos electrones libres. Así, a los electrones libres se les llama portadores mayoritarios, mientras que a los huecos se les llama portadores minoritarios. A temperaturas de trabajo normales, casi todos los átomos donantes aportan su quinto electrón. Decimos entonces que los donantes se han ionizado. Cada átomo donante ionizado tiene asociada una carga positiva. Desde luego, la concentración de carga neta en el material es cero. La carga positiva de los donantes ionizados (y huecos) se equilibra con la carga negativa de los electrones libres. Así, podemos igualar la concentración de electrones libres a la suma de las concentraciones de huecos y donantes; es decir,

Donde N D representa la concentración de átomos donantes.

DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES:Son dispositivos fabricados a partir de los materiales descritos en la sección anterior, existe una gran variedad de ellos, a continuación veremos los más significativos en la electrónica analógica. DIODOS, TRANSISTORES y TIRISTORESEl diodo es un dispositivo de dos terminales cuyo comportamiento no es lineal: deja pasar corriente en un sentido y la bloquea en sentido contrario. Este carácter no lineal hace que los circuitos que contienen diodosno sean lineales, por lo que no pueden ser analizados aplicando el método de superposición, ni reducirse aequivalentes de Thévenin ni de Norton.El comportamiento del diodo puede ser aproximado por un elemento de circuito denominado diodo ideal, si bien algunas aplicaciones requieren el uso de modelos más complejos.El diodo ideal es un elemento de circuito de dos terminales. Uno de los terminales se denomina ánodo y el otro cátodo. Cuando el diodo conduce, la corriente circula en el sentido de ánodo a cátodo, sin caída de tensión entre ambos terminales. Se dice que está polarizado en directa y equivale a un cortocircuito. Cuando el ánodo es negativo respecto al cátodo el diodo bloquea la corriente y equivale a un circuito abierto. Se dice, en este caso, que el diodo está polarizado en inversa.

Diodo Real:Prácticamente todos los diodos que se usan actualmente en circuitos electrónicos están fabricados con semiconductores. Consisten en la "unión" de un semiconductor P y un semiconductor N (diodo de unión PN ). Los semiconductores contienen cargas móviles positivas y negativas. Un semiconductor P es un semiconductor que tiene más cargas móviles positivas que negativas, mientras que el N tiene más cargas negativas que positivas. Cuando se aplica una tensión positiva al P respecto al N circula una corriente de valor elevado en el sentido de P a N, mientras que cuando la polaridad de la tensión se invierte, la corriente cambia de sentido yes casi nula. El semiconductor P constituye el ánodo del diodo y el N el cátodo.

 Diodo Zener: Los diodos que trabajan en la zona de ruptura se denominan diodos zéner o diodos de avalancha. Los diodos zéner se usan en aplicaciones para las que se necesita una tensión constante en la región de ruptura. Por tanto, los fabricantes intentan optimizar los diodos zéner para obtener una curva característica prácticamente vertical en la región de ruptura. El símbolo modificado del diodo que se muestra en la figura, es el que se usa para los diodos zéner. Hay disponibles diodos zéner discretos con tensiones de ruptura especificadas con una tolerancia de un 5%. En la práctica, existen dos mecanismos que pueden causar la ruptura inversa. Para diodos con una tensión de ruptura superior a 6 V, el responsable es un efecto conocido como avalancha. Por ello, los diodos con tensiones de disrupción más elevadas se llaman, consecuentemente, diodos de avalancha. Por debajo de los 6V, un fenómeno de la mecánica cuántica, conocido como efecto túnel, es el responsable de la ruptura. Hablando estrictamente, los diodos zéner son aquéllos que se encuentran en el margen inferior de valores de ruptura. Sin embargo, en la práctica, ambos términos se utilizan de manera indistinta para todos los diodos de ruptura.

Transistores:Los diversos tipos de transistores son los elementos clave de los sistemas electrónicos modernos. Se construyen mediante el dopado de un semiconductor, como por ejemplo un cristal de silicio, introduciendo impurezas cuidadosamente seleccionadas y controladas. Determinadas impurezas producen materiales de tipo n, en los que la conducción se debe principalmente a los electrones libres. Otros tipos de impurezas producen materiales de tipo p , en los que la conducción se debe, en realidad, a partículas positivas llamadas huecos. Un dispositivo electrónico de gran importancia es el transistor bipolar o BJT (bipolar junction transistor), que está compuesto por una serie de capas de semiconductor dopado. La figura muestra un transistor npn que tiene una capa de material de tipo  p entre dos capas de tipo n, aunque también es posible construir un transistor bipolar  pnp.

Otro dispositivo importante es el MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effecttransistor: transistor de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor), Este dispositivo contiene una puerta metálica (G) aislada de un canal de semiconductor de tipo n mediante una capa de dióxido de silicio (se pueden construir dispositivos de similar utilidad empleando un canal de material de tipo  p). Los terminales llamados drenador (D) y fuente(S) están conectados a los extremos opuestos del canal. Un MOSFET puede funcionar como un interruptor que conecta y desconecta los terminales del drenador y la fuente según la tensión aplicada a la puerta. Para determinados márgenes de la tensión aplicada, el interruptor estará abierto, y no pasará corriente entre el drenador y la fuente.

Tiristores:Tiristor viene del griego y significa “puerta”, puesto que se comporta como una puerta que se abre y permite el paso de corriente a través de ella. Un tiristor es un dispositivo semiconductor que utiliza realimentación interna para producir un nuevo tipo de conmutación. Los tiristores más importantes son los rectificadores controlados de silicio (SCR: Silicon Controlled Rectifier) y el triac. Al igual que los FET de potencia, el SCR y el triac pueden conmutar grandes corrientes. Por ello, la principal aplicación de estos dispositivos es el control de grandes corrientes de carga para motores, calentadores, sistemas de iluminaci6n y otras cargas semejantes. Rectificador Controlado de Silicio (SCR)El SCR es el miembro más conocido de la familia de los tiristores, y a veces se le llama tiristor. Puede conmutar corrientes muy elevadas y, por ello, se emplea en control de motores, como, sistemas de aire acondicionado y calentadores de inducción. Su símbolo, estructura física simplificada y curvas características se representan en la siguiente figura:

Tiristores:Tiristor viene del griego y significa “puerta”, puesto que se comporta como una puerta que se abre y permite el paso de corriente a través de ella. Un tiristor es un dispositivo semiconductor que utiliza realimentación interna para producir un nuevo tipo de conmutación. Los tiristores más importantes son los rectificadores controlados de silicio (SCR: Silicon Controlled Rectifier) y el triac. Al igual que los FET de potencia, el SCR y el triac pueden conmutar grandes corrientes. Por ello, la principal aplicación de estos dispositivos es el control de grandes corrientes de carga para motores, calentadores, sistemas de iluminaci6n y otras cargas semejantes. Rectificador Controlado de Silicio (SCR)El SCR es el miembro más conocido de la familia de los tiristores, y a veces se le llama tiristor. Puede conmutar corrientes muy elevadas y, por ello, se emplea en control de motores, como, sistemas de aire acondicionado y calentadores de inducción. Su símbolo, estructura física simplificada y curvas características se representan en la siguiente figura:

Como puede observarse en las curvas características, el SCR impide el paso de corriente cuando VAK es negativa, a no ser que ésta supere la tensión de ruptura inversa VRM. Cuando se aplica una tensión VAK positiva y la corriente de puerta IG es nula, el SCR también impide el paso de corriente hasta que VAK alcanza la tensión de ruptura directa VDM. Cuando se llega a esta tensión el SCR hace una transición al estado de conducción en el que permite el paso de una corriente elevada en el sentido de ánodo a cátodo, manteniendo entre sus terminales una caída de tensión pequeña, del orden de 1V.

Tiristores BidireccionalesEl diodo de cuatro capas y el SCR, son unidireccionales porque la corriente se puede circular en un sentido. El diac y el triac son tiristores bidireccionales.Estos dispositivos pueden conducir en cualquier dirección. Diac El diac puede tener corriente en cualquier dirección. Consiste en una estructura de tres capas, similar a la del transistor bipolar aunque sin terminal de base. La tensión a la que se produce la transición al estado de conducción suele ser de unos 25 a 40 V, siendo la disminución de la tensión entre sus terminales, al pasar al estado de conducción, de unos 10 V. El diac no conduce hasta que la tensión en sus extremos intenta excederla tensión de cebado en cualquier dirección. Suele utilizarse fundamentalmente en los circuitos de disparo delos triacs.

Triac:El triac es un tiristor bidireccional de tres terminales. Permite el paso de corriente del terminal A1 al A2 y al revés, y puede ser disparado con tensiones de puerta de ambos signos. Básicamente equivale a dos SCR opuestos y acoplados lateralmente, con una región de puerta próxima a uno de los dos terminales. Su estructura esquemática se representa en la siguiente figura:

APLICACIONES CON SEMICONDUCTORESEs basta la cantidad de aplicaciones en las que los dispositivos antes descritos se incluyen o en su defecto son la base para dicha aplicación. A continuación veremos las que más usuales y básicas en el diseño elaboran.

RectificadoresUn rectificador es un circuito que convierte una señal de corriente alterna en una señal unidireccional. Los diodos se utilizan extensamente en los rectificadores.

Rectificador de Media Onda La fuente de corriente alterna produce una tensión sinusoidal. Suponiendo un diodo ideal, la mitad positiva del ciclo de la tensión de fuente polarizará el diodo en directa. Como el interruptor está cerrado, la mitad positiva del ciclo de la tensión de fuente aparecerá a través de la resistencia de carga. En la mitad negativa del ciclo, el diodo está polarizado en inversa. En este caso el diodo ideal aparecerá como un interruptor abierto y no hay tensión a través de la resistencia de carga.

En el rectificador de media onda, el diodo esta conduciendo durante las mitades positivas de los ciclos pero no esta conduciendo durante las mitades negativas. A causa de esto, el circuito recorta las mitades negativas de los ciclos. Denominamos a una forma de onda como ésta una señal de media onda . Esta tensión de media onda produce una corriente por la carga unidireccional. Esto significa que circula en una dirección.

Rectificador de Onda CompletaEl rectificador de onda completa actúa como dos rectificadores de media onda superpuestos.El circuito se denomina un rectificador de onda completa porque ha cambiado la tensión alterna de entrada a una tensión de salida pulsante continua. En la siguiente figura se aprecia la conexión intermedia llevada amasa en el arrollamiento secundario. Debido a esta conexión central el circuito es equivalente a dos rectificadores de media onda. Cada uno de estos rectificadores tiene una tensión de entrada igual a la mitad de la tensión del secundario.

Amplificadores Uno de los bloques funcionales más importantes de los sistemas electrónicos es el amplificador. Idealmente, un amplificador de tensión produce una señal de salida con la misma forma de onda que la señal de entrada, pero con mayor amplitud. La fuente de señal produce una señal vi(t), que se aplica a los terminales de entrada del amplificador, el cual genera una señal de salida

A través de una resistencia de carga RL conectada a los terminales de salida. La constanteA v es la ganancia de tensión del amplificador. La magnitud de la ganancia de tensión suele ser mucho mayor que su unidad.

Conmutadores Un conmutador es un dispositivo eléctrico o electrónico que permite modificar el camino que deben seguir los electrones. Son típicos los manuales, como los utilizados en las viviendas y en dispositivos eléctricos, y los que poseen algunos componentes eléctricos o electrónicos como el relé. Se asemejan a los interruptores en su forma exterior, pero los conmutadores a la vez que desconectan un circuito, conectan otro.

Se utilizan siempre que haya que activar o desactivar un dispositivo desde dos lugares diferentes, como por ejemplo una lámpara. En las viviendas es típico encontrarlos en los salones o pasillos.

Fuentes de Voltaje La fuente de voltaje es una fuente eléctrica, un artefacto activo que puede proporcionar corriente eléctrica gracias a la generación de una diferencia de potencial entre sus bornes. Se diseña a partir de una fuente ideal, que es un concepto utilizado en la teoría de circuitos para analizar el comportamiento de los componentes electrónicos y los circuitos reales. La fuente de alimentación se encarga de convertir la tensión alterna de la red industrial en una tensión casi continua. Para esto consta de un rectificador, fusibles y otros componentes que le permiten recibir la electricidad, regularla, filtrarla y adaptarla a las necesidades de la computadora.

AMPLIFICADORES OPERACIONALESEl amplificador operacional es una unidad electrónica que se comporta como una fuente de tensión controlada por tensión. Un amplificador operacional puede sumar señales, amplificar una señal, integrarla o diferenciarla. Su capacidad para ejecutar esas operaciones matemáticas es la razón de que se llame amplificador operacional.

CaracterísticasEl amplificador operacional es un circuito complejo formado por docenas de transistores, resistencias y condensadores, todos ellos fabricados e interconectados sobre un pequeño cristal de silicio. Debido a esta "integración" de diversos dispositivos y a su interconexión sobre silicio, se dice que es un circuito integrado. Pese a su complejidad interna, el amplificador operacional se puede modelar de forma muy simple a través de su modelo ideal, que aproxima razonablemente bien, en un amplio margen de operación, el comportamiento del dispositivo real.

El símbolo circuital y los terminales del amplificador operacional básico son los indicados en la figura. Tal como se ilustra en dicha figura, el dispositivo consta de cinco terminales: dos entradas, denominadas inversora y no inversora , una salida, y dos terminales de alimentación a los que se suele aplicar una tensión positiva, Vcc+, y negativa, Vcc-, respectivamente. Los valores típicos para Vcc+ y Vcc- son 15 V y -15 V, aun que otros valores como 8 y -8 o incluso otros no simétricos como 0 y 5 son posibles.

Conceptos básicos .libro de apoyo en telesecundaria.Imágenes, google imágenes.com.mx

REFERENCIAS

Materia:Principios electrónicos y aplicaciones digitales.

Alumno:Marco antonio doñez rubio

Presentado a:Ing. Federico Báez ramos.

Ing.sistemas computacionales

A 07/04/13