El átomo

Compuesto de electrones, que giran en la corteza atómica, con carga eléctrica negativa, y protones, en el núcleo, con carga positiva. El átomo es eléctricamente neutro, pues tiene igual número de electrones que de protones. En la figura vemos un átomo de Silicio. La órbita exterior tiene 4 electrones, con los que el átomo forma 4 enlaces covalentes con otros cuatro átomos, formando una estructura cristalina estable.
Aplicando energía, podemos liberar electrones de esa órbita exterior à potencial de ionización.
Ión negativo à átomo al que añadimos uno o más electrones. Su carga total será negativa.
Ión positivo à átomo al que quitamos uno o más electrones. Su carga total sera positiva.
Electrones libres, huecos libres, pares electrón-hueco:
Un electrón que abandona la órbita de un átomo deja un lugar libre o “hueco” que puede ser ocupado por otro electrón.

Formas de extraer electrones de un átomo:

• Emisión termoiónica: mediante el calor aplicado, introducimos energía que aumenta la energía cinética de los electrones, separándose estos del material y formando una nube electrónica alrededor à válvulas de vacío, tubos de rayos catódicos.
• Emisión fotoeléctrica: Al aplicar luz a un material, aplicamos energía a los electrones, que se emplea en extraerlos de sus órbitas à resistencias LDR.
• Emisión secundaria: Bombardeando con electrones una placa metálica arrancamos de la misma electrones.
• Emisión por campo intenso: Aplicamos un campo eléctrico intenso que arranca los electrones de los átomos, produciéndose una avalancha à efecto Zener.

Conductividad eléctrica.
En función de su capacidad para conducir la corriente eléctrica, los materiales se clasifican en:

• Conductores: normalmente son metales, tienen electrones fácilmente extraíbles de sus órbitas externas con muy poca energía.
• Aislantes: Necesitan gran energía de ionización, o energía necesaria para extraer a un electrón de su órbita.
• Semiconductores, en los que la energía de ionización es pequeña, por lo que aplicando una tensión eléctrica  pueden conducir la electricidad; pero además, su conductividad puede regularse, puesto que bastará disminuir la energía aportada para que sea menor el número de electrones que salte a la “banda de conducción”. Esto último no puede hacerse con los metales, cuya conductividad es constante.

Corriente contínua. Corriente alterna.
La corriente continua (CC o DC) se genera a partir de un flujo continuo de electrones (cargas negativas) siempre en el mismo sentido.
Por convenio, se toma como corriente eléctrica al flujo de cargas positivas, aunque éste es a consecuencia del flujo de electrones, por tanto el sentido de la corriente eléctrica es del polo positivo de la fuente al polo negativo y contrario al flujo de electrones y siempre tiene el mismo signo.
La corriente continua se caracteriza por su tensión, porque, al tener un flujo de electrones prefijado pero continuo en el tiempo, proporciona un valor fijo de ésta (de signo continuo), y en la gráfica V-t (tensión tiempo) se representa como una línea recta de valor V.

 

 En la corriente alterna (CA o AC), el sentido de la corriente no es constante, sino oscilante a una frecuencia determinada (número de oscilaciones por segundo). Va cambiando de sentido y por tanto de signo continuamente, con tanta rapidez como la frecuencia de oscilación de los electrones.
En la gráfica V-t, la corriente alterna se representa como una curva u onda, que puede ser de diferentes formas (cuadrada, sinusoidal, triangular..) pero siempre caracterizada por su amplitud (tensión de cresta positiva a cresta negativa de onda), frecuencia (número de oscilaciones de la onda en un segundo) y período (tiempo que tarda en dar una oscilación).
 También se pueden emplear corrientes combinación de ambas superpuestas (sumadas), donde la componente continua eleva o desciende la señal alterna de nivel. Ej: Aplicando las dos señales anteriores, tenemos la siguiente forma de onda:

La producción y transporte de energía eléctrica a gran escala se realiza en corriente alterna, por su facilidad de transformación y transporte. Sin embargo, casi todos los aparatos electrónicos funcionan con corriente contínua, por lo que necesitamos fuentes de alimentación que transformen la CA en CC.
Resistencias.
La resistencia es uno de los componentes imprescindibles en la construcción de cualquier equipo electrónico, ya que permite distribuir adecuadamente la tensión y corriente eléctrica a todos los puntos necesarios. El valor de la resistencia se utiliza como unidad de medida el ohm, al cual representamos con el símbolo .W
Las resistencias tienen un código de colores que indica su valor. Este código está compuesto por bandas de colores divididas en dos grupos; el primero consiste de tres o cuatro de estas bandas, de las cuales las primeras dos o tres indican el valor nominal de la resistencia y la última es un multiplicador para obtener la escala. El segundo grupo está compuesto por una sola banda y es la tolerancia expresada como un porcentaje, dicha tolerancia nos da el campo de valores dentro del cual se encuentra el valor correcto de la resistencia, o sea, el rango o margen de error dentro del cual se encuentra el valor real de nuestro resistor.

De esta forma si tenemos una resistencia cuyo código de colores sea verde, negro, naranja, dorado tendremos una resistencia de 50.000 W y su tolerancia es del ± 5 %.
En el mercado no es posible encontrar todos los valores de resistencia, sino solamente los estandarizados, los cuales son:

1     1, 2   1,5  1,8    2,2  2,7   3,3  3,9    4,7   5,6      6,8   8,2  (cada uno de ellos multiplicados por el multiplicador correspondiente).
Además de estar las resistencias caracterizadas por su valor y tolerancia, éstas están definidas por su poder de disipación de potencia, los valores más típicos son: 1/8, 1/4, 1/3, 1/2, 1 y 2 W.
También existen resistencias de valor variable llamadas resistencias variables o potenciómetros, los cuales son muy utilizados cuando es necesario realizar sobre un circuito algún tipo de ajuste interno. También se usan para hacer correcciones externas, tales como el caso de control de volumen, tono, luminosidad, etc.

Cuando no vemos con claridad los colores, para medir el valor de una resistencia con el téster, hay que sacarla del circuito donde está insertada.

Resistencias no lineales

 

Resistencia LDR

La resistencia de este tipos de componentes varia en función de la luz que recibe en su superficie. Así, cuando están en oscuridad su resistencia es alta y cuando reciben luz su resistencia disminuye considerablemente.
Los materiales que intervienen en su construcción son Sulfuro de Cadmio, utilizado como elemento sensible a las radiaciones visibles y sulfuro de plomo se emplean en las LDR que trabajan en el margen de las radiaciones infrarrojas. Estos materiales se colocan en encapsulados de vidrio o resina.
Su uso más común se encuentra en apertura y cierre de puertas, movimiento y paro de cintas trasportadoras, ascensores, contadores, alarmas, control de iluminación...

En la curva característica se aprecia como la resistencia óhmica de la LDR disminuye exponencialmente con el incremento de luminosidad

 

 

Resistencia NTC

Es un componente, al igual que la PTC, que varia su resistencia en función de la temperatura. Así, cuando reciben una temperatura mayor que la de ambiente disminuye su valor óhmico y cuando es baja o de ambiente aumenta. Suelen construirse con óxido de hierro, de cromo, de manganeso, de cobalto o de níquel.
El encapsulado de este tipo de resistencia dependerá de la aplicación que se le vaya a dar. Por ello nos encontramos NTC  de disco, de varilla, moldeado, lenteja, con rosca para chasis...
Los fabricantes identifican los valores de las NTC mediante dos procedimientos: serigrafiado directo en el cuerpo de la resistencia, y mediante bandas de colores, semejante a las resistencias y siguiendo su mismo código, teniendo en cuenta que el primer color es el que está más cercano a las patillas del componente según se observa en la figura. Su curva característica se realiza entre dos parámetros, la resistencia y la temperatura.
Sus aplicaciones más importantes están: medidas, regulación y alarmas de temperatura, regulación de la temperatura en procesos de elaboración, termostatos, compensación de parámetros de funcionamiento en aparatos electrónicos (radio, TV...). 
Curva característica de la NTC.
Resistencias PTC
En este componente un aumento de temperatura se corresponde con un aumento de resistencia. Se fabrican con titanato de bario. Sus aplicaciones más importantes son: en motores para evitar que se quemen sus bobinas, en alarmas, en TV y en automóviles (temperatura del agua).
El concepto de los encapsulados de las PTC se rige por los mismos criterios que una NTC, siendo sus aspectos muy parecidos a los mismos.
Su curva característica se realiza entre dos parámetros, la resistencia y la temperatura.
La identificación de los valores de estos dispositivos se realiza mediante franjas de colores en el cuerpo de los mismos que hacen referencia a un determinado tipo. Para deducir sus características se recurre a los catálogos de los fabricantes.
Los márgenes de utilización de las NTC y PTC están limitados a valores de temperatura que no sobrepasan los 400ºC.

Resistencias VDR

La propiedad que caracteriza esta resistencia consiste en que disminuye su valor óhmico cuando aumenta bruscamente la tensión. De esta forma bajo impulsos de tensión se comporta casi como un cortocircuito y cuando cesa el impulso posee una alta resistividad.
Sus aplicaciones aprovechan esta propiedad y se usan básicamente para proteger contactos móviles de contactores, reles, interruptores.., ya que la sobre intensidad que se produce en los accionamientos disipa su energía en el varistor que se encuentra en paralelo con ellos,  evitando así el deterioro de los mismos, además, como protección contra sobre tensiones y estabilización de tensiones, adaptación a aparatos de medida...

Condensadores
Formados por dos placas metálicas paralelas y separadas por un material aislante denominado dieléctrico. Un condensador en corriente contínua se puede utilizar para almacenar y descargar carga eléctrica.
Los principales materiales dieléctricos utilizados, en la fabricación de capacitores son el aire, el tantalio, el aluminio, el papel, la mica, algunos típos de cerámica, algunos plásticos, etc, y dan nombre al tipo de condensador que utilizamos.
Hay condensadores polarizados y no polarizados. Los primeros hay que   conectarlos adecuadamente porque si no pueden explotar.
    
Faradio (F) es la unidad de capacidad eléctrica en el Sistema Internacional de Unidades, nombrada así en homenaje al distinguido científico inglés Michael Faraday. Puede definirse como la capacidad de un condensador en el que aplicando una tensión de 1 voltio se almacena una carga de 1 culombio. (Unidad de carga eléctrica en el sistema basado en el metro, el kilogramo, el segundo y el amperio (sistema MSKA o internacional). Es la carga que un amperio transporta cada segundo. Nombrado así en honor a Charles Coulomb).
En los inicios no se construían capacitores de 1 faradio porque eran muy grandes, hoy día ya se construyen y pueden ser de unos 12 cm. de alto por 8 de cms. de diámetro aproximadamente.
Los capacitores, en su mayoría se miden en millonésimas partes de un faradio (0.000001 = 1µF)
Funcionamiento de los condensadores
Los condensadores no conducen la corriente contínua, pero sí conducen la corriente alterna. Su resistencia al paso de la corriente alterna depende de la frecuencia de la misma, y de la capacidad del condensador.
Carga y descarga de un condensador
Si aplicamos una fuente de tensión a través de una resistencia, se producirá una intensidad a través de la resistencia que cargará el condensador a la tensión de la fuente, en un tiempo que dependerá del valor de la resistencia y del valor del propio condensador.
En la gráfica vemos que la intensidad es grande al principio y va disminuyendo conforme aumenta la tensión de carga del condensador.
Una vez cargado, el condensador permanecerá con esa carga de forma indefinida hasta que le ofrezcamos un circuito de descarga. En la figura, podemos ver como al conectar el condensador a una resistencia, la tensión del condensador va disminuyendo al perder la carga

 

 

Condensador en corriente alterna
Al ser la corriente alterna una corriente oscilante, las variaciones de tensión se transmiten de un lado al otro del condensador, y por tanto, aunque un condensador tiene un aislante entre placas, permite pasar esas oscilaciones o diferencias de tensión. No obstante, opone una resistencia a ese paso, que depende de la frecuencia de de la tensión alterna y de la capacidad del condensador.
Por ello, como veremos más adelante, se utilizan como filtraje de señales amplificadas (para separar la señal amplificada de la componente contínua que la acompaña).
Comprobación de condensadores
Los condensadores pequeños se pueden comprobar con el tester, en la posición de óhmetro, donde tienen que dar resistencia infinita. Si no lo hacen es que tienen fugas y por lo tanto están perforados e inservibles. Algunos Téster incorporan capacímetro.
Precauciones
Todos los condensadores tienen una tensión máxima admisible que hay que respetar. Al comprar un condensador, hay que tener en cuenta qué tensión va a tener que soportar. Si se supera, saltaría un arco en el dieléctrico, perforándose el condensador y quedando inútil. Asimismo, recordar que los condensadores electrolíticos y algunos otros, son polarizados, es decir, solo se pueden conectar en una posición.

Bobinas o inductancias.

Una bobina es un  hilo de cobre arrollado a un material magnético, de forma que se produce una interacción entre magnetismo y corriente eléctrica. En electrónica de baja potencia, las bobinas se usan para circuitos osciladores y en los relés y transformadores, además de otras aplicaciones. Un relé es un aparato utilizado para gobernar circuitos de potencia mediante un circuito de control, aislándolos eléctricamente el uno del otro.
en la figura vemos la bobina del relé, sobre la que hay una placa metálica. Cuando circula corriente por la bobina, se genera un campo magnético que atrae hacia abajo la placa metálica, la cual a su vez desplaza el contacto central, conmutando entre los contactos laterales.

Transformadores: Son 2 o más bobinas separadas eléctricamente, pero que están expuestas a un mismo campo magnético. Un transformador se constituye por un núcleo de hierro dulce laminado, una bobina primaria y una o  más bobinas secundarisos. Aplicando una tensión variable o alterna en el primario, se produce una corriente magnética en el núcleo, que induce una tensión en el secundario à fenómeno de inducción mutua..
La función del transformador es adaptar tensiones aumentando o reduciéndolas mediante la relación de espiras de las bobinas primaria y secundaria. Por ejemplo, si el primario tiene 1000 vueltas y el secundario 10,000, esto es una relación 1:10, el voltaje que se inducirá en el secundario será 10 veces mayor que el aplicado al primario.
Las bobinas son hilos de cobre, por lo que su comprobación se realiza con el óhmetro, donde tienen que dar continuidad y baja resistencia. De no ser así las bobinas estarían cortadas y por lo tanto inservibles.

Teoría de la semiconducción

Materiales semiconductores

Un semiconductor es un elemento material cuya conductividad eléctrica puede considerarse situada entre las de un aislante y la de un conductor.
Los semiconductores más conocidos son el silicio (Si) y el germanio (Ge), siendo el silicio mucho más utilizado por ser más estable frente a ruidos y variaciones de temperatura.
Como todos los demás, el átomo de silicio tiene tantas cargas positivas en el núcleo, como electrones en las órbitas que le rodean. (En el caso del silicio este número es de 14). El interés del semiconductor se centra en su capacidad de dar lugar a la aparición de una corriente, es decir, que haya un movimiento de electrones. Como es de todos conocido, un electrón se siente más ligado al núcleo cuanto mayor sea su cercanía entre ambos. Por tanto los electrones que tienen menor fuerza de atracción por parte del núcleo y pueden ser liberados de la misma, son los electrones que se encuentran en las órbitas exteriores. Estos electrones pueden, según lo dicho anteriormente, quedar libres al inyectarles una pequeña energía. En lugar de utilizar el modelo completo del átomo de silicio (figura 1), utilizaremos la representación simplificada (figura 2) donde se resalta la zona de nuestro interés.
Como se puede apreciar en la figura, los electrones factibles de ser liberados de la fuerza de atracción del núcleo son cuatro

Semiconductor intrínseco

Cuando el silicio se encuentra formado por átomos del tipo explicado en el apartado anterior, se dice que se encuentra en estado puro o más usualmente que es un semiconductor intrínseco.Una barra de silicio puro está formada por un conjunto de átomos en lazados unos con otros según una determinada estructura geométrica que se conoce como red cristalina.
Si en estas condiciones inyectamos energía desde el exterior (por ejemplo aumentando la temperatura, o aplicando una tensión), algunos de esos electrones de los órbitas externas dejarán de estar enlazados y podrán moverse. Lógicamente si un electrón se desprende del átomo, este ya no está completo, decimos que está cargado positivamente, pues tiene una carga negativa menos, o que ha aparecido un hueco. Asociamos entonces el hueco a una carga positiva o al sitio que ocupaba el electrón. à par electrón hueco.
El átomo siempre tendrá la tendencia a estar en su estado normal, con todas sus cargas, por lo tanto en nuestro caso, intentará atraer un electrón de otro átomo para rellenar el hueco que tiene.
Toda inyección de energía exterior produce pues un proceso continuo que podemos concretar en dos puntos:

• Electrones que se quedan libres y se desplazan de un átomo a otro a lo largo de la barra del material semiconductor de silicio.
• Aparición y desaparición de huecos en los diversos átomos del semiconductor.

Es decir, se forman pares electrón-hueco, electrones libres y huecos aceptores de electrones.  No obstante, el semiconductor sigue siendo eléctricamente neutro.

Semiconductor extrínseco

Si a un semiconductor intrínseco, como el anterior, se le añade un pequeño porcentaje de impurezas, es decir, elementos trivalentes o pentavalentes (tres o cinco electrones en su última órbita), el semiconductor se denomina extrínseco, y se dice que está dopado. Evidentemente, las impurezas deberán formar parte de la estructura cristalina sustituyendo al correspondiente átomo de silicio.

Semiconductor extrínseco tipo n

Es el que se dopa con elementos de radio atómico similar al silicio pero con cinco electrones en su última órbita.
 
semiconductor intrínseco                                                       semiconductor tipo n
Al tener éstos elementos 5 electrones en la última capa, resultará que al formarse, como antes, la estructura cristalina, el quinto electrón no estará ligado en ningún enlace covalente, encontrándose, aún sin estar libre, en un nivel energético superior a los cuatro restantes. Si como antes, consideramos el efecto de la temperatura, observaremos que ahora, además de la formación de pares e-h, se liberarán también los electrones no enlazados, fácilmente extraíbles de su órbita con menor energía de la que se necesita para extraer un electrón de un enlace covalente.
Así, en el semiconductor tipo n aparecerá una mayor cantidad de electrones que de huecos; por ello se dice que los electrones son los portadores mayoritarios de la energía eléctrica y puesto que este excedente de electrones procede de las impurezas pentavalentes, a éstas se las llama donadoras. La conductividad del material aumenta enormemente, así, por ejemplo, introduciendo sólo un átomo donador por cada 1000 átomos de silicio, la conductividad es 24100 veces mayor que la del silicio puro.

Semiconductor extrínseco tipo p

Es el que se ha dopado con elementos trivalentes o tres electrones en la última órbita.
 
Semiconductor intrínseco                  Semiconductor extrínseco tipo P
En este caso, las impurezas aportan una vacante o hueco, por lo que se las denomina aceptoras (de electrones, se entiende). Ahora bien, el espacio vacante no es un hueco como el formado antes con el salto de un electrón, sino un lugar donde puede llegar un electrón.
Ahora son los huecos los portadores mayoritarios, pues a los pares electrón-hueco del semiconductor intrínseco se unen los huecos aceptores resultantes de la introducción de impurezas. la sustitución de un átomo por otros provoca la aparición de huecos en el cristal de silicio. Por tanto ahora los "portadores mayoritarios" serán los huecos y los electrones los portadores minoritarios. El semiconductor sigue siendo eléctricamente neutro, aunque exista una continua generación y anulación de pares electrón huecos.

 

        Símbolo del diodo

Encapsulados comerciales de diodos                     Anodo            Cátodo

UNIÓN PN
Casi todos los diodos que se fabrican hoy en día están formados por dos tipo de silicio diferentes, unidos entre si.
Al unir un cristal P con otro N, se produce el siguiente fenómeno.
Los electrones libres de la zona N, pertenecientes a átomos pentavalentes y que no son utilizados en el enlace covalente correspondiente, son atraídos por los huecos de la zona P, donde pasan a formar enlaces. De esa forma, se crean iones negativos en la zona P cercana a la unión, y a su vez se forman iones positivos en la zona N cercana a la unión.
De ello resulta una “barrera de potencial”, también denominada zona agotada de cargas, pues está compuesta de iones positivos y negativos.
La unión PN considerada globalmente sigue siendo eléctricamente neutra, aunque se ha producido una concentración de cargas a un lado y otro de la unión.

 

Polarización de un diodo o unión PN.
Polarización directa
Es cuando aplicamos el terminal positivo al cristal P (ánodo) y el negativo al cristal N (cátodo)
Los electrones salen del polo negativo de la  batería, recombinándose con los iones positivos que hay en el cristal P. Asimismo, los electrones sobrantes en el cristal P (iones negativos) serán atraídos por el polo positivo de la batería. Se eliminan por tanto los iones de la región de agotamiento, desapareciendo la barrera de potencial. El diodo adquiere gran  conductividad eléctrica, comportándose prácticamente como un interruptor cerrado. La corriente circulante es corriente debida a portadores mayoritarios (electrones de P y huecos de N).
Polarización inversa
Es cuando aplicamos tensión negativa al cristal P y tensión positiva al cristal N.
En este caso, la barrera de potencial no desaparece, más bien aumenta, ya que estamos aplicando cargas negativas al cristal P, por lo que añadimos electrones que formarán más iones negativos. A su vez, el polo positivo de la batería atraerá electrones del cristal N, por lo que el número de iones positivos en la zona N aumentará. Se ensancha, por tanto, la barrera de potencial, que impide el paso de corriente eléctrica a través de ella. El diodo se comporta (idealmente) como un interruptor abierto, aunque en la realidad  hay una pequeña corriente debida a portadores minoritarios (electrones de P y huecos de N). Esta corriente denominada de fugas, varía con la temperatura, y aumenta poco con la tensión, hasta llegar a la zona de avalancha. No obstante, esta corriente es muy significativa en el transistor, como veremos posteriormente.
Zona de avalancha.
Aumentando el voltaje inverso de la unión, la velocidad de los portadores minoritarios aumenta (electrones de P atraídos por el polo positivo aplicado a N). Llegado un nivel de tensión, su velocidad es tal que arrancan electrones adicionales por colisión, produciéndose un efecto en cadena  que provoca la avalancha, o gran corriente inversa del diodo que si no se controla puede llegar a romper el diodo.
Curva característica del diodo
En la curva, podemos ver como  la intensidad directa se incrementa exponencialmente con la tensión, mientras la intensidad inversa apenas aumenta con la tensión inversa aplicada, hasta llegar a la zona de avalancha, donde aumenta enormemente en un pequeño margen de tensión (región Zener).El máximo potencial de polarización inversa que puede ser aplicado antes de entrar a la región Zener se conoce como voltaje pico inverso.

Resumiendo: Podemos decir que el diodo es un elemento que, idealmente, se comporta como un interruptor: cuando está polarizado directamente, el interruptor está cerrado, circulando libremente la intensidad a través de él. Cuando está polarizado inversamente, el interruptor está abierto, y no circula intensidad.
Ejercicios: Analizar los siguientes circuitos y dibujar la forma de onda de salida Vo, si a la entrada les aplicamos una onda senoidal Vi.

 

Diodo como rectificador

Los rectificadores convierten la corriente alterna de la red eléctrica, en corriente contínua. Ningún aparato electrónico, funciona con corriente alterna directamente, o sea, no se alimentan los componentes con este tipo de corriente, necesitamos rectificarla para que funcionen correctamente, o sea convertirla a corriente directa ( C. C. )

Rectificador de media onda

Como el diodo sólo conduce cuanto esta directamente polarizado, la tensión de salida es “casi” la tensión de entrada durante el semiciclo positivo (hay que restar 0,7 voltios correspondientes a la tensión necesaria para contrarrestar la barrera de potencial). Durante el semiciclo negativo, el diodo no conduce al estar inversamente polarizado, así que la tensión de salida será cero, al no haber corriente en la resistencia.
Esta tensión no sirve para alimentar un circuito electrónico, tiene altibajos à corriente continua pulsatoria.
Rectificador por puente de diodos.
Se utilizan cuatro diodos conectados en puente. En el mercado podemos encontrar puentes integrados en un solo componente.

Durante el semiciclo positivo de la tensión V2, los diodos D1 y D3 están polarizados directamente y pueden conducir, atravesando la corriente la resistencia de carga Rl de arriba abajo, produciéndose en ella una tensión positiva.

Durante el semiciclo negativo de la tensión V2, los diodos D4 y D2 están polarizados directamente,  conduciendo la corriente que vuelve a atravesar Rl de arriba abajo, produciéndose en ella también una tensión positiva.

Por tanto, la tensión a la salida será una tensión continua pulsatoria de doble onda. No obstante, también es una tensión variable que no nos sirve para alimentar un circuito, por lo que a un puente de diodos tendremos que añadirle un filtro de tensión que la haga lo más contínua posible.

 

Rectificador de onda completa con filtro.

Si añadimos un condensador a la salida del puente, en paralelo con la carga, el condensador, mientras la tensión pulsatoria de salida sube, se irá cargando, y posteriormente, cuando la tensión baje, el condensador irá cediendo su carga eléctrica a la salida, de forma que la tensión de salida no disminuya demasiado. Si el condensador de filtro es suficientemente grande, la tensión de salida será prácticamente contínua.
En las formas de onda podemos ver como es la tensión sin filtrar (abajo) y la tensión filtrada (medio) en la salida. Se aprecia la carga y descarga del condensador de filtro.
El factor de rizado es una relación que indica la”pureza” de la tensión continua de salida: es el cociente entre la componente alterna y la componente contínua de la tensión de salida. Cuanto más pequeño sea este cociente, mas lisa sera la tensión de salida, y mejor calidad tendrá la fuente de alimentación.

 

Fuentes de alimentación
Una fuente de alimentación convierte la tensión alterna de entrada en tensión contínua de salida estabilizada.
La fuente convencional
Este es su diagrama en bloques:

• Transformador: modifica los niveles de tensión alterna a los requeridos por el circuito a alimentar.
• Rectificador: Convierte la alterna en contínua.
• Filtro: Disminuye las variaciones (ondulaciones) presentes en la contínua.
• Regulador: Mantiene estable el valor de la tensión de salida, a pesar de las variaciones que puedan haber en el consumo de corriente. Normalmente está basado en un diodo zener.

Ventajas:

• Circuito simple y de bajo costo.
• Aislamiento eléctrico de la red  (por el transformador)

Desventajas:

• Bajo rendimiento y estabilidad
• Tamaño y peso grandes (por el transformador)

Se  utiliza en circuitos simples, en los cuales no se tienen grandes requerimientos de estabilidad. Por ejemplo, pequeños receptores de radio, reproductores de CD, televisores portátiles, monitores monocromáticos, etc.

La fuente conmutada
Utilizando técnicas de llaveamiento con pulsos, y realimentación negativa, consigue gran rendimiento y estabilidad.

Rectificador: convierte la alterna en contínua.
Llaveador: De acuerdo a las órdenes provenientes del generador de pulsos, conduce o bloquea, en alta frecuencia.
Filtro: Disminuye (casi elimina) la alterna en la salida, dejándola totalmente contínua.
Comparador: Toma una muestra de la salida, y la compara con una referencia. Genera una señal de error, que va al generador de pulsos.
Generador de Pulsos: Genera pulsos que irán al llaveador, que serán proporcionales al voltaje de Error disponible en su entrada.

Funcionamiento

La señal de corriente alterna es rectificada y convertida en pulsos de contínua. Estos pulsos son entregados a un llaveador, que conducirá, o bloqueará, en alta frecuencia (típicamente más de 10.000 Hz.).
Esta salida llaveada es filtrada por un filtro capacitivo normal. Como la conmutación (llaveamiento) es en alta frecuencia, el filtrado es fácil.
Se toma una muestra de la tensión de salida. Esta es aplicada a un comparador, en cuya segunda entrada tiene un voltaje de referencia. El comparador saca una señal de error que es proporcional a la diferencia entre la Salida y la Referencia. Esta señal de error es enviada al Generador de Pulsos, de forma a que éste ordene al Llaveador que conduzca más o conduzca menos, según sea necesario.
Ventajas:

• Alta estabilidad y rendimiento.
• Poco peso y tamaño

Desventajas:

• Alto costo y  circuito complejo. (cada vez son más baratas).
• No aisla al circuito alimentado de la red.

Usos:
En circuitos que requieren gran estabilidad y alto rendimiento. Típicamente circuitos digitales, o con gran cantidad de componentes de ese tipo. Ahora casi todos los circuitos tienden a tener fuentes conmutadas.
Otros diodos
Diodo Zener
El diodo Zener es un diodo que ha sido diseñado para trabajar en la región Zener. Por lo tanto, es un diodo que trabaja inversamente polarizado.

Al comprar un diodo zener, lo compramos para una tensión determinada que es la que queremos estabilizar. El diodo Zener se diferencia del diodo rectificador en que está más dopado, alcanzando fácilmente la zona zener o zona de avalancha.  Si en esa zona somos capaces de mantener la corriente en niveles aceptables, el zener estabilizará la tensión de salida a esa tensión zener.
En el circuito de la figura, si queremos mantener la carga a una tensión máxima de 4, 8 voltios, por ejemplo, elegiremos un zener de esta tensión. Cuando la tensión supere los 4,8 voltios, el zener entrará en ruptura, absorbiendo el exceso de tensión en forma de corriente, por lo que la tensión en R irá aumentando, absorbiendo el exceso de tensión. En la curva del zener podemos ver como la intensidad aumenta manteniéndose constante la tensión.

Diodo Varicap
El Varicap (Epicap, capacidad controlada por tensión o diodo de sintonía) es un diodo que se comporta como un condensador donde la capacidad esta controlada por la tensión.
Ya hemos visto que en un diodo polarizado inversamente, se crea una barrera de potencial o zona agotada donde no hay cargas libres. Esa barrera se comporta como un dieléctrico, cuyo grosor aumentará o disminuirá en función de la tensión inversa aplicada. Por tanto estamos ante un condensador variable en función de la tensión. A mayor tensión, mayor dieléctrico y por tanto menor capacidad del condensador.

 

 

En la curva característica del Varicap podemos ver la variación de la Capacidad con la tensión inversa.
Su aplicación es en sintonizadores de radio, sustituyendo a los condensadores variables grandes y costosos

El diodo emisor de luz (LED)
El LED es un diodo que produce luz visible (o invisible, infrarroja) cuando se encuentra directamente polarizado. El voltaje de polarización de un LED varía desde 0,8 V hasta 2.5 V, y la corriente necesaria para que emita la luz va desde 8 mA hasta los 20 mA.
Principio de Funcionamiento:
En cualquier unión P-N polarizada directamente, se recombinan continuamente electrones y huecos al pasar la corriente.. Esta recombinación  supone una pérdida de energía del electrón, que se va en forma de luz y calor. En el Si y el Ge el mayor porcentaje se transforma en calor y la luz emitida es insignificante. Por esta razón se utiliza otro tipo de materiales para fabricar los LED's, como Fosfuro Arseniuro de de Galio (GaAsP) o fosfuro de Galio (GaP).
Su funcionamiento es análogo al del diodo rectificador.. Según el material pueden emitir en el infrarrojo (diodos IRED), rojo, azul, amarillo y verde, dependiendo de cual sea la longitud de onda en torno a la cual emita el LED.
Entre sus aplicaciones podemos destacar: pilotos de señalización, instrumentación, optoaclopadores, etc.Su intensidad no debe pasar de 20 mA, por lo que siempre van conectados con una resistencia en serie.
Fotodiodo
Diodo sensible a la luz. Generan un voltaje de corriente continua proporcional a la cantidad de luz que incide sobre su superficie, es decir, son diodos de unión PN cuyas características eléctricas dependen de la cantidad de luz que incide sobre la unión. Se utilizan como medidores y sensores de luz y en receptores ópticos de comunicaciones. También como alarmas (células fotoeléctricas).
El efecto fundamental bajo el cual opera un fotodiodo es la generación de pares electrón - hueco debido a la energía luminosa. Ello aumenta la corriente inversa de trabajo del diodo, por lo que esta es proporcional a la luz . Hay que recordar que un diodo  presenta unas pequeñas corrientes de fugas de valor IS (intensidad de saturación). Las corrientes de fugas son debidas a los portadores minoritarios, electrones en la zona P y huecos en la zona N. La generación de portadores debido a la luz provoca un aumento sustancial de portadores minoritarios, lo que se traduce en un aumento de la corriente de fuga en inversa.
Diodo túnel
Los diodos de efecto túnel. Son dispositivos muy versátiles que pueden operar como detectores, amplificadores y osciladores. Poseen una región de juntura extremadamente delgada que permite a los portadores cruzar con muy bajos voltajes de polarización directa y tienen un tramo de resistencia negativa, esto es, la corriente disminuye a medida que aumenta el voltaje aplicado.

Diodo láser
Los diodos láser son constructivamente diferentes a los diodos LED normales. Las características de un diodo láser son:
La emisión de luz es dirigida en una sola dirección: Un diodo LED emite fotones en muchas direcciones. Un diodo láser, en cambio, consigue realizar un guiado de la luz preferencial una sola dirección.

Corte esquemático de la emisión de luz en diodos LED y láser

Debido a estas dos propiedades, con el láser se pueden conseguir rayos de luz monocromática dirigidos en una dirección determinada. Como además también puede controlarse la potencia emitida, el láser resulta un dispositivo ideal para aquellas operaciones en las que sea necesario entregar energía con precisión.
Ejemplo de aplicación: El lector de discos compactos:
Una de las muchas aplicaciones de los diodos láser es la de lectura de información digital de soportes de datos tipo CD-ROM
Esquema del funcionamiento del CD-ROM
Un haz láser es guiado mediante lentes hasta la superficie del CD. A efectos prácticos, se puede suponer dicha superficie formada por zonas reflectantes y zonas absorbentes de luz. Al incidir el haz láser en una zona reflectante, la luz será guiada hasta un detector de luz: el sistema ha detectado un uno digital. Si el haz no es reflejado, al detector no le llega ninguna luz: el sistema ha detectado un cero digital.
Cuanto más pequeña es la longitud de onda del diodo, más pequeñas son las celdas que puede leer en un disco. Por ello el DVD  ha sido posible al conseguir diodos láser que emiten en longitud de onda cada vez más pequeña.
Comprobación de diodos
Se pueden probar con un téster en la posición óhmetro, en las escalas de resistencia y preferiblemente en las escalas ohm x 1, ohm x 10 ó también ohm x 100. Así cuando se intenta medir la resistencia de un diodo, se encontrarán dos valores totalmente distintos, según el sentido de las puntas. Polarizado directamente, la resistencia que marca el téster tiene que ser baja. Polarizado inversamente, la resistencia tiene que ser muy alta. De no ser así el diodo estaría estropeado.

El transistor bipolar
Un transistor puede considerarse formado por dos diodos semiconductores con una zona común. En un transistor existen tres terminales. La zona común se denomina base y las dos zonas exteriores en contacto con la base son el emisor y el colector.
Estructura del transistor
    Están formados por tres capas alternas de semiconductores de tipo N y P, lo que da dos posibilidades  de transistores, los PNP y los NPN. Las tres regiones de material semiconductor reciben el nombre de base, emisor, y colector, y son accesibles eléctricamente gracias a tres patillas que permiten que conectar el tr el transistor al circuito de aplicación.
Para que un transistor pueda funcionar correctamente, se tienen que cumplir una serie de condiciones:

• El espesor de la base sea muy pequeño
• El emisor esté mucho más dopado que la base (más cargas libres).

• Que esté bien polarizado, es decir a las tensiones adecuadas. La unión correspondiente al diodo emisor-base debe polarizarse en sentido directo, mientras que la unión correspondiente al colector-base ha de estar polarizada en sentido inverso.

    Cuando un transistor se polariza como aparece en la figura anterior para un transistor PNP, se podría esperar que sólo circulase corriente entre el emisor y la base que tienen la unión polarizada en directa, mientras que la unión entre la base y el emisor está polarizada en inversa.  Pues bien, se observa que como la base es una capa fina, parte de los portadores de carga pasan al colector, por lo que por él sale corriente a pesar de estar conectado en inversa. Esta corriente de salida del colector se puede regular regulando la corriente de la base. El hecho de que el emisor esté más dopado, ayuda a que haya más portadores de carga que se difundan hacia el colector.
    Como en el transistor no se acumula carga, se cumple que la corriente que sale por el emisor es igual a la suma de las corrientes que entran por la base y el colector.

 

 

 

 

Encapsulados del transistor.
Funcionamiento de un transistor en emisor común
Un transistor puede conectarse en tres configuraciones básicas. Emisor común, base común y colector común. Veremos la primera por ser la más utilizada.
En el esquema vemos una configuración básica con transistor NPN donde el emisor forma parte tanto del circuito de entrada como del de salida (emisor común). Los parámetros que nos interesan son la intensidad de base (Ib), la tensión entre base  y emisor (Vbe), la intensidad de colector (Ic) y la tensión entre colector y emisor (Vce). Como se puede comprobar, la entrada está polarizada directamente, al ser un transistor NPN la base es cristal P y se le aplica el polo positivo de la batería. La unión colector base estará polarizada inversamente, ya que aplicamos el polo positivo al colector, que es cristal N. La pila que alimenta al circuito de salida suele ser de un valor bastante mayor que la que alimenta al circuito de entrada, por lo que la base es más negativa que el colector.
Si sólo aplicáramos tensión a la entrada, quitando la pila de salida, la unión base emisor se comportaría como un diodo normal, entrando en conducción directa en cuanto la tensión de la pila de entrada superara la barrera de potencial (0,7 voltios aproximadamente)
Si variamos el valor de la pila VBB de la malla de entrada, tomando valores de IB y VBE podemos obtener la  curva característica de entrada, similar a la de un diodo en conducción directa.  Por el circuito de salida no circularía corriente (Ic) ya que no hemos aplicado tensión en la malla de salida.
Hasta aquí, nada diferente de lo que es un diodo. Pero veamos qué es lo que ocurre cuando aplicamos la pila de la malla de salida.
¡¡ATENCION, ES IMPORTANTE ENTENDER BIEN EL  SIGUIENTE PARRAFO!!

Recordemos que la base es un cristal estrecho. Cuando apliquemos Vbb, se producirá, como hemos visto, una corriente de emisor. Los electrones, que son portadores mayoritarios en el emisor, son portadores minoritarios en la base. Por tanto, cuando los electrones del emisor pasen a la base, parte de ellos saldrán por la base, pero gran parte de ellos, atraidos por el polo positivo de Vcc, atravesarán la unión colector base, polarizada inversamente, y llegarán al colector, saliendo por este terminal, formando la Ic. Recordemos que ello puede ser  porque los portadores minoritarios pueden atravesar una unión polarizada inversamente, como lo es la unión colector base. (Ver unión PN).
Si aumentamos la tensión Vbb, entonces la corriente de emisor aumentará, como hemos visto en la curva de entrada del transistor, ya que el diodo base emisor está polarizado directamente. Ello hará que muchos más electrones del emisor pasen a la base, donde, recordemos, son portadores minoritarios, y por tanto pueden atravesar la unión colector base, polarizada inversamente, formándo la Ic.
Vemos, por tanto, que podemos controlar la intensidad de salida del circuito (intensidad de colector) controlando la intensidad de entrada (intensidad de base). Lo interesante del transistor es que las variaciones de intensidad de entrada son pequeñas (Ib suele ser micro o miliamperios), y esas variaciones producen grandes variaciones de la intensidad de salida (Ic son miliamperios o amperios), por lo que el transistor en emisor común se comporta como un amplificador de las variaciones de corriente.
Veamos un caso práctico:
Si aplicamos una tensión Vbb constante, que produzca una Ib constante (p. ej. 10 uA), y vamos incrementando la Vcc desde cero, podemos ver que la Ic y la Vce van aumentando linealmente  hasta el codo, donde el incremento de Ic se amortigua (saturación de corriente) y la Vce aumenta.
Vemos en la curva de salida, que la Ib es del orden de uA, sin embargo la Ic será del orden de miliamperios. Por tanto, si introdujéramos una intensidad variable de entrada (Ib) pequeña, obtendríamos un gran variación de intensidad de salida (Ic). En ello se basa la aplicación del transistor como amplificador.
Zonas de funcionamiento
Zona de corte. Para un transistor de silicio, si Vbe es inferior a 0,6 V, ambas uniones están polarizadas en sentido inverso y las intensidades en los terminales se pueden considerar despreciables. En otras palabras, la tensión de base no es lo suficientemente alta para que circule corriente por la unión base emisor, por lo que la corriente de colector es igualmente despreciable.
Zona activa. La unión base-emisor está polarizada en sentido directo ( Vbe > 0,6 V) y la unión colectora lo está en sentido inverso. Esta zona es muy importante, puesto que el transistor funciona en ella cuando se utiliza para amplificar señales. El punto Q es el punto de trabajo en  reposo del transistor, que se define como el punto de conducción que tiene cuando está en reposo (sin aplicar señal de entrada a amplificar).
Zona de saturación. Ambas uniones, emisora y colectora, están polarizadas en sentido directo. La corriente base-emisor es muy grande, por lo que la corriente de colector lo es igualmente grande. Se dice que ha entrado en saturación si el voltaje del colector es inferior a la tensión base-emisor.
La recta que atraviesa la curva se denomina “recta de carga” y se componen de los lugares que puede ocupar el punto de trabajo del transistor. Responde a la siguiente fórmula, que sería la ecuación de la malla de salida.
Vcc = Vce + Rc * Ic à ecuación de la recta de carga
Toda recta se determina mediante dos puntos.
Si Ic = 0 à transistor en corte, entonces Vcc = Vce (punto en abscisas) . No hay intensidad de colector, por tanto no hay caida de tensión en la Rc y toda la tensión de alimentación está entre colector y emisor.
Si Vce = 0 à transistor en saturación, entonces Ic = Vcc/Rc) (punto en ordenadas). El transistor conduce “a tope”. Toda la tensión de alimentación cae en la Resistencia de carga.
Los transistores en emisor común suelen trabajar como amplificadores (zona activa) o como conmutadores (zonas de corte saturación). El modo en que queramos que trabajen determinará el circuito de polarización del mismo que utilizemos.
Transistor como conmutador
Supongamos el siguiente circuito, adecuadamente polarizado para trabajar como conmutador.
Con el interruptor abierto, no hay intensidad de base, luego no puede haber Ic, por lo que el transistor no conduce, en la resistencia de salida no cae tensión y la Vsal será igual al al V de alimentación  (10 V).
 IB = 0 IC = 0 CORTE (el transistor no conduce) Estamos en el punto 1 de la recta de carga.:  en la práctica si que hay una pequeña corriente de fugas, por lo que la Vsal es un poco menor de 10 V. Para electrónica digital no tiene mucha importancia ese pequeño margen, por lo tanto se desprecia.

Si ahora cerramos el interruptor, tendremos una Ib fuerte, lo cual por el efecto transistor provocará una gran Ic. El transistor conduce y toda la tensión de la malla de salida cae en la resistencia de colector, por lo que en la Salida tendremos prácticamente 0 voltios (en realidad 0,7 voltios). Estamos en el punto 2 de la recta de carga

 

 

Aplicación:
Si tenemos en la entrada una onda cuadrada, la onda de salida será también cuadrada, pero invertida. Este circuito será un inversor, muy utilizado (con mejoras) en electrónica digital.

También lo podemos utilizar en electrónica analógica, para controlar relés y otra cargas “todo-nada”, que no exijan regulación contínua de la tensión de salida.
Problema: analiza el siguiente circuito con VBB = 0, y con VBB = 10 V. ¿Qué ocurre en cada caso? ¿Cómo están los transistores?

Actividad: Los dos esquemas siguientes son otras aplicaciones del transistor como conmutador. Analizar el funcionamiento de ambos.

 

Transistor como amplificador de tensión
Polarizar un transistor es darle adecuados niveles de tensión en reposo (sin entrada de señal) para que trabaje adecuadamente à determinar el punto Q, punto de trabajo estático.
Polarización con divisor de tensión
En este esquema vemos un transistor polarizado mediante un circuito divisor de tensión. Se puede observar, que la tensión que se aplica en este caso entre base y masa es la que cae en la resistencia R2. Mediante un cálculo adecuado de las resistencias, conseguimos que el transistor esté en un punto de trabajo en reposo que nos permite introducir una señal para ser amplificada.
Determinación del punto de trabajo Q
En las siguientes curvas, podemos comprobar como la determinación del punto de trabajo en reposo da lugar a diferentes clases de amplificación:
Clase A: toda la señal de entrada se amplifica. La señal de salida tiene la misma forma que la de entrada à fidelidad. Se usa en amplificadores de calidad.
Clase B: Sólo amplificamos un semiciclo de la señal de entrada  à distorsión, permite mayor nivel de amplificación.
Clase C: Amplificamos sólo un trozo de un semiciclo à mayor distorsión, mayor potencia de salida, peor calidad de sonido à megafonía de un campo de fútbol.
Esquema y funcionamiento de un amplificador de tensión de una sola etapa.
Una vez hemos polarizado en reposo el circuito amplificador, tendremos que introducir la señal de entrada a amplificar.
En el esquema vemos un circuito amplificador:
Vin es la señal a amplificar: Cs es un condensador que deja pasar la señal alterna, pero impide el paso de Vc hacia la fuente de señal (recordemos que un condensador conduce la corriente alterna, pero no la continua). Dicha señal se superpondrá a la tensión de polarización de la base, variando el punto Q como podemos ver en la curva de salida.
Durante el semiciclo positivo de la señal de entrada, la Vbe aumentará, por lo que la conducción del transistor será mayor. Ello provocará que la Ic que atraviesa Rc aumente también, por lo que la caida de tensión en Rc será mayor y la tensión En el colector será menor. Vemos por tanto que a un incremento de la tensión de entrada corresponde un decremento de la tensión de salida.
Durante el semiciclo negativo, la Vbe disminuye, por lo que la conducción del transistor también lo hará. La Ic por tanto disminuye, disminuyendo la caida de tensión en Rc. De ello resultan una tensión en el colector mayor. Luego a un decremento de la tensión de entrada, corresponde un aumento de la tensión de salida.
Es por ello que un amplificador de tensión desfasa la señal amplificada 180 grados, como podemos ver en la curva de salida (cuando la Vbe aumenta, la Ib aumenta y la Vce disminuye). Luego si queremos obtener una onda en fase con la entrada deberemos poner al menos dos etapas amplificadoras.
La resistencia de emisor se coloca para estabilizar al transistor ante variaciones de temperatura, de forma que su punto Q no varíe. El condensador Cr, también llamado de emisor, impide pérdida de ganancia en alterna debido a la caida de tensión en el emisor. Por último, Cs, es el condensador de salida, que separa la tensión continua de alimentación de la señal amplificada.
El esquema siguiente es un amplificador de tensión básico con transistor NPN (BC108). La potencia de salida no es suficiente para atacar a un altavoz, pues es un amplificador “previo” que se utiliza para atacar etapas de más potencia.

 

        
Comprobación de transistores bipolares
Mediante el téster, podemos comprobar el transistor teniendo en cuenta que la base debe conducir con los otros dos terminales en un sentido y en el otro no. En cuanto a la diferenciación entre emisor y colector, podemos también utilizar el téster, pero lo mejor es hacerlo mediante la hoja del fabricante.
Otros transistores
Transistor de efecto de campo (FET)
            ¿Porqué le llamamos Bipolar al transistor que acabamos de conocer? Porque funciona jugando con el movimiento de Huecos y Electrones, esto es, los dos tipos de portadores. En el resto de los transistores las corrientes se deben a solo un tipo de portadores.
 El transistor JFET (Juntion Field Effect Transistor) consiste en una barra de tipo N, entera con una zona, hacia la mitad estrangulada por una zona tipo P llamada Graduador o también Compuerta. Si se aplica tensión entre los extremos de la barra, como ésta se encuentra íntegra, a través de ella fluye una corriente de valor importante.

            Polarizando inversamente la unión compuerta-barra, en la zona de la compuerta se produce un enrarecimiento de portadores o zona de agotamiento que dificulta la conducción. Se dice que el Canal, como se le llama a la sección de barra que queda frente a la compuerta, se estrecha.

Por lo tanto, si aplicáramos una tensión inversa variable a la compuerta (Gate) tendriamos una variación de la zona de estrangulamiento, variando así la conductividad de la barra de cristal N y por tanto la corriente que fluye por el Drenador. ¿No es lo mismo que un transistor bipolar trabajando como amplificador?  ¿Se parece a un grifo que moviésemos rápidamente, cerrándolo y abriéndolo, de forma que variáramos el caudal que pasa por la cañería? 
Los extremos de las barras podrían seguir llevando los mismos nombres que los del transistor bipolar, pero parece ser que sus inventores han preferido matizar llamando Surtidor al que hace las veces de Emisor, y Sumidero o Drenador al Colector. 
El JFET se emplea muchísimo menos que el BJT , fundamentalmente porque responde mal a altas frecuencias, aunque su amplificación es más pura (la corriente de salida no atraviesa ninguna unión PN, que introducen ruido en la señal), y su ganancia más estable.
Transistores MOSFET (FET Metal-oxido-semiconductor)

Los dos primeros símbolos son los Mosfet de enriquecimiento. Los otros dos son mosfet de empobrecimiento.
Mosfet de enriquecimiento canal N.
En este tipo de transistores la tensión de compuerta (G) se aplica a una fina película de aislante de óxido. La característica fundamental de estos transistores es que no circula corriente por la compuerta. El óxido actúa como dieléctrico.

 

En principio, aplicando Vds no tendríamos circulación de corriente por el drenador, ya que hay dos barreras de potencial, una de ellas polarizada inversamente.

 

Si aplicamos tensión positiva a la compuerta, se producirá un desplazamiento de electrones a la zona cercana (en el cristal P), creándose una región rica en cargas negativas, y por tanto una región N, que anula las barreras de potencial anteriores y permite el paso de corriente de Id.

En la curva característica podemos ver que la intensidad de drenador crece linealmente,  primero, para llegar a saturación, después. Cuanto mayor sea la tensión Vgs más rápidamente crecerá la intensidad.

 

 

Transistores CMOS
En la figura vemos una pareja de transistores mosfet, un Nmos y otro Pmos, unidos y formando la denominada tecnología CMOS, muy utilizada en la fabricación de circuitos integrados.  EL circuito sería un inversor lógico.
Cuando la tensión de entrada es 1 (nivel lógico alto) el transistor NMOS (abajo) conduce, pero el transistor PMOS (arriba) está en corte, por lo que la tensión en Y será de cero voltios (nivel lógico bajo).
Cuando la tensión de entrada sea cero, NMOS estará cortado y PMOS en saturación o conduciendo, siendo entonces la tensión de salida en Y igual a +VDD (nivel lógico alto).
La gran ventaja de los transistores CMOS es que su consumo estático (mientras no cambian de estado) es prácticamente nulo, pues ya hemos visto que trabajan por tensión y no por intensidad, además de que siempre uno de los dos transistores está cortado, por lo que no hay corriente ni por las puertas ni por los drenadores. LA configuración CMOS sólo consumirá corriente en la conmutación. Ello lo hace muy interesante de cara a la integración en chips, donde la disipación de potencia es un tema a tener muy en cuenta.

 

Electrónica de potencia
Se suele denominar así a las aplicaciones industriales donde se regulan altas tensiones y corrientes, mediante dispositivos electrónicos. ES  la aplicación de la electrónica de estado sólido para el control y la conversión de la energía eléctrica".
A diferencia de como ocurre en la electrónica de las corrientes débiles, en que se da prioridad a la ganancia y fidelidad, la característica más importante de la electrónica de potencia es el rendimiento.
La electrónica de potencia combina la energía, la electrónica y el control. A continuación podemos apreciar un esquema básico de bloques de un sistema electrónico de potencia.
La regulación de la potencia se realiza mediante un muestreo de la señal de salida con una tensión de referencia. Ese muestreo dará un resultado que mediante un circuito de mando actúa sobre el circuito de potencia, aumentando o disminuyendo la transferencia de potencia de alimentación a la carga.

El tiristor o Rectificador controlado de Silicio (SCR).
Un tiristor es un dispositivo semiconductor de cuatro capas de estructura pnpn con tres uniones pn. Tiene tres terminales: ánodo, cátodo y compuerta o gate . La figura muestra el símbolo del tiristor y su estructura cristalina.

 

En la figura podemos ver el modelo básico de gobierno de un tiristor: una carga Rc alimentada por una tensión, y un circuito de gate o puerta que controla la conducción.

 

Funcionamiento.
Si aplicamos una tensión ánodo-cátodo (Vak) positiva: las uniones J1 y J3 tienen polarización directa o positiva. La unión J2 tiene polarización inversa, y solo fluye una pequeña corriente de fuga. Se dice entonces que el tiristor está en condición de bloqueo directo en estado desactivado.
Si el voltaje de ánodo a cátodo VAK se incrementa a un valor lo suficientemente grande, la unión J2 polarizada inversamente entrará en ruptura. Esto se conoce como ruptura por avalancha y el voltaje correspondiente se llama voltaje de ruptura directa. Dado que las uniones J1 y J3 tienen ya polarización directa, habrá un movimiento libre de portadores a través de las tres uniones, que provocará una gran corriente directa del ánodo. Se dice entonces que el dispositivo está en estado de conducción o activado. La caída de voltaje se deberá a la resistencia óhmica de las cuatro capas y será pequeña, por lo común cercana a 1 volt.
Una vez que el tiristor está activado, se comporta como un diodo en conducción y ya no hay control sobre el dispositivo.
Esta es una forma posible de cebar o activar el tiristor, pero no nos interesa, pues para ello pondríamos un diodo. Lo interesante del tiristor es el poder activarlo a diferentes tensiones ánodo-cátodo, gobernándolo mediante el terminal de puerta o gate.
Si aplicamos una tensión positiva en la puerta del tiristor, se establece una corriente por la unión J3, polarizada directamente, que produce un aumento de electrones en el cristal P, donde son portadores minoritarios para la unión J2 y por tanto pueden atravesarla, facilitando que el efecto avalancha en esta unión se realice a menor tensión Vak. Cuanto mayor sea esa tensión de compuerta, menor será la tensión Vak necesaria para lograr el disparo del tiristor, por lo que una variación Vgk consigue diferentes puntos de disparo.
Tenemos por tanto un “diodo de disparo controlado” que nos permitirá rectificar toda o parte de la corriente que nos ofrezca una fuente de tension alterna.
Cuando el voltaje del cátodo es positivo con respecto al ánodo, la unión J2 tiene polarización directa, pero las uniones J1 y J3 tienen polarización inversa. Esto es similar a dos diodos conectados en serie con un voltaje inverso a través de ellos. El tiristor estará en estado de bloqueo inverso y una corriente de fuga, conocida como corriente de fuga inversa IR fluirá a través del dispositivo.
Descebado del tiristor:
Una vez en conducción, el tiristor sólo se puede cortar o descebar disminuyendo la intensidad por debajo de la intensidad de mantenimiento. En la práctica lo que se suele hacer es cortocircuitar las patillas del tiristor momentáneamente, o reduciendo la tensión Vak a cero. Entonces el tiristor se bloquea y hay que volver a dar una tensión de compuerta para cebarlo de nuevo.
El tiristor sólo puede ser cebado mediante Vak positiva, de forma que por sí solo no puede gobernar corriente alterna. Su aplicación más general es para la regulación de velocidad de motores de corriente contínua. Para gobernar corriente alterna con tiristores, se suelen asociar estos en antiparalelo, o también sustituyendo dos de los diodos de un rectificador puente por tiristores.
El circuito de la figura es una lámpara activada por tiristor. La Ve es alterna, así que la lámpara solo se encenderá durante un semiciclo de la tensión de entrada. El potenciómetro de 470 K regula la corriente que carga el condensador, de forma que este tardará más o menos en hacerlo, y por tanto la tensión de compuerta del tiristor aumentará más o menos rápidamente en función de ello, variando así el ángulo de disparo del tiristor y por tanto la potencia suministrada a la bombilla.
El Diac
El Diac es un dispositivo semiconductor de dos conexiones. Es un diodo bidireccional, una combinación paralela inversa de dos terminales de capas de semiconductor que permiten el disparo en cualquier dirección. Las características del dispositivo muestran que hay un voltaje de ruptura en ambas direcciones. Esta posibilidad de una condicion de encendido en cualquier dirección puede usarse al máximo para aplicaciones en AC.
Los Diac son una clase de tiristor, y se usan normalmente para disparar los triac, otra clase de tiristor. Se activa cuando el voltaje entre sus terminales alcanza el voltaje de ruptura, dicho voltaje puede estar entre 20 y 36 volts según la referencia. En la curva podemos ver que su comportamiento es similar al de un tiristor, salvo que su tensión de disparo es única y en ambos sentidos.

En el esquema podemos ver un diac utilizado para controlar un Triac en una regulación de corriente alterna. La carga del condensador es regulada mediante el potenciómetro, cuando la tensión del condensador llegue a la de disparo del diac, este entrará en conducción, activando el Triac, que hará lo mismo, e iluminándose la bombilla.

 

Triac

Un Triac es un dispositivo semiconductor, de la familia de los tiristores . La diferencia con un tiristor convencional es que éste es unidireccional y el triac es bidireccional. De forma coloquial podría decirse que el triac es un interruptor capaz de conmutar la corriente alterna.
Su estructura interna se asemeja en cierto modo a la disposición que formarían dos tiristores en antiparalelo.
Posee tres electrodos: A1, A2 , o T1 y T2 según fabricantes (en este caso pierden la denominación de ánodo y cátodo) y puerta. El disparo del triac se realiza aplicando una corriente al electrodo puerta.       Estructura cristalina                                  Símbolo
La curva del Triac es similar a la del Diac, pero con la diferencia de que podemos controlar la tensión Vbd de disparo del Triac como en el tiristor, haciéndola mayor o menor y regulando así la potencia que dejamos pasar en ambos sentidos (CA).
El triac puede ser disparado en cualquiera de los dos cuadrantes I y III mediante la aplicación entre los terminales de compuerta G y MT1 de un impulso positivo o negativo. Esto le da una facilidad de empleo grande y simplifica mucho .

 

Regulación de potencia por el Triac

En el circuito simplificado de la figura, tenemos un triac en serie con una carga, por lo que esta recibirá potencia eléctrica cuando el triac entre en conducción. La corriente promedio entregada a la carga puede variarse alterando la cantidad de tiempo por ciclo que el triac permanece en el estado encendido. Si permanece una parte pequeña del tiempo en el estado encendido, el flujo de corriente promedio a través de muchos ciclos será pequeño, en cambio si permanece durante una parte grande del ciclo de tiempo encendido, la corriente promedio será alta.
Un triac no esta limitado a 180 de conducción por ciclo. Con un arreglo adecuado del disparador, puede conducir durante el total de los 360 del ciclo. Por tanto proporciona control de corriente de onda completa, en lugar del control de media onda que se logra con un SCR. Después de transcurrido los 30 , el triac dispara y se vuelve como un interruptor cerrado y comienza a conducir corriente a la carga, esto lo realiza durante el resto del semiciclo. La parte del semiciclo durante la cual el triac esta encendido se llama ángulo de conducción.
En las formas de onda del ejemplo (a), estamos disparando el Triac cuando la tensión entre sus terminales A1 y A2 es pequeña. Al dispararlo, el triac entra en conducción y la corriente puede atravesar la carga, creándose esa forma de onda. Si fuese una bombilla, se iluminaría mucho. Se ve también que al ser disparado, la VA1A2 del triac desciende a prácticamente cero voltios. El Triac, al pasar la tensión por cero voltios, se bloquea, y por lo tanto tenemos que volver a dispararlo en el semiciclo negativo.
En el ejemplo (b), estamos disparando el Triac a 120 grados, por lo que el tiempo en el que entregamos corriente a la carga es mucho más pequeño.
El Triac, al igual que el tiristor y el Diac, se bloquea cuando la tensión en sus terminales pasa por cero voltios, por lo que hay que dispararlo en cada cambio de semiciclo de la tensión de alimentación.

Regulador de luz por triac

            El cebado del triac se realiza mediante una célula RC que introduce un desfase debido a la constante de tiempo de carga del C. La constante está determinada por los valores de R, P, y C
El retraso introducido por el circuito RC puede ser variado con el potenciómetro y con ello la potencia media entregada a la carga.
Cuando el poteciómetro está al mínimo, habrá menos desfase en la señal con lo que producimos el impulso antes y aplicamos más potencia a la RL.
Si aumentamos el valor de P, el impulso se producirá más tarde y aplicamos menos potencia a la carga, ya que está más tiempo.

 

Funcionamiento:
El potenciómetro (250K) tiene cinco terminales, dos de ellos forman la llave que conecta el circuito a la red. Al conectarlo, una pequeña intensidad atravesará la bombilla y el potenciómetro, cargando el condensador de 100K. Esto ocurre muy rápidamente. A través de la resistencia de 8,2K, aplicamos tensión al Diac, que en cuanto supere los 30 Voltios, se disparará, conduciendo y permitiendo la aplicación de un impulso de tensión en la puerta del Triac, con lo que a su vez este también se disparará, permitiendo el paso de corriente y encendiéndose por tanto la bombilla.
Variando el potenciómetro, variamos la velocidad de carga del condensador de 100K, o lo que es lo mismo, variamos el ángulo de disparo del Diac, y por tanto el ángulo de conducción del Triac. Ello ocurre en cada semiciclo de la tensión de entrada, de forma que controlamos prácticamente los 360 grados de la misma.

PRACTICAS DE ELECTRONICA CON EL COCODRILE.

1.- Polarización de diodos.

Realiza el siguiente circuito.

 

Antes de activar los pulsadores, analiza qué lámparas  se encenderán en cada caso. Anota  tus respuestas y razónalas.

 

2.- Rectificador de media onda.

Realiza el siguiente circuito.

 

Coloca la sonda antes y después del interruptor, cuando hayas activado este.
¿Qué forma de onda obtienes en el osciloscopio?
¿Podemos alimentar un circuito electrónico con este rectificador? ¿Por qué?

 

3.- Rectificador puente con y sin filtro.

Realiza el siguiente circuito.

 

Comprueba con el osciloscopio la señal de salida.
¿Nos sirve este circuito para alimentar un circuito electrónico?
Coloca un condensador de 500 uf en paralelo con la resistencia de salida, y comprueba  con el osciloscopio la forma de onda de la tensión de salida.

 

4.- Rectificador doblador de tensión.

 

Describe que el funcionamiento del circuito. Comprueba que la tensión de salida es el doble de la tensión máxima de entrada, utilizando la sonda del osciloscopio.

 

5.- Resistencia LDR.

Realiza el siguiente circuito.

 

Comprueba, variando la luz que aplicas a la LDR, varía su resistencia. Razona por qué cuando aplicamos mucha luz, la tensión en la resistencia variable de 10k aumenta, y por qué disminuye dicha tensión cuando disminuimos la tensión aplicada.

 

 

6.- Carga y descarga de un condensador.

Realiza los dos circuitos en la misma ventana. Realiza la siguiente secuencia, primero en uno y luego en otro.
1.- cerrar interruptor de entrada con el de salida abierto.
2.- Abrir interruptor de entrada.
3.- Cerrar interruptor de salida.

Explica qué es lo que ocurre con la tensión del condensador. ¿Por qué en un caso se carga  más rápido que en el otro? ¿Por qué se descarga también en tiempos diferentes? Ayúdate de la sonda del osciloscopio para comprobar los tiempos de carga y descarga.

 

7.- Estabilización de la tensión con diodo zener

Realiza el siguiente circuito

 

Ve incrementando lentamente la tensión de entrada, observando que ocurre con la tensión de salida.

¿Por qué la tensión de salida no pasa de 10 Voltios?
Cuando la tensión de entrada es de 20 voltios ¿Qué ocurre con el diodo Zener? ¿En qué zona de trabajo está?
Haz la prueba de eliminar la resistencia de 200 ohmios, y aplica 20 voltios a la entrada. ¿Por qué explota el Zener? ¿Qué misión tiene entonces la resistencia de 200 ohmios?.

 

8.- Transistor como conmutador

 

El botón es un inyector de señal digital. Pulsando en él cambia de nivel lógico cero a nivel lógico uno, y viceversa. Analiza qué es lo que pasa a la salida. Sustitúyelo por el generador de señal cuadrada y analiza la tensión de salida con el osciloscopio. ¿Qué diferencia encuentras entre corte y saturación? ¿Podríamos fabricar puertas lógicas a base de transistores bipolares?

 

9.- Amplificador

 

Este circuito es un amplificador básico. Comparando las formas de onda azul (entrada de señal) y roja (salida del amplificador), comprueba que efectivamente, amplificamos una señal alterna.
Varía el potenciómetro (volumen) para comprobar cómo la ganancia del transistor varía.
¿Qué ocurre cuando la ganancia es la máxima?
¿Qué entiendes por distorsión de una señal?
¿Para qué crees que sirve el condensador colocado en el emisor del transistor?

 

 

10.- Ahuyenta ladrones.
En este circuito, tenemos un transistor controlado por luz. El transistor gobierna un relé, de forma que cuando hay luz, el motor de salida gira hacia un lado, abriendo una cortina, y cuando es de noche, gira hacia el otro, cerrando la cortina. Los conmutadores de la izquierda en realidad son finales de carrera que están a ambos lados de la cortina. Cuando no están pulsados (la cortina no está ni abierta ni cerrada), los finales de carrera se encuentran en la posición indicada en el esquema. Cuando la cortina se cierra del todo, se pulsa el conmutador de abajo, encendiéndose la lámpara, y cuando la cortina se abre del todo, se pulsa el conmutador de arriba. Conociéndose todo ello, se trata de explicar qué ocurre con este circuito cuando es de día y cuando es de noche, analizando el comportamiento de los transistores. Para ello, conviene que realices el circuito en el cocodrile y explores las diferentes posibilidades, para ver que pasa con el motor.

 

11.- Temporizador

Realiza el siguiente circuito y explica su funcionamiento. Prueba a cambiar el valor del condensador  por otro cinco veces mayor, y otro cinco veces menor, y explica qué es lo que pasa.

 

12.- Cebado y descebado de un tiristor.

 

Describe el funcionamiento de los dos circuitos.

 1º circuito:
¿Por qué al quitar la corriente a la puerta, la bombilla sigue encendida?

2º circuito:
¿Cuándo se ceba el tiristor, de día o de noche? ¿Y por qué no se apaga la bombilla ella sola cuando amanece de nuevo? ¿Es un encendido/apagado automático o semiautomático?

 

13.- Alarma mediante Tiristor