Electrónica

Componentes semiconductores

Un semiconductor es un componente que no es directamente un conductor de corriente, pero tampoco es un aislante. En un conductor la corriente es debida al movimiento de las cargas negativas (electrones). En los semiconductores se producen corrientes producidas tanto por el movimiento de electrones como de las cargas positivas (huecos). Los semiconductores son aquellos elementos pertenecientes al grupo IV de la Tabla Periódica (Silicio, Germanio, etc.). Generalmente a estos se le introducen átomos de otros elementos, denominados impurezas, de forma que la corriente se deba primordialmente a los electrones o a los huecos, dependiendo de la impureza introducida. Otra característica que los diferencia se refiere a su resistividad, estando ésta comprendida entre la de los metales y la de los aislantes.

Los semiconductores son muy importantes en electrónica ya que gracias a ellos contamos hoy con diversos componentes de gran utilidad en electrónica, tales como diodos, transistores, tiristores, triac, etc.

EL DIODO SEMICONDUCTOR

Es el dispositivo semiconductor más sencillo y se puede encontrar prácticamente en cualquier circuito electrónico. Los diodos se fabrican en versiones de silicio (la más utilizada) y de germanio.

Constan de dos partes una llamada N y la otra llamada P, separados por una juntura también llamada barrera o unión. Esta barrera o unión es de 0.3 voltios en el germanio y de 0.6 voltios aproximadamente en el diodo de silicio.

El diodo se puede hacer funcionar de 2 maneras diferentes:

¿Qué aplicaciones tiene el diodo? Los diodos tienen muchas aplicaciones, pero una de la más comunes es el proceso de conversión de corriente alterna (C.A.) a corriente continua (C.C.). En este caso se utiliza el diodo como rectificador

Símbolo del diodo ( A - ánodo K - cátodo)

EL DIODO ZENER

Es un tipo especial de diodo que diferencia del funcionamiento de los diodos comunes, como el diodo rectificador, en donde se aprovechan sus características de polarización directa y polarización inversa, el diodo Zener siempre se utiliza en polarización inversa, en donde la corriente desea circular en contra de la flecha que representa el mismo diodo.

Flujo normal de corriente en un diodo zener

En este caso analizaremos el diodo Zener, pero no como un elemento ideal, si no como un elemento real y debemos tomar en cuenta que cuando éste se polariza en modo inverso si existe una corriente que circula en sentido contrario a la flecha del diodo, pero de muy poco valor.

Curva característica del diodo Zener

Analizando la curva del diodo zener vemos que en el lugar donde se marca como región operativa, la corriente (Ir, en la línea vertical inferior) puede variar en un amplio margen, pero el voltaje (Vz) no cambia. Se mantiene aproximadamente en 5.6 V. (para un diodo zener de 5.6 V)

¿Qué aplicaciones tiene el diodo Zener? La principal aplicación que se le da al diodo Zener es la de regulador.

¿Qué hace un regulador con Zener?, Un regulador con zener ideal mantiene un voltaje fijo predeterminado, a su salida, sin importar si varía el voltaje en la fuente de alimentación y sin importar como varíe la carga que se desea alimentar con este regulador.

Nota: En las fuentes de voltaje ideales (algunas utilizan, entre otros elementos el diodo zener), el voltaje de salida no varía conforme varía la carga. Pero las fuentes no son ideales y lo normal es que la tensión de salida disminuya conforme la carga va aumentado, o sea conforme la demanda decorriente de la carga aumente.

Símbolo del diodo zener ( A - ánodo K - cátodo)

EL DIODO LED

(Light Emiter Diode - diodo emisor de luz)

Si alguna vez has visto, unas pequeñas luces de diferentes colores que se encienden y apagan, en algún circuito electrónico, sin lugar a dudas has visto los diodo LED en funcionamiento.

El LED es un tipo especial de diodo, que trabaja como un diodo común, pero que al ser atravesado por la corriente emite luz.

Existen diodos LED es de varios colores y estos dependen del material con el cual fueron construidos. Hay de color rojo, verde, amarillo, ámbar, infrarrojo.

Debe de escogerse bien la corriente que atraviesa el LED para obtener una buena intensidad luminosa. El LED tiene un voltaje de operación que va de 1.5 V a 2.2 Voltios. aproximadamente y la gama de corrientes que debe circular por el va de 10 mA a 20 mA en los diodos de color rojo y de entre 20 mA y 40 mA para los otros LEDs.

Tiene enormes ventajas sobre las lámparas indicadoras comunes, como son su bajo consumo de energía, su mantenimiento casi nulo y con una vida aproximada de 100,000 horas.

Qué Aplicaciones tiene el diodo LED?

Se utiliza ampliamente en aplicaciones visuales, como indicadoras de cierta situación específica de funcionamiento.

Ejemplos:

Se utilizan para desplegar contadores

Para indicar la polaridad de una fuente de alimentación de corriente directa.

Para indicar la actividad de una fuente de alimentación de corriente alterna.

El amplificador Operacional

Básicamente el Amp. Op. es un dispositivo amplificador de la diferencia de sus dos entradas, con una alta ganancia, una impedancia de entrada muy alta y una impedancia de salida baja.

- El amplificador tiene 2 entradas: una de ellas es la entrada inversora (-) y la otra es la entrada no inversora (+) y tiene una sola salida.

- Este amplificador se alimenta usualmente por una fuente de voltaje de doble polaridad que está en los rangos de +/- 5 Voltios a +/- 15 Voltios, también se puede alimentar con una sola fuente con ayuda de un arreglo adicional.

El Amplificador Operacional utilizado como inversor

Por qué el nombre de inversor? La razón es muy simple: la señal de salida es igual en forma (no necesariamente en magnitud) a la señal de entrada, pero invertida. (cuando la señal de entrada se mueve en un sentido, la de salida se mueve en sentido opuesto).

La ganancia del amplificador o lo que es lo mismo la relación de magnitudes entre la señal de salida y la de entrada, depende de los valores de las resistencias R1 y R2 y está dada por la fórmula: Av = - R2 / R1 (El signo negativo indica que la señal de salida es la invertida de la señal de entrada)

Por ejemplo si R1 = 1 K y R2 = 10 K, la ganancia del amplificador será:

Av = 10 K / 1 K = 10

El Amplificador Operacional utilizado como No inversor

A este tipo de amplificador la señal le entra directamente a la entrada no inversora (+) y la resistencia de entrada R1 se pone a tierra. En este caso la impedancia de entrada es mucho mayor que en el caso del amplificador inversor.

Aquí, si la señal de entrada se mueve en un sentido, la señal de salida se mueve en el mismo sentido o sea la señal de salida sigue a la de entrada (están en fase).

En esta configuración la ganancia de de voltaje es siempre mayor de 1 y está dada por la fórmula:

Av = 1 + R2 / R1

EL TRIAC

El triac se caracteriza por tener una compuerta para controlar las condiciones de disparo del dispositivo en cualquier dirección. Para cada dirección posible de conducción hay una combinación de capas semiconductoras cuyo estado se controla mediante la señal aplicada a la terminal de compuerta.

Un triac puede conducir en ambas direcciones, y normalmente se utiliza en el control de fase de corriente alterna. Se puede

Si la terminal MT2 es positiva con respecto a la terminal MT1, el TRIAC se puede activar aplicando una señal de compuerta positiva entre la compuerta G y la terminal MT1. Si la Terminal MT2 es negativa con respecto a la terminal MT1, se aplicará una señal negativa de compuerta entre G y la terminal MT1. En si el TRIAC se puede activar tanto con una señal positiva como con una negativa de compuerta.

La fotorresistencia o LDR

Light dependent Resistor - Resistencia dependiente de la luz

El LDR es una resistencia que varía su valor dependiendo de la cantidad de luz que lo ilumina. Los valores de una fotorresistencia cuando está totalmente iluminada y cuando está totalmente a oscuras varía, pero no pasa de 1K (1000 Ohms) en iluminación total y no es menor a 50K (50,000 Ohms) cuando está a oscuras.

El valor de la fotorresistencia (en Ohmios) no varía de forma instantánea cuando se pasa de luz a oscuridad o al contrario, y el tiempo que se dura en este proceso no siempre es igual si se pasa de oscuro a iluminado o si se pasa de iluminado a oscuro.

Esto hace que el LDR no se pueda utilizar en muchas aplicaciones, especialmente aquellas que necesitan de mucha exactitud en cuanto a tiempo para cambiar de estado (oscuridad a iluminación o iluminación a oscuridad) y a exactitud de los valores de la fotorresistencia al estar en los mismos estados anteriores.

Pero hay muchas aplicaciones en las que una fotorresistencia es muy útil, como el circuito: Luz nocturna de encendido automático, que utiliza una fotorresistencia para activar una o mas luces al llegar la noche o el Relay controlado por luz, donde el estado de iluminación de la fotorresistencia, activa o desactiva un Relay, que puede tener un gran número de aplicaciones.

EL FOTODIODO

Es un dispositivo que conduce una cantidad de corriente de acuerdo a la cantidad de luz que lo incide. Esta corriente fluye en sentido opuesto a la flecha del diodo (es la llamada corriente de fuga). Al revés de los diodos normales

Puede ser utilizado como dispositivo detector de luz, que convierte la luz en electricidad. Cuando a un fotodiodo le incide la luz, se inicia el flujo de una corriente

Si el fotodiodo quedara conectado, de manera que por él circule la corriente en el sentido de la flecha, la luz que lo incide no tendría efecto sobre él y se comportaría como un diodo normal..

La mayoría de los fotodiodos vienen equipados con un lente que concentra la cantidad de luz que lo incide, de manera que su reacción a la luz que lo incide sea más evidente. A diferencia del LDR o fotorresistencia, el fotodiodo responde a los cambios de oscuridad a iluminación y viceversa con mucha más rapidez.

EL FOTO TRANSISTOR

Un fototransistor es en esencia lo mismo que un transistor normal, solo que puede trabajar de 2 maneras diferentes:

· Como un transistor normal con la corriente de base (IB) (modo común)

· Como fototransistor, cuando la luz que incide en este elemento hace las veces de corriente de base. (IP) (modo de iluminación).

Se pueden utilizar las dos en forma simultánea, aunque el fototransistor se utiliza principalmente con la patita de la base sin conectar. (IB = 0)

Si se desea aumentar la sensibilidad del transistor, debido a la baja iluminación, se puede incrementar la corriente de base (IB ), con ayuda de polarización externa

El circuito equivalente de un fototransistor, es un transistor común con un fotodiodo conectado entre la base y el colector, con el cátodo del fotodiodo conectado al colector del transistor y el ánodo a la base.

Algunas aplicaciones de los transistores

Al transistor se lo puede montar en emisor común (EC), base común (BC) o colector común (CC). Cada una de estas configuraciones posee ventajas y desventajas una respecto de las otras, siendo la de emisor común la mas recurrida a la vez que es la de mejor respuesta en la mayor parte de las aplicaciones.

Cada configuración obtiene diferentes coeficientes de ganancia en tensión (GV), así como diferentes impedancias tanto de entrada como de salida.

A continuación vemos un resumen de las principales características de cada uno de los tres posibles montajes:

El montaje en Base Común posee una mayor ganancia de tensión frente a los otros dos. También tiene baja impedancia de entrada, lo que lo hace bastante inadecuado para operar en circuitos de baja frecuencia (B. F.).

Con un montaje en Colector Común logramos una muy baja distorsión sobre la señal de salida y, junto con el montaje en Base Común, es bastante idóneo a la hora de diseñar adaptadores de impedancia.

Amplificación:

Es la aplicación práctica mas importante para la que se usan los transistores. El diagrama muestra una etapa amplificadora en emisor común:

El transistor ha sido polarizado por medio de polarización por división de tensión.

Como sabemos, un capacitor en altas frecuencias se comporta como un cortocircuito mientras que a bajas frecuencias la misma aumenta hasta comportarse como un circuito abierto para C.C.

Viéndolo desde este punto de vista conviene analizar al amplificador en dos etapas, una desde el punto de vista de la C.A. y el otro desde el punto de vista de la C.C.

Con esta subdivisión podremos analizar al circuito mediante dos circuitos mas sencillos, con lo cual, gracias a la teoría de la superposición, lo que ocurrirá será que la respuesta total resultará de la suma de los datos obtenidos en los dos circuitos en que descompusimos al original.

Comenzaremos el análisis en el dominio de la C.C., para ello seguimos los siguientes pasos:

1º) Se cortocircuita el generador de entrada de alterna.

2º) Se consideran los capacitores como circuitos abiertos.

3º) Se analiza este circuito resultante.

Abriendo C₁, C₂ y C₃ y cortocircuitando al generador de entrada en nuestro circuito obtenemos el circuito resultante que vemos a continuación:

Ahora, y con las referencias ya explicadas, se procede a la resolución del circuito resultante. Con estos datos obtenemos el punto de polarización (Q).

Para el análisis en C.A. recurrimos a las siguientes reglas:

1º) Se cortocircuita la fuente de tensión de C.C.

2º) Se considera a los capacitores como circuitos cerrados (cortocircuitos).

3º) Se estudia el circuito resultante.

En la figura vemos de que forma hemos procedido para obtener el circuito resultante:

Los capacitores han desaparecido del circuito haciéndose cortocircuitos, la resistencia R₄ desaparece por estar en paralelo con un cortocircuito, las resistencias R₁ y R₃ están ahora en paralelo, con lo cual obtenemos R_a. Con las resistencias de salida ocurre lo mismo, y obtenemos R_b.

Para terminar con nuestro análisis debemos suponer que ahora aplicamos una señal al circuito y veremos cómo varía el punto Q

En la figura vemos un ejemplo, donde se muestra el punto Q en ausencia de señal y cómo varía con la aplicación de una señal de entrada.

Se ve que la señal I_e no es una correspondencia directa de la aplicada en la base del transistor dado la curvatura de la gráfica de la característica del transistor.

Es importante verificar bien el lugar de ubicación del punto Q, dado que si queremos que el transistor opere en la zona activa y polarizamos a éste en un punto Q cercano a la zona de saturación, corremos el riesgo de que cuando le aplicamos una señal de entrada, Q se desplace hacia la zona de saturación, dejando la zona activa. Para evitar este problema conviene analizar siempre antes la variación de Q en nuestro transistor y verificar que no salga de la región donde queremos que trabaje.

Otra familia de transistores muy importante es la de los de efecto de campo, de los cuales es parte el FET. Los mismos realizan la función de control de la corriente mediante una tensión aplicada en uno de sus terminales.

Están construidos con una zona semiconductora tipo P o N que une los dos terminales (Fuente y Drenador), a esta región se la llama canal y sobre ésta existe otra con signo opuesto que se conecta a la puerta, entre ambas se forma una unión PN o NP, según sea su topología. Este conjunto está montado sobre un semiconductor con igual signo al de la puerta. Cuando se aplica una tensión entre Drenador y Fuente, habrá circulación de corriente por el canal.

El control de dicha corriente se hará con una tensión variable que es aplicada a la puerta, ya que, al aplicar dicha tensión, las uniones P-N se polarizan en forma inversa, haciendo que el canal se haga más delgado y, por consiguiente, aumente la resistencia de éste, generando así una variación de la corriente circulante por él.

Como esta corriente de Puerta será extremadamente débil debido a que se trata de una unión polarizada en inversa, será posible variar la corriente que circula por el transistor sin que sea necesario absorber corriente de él.

También la familia de transistores MOS o MOSFET (Metal, Oxido, Semiconductor) es parte de los transistores de efecto de campo.

Este tipo de transistor es fabricado partiendo de un semiconductor tipo P en el que se difunden dos regiones tipo N que forman la fuente y el Drenador, y, encima de la superficie de estos, se aplica una capa de dióxido de silicio (SiO₂), que tiene la propiedad de ser muy aislante, sobre la que está situada la Puerta. Entre Fuente y Drenador también existirá un canal similar al del tipo FET, cuya resistencia y anchura será controlada con la tensión de puerta.

En las curvas características de los transistores de efecto de campo se representa la corriente de Drenador (I_D) en función de la tensión aplicada entre Drenador y Fuente (V_DS). Como en el caso de la transferencia de los transistores bipolares, se traza una curva para cada uno de los valores de V_GS deseados. También en estas curvas se observan dos zonas; desde el origen la corriente crece con la tensión, pero alcanzado cierto valor V_p, se hace constante y se forma a partir de allí la segunda zona, a estas dos zonas se las llama región lineal a la primera y región de saturación a la última.

Este tipo de transistores pueden ser utilizados en los circuitos en una disposición similar a la de los bipolares, es decir: Fuente común, Puerta común y Drenador común, aunque la primera y la última son las más utilizadas en la práctica.

Circuitos electrónicos y sus aplicaciones:

Fuentes de Alimentación.

La mayoría de los equipos electrónicos requieren tensiones de CC para su funcionamiento. Estas tensiones pueden ser suministradas por baterías o por fuentes de alimentación internas que convierten la corriente alterna, que puede obtenerse de la red eléctrica que llega a cada vivienda, en tensiones reguladas de CC. El primer elemento de una fuente de alimentación de CC interna es el transformador, que eleva o disminuye la tensión de entrada a un nivel adecuado para el funcionamiento del equipo. La función secundaria del transformador es servir como aislamiento de masa (conexión a tierra) eléctrica del dispositivo a fin de reducir posibles peligros de electrocución. A continuación del transformador se sitúa un rectificador, que suele ser un diodo. En el pasado se utilizaban diodos de vacío y una amplia variedad de diferentes materiales (cristales de germanio o sulfato de cadmio) en los rectificadores de baja potencia empleados en los equipos electrónicos. En la actualidad se emplean casi exclusivamente rectificadores de silicio debido a su bajo coste y alta fiabilidad.

Las fluctuaciones y ondulaciones superpuestas a la tensión de CC rectificada (percibidas como un zumbido en los amplificadores de sonido defectuosos) pueden filtrarse mediante un condensador. Cuanto más grande sea el condensador, menor será el nivel de fluctuación de la tensión. Es posible alcanzar un control más exacto sobre los niveles y fluctuaciones de tensión mediante un regulador de tensión, que también consigue que las tensiones internas sean independientes de las fluctuaciones que puedan encontrarse en un artefacto eléctrico. Un sencillo regulador de tensión que se utiliza a menudo es el diodo de Zener, formado por un diodo de unión pn de estado sólido que actúa como aislante hasta una tensión predeterminada. Por encima de dicha tensión, se convierte en un conductor que deriva los excesos de tensión. Por lo general, los reguladores de tensión más sofisticados se construyen como circuitos integrados.

Circuitos amplificadores

Los amplificadores electrónicos se utilizan sobre todo para aumentar la tensión, la corriente o la potencia de una señal. Los amplificadores lineales incrementan la señal sin distorsionarla (o distorsionándola mínimamente), de manera que la salida es proporcional a la entrada. Los amplificadores no lineales permiten generar un cambio considerable en la forma de onda de la señal. Los amplificadores lineales se utilizan para señales de sonido y vídeo, mientras que los no lineales se emplean en osciladores, dispositivos electrónicos de alimentación, moduladores, mezcladores, circuitos lógicos y demás aplicaciones en las que se requiere una reducción de la amplitud. Aunque los tubos de vacío tuvieron gran importancia en los amplificadores, hoy día suelen utilizarse circuitos de transistores discretos o circuitos integrados.

Amplificadores de sonido

Los amplificadores de sonido, de uso común en radios, televisiones y grabadoras de cintas, suelen funcionar a frecuencias entre 2 y 20 kiloherz (1 kHz = 1.000 ciclos por segundo). Amplifican la señal eléctrica que, a continuación, se convierte en sonido con un altavoz. Los amplificadores operativos, incorporados en circuitos integrados y formados por amplificadores lineales multifásicos acoplados a la corriente continua, son muy populares como amplificadores de sonido.

Amplificadores de vídeo

Los amplificadores de vídeo se utilizan principalmente para señales con un rango de frecuencias de hasta 6 megaherz (1 MHz = 1 millón de ciclos por segundo). La señal generada por el amplificador se convierte en la información visual por ejemplo la que aparece en la pantalla de televisión, y la amplitud de señal regula el brillo de los puntos que forman la imagen. Para realizar esta función, un amplificador de vídeo debe funcionar en una banda ancha y amplificar de igual manera todas las señales, con baja distorsión.

Amplificadores de radiofrecuencia

Estos amplificadores aumentan el nivel de señal de los sistemas de comunicaciones