Cartilla 4

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MANTENIMIENTO DE HARDWARE

Centro Gestión Comercial y Mercadeo Programa de Teleinformática 2008

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Sistema de Gestión de la Calidad

Fecha: 30-0-9-08

MANTENIMIENTO DE HARDWARE (TBT)

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Autores

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Nombre

Cargo

Monica L. Pacheco J.

Alumno

Ing. John Pérez

Dependencia Centro de Gestión de Mercados, Logística y Tecnologías de la Información

Firma

Fecha

Centro de Gestión de Mercados, Logística y Instructor Tecnologías de la Información

MONICA L. PACHECO J. 40063

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ELECTRONICA ANALOGICA CARTILLA

6

MODULO I INTRODUCCION Desde el descubrimiento de la electricidad, el hombre ha buscado siempre encontrarle nuevas aplicaciones que buscan fundamentalmente satisfacer necesidades humanas y crear un mundo más confortable para él. El desarrollo de nuevas tecnologías que parten de los fenómenos eléctricos como la electrónica que como campo de la de la ingeniería y de la física ha tenido un avance tan vertiginoso que cada día conocemos nuevos productos en todos los campos, de ahí la importancia que como usuarios formados en un campo especifico de ella, debemos

conocer

los principios básicos fundamentales

relativos a la identificación y aplicación de dispositivos, para la generación, transmisión, recepción y almacenamiento de información desde de una perspectiva netamente eléctrica electrónica. La electrónica es una parte de la física que se encarga del estudio de los sistemas eléctricos enfocados desde el punto de vista del comportamiento

individual

del

electrón

(la

mínima

partícula

eléctrica). La electrónica digital considera valores discretos de tensión, corriente o cualquier otra medida; esto es valores concretos determinados,

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mientras que la electrónica analógica considera y trabaja con valores continuos de estas variables; pudiendo tomar infinitos valores (teóricamente al menos). La electrónica analógica considera y trabaja con valores continuos pudiendo tomar valores infinitos, podemos acotar que trata con señales que cambian en el tiempo de forma continua porque estudia los estados de conducción y no conducción de los diodos y los transistores que sirven para diseñar cómputos en el algebra con las cuales se fabrican los circuitos integrados. La Electrónica Analógica abarca muchos campos como por ejemplo, la electrónica analógica dinámica que trata de un circuito que traslada hondas o vibraciones a un sistema eléctrico, la analógica hidráulica la cual es existente entre una corriente del agua de superficie plana o un flujo bidimensional como ejemplo un reloj, el cual tiende a tene4r engranaje de diferentes tipos los cuales son movidos por un conductor el mueve los engranajes que son diferentes tamaños pero cada uno para una función especifica como la de los segundos, minutos y horas. También podemos decir que la electrónica analógica define campos más específicos tales como: •

Conducción de semiconductores.

•

Diodos

•

Circuitos con diodos.

•

Transistor bipolar

•

Etapas transisiz

•

Transistores de efecto de campo.

•

Amplificación y retroalimentación.

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•

Amplificador operacional (I).

•

Amplificador operacional (II).

Al terminar de desarrollar la guía de aprendizaje el alumno trabajador estará en capacidad de. •

procesar la información básica, general y veraz sobre los distintos dispositivos pasivos y activos electrónicos presentes en equipos de red

•

Explicar los conceptos básicos de cada uno de los dispositivos electrónicos presentes en los equipos de red.

•

Analizar los diferentes sistemas de diagramación.

•

Identificar la simbología propia de dispositivos electrónicos fundamentales.

•

Identificar los diferentes componentes electrónicos de un circuito electrónicos.

•

Realizar análisis básico de probables fallas de hardware en equipos de red, partiendo de las características propias de funcionamiento de sus componentes.

•

Realizar procesos de montaje de circuitos electrónicos básicos.

•

Interpretar planos electrónicos básicos

RESISTORES

Un resistor ideal es un componente que posee dos terminales. Se caracteriza porque la diferencia de potencial

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instantánea entre los terminales es directamente proporcional a la corriente que circula por el mismo. V = R .I

La constante de proporcionalidad R es la resistencia del elemento y su unidad dimensional es el Ohm (Ω). Código de colores Es el código con el que se regula el marcado de el valor nominal y tolerancia para resistores fijas de carbón y metálicas de capa fundamentalmente.

Tenemos que resaltar que con estos códigos lo que obtenemos es el valor nominal de la resistencia pero no el valor real que se situará dentro de un margen según la tolerancia que se aplique.

Código de colores para tres o cuatro bandas

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COLOR

1ª CIFRA

2ª CIFRA

Nº DE CEROS

TOLERANCIA (+/-%)

PLATA

-

-

0,01

10% 5%

ORO

-

-

0,1

NEGRO

-

0

-

-

MARRÓN

1

1

0

1%

ROJO

2

2

00

2%

NARANJA

3

3

000

-

AMARILLO

4

4

0000

-

VERDE

5

5

00000

-

AZUL

6

6

000000

-

VIOLETA

7

7

-

-

GRIS

8

8

-

-

9

9

-

-

BLANCO

Tolerancia: sin indicación +/- 20%

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Código de colores para cinco bandas

COLOR

1ª CIFRA 2ª CIFRA 3ª CIFRA Nº DE CEROS TOLERANCIA (+/-%)

PLATA

-

-

-

0,01

-

ORO

-

-

-

0,1

-

NEGRO

-

0

0

-

-

MARRÓN

1

1

1

0

1%

ROJO

2

2

2

00

2%

NARANJA

3

3

3

000

-

AMARILLO

4

4

4

0000

-

VERDE

5

5

5

00000

0,5%

AZUL

6

6

6

000000

-

VIOLETA

7

7

7

-

-

GRIS

8

8

8

-

-

BLANCO

9

9

9

-

-

Resistores de montaje superficial SMD (Surface Mounted Device) Identificar el valor de un resistor SMD es más sencillo que para un resistor convencional ya que las bandas de colores son reemplazadas por sus equivalentes numéricos y así se estampan en la superficie del resistor, la banda indicadora de tolerancia desaparece y se la "presupone" en base al número de dígitos que se indica, es decir: un número de tres dígitos nos indica en esos tres dígitos el valor del resistor, y la ausencia de otra indicación nos dice que se trata de un resistor con una tolerancia del

5%. Un número de cuatro dígitos

indica en los cuatro dígitos su valor y nos dice que se trata de un resistor con una tolerancia de error del 1%. fig.1 fig.2 -primer dígito:

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corresponde al primer dígito del valor -segundo dígito: corresponde al segundo dígito del valor -tercer dígito (5%): representa al exponente, o "números de ceros" a agregar (fig. 1) -tercer dígito (1%): corresponde al tercer dígito del valor (fig. 2) -cuarto dígito (1%): representa al exponente, o "número de ceros" a agregar

Resistencias Variables

Estas resistencias pueden variar su valor óhmico dentro de unos límites. Para ello se les ha añadido un tercer Terminal unido a un contacto móvil que puede desplazarse sobre el elemento resistivo proporcionando variaciones en el valor de la resistencia. Este tercer Terminal puede tener un desplazamiento angular (giratorio) o longitudinal (deslizante).

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Según su función en el circuito, estas resistencias se denominan: Potenciómetros: se aplican en circuitos donde la variación de resistencia la efectúa el usuario desde el exterior (controles de audio, video,etc.). Trimmers, o resistencias ajustables: se diferencian de las anteriores en que su ajuste es definitivo en el circuito donde van aplicadas. Su acceso está limitado al personal técnico (controles de ganancia, polarización,

etc.).

Reóstatos: son resistencias variables en las que uno de sus terminales extremos está eléctricamente anulado. Tanto en un potenciómetro como un trimmer, al dejar unos de sus terminales extremos al aire, su comportamiento será el de un reóstato, aunque estos están diseñados para soportar grandes corrientes. El potenciómetro Los potenciómetros y los reóstatos se diferencias entre si, entre otras cosas, por la forma en que se conectan. En el caso de los potenciómetros, estos se conectan en paralelo al circuito y se comporta

como un divisor de tensión..

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El

Reóstato

En el caso del reóstato, éste va conectado en serie con el circuito y se debe tener cuidado de que su valor (en ohmios) y su la potencia (en Watts (vatios)) que puede aguantar sea el adecuado para soportar la corriente ( I en amperios (ampere) que por el va a circular por él). Como regla general: Los potenciómetros se utilizan para variar niveles de voltaje y los reóstatos para variar niveles de corriente Las resistencias también se pueden dividir tomando en cuenta otras características: - Si son bobinadas. - Si no son bobinadas. - de débil disipación. - de fuerte disipación. - de precisión. Resistores no lineales Estas resistores se caracterizan porque su valor ohmico, que varía de forma no lineal, es función de distintas magnitudes físicas como puede ser la temperatura, tensión, luz, campos magnéticos, etc.. Asíestos resistores están considerados como sensores. Entre las más comunes podemos destacar las siguientes:

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Termistores

En estos resistores, cuyo valor ohmico cambia con la temperatura, además de las características típicas en resistores lineales fijas como valor nominal, potencia nominal, tolerancia, etc., que son similares para los termistores, hemos de destacar otras: Autocalentamiento: este fenómeno produce cambios en el valor de la resistencia al pasar una corriente eléctrica a su través. Hemos de tener en cuenta que también se puede producir por una variación en la temperatura ambiente. Resistores NTC

Esta resistencia se caracteriza por su disminución del valor resistivo a medida que aumenta la temperatura, por tanto presenta

un

coeficiente

de

temperatura

negativo.

Entre sus características se pueden destacar: resistencia nominal de 10 ohmios a 2M, potencias entre 1 microvatio y 35W, coeficiente de temperatura de -1 a -10% por ºC; y entre sus aplicaciones: regulación, compensación y medidas de temperaturas, estabilización de tensión, alarmas, etc. Resistores PTC

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Estas, a diferencia de las anteriores, tiene un coeficiente de temperatura positivo, de forma que su resistencia aumentará como consecuencia del aumento de la temperatura (aunque esto sólo se da en un margen de temperaturas). Varistores

Estos dispositivos (también llamados VDR) experimentan una disminución en su valor de resistencia a medida que aumenta la tensión aplicada en sus extremos. A diferencia de lo que ocurre con las NTC y PTC la variación se produce de una forma instantánea. Las aplicaciones más importantes de este componente se encuentran en: protección contra sobre tensiones, regulación de tensión y supresión de transitorios. Fotoresistores

Estas resistores, también conocidas como LDR, se caracteriza por su disminución de resistencia a medida que aumenta la luz que incide sobre ellas. Las principales aplicaciones de estos componentes: controles de iluminación, control de circuitos con relés, en alarmas, etc..

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Evidencia de conocimiento RESISTORES 1. Mencione cinco principales características de resistores fijos 2. Cuales son las principales características de resistores no lineales. 3. Realice un cuadro comparativo entre las diferencias y similitudes un potenciómetro, un reóstato y un trimmer. 4. Mencione el valor. 

Rojo-rojo-azul-café

* verde



Azul-amarillo-rojo

* plateado



Naranja-verde-café

* dorado

5. Mencione el valor en tecnología SMD y la tolerancia 

323 -

222

- 1423

-

000 -

122

- 423

1211

Un condensador es un componente electrónico formado por dos placas metálicas paralelas, llamadas armaduras, separadas entre sí por aire o cualquier material aislante, llamado dieléctrico. Tienen como función almacenar carga eléctrica para cederla en el momento que se necesite. La descarga se produce cuando las placas se ponen en contacto. Su capacidad se mide en faradios y nos indica la cantidad de carga que es capaz de almacenar el condensador cuando está conectado a cierta tensión. La formula con la que se expresa es: C = Q:V MONICA L. PACHECO J. 40063

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TIPOS DE CONDENSADORES •

Los condensadores fijos, a su vez, se clasifican según el tipo de material usado como dieléctrico. Así tenemos condensadores de papel, de plástico, de mica, cerámicos y electrolíticos.

•

Los condensadores variables están formados por un grupo de placas fijas y otro de placas móviles, que se pueden introducir entre las fijas sin tocarlas. Cuando se gira un mando las placas móviles entran y salen entre las fijas, haciendo asi que el condensador que forman los dos grupos de placas tengan mas o menos superficie. Como la capacidad esta relacionada con la superficie, la capacidad del conjunto se puede variar.

Condensadores mas habituales Condensador ajustable Condensador en el que un dispositivo mecánico (un tornillo, por ejemplo) permite regular su capacidad al hacer desplazarse unas armaduras móviles entre unas fijas. Condensador cerámico

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Condensador constituido por un dieléctrico cerámico revestido en sus dos caras de capas metálicas, normalmente plata, que actúan como armaduras. Gracias a la alta constante dieléctrica de las cerámicas, se consiguen grandes capacidades con un volumen muy pequeño. Condensador de papel Condensador cuyo dieléctrico está constituido por papel, por lo general impregnado de una cera mineral o un aceite (mineral o sintético). Condensador electrolítico Condensador, generalmente polarizado, que contiene dos electrodos, uno de ellos formado por un electrolito, que bajo la acción de una corriente eléctrica hace aparecer una capa de dieléctrico por oxidación del ánodo. Existen dos bases oxidables principales; el aluminio y el tantalio dando origen a los condensadores de óxido de aluminio y los condensadores de óxido de tantalio. Condensador de plástico Condensador que utiliza como dieléctrico una fina capa de material plástico. Existen varios plásticos con propiedades dieléctricas: Poli estireno, Polipropileno, Politetrafluoretileno (Teflón), Tereftalato de polietileno (Poliéster), Poli carbonato, Triacetato de celulosa, Poliparaxileno De todos ellos el más utilizado es el poliester ya que admite su metalización consiguiéndose condensador de tamaño muy reducido y bajo precio.

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Condensador variable Condensador con dos juegos de armaduras móviles una con respecto a la otra. Su uso implica una variación continua de la capacidad. Condensador de mica Condensador que utiliza como material dieléctrico una capa de mica. Aplicaciones típicas Los condensadores suelen usarse para: •

Baterías, por su cualidad de almacenar energía

•

Memorias, por la misma cualidad

•

Filtros

•

Adaptación de impedancias, haciéndoles resonar a una frecuencia dada

•

con otros componentes

Demodular FM, junto con un diodo

Tipos de condensadores

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Condensadores de tántalo. Actualmente estos condensadores no usan el código de colores (los más antiguos, si). Con el código de marcas la capacidad se indica en microfaradios y la máxima tensión de trabajo en voltios. El Terminal positivo se indica con el signo +:

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MODULO II SIMBOLOGIA CONDENSADORES simbología

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CONDENSADORES 1.

Establezca una relación de similitudes y diferencias entre los distintos tipos de condensadores.

2.

clasifique de tres formas diferentes los condensadores

3.

Mencione los usos de los condensadores.

4.

Identifique el símbolo con el nombre del condensador.

5.

complete la tabla

Condensadores

Clasificación

características

Posibles fallas

Fijos Variables 6. Escoja 5 tipos de condensadores mostrados en las figuras anteriores y menciones sus características eléctricas y su uso. 7. Justifique la posible importancia que representaría para usted el conocimiento sobre condensares en su titulación. 8.

Mencione

cinco

aplicaciones

básicas

y

específicas

de

condensadores en equipos electrónicos concretos.

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BOBINAS INTRODUCCIÓN

Teniendo como base fundamental los principios básicos de la corriente eléctrica, es de vital importancia que el alumno trabajador realice procesos de asimilación, análisis y montaje de circuitos electrónicos básicos cuyo objetivo principal será el que identifique las principales características de cada uno de los dispositivos que lo componen. La presente guía presenta las principales características de las bobinas y presenta una breve reseña de lo que son los diodos como elementos activos en un circuito electrónico. A partir del desarrollo de esta guía y sus diferentes actividades el alumno podrá identificar, analizar y realizar procesos de identificación, montaje y medición de los distintos dispositivos electrónicos formando parte de distintos tipos de circuitos. ELECTRONICA

CONOCIMIENTO Y COMPRENSION ANALOGICA: Bobinas, transformadores,

resistores,

condensadores, diodos, transistores, circuitos integrados. CRITERIOS DE EVALUACIÓN EVIDENCIAS DE APRENDIZAJE Identifica y describe el funcionamiento básico de los distintos componentes electrónicos de un equipo de red.

De conocimiento •

Informe de laboratorio, de consulta, realización de guías y presentación de pruebas verbales y escritas.

Identifica la simbología con que se

De conocimiento/Desempeño.

representan los distintos dispositi-

Presentación de prácticas y monta-

vos electrónicos dentro de un pla-

jes de laboratorio de tipo

no.

eléctrico/electrónico.

Realiza procesos de montaje y medición de las distintas magnitudes eléctricas presentes en circuitos

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electrónicos básicos. LA BOBINA Cierto número de vueltas de cable que introducen inductancia magnética en un circuito eléctrico para producir flujo magnético o para reaccionar mecánicamente a variaciones de flujo magnético. Son componentes pasivos de dos terminales que generan un flujo magnético cuando se hacen circular por ellas una corriente eléctrica. Se fabrican arrollando un hilo conductor sobre un núcleo de material ferromagnético

o

al

aire.

Su unidad de medida es el Henrio (H) en el Sistema Internacional pero se suelen emplear los submúltiplos mH y µH. Existen bobinas de diversos tipos según su núcleo y según tipo de arrollamiento. Su aplicación principal es como filtro en un circuito electrónico, denominándose comúnmente, choques. CARACTERÍSTICAS 1. Permeabilidad magnética (m).- Es una característica que tiene gran influencia sobre el núcleo de las bobinas respecto del valor de la inductancia de las mismas. Los materiales ferromagnéticos son muy sensibles a los campos magnéticos y producen unos valores altos de inductancia, sin embargo otros materiales presentan menos sensibilidad a los campos magnéticos. El factor que determina la mayor o menor sensibilidad a esos campos magnéticos se llama permeabilidad magnética. Cuando este factor es grande el valor de la inductancia también lo es.

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2. Factor de calidad (Q).- Relaciona la inductancia con el valor óhmico del hilo de la bobina. La bobina será buena si la inductancia es mayor que el valor óhmico debido al hilo de la misma. TIPOS DE BOBINAS 1. FIJAS •

Con núcleo de aire.- El conductor se arrolla sobre un soporte hueco y posteriormente se retira este quedando con un aspecto parecido al de un muelle. Se utiliza en frecuencias elevadas. Una variante de la bobina anterior se denomina solenoide y difiere en el aislamiento de las espiras y la presencia de un soporte que no necesariamente tiene que ser cilíndrico. Se utiliza cuando se precisan muchas espiras. Estas bobinas pueden tener tomas intermedias, en este caso se pueden considerar como 2 o más bobinas arrolladas sobre un mismo soporte y conectadas en serie. Igualmente se utilizan para frecuencias elevadas.

•

Con núcleo sólido.- Poseen valores de inductancia más altos que los anteriores debido a su nivel elevado de permeabilidad magnética. El núcleo suele ser de un material ferromagnético. Los más usados son la ferrita y el ferroxcube. Cuando se manejan potencias considerables y las frecuencias que se desean eliminar son bajas se utilizan núcleos parecidos a los de los transformadores (en fuentes de alimentación sobre todo). Así nos encontraremos con las configuraciones propias de estos últiMONICA L. PACHECO J. 40063

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mos. Las secciones de los núcleos pueden tener forma de EI, M, UI y L.

Bobina de ferrita

Bobina de ferrita de nido de abeja

Bobinas de ferrita para SMD

Bobinas con núcleo toroidal

Las bobinas de nido de abeja se utilizan en los circuitos sintonizadores de aparatos de radio en las gamas de onda media y larga. Gracias a la forma del bobinado se consiguen altos valores inductivos en un volumen mínimo. Las bobinas de núcleo toroidal se caracterizan por que el flujo generado no se dispersa hacia el exterior ya que por su forma se crea un flujo magnético cerrado, dotándolas de un gran rendimiento y precisión. La bobinas de ferrita arrolladas sobre núcleo de ferrita, normalmente cilíndricos, con aplicaciones en radio es muy interesante desde el punto de vista práctico ya que, permite emplear el conjunto como antena colocándola directamente en el receptor.

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Las bobinas grabadas sobre el cobre, en un circuito impreso tienen la ventaja de su mínimo coste pero son difícilmente ajustables mediante núcleo.

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Bobina *

Bobina

Bobina núcleo FeSi

Bobina blindada

Bobina núcleo de Ferroxcube

Bobina con tomas de corriente

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2. VARIABLES También se fabrican bobinas ajustables. Normalmente la variación de inductancia se produce por desplazamiento del núcleo. Las bobinas blindadas pueden ser variables o fijas, consisten encerrar la bobina dentro de una cubierta metálica cilíndrica o cuadrada, cuya misión es limitar el flujo electromagnético creado por la propia bobina y que puede afectar negativamente a los componentes cercanos a la misma. EL TRANSFORMADOR Es un dispositivo que se encarga de "transformar" el voltaje de corriente alterna que tiene a su entrada en otro diferente que entrega a

su

salida.

El transformador se compone de un núcleo de hierro sobre el cual se han

arrollado

varias

espiras

(vueltas)

de

alambre

conductor.

Este conjunto de vueltas se llaman bobinas y se denominan: Bobina primaria o "primario" a aquella que recibe el voltaje de entrada y Bobina secundaria o Secundario" a aquella que entrega el voltaje transformado. La Bobina primaria recibe un voltaje alterno que hará circular, por ella,

una

corriente

alterna.

- Esta corriente inducirá un flujo magnético en el núcleo de hierro - Como el bobinado secundario está arrollado sobre el mismo núcleo

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de hierro, el flujo magnético circulará a través de las espiras de éste. - Al haber un flujo magnético que atraviesa las espiras del "Secundario", se generará por el alambre del secundario una tensión. En este bobinado secundario habría una corriente si hay una carga conectada (el secundario está conectado a una resistencia por ejemplo) La razón de la transformación del voltaje entre el bobinado "Primario" y el "Secundario" depende del número de vueltas que tenga cada uno. Si el número de vueltas del secundario es el triple del primario. En el secundario habrá el triple de voltaje. La fórmula:

Entonces:

Vs = Ns x Vp / Np

Un transformador puede ser "elevador o reductor" dependiendo del número de espiras de cada bobinado. La única manera de mantener la misma potencia en los dos bobinados es que cuando el voltaje se eleve la corriente se disminuya en la misma proporción y viceversa. Entonces:

Así, para conocer la corriente en el secundario cuando tengo la corriente Ip (corriente en el primario), Np (espiras en el primario) y Ns (espiras en el secundario) se utiliza siguiente fórmula: Is = Np x Ip / Ns

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Evidencia de conocimiento BOBINAS Y TRANSFORMADORES

1. Cuales son las principales funciones de una bobina en circuito electrónico. 2. Cuales son las principales diferencias a nivel funcional entre: Bobina fija y

Bobina variable, bobina con núcleo ferroso y

bobina con núcleo de aire. 3. Realice un cuadro comparativo entre: BOBINA Con núcleo de aire

FORMA

FUNCION

Con núcleo sólido Nido de abeja De núcleo toroidal Ferrita arrolladas sobre núcleo de MONICA L. PACHECO J. 40063

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ferrita 4. Despeje las demás variables presentes en la igualación para poder realizar calculo de transformadores. 5. Determine las demás variables presentes en las ecuaciones planteadas por el instructor en cuanto a reactancia inductiva y capacitiva se refieren. 6. Determine cual es el efecto cuando la reactancia capacitiva e inductiva son iguales y se hallan en una configuración en paralelo. 7. Realice un análisis del tipo de bobinas presentes en equipos de computo, identifique el tipo de bobina al que pertenece y el símbolo que lo represente. BOBINA

EQUIPO QUE LO

CARACTERISTICAS Y

CONTIENE

SIMBOLO

EL SEMICONDUCTOR

Elemento

Grupo

Electrones en la última capa

Cd

II A

2 e-

Al, Ga, B, In

III A

3 e-

Si, Ge

IV A

4 e-

P, As, Sb

VA

Se, Te, (S)

VI A

-

5 PACHECO e MONICA L. J. 40063 6 e-

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Semiconductor es una sustancia que se comporta como conductor o como aislante dependiendo del campo eléctrico en el que se encuentre. Los elementos químicos semiconductores de la tabla periódica se indican en la tabla siguiente. El elemento semiconductor más usado es el silicio, aunque idéntico comportamiento presentan las combinaciones de elementos de los grupos II y III con los de los grupos VI y V respectivamente (AsGa, PIn, AsGaAl, TeCd, SeCd y SCd). De un tiempo a esta parte se ha comenzado a emplear también el azufre. La característica común a todos ellos es que son tetravalentes, teniendo el silicio una configuración electrónica s²p². Conductividad eléctrica del cristal Para que la conducción de la electricidad sea posible es necesario que haya electrones que no estén ligados a un enlace determinado (banda de valencia), sino que sean capaces de desplazarse por el cristal (banda de conducción). La separación entre la banda de valencia y la de conducción se llama banda prohibida, por que en ella no puede haber portadores de corriente. Así podemos considerar tres situaciones: •

Los metales, en los que ambas bandas de energía se superponen, son conductores.

•

Los aislantes (o insuladores), en los que la diferencia existente entre las bandas de energía, del orden de 6 eV impide, en condiciones normales el salto de los electrones. MONICA L. PACHECO J. 40063

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•

Los semiconductores, en los que el salto de energía es pequeño, del orden de 1 eV, por lo que suministrando energía 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; cosa que no puede hacerse con los metales, cuya conductividad es constante, o más propiamente, poco variable con la temperatura

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, 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. 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.

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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.

Queda así claro que el único movimiento real existente dentro de un semiconductor el de electrones. Lo que sucede es que al aparecer y desaparecer huecos, "cargas positivas", en puntos diferentes del semiconductor, parece que estos se mueven dando lugar a una corriente de cargas positivas. Este hecho, movimiento de huecos, es absolutamente falso. Los huecos no se mueven, sólo parece que lo hacen. SEMICONDUCTOR DOPADO Si aplicamos una tensión al cristal de silicio, el positivo de la pila intentará atraer los electrones y el negativo los huecos favoreciendo así la aparición de una corriente a través del circuito

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Sentido del movimiento de un electrón y un hueco en el silicio Ahora bien, esta corriente que aparece es de muy pequeño valor, pues son pocos los electrones que podemos arrancar de los enlaces entre los átomos de silicio. Para aumentar el valor de dicha corriente tenemos dos posibilidades: •

Aplicar una tensión de valor superior

•

Introducir previamente en el semiconductor electrones o huecos desde el exterior

La primera solución no es factible pues, aún aumentando mucho el valor de la tensión aplicada, la corriente que aparece no es de suficiente valor. La solución elegida es la segunda. En este segundo caso se dice que el semiconductor está "dopado". El dopaje consiste en sustituir algunos átomos de silicio por átomos de otros elementos. A estos últimos se les conoce con el nombre de impurezas. Dependiendo del tipo de impureza con el que se dope al semiconductor

puro

o

intrínseco

aparecen

dos

clases

de

semiconductores. •

Semiconductor tipo P

•

Semiconductor tipo N

SEMICONDUCTOR TIPO N Si en una red cristalina de silicio (átomos de silicio enlazados entre sí). sustituimos uno de sus átomos (que como sabemos tiene 4 electrones en su capa exterior) por un átomo de otro elemento que contenga cinco electrones en su capa exterior, resulta que cuatro de

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esos electrones sirven para enlazarse con el resto de los átomos de la red y el quinto queda libre. Semiconductor dopado tipo N

A esta red de silicio "dopado" con esta clase de impurezas se le denomina "Silicio tipo N" En esta situación hay mayor número de electrones que de huecos. Por ello a estos últimos se les denomina "portadores minoritarios" y "portadores mayoritarios" a los electrones Las Impurezas tipo N más utilizadas en el proceso de dopado son el arsénico, el antimonio y el fósforo Está claro que si a un semiconductor dopado se le aplica tensión en sus Bornes, las posibilidades de que aparezca una corriente en el circuito son mayores a las del caso de la aplicación de la misma tensión sobre un semiconductor intrínseco o puro.

MODULO III SEMICONDUCTOR TIPO P Si en una red cristalina de silicio (átomos de silicio enlazados entre sí) ....

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.... sustituimos uno de sus átomos (que como sabemos tiene 4 electrones en su capa exterior) por un átomo de otro elemento que contenga tres electrones en su capa exterior, resulta que estos tres electrones llenarán los huecos que dejaron los electrones del átomo de silicio, pero como son cuatro, quedará un hueco por ocupar. O sea que ahora 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. A esta red de silicio dopada con esta clase de impurezas se le denomina "silicio tipo P"

Semiconductor dopado tipo P DIODOS Diodo semiconductor Es el dispositivo semiconductor más sencillo y se puede encontrar, prácticamente en cualquier circuito electrónico. Los diodos se fabrican MONICA L. PACHECO J. 40063

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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.

Símbolo del diodo ( A - ánodo K - cátodo) El diodo se puede puede hacer funcionar de 2 maneras diferentes: Polarización directa: Es cuando la corriente que circula por el diodo sigue la ruta de la flecha (la del diodo), o sea del ánodo al cátodo. En este caso la corriente atraviesa el diodo con mucha facilidad comportándose prácticamente como un corto circuito.

Diodo en polarización directa Polarización inversa: Es cuando la corriente en el diodo desea circular en sentido opuesto a la flecha (la flecha del diodo), o se del cátodo al ánodo. En este caso la corriente no atraviesa el diodo, y se comporta prácticamente como un circuito abierto.

Diodo en polarización inversa

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Nota: El funcionamiento antes mencionado se refiere al diodo ideal, esto quiere decir que el diodo se toma como un elemento perfecto (como se hace en casi todos los casos), tanto en polarización directa como en polarización inversa. APLICACIONES DEL 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 rectificad

TIPOS DE DIODOS DE FRECUENCIA DE LÍNEA

El voltaje de conducción para el que se fabrica es aquel tan pequeño como sea posible con un trigger

muy alto, para aplicaciones a la

frecuencia de 60 Hz. Con especificaciones de voltaje de bloqueo de varios kilovoltios y corriente de varios kiloamperios. Se conectan en serie

o

en

paralelo.

DE RECUPERACIÓN RÁPIDA: Utilizados

en

circuitos

de

alta

frecuencia

combinados

con

transistores. Soporta niveles de potencia de algunos cientos de voltios

y

de

amperios. MONICA L. PACHECO J. 40063

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SCOTTKY: Utilizados

en

aplicaciones

donde

es

necesario

un

voltaje

de

polarización directa y pequeño. El voltaje de bloque se limita a 50 100 V., de bajo valor de conducción y con un solo tipo de semiconductor. Sus pérdidas en conducción son menores que en un diodo de juntura. El almacenamiento de carga es despreciable. Son utilizados en conmutación de alta velocidad.

Producen una gran

corriente de polarización directa. Cuando se utiliza un diodo de dicho tipo en un circuito, el diodo produce una señal de media onda perfecta incluso a frecuencias mayores de 300 Mhz. Tiene una respuesta notable a altas frecuencias. PIN Diodo con aplicaciones en circuitos de frecuencias muy altas como VHF, UHF y MW (microondas). Se comporta como un interruptor cerrado al aplicarle polarización directa y a la inversa si le aplicamos polarización inversa, o sea, como un interruptor abierto. DIODOS ZENER Aprovechan, para su funcionamiento, una propiedad muy interesante que

presenta

la

unión

semiconductora

cuando

se

polariza

inversamente por encima de un determinado nivel. Un diodo que recibe polarización inversa (positivo en el cátodo y negativo en el ánodo), no permite el paso de corriente o deja pasar una intensidad debilísima. Al alcanzar una determinada tensión, denominada tensión ZENER se produce un aumento de la cantidad de corriente, de forma que esta diferencia de potencial entre sus extremos se mantiene

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prácticamente constante, aunque se intente aumentar o disminuir variando la intensidad que lo atraviesa. Regulan o estabilizan el voltaje en un circuito. Llamado a veces diodo de rompimiento, los diodos zener son la esencia de los reguladores de voltaje; los cuales son circuitos que mantienen el voltaje casi constante sin importar que se presenten en los voltajes de línea y la resistencia de carga. Se polarizan en forma inversa. DIODOS LED

(Emisores de Luz): Diodo que cuando se le aplica tensión, polarizado directamente, emite luz. Se fabrica con un compuesto formado por Galio, Arsénico y Fósforo. Empleado en aparatos electrónicos como indicador luminoso, prácticamente esta presente en televisores, equipos de música etc..., el color dependerá del material en que se ha fabricado. El cátodo se conoce por ser la patilla que tiene una zona plana. Es un diodo que presenta un comportamiento parecido al de un diodo rectificador, sin embargo, su tensión umbral, se encuentra entre 1.3V y 4 V dependiendo del color del diodo. Color

tensión en directo

Infrarojo

1.3V

Rojo

1.7V

Naranja

2.0V

Amarillo

2.5V

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Verde

2.5V

Azul

4.0V

Normalmente se coloca una resistencia en serie que limita la intensidad de corriente que pasa por él. Se utilizan como señal visual y en el caso de los infrarrojos en los mandos a distancia. DISPLAY: Es una combinación de diodos LED que permiten visualizar letras y números. Se denominan comúnmente displays de 7 segmentos. Se fabrican en dos configuraciones: ánodo común y cátodo común. FOTODIODO: Diodo que se vuelve conductor si está polarizado directamente al recibir luz, se utiliza como sensor de mandos a distancia emisores de rayos infrarrojos, sería lo contrario a un LED. VARACTOR O VARICAP

Se trata de un condensador electrónico compuesto a base de semiconductores. Utilizado con polarización inversa, si le aplicamos tensión en sus extremos, almacena carga eléctrica como si se tratara de un condensador. La capacidad es inversamente proporcional al voltaje aplicado. Se utiliza en sintonizadores de canales principalmente. Los diodos varactores son diodos de silicio diseñados para aprovechar su capacitancia variable , como la capacitancia esta controlada por el voltaje. Se usa como sintonizadores en los

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receptores de televisión y en los radios para automóvil

DIODO TUNEL E n este tipo de diodos se conoce un efecto conocido como una resistencia negativa, esto significa que al aumento en el voltaje de polarización directa produce una disminución en la corriente. La resistencia negativa de los diodos túnel es útil en circuitos de alta frecuencia llamados osciladores. TRIODO. Si entre la placa y el cátodo se intercala un tercer electrodo llamado rejilla tendremos un Tríodo. Según la tensión que se aplique a la rejilla se obtienen variaciones de intensidad que pueden hacer que el tríodo ejerza una acción amplificadora, o se le haga mantener las oscilaciones en un circuito oscilante. Un circuito amplificador tríodo consta de un tríodo ya definido arriba y de un reóstato de carga, baterías y una fuente de tensión variable. Este flujo se controla aplicando tensión negativa a la rejilla desde la batería C. Cuanta mayor tensión negativa tenga la rejilla, menos electrones fluirán de cátodo a ánodo. Los cambios en la tensión de la rejilla provenientes de una señal de radio o de sonido (fuente S) producirán variaciones en el flujo de corriente de cátodo a ánodo y por tanto en el resto del circuito.

DIODO DETECTOR El diodo detector es un dispositivo que se emplea en circuitos de radio y televisión para producir un efecto de rectificación conocido MONICA L. PACHECO J. 40063

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como detección de audio o de modulación. Con ellos una señal de audio se separa de la señal portadora de alta frecuencia, Las señales portadoras se utilizan en radio y televisión y otros sistemas de comunicación. Su aplicación se basa HF, VHF y UHF. Por el tipo de unión que tiene, posee una capacidad muy baja, así como una resistencia interna en conducción que produce una tensión máxima de 0.2 a 0.3 V.

DIODO DE CORRIENTE CONSTANTE Funcionan inversamente a los diodos zener. En vez de mantener constante el voltaje, mantienen constante la corriente, conocidos como diodos de corriente constante. Mantienen la corriente que circula a través de ellos en un valor fijo.

DIODOS RECTIFICADORES

Soportan elevadas temperaturas ( 200 grados centígrados), siendo su resistencia muy baja y la corriente en tensión inversa muy pequeña. Se pueden construir diodos de pequeñas dimensiones para potencias relativamente

grandes.

indispensable

en

Sus

fuentes

de

aplicaciones alimentación

van

desde

como

en

elemento televisión,

aparatos de rayos X y microscopios electrónico, donde deben rectificar tensiones altísimas.

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FOTODIODO

Es un dispositivo semiconductor sensible a la incidencia de la luz visible o infrarroja. Para que su funcionamiento sea correcto se polarizarán inversamente, con lo que producirán una cierta circulación de corriente cuando sean excitados por la luz. DIODO LASER

Es dispositivo semiconductor similar a los diodos LED pero que bajo las condiciones adecuadas emite luz láser. A veces se los denomina diodos láser de inyección, o por sus siglas inglesas LD o ILD Cuando un diodo convencional o LED se polariza en directa, los huecos de la zona p se mueven hacia la zona n y los electrones de la zona

n

hacia

la

zona

p;

ambos

desplazamientos

de

cargas

constituyen la corriente que circula por el diodo. Si los electrones y huecos están en la misma región, pueden recombinarse cayendo el MONICA L. PACHECO J. 40063

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electrón al hueco y emitiendo un fotón con la energía correspondiente a la banda prohibida (véase semiconductor). Esta emisión espontánea se produce en todos los diodos, pero sólo es visible en los diodos LED que tienen una disposición constructiva especial con el propósito de evitar que la radiación sea reabsorbida por el material circundante, y una energía de la banda prohibida coincidente con el espectro visible; en el resto de diodos, la energía se disipa en forma de radiación infrarroja. En condiciones apropiadas, el electrón y el hueco pueden coexistir un breve tiempo, del orden de milisegundos, antes de recombinarse, de forma que si un fotón con la energía apropiada pasa por casualidad por allí durante ese periodo, se producirá la emisión estimulada (láser), es decir, al producirse la recombinación el fotón emitido tendrá igual frecuencia, polarización y fase que el primer fotón. En los diodos láser, el cristal semiconductor tiene la forma de una lámina

delgada

lográndose

así

una

unión

p-n

de

grandes

dimensiones, con las caras exteriores perfectamente paralelas. Los fotones

emitidos

en

la

dirección

adecuada

se

reflejarán

repetidamente en dichas caras estimulando a su vez la emisión de más fotones, hasta que el diodo comienza a emitir luz láser, que al ser coherente debido a las reflexiones posee una gran pureza espectral SIMBOLOGIA DIODOS Diodo rectificador *

Diodo rectificador

Diodo rectificador

Diodo zener

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Diodo zener

Diodo zener

Diodo zener

Diodo zener *

Diodo varicap *

Diodo varicap

Diodo varicap

Diodo Gunn Impatt

Diodo supresor de tensión *

Diodo supresor de tensión

Diodo de corriente constante

Diodo de recuperación instantánea, Snap

Diodo túnel *

Diodo túnel

Diodo rectificador túnel

Diodo Schottky

Diodo Pin *

Diodo Pin

Fotodiodo

LED Diodo emisor de luz

Fotodiodo bidireccional NPN

Fotodiodo de dos segmentos cátodo común PNP

Fotodiodo de dos segmentos cátodo común PNP

Diodo laser

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Diodo magnético

Diodo sensible a la temperatura

Diodo de rotura bidireccional PNP

Diodo de rotura bidireccional NPN

Puente rectificador

Puente rectificador *

Indicador con LED alfanumérico 5 x 7 Letra A de ejemplo

MODULO III TRANSISTORES

El

transistor

es

un

dispositivo

electrónico semiconductor que cumple funciones de amplificador, oscilador, conmutador o rectificador. El término "transistor" es la contracción

en

inglés

de

transfer

resistor

(resistencia

de

transferencia).

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Los transistores son componentes esenciales para nuestra civilización porque toda la electrónica moderna los utiliza, ya sea en forma individual (discreta) como también formando parte de circuitos integrados, analógicos o digitales, de todo tipo: microprocesadores, controladores

de

motores

eléctricos,

procesadores

de

señal,

reguladores de voltaje, etc. Actualmente se los encuentra prácticamente en todos los enseres domésticos

de

uso

diario:

radios,

televisores,

grabadores,

reproductores de audio y vídeo, hornos de microondas, lavarropas automáticos, automóviles, equipos de refrigeración, alarmas, relojes de

cuarzo,

computadoras,

calculadoras,

impresoras,

lámparas

fluorecentes, equipos de rayos X, tomógrafos, ecógrafos, etc. Elementos de un transistor o transistores: El transistor es un dispositivo semiconductor de tres capas que consiste de dos capas de material tipo n y una capa tipo p, o bien, de dos capas de material tipo p y una tipo n. al primero se le llama transistor npn, en tanto que al segundo transistor pnp. •

EMISOR, que emite los portadores de corriente, (huecos o electrones). Su labor es la equivalente al CATODO en los tubos de vacío o "lámparas" electrónicas.

•

BASE, que controla el flujo de los portadores de corriente. Su labor es la equivalente a la REJILLA cátodo en los tubos de vacío o "lámparas" electrónicas.

•

COLECTOR, que capta los portadores de corriente emitidos por el emisor. Su labor es la equivalente a la PLACA en los tubos de vacío o "lámparas" electrónicas.

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Ventajas de los transistores electrónicos •

El consumo de energía es sensiblemente bajo.

•

El tamaño y peso de los transistores es bastante menor que los tubos de vacío.

•

Una vida larga útil (muchas horas de servicio).

•

Puede permanecer mucho tiempo en deposito (almacenamiento).

•

No necesita tiempo de calentamiento.

•

Resistencia mecánica elevada.

•

Los transistores pueden reproducir otros fenómenos, como la fotosensibilidad.

Tipos de Transistores •

Transistores Bipolares de unión, BJT. ( PNP o NPN )

El transistor bipolar es el más común de los transistores, y como los diodos, puede ser de germanio o silicio. Existen dos tipos transistores: el NPN y el PNP, y la dirección del flujo de la corriente en cada caso, lo indica la flecha que se ve en el gráfico de cada tipo de transistor.

El transistor es un dispositivo de 3 patillas con los siguientes nombres: base (B), colector (C) y emisor (E), coincidiendo siempre, el emisor, con la patilla que tiene la flecha en el gráfico de transistor.

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Transistor NPN

Transistor PNP

El transistor es un amplificador de corriente, esto quiere decir que si le introducimos una cantidad de corriente por una de sus patillas (base), el entregará por otra (emisor) , una cantidad mayor a ésta, en

un

factor

que

se

llama

amplificación.

Este factor se llama b (beta) y es un dato propio de cada transistor. Entonces: - Ic (corriente que pasa por la patilla colector) es igual a b (factor de amplificación) por Ib (corriente que pasa por la patilla base). -Ic = β * Ib - Ie (corriente que pasa por la patilla emisor) es del mismo valor que Ic, sólo que, la corriente en un caso entra al transistor y en el otro caso sale de el, o viceversa. Según la fórmula anterior las corrientes no dependen del voltaje que alimenta el circuito (Vcc), pero en la realidad si lo hace y la corriente Ib cambia ligeramente cuando se cambia Vcc. Ver figura. En el segundo gráfico las corrientes de base (Ib) son ejemplos para poder entender que a mas corriente la curva es mas alta Regiones operativas del transistor - Región de corte: Un transistor esta en corte cuando:

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corriente de colector = corriente de emisor = 0, (Ic = Ie = 0) En este caso el voltaje entre el colector y el emisor del transistor es el voltaje

de

alimentación

del

circuito.

(como

no

hay

corriente

circulando, no hay caída de voltaje, ver Ley de Ohm). Este caso normalmente se presenta cuando la corriente de base = 0 (Ib =0) - Región de saturación: Un transistor está saturado cuando: corriente de colector = corriente de emisor = corriente máxima, (Ic = Ie = I máxima) En este caso la magnitud de la corriente depende del voltaje de alimentación del circuito y de las resistencias conectadas en el colector o el emisor o en ambos, ver ley de Ohm. Este caso normalmente se presenta cuando la corriente de base es lo suficientemente grande como para inducir una corriente de colector β veces más grande. (recordar que Ic = β * Ib) - Región activa: Cuando un transistor no está ni en su región de saturación ni en la región de corte entonces está en una región intermedia, la región activa. En esta región la corriente de colector (Ic) depende principalmente de la corriente de base (Ib), de β (ganancia de corriente de un amplificador, es un dato del fabricante) y de las resistencias que hayan conectadas en el colector y emisor). Esta región es la mas importante si lo que se desea es utilizar el transistor como un amplificador. Configuraciones: Hay tres tipos de configuraciones típicas en los amplificadores con transistores, cada una de ellas con características especiales que las hacen mejor para cierto tipo de aplicación. y se

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dice que el transistor no está conduciendo. Normalmente este caso se presenta cuando no hay corriente de base (Ib = 0) - Emisor común - Colector común - Base común El Transistor Darlington El transistor Darlington es un tipo especial de transistor que tiene una alta ganancia de corriente. Está compuesto internamente por dos transistores que se conectan es cascada. Ver la forma en la figura. El transistor T1 entrega la corriente que sale por su emisor a la base del transistor T2. La ecuación de ganancia de un transistor típico es: IE= β x IB (Corriente de colector es igual a beta por la corriente de base). Entonces: - Ecuación del primer transistor es: IE1 = β1 x IB1 (1), - Ecuación del segundo transistor es: IE2 = β2 x IB2 (2) Observando el gráfico, la corriente de emisor del transistor (T1) es la misma que la corriente de base del transistor T2. Entonces IE1 = IB2 (3)

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Utilizando

la

ecuación

(2)

y

la

ecuación

(3)

IE2 = β2 x IB2 = β2 x IE1 Reemplazando en la ecuación anterior el valor de IE1 (ver ecuación (1)) se obtiene la ecuación final de ganancia del transistor Darlington. IE2 = β2 x β1 x IB1 Como se puede deducir, este amplificador tiene una ganancia mucho mayor que la de un transistor corriente, pues aprovecha la ganancia de los dos transistores. (Las ganancias se multiplican). Como probar un transistor

Para probar transistores hay que analizar un circuito equivalente de este, en el que se puede utilizar lo aprendido al probar diodos. Se puede ver que los circuitos equivalentes de los transistores bipolares NPN y PNP están compuestos por diodos y se puede seguir la misma técnica que se sigue al probar diodos comunes. La prueba se realiza entre el Terminal de la base (B) y el Terminal E y C. Los métodos a seguir en el transistor NPN y PNP son opuestos. Al igual

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que con el diodo si uno de estos "diodos del equivalentes del transistor" no funcionan cono se espera hay que cambiar el transistor. •

Transistores de efecto de campo. ( JFET, MESFET, MOSFET )

- JFET, De efecto de campo de unión (JFET): También llamado transistor unipolar, fue el primer transistor de efecto de campo en la práctica. Lo forma una barra de material semiconductor de silicio de tipo N o P. En los terminales de la barra se establece un contacto óhmico, tenemos así un transistor de efecto de campo tipo N de la forma más básica. - MESFET, transistores de efecto de campo metal semiconductor. -

MOSFET,

transistores

de

efecto

de

campo

de

metal-oxido

semiconductor. En estos componentes, cada transistor es formado por dos islas de silicio, una dopada para ser positiva, y la otra para ser negativa, y en el medio, actuando como una puerta, un electrodo de metal. •

Transistores HBT y HEMT.

Las siglas HBT y HEMT pertenecen a las palabras Heterojuction Bipolar Transistor (Bipolar de Hetereoestructura) y Hight Electron

Mobility

Transistor

(

De

Alta

Movilidad).

Son

dispositivos de 3 terminales formados por la combinación de diferentes componentes, con distinto salto de banda prohibida

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Simbología transistores

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Estos símbolos se pueden representar con o sin círculo.

Transistor NPN

Transistor PNP

Transistor NPN con colector unido a la cubierta

Transistor NPN tunel

UJT- n Uniunión

UJT- p

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AMPLIFICADORES ELECTRONICOS El tipo más común de amplificador es el amplificador electrónico, usado en casi todos los aparatos electrónicos, como emisores y receptores

de

radio

y

televisión,

ordenadores,

equipos

de

comunicación, instrumentos musicales, etc. Un amplificador electrónico es un dispositivo para incrementar la corriente, el voltaje o la potencia de una señal. El amplificador realiza esta función tomando potencia de una fuente de alimentación y controlando la salida para hacer coincidir la forma de onda de la señal de entrada con la de salida, pero con una amplitud mayor. Podríamos decir, en sentido figurado, que un amplificador ideal sería un pequeño trozo de hilo conductor con ganancia, de forma que la salida es una réplica exacta de la entrada pero más grande. La relación que existe entre la entrada y la salida del amplificador (normalmente expresada en función de la frecuencia de la señal de entrada) se le denomina función de transferencia del amplificador y a su magnitud ganancia. Como su amplificación depende de la frecuencia, se les suele hacer funcionar en un determinado rango de frecuencias, normalmente donde la amplificación es constante o lineal. El componente clave de estos amplificadores es el elemento activo, que puede ser un tubo de vacío o un transistor (normalmente [BJT], aunque también se emplean MOSFET). La función del BJT es la de amplificar la corriente eléctrica que haya en su base un determinado valor en el colector y en el emisor. El valor de amplificación depende MONICA L. PACHECO J. 40063

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del tipo de transistor y del diseño del circuito (valores de los componentes, configuración en base común, colector común, etc). Con transistores se pueden hacer dispositivos más complejos que también cumplan la función de amplificar, como los amplificadores operacionales, y éstos a su vez otros como los amplificadores de instrumentación. Otro

tipo

de

amplificadores

electrónicos

son

los

diseñados

específicamente para audio, en ellos se suelen preferir las válvulas de vacío a los transistores por sus mejores características sonoras. Estos amplificadores para audio son los preamplificadores y las etapas de potencia. Amplificador operacional El Amplificador Operacional fue desarrollado para ser utilizado en computadoras analógicas en los inicios de los años 1940. Los primeros Amplificadores Operacionales (Op. Amp.) utilizaban los tubos al vacío, eran de gran tamaño y consumían mucha potencia. En 1967 la empresa "Fairchild Semiconductor" introdujo al mercado el primer amplificador operacional en la forma de un circuito integrado, logrando disminuir su tamaño, consumo de energía y su precio. Este dispositivo es un amplificador lineal de alto rendimiento, con una gran variedad de usos. Básicamente el Amp. Op. (Op. Amp.) es un dispositivo amplificador de la diferencia de sus dos entradas, con una alta ganancia, una impedancia de entrada muy alta, (mayor a 1 Megaohm) y una baja impedancia de salida (de 8 a 20 ohmios). MONICA L. PACHECO J. 40063

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Con estas característica se deduce que las corrientes de entrada son prácticamente nulas y que tiene la característica de poder entregar corriente relativamente alta (ver datos del fabricante) Internamente el Amplificador Operacional contiene un gran número de transistores, resistores, capacitores, etc.. El Terminal + es el Terminal no inversor El Terminal - es el Terminal inversor Hay varios tipos de presentación de los amplificadores operacionales, como el paquete dual en línea (DIP) de 8 pines o patitas. Para saber cual es el pin 1, se ubica una muesca entre los pines 1 y 8, siendo el # 1 el pin que está a la izquierda de la muesca cuando se pone el integrado como se muestra en el diagrama. La distribución de los terminales del Amplificador operacional en el Circuito integrado DIP de 8 patillas es: - pin 2: entrada inversora ( - ) - pin 3: entrada no inversora ( + ) - pin 6: salida (out) Para alimentar un amplificador operacional se utilizan 2 fuentes de tensión: - una positiva conectada al pin 7 y - otra negativa conectada al pin 4 También hay otra presentación con 14 pines. En algunas versiones no hay muesca, pero hay un circulo pequeño cerca de la patita # 1.

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El amplificador inversor en corriente alterna El amplificador inversor amplifica e invierte (ver el signo menos) una señal de corriente alterna. En este caso la señal alterna de entrada sale amplificada en la salida, pero también desfasada 180° (invertida). La ganancia de tensión se obtiene con la fórmula: AV = - Vsal / Vent y AV = - R2 / R1 Si Vent = 0.1 V = 100 mV y Vsal = 10 V, entonces AV = - 10 / 0.1 = 100. Las magnitudes de las señales alternas se pueden medir en tensión pico, pico-pico o RMS.

CIRCUITOS INTEGRADOS Un circuito integrado (CI) es una pastilla o chip muy delgado en el que se encuentran miles o millones de dispositivos electrónicos interconectados, principalmente diodos y transistores, y también componentes pasivos como resistencia o capacitores. Su área puede

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ser de un cm2 o incluso inferior. Algunos de los circuitos integrados más avanzados son los microprocesadores que controlan múltiples artefactos: desde computadoras hasta electrodomésticos, pasando por los teléfonos móviles. Otra familia importante de circuitos integrados la constituyen las memorias digitales. El

transistor

actúa

como

un

switch.

Este

puede

encenderse

electrónicamente o apagarse, o también puede amplificar corriente. Es utilizado por ejemplo en computadoras para almacenar la información o en los amplificadores de un estéreo para hacer la señal del sonido más fuerte. primer CI fue desarrollado en 1958 por el ingeniero Jack Kilby justo meses después de haber sido contratado por la firma Texas Instruments. Se trataba de un dispositivo de germanio que integraba seis transistores en una misma base semiconductora para formar un oscilador

de

rotación

de

fase.

En el año 2000 Kilby fue galardonado con el Premio Nobel de Física por la contribución de su invento al desarrollo de la tecnología de la información. Atendiendo al nivel de integración - número de componentes - los circuitos integrados se clasifican en: •

SSI (Small Scale Integration) pequeño nivel: inferior a 12

•

MSI (Medium Scale Integration) medio: 12 a 99

•

LSI (Large Scale Integration) grande : 100 a 9999

•

VLSI (Very Large Scale Integration) muy grande : 10 000 a 99 999

•

ULSI (Ultra Large Scale Integration) ultra grande : igual o superior a 100 000

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En cuanto a las funciones integradas, los circuitos se clasifican en dos grandes grupos: •

Circuitos integrados analógicos. Pueden constar desde simples transistores encapsulados juntos, sin unión entre ellos, hasta dispositivos completos como amplificadores,

osciladores

o

incluso

receptores

de

radio

completos. •

Circuitos integrados digitales. Pueden ser desde básicas puertas lógicas (Y, O, NO) hasta los más complicados microprocesadores.

Éstos son diseñados y fabricados para cumplir una función específica dentro de un sistema. En general, la fabricación de los CI es compleja ya que tienen una alta integración de componentes en un espacio muy reducido de forma que llegan a ser microscópicos. Sin embargo, permiten grandes simplificaciones con respecto los antiguos circuitos, además de un montaje más rápido. Tipos de circuito integrados Existen tres tipos de circuitos integrados: •

Circuitos monolíticos: Están fabricados en un solo monocristal, habitualmente de silicio, pero también existen en germanio, arseniuro de galio, silicio-germanio, etc.

•

Circuitos híbridos de capa fina: Son muy similares a los circuitos monolíticos, pero, además, contienen componentes difíciles de fabricar con tecnología monolítica. Muchos conversores

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A/D y conversores D/A se fabricaron en tecnología híbrida hasta que progresos en la tecnología permitieron fabricar resistencias precisas. •

Circuitos híbridos de capa gruesa: Se apartan bastante de los circuitos monolíticos. De hecho suelen contener circuitos monolíticos sin cápsula (dices), transistores, diodos, etc, sobre un sustrato dieléctrico, interconectados con pistas conductoras. Las resistencias se depositan por serigrafía y se ajustan haciéndoles cortes con láser. Todo ello se encapsula, tanto en cápsulas plásticas como metálicas, dependiendo de la disipación de potencia que necesiten. En muchos casos, la cápsula no está "moldeada", sino que simplemente consiste en una resina epoxi que protege el circuito. En el mercado se encuentran circuitos híbridos para módulos de RF, fuentes de alimentación, circuitos de encendido para automóvil, etc.

Limitaciones de los circuitos integrados Existen ciertos límites físicos y económicos al desarrollo de los circuitos integrados. Básicamente, son barreras que se van alejando al mejorar la tecnología, pero no desaparecen. Las principales son: Disipación de potencia-Evacuación del calor Los circuitos eléctricos disipan potencia. Cuando el número de componentes integrados en un volumen dado crece, las exigencias en cuanto a disipación de esta potencia, también crecen, calentando el sustrato y degradando el comportamiento del dispositivo. Además, en muchos casos es un comportamiento regenerativo, de modo que cuanto mayor sea la temperatura, más calor produce, fenómeno que se suele llamar "empalamiento térmico" y, que si no se evita, llega

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a destruir el dispositivo. Los amplificadores de audio y los reguladores de tensión son proclives a este fenómeno, por lo que suelen incorporar "protecciones térmicas". Los circuitos de potencia, evidentemente, son los que más energía deben disipar. Para ello su cápsula contiene partes metálicas, en contacto con la parte inferior del chip, que sirven de conducto térmico para transferir el calor del chip al disipador o al ambiente. La reducción de resistividad térmica de este conducto, así como de las nuevas cápsulas de compuestos de silicona, permiten mayores disipaciones con cápsulas más pequeñas. Los circuitos digitales resuelven el problema reduciendo la tensión de alimentación y utilizando tecnologías de bajo consumo, como cmos. Aún así en los circuitos con más densidad de integración y elevadas velocidades, la disipación es uno de los mayores problemas, llegándose a utilizar experimentalmente ciertos tipos de criostatos. Precisamente la alta resistividad térmica del arseniuro de galio es su talón de Aquiles para realizar circuitos digitales con él. Capacidades e autoinducciones parásitas Este efecto se refiere principalmente a las conexiones eléctricas entre el chip, la cápsula y el circuito donde va montada, limitando su frecuencia de funcionamiento. Con patillas más pequeñas se reduce la capacidad y la autoinducción de ellas. En los circuitos digitales excitadores de buses, generadores de reloj, etc, es importante mantener la impedancia de las líneas y, todavía más, en los circuitos de radio y de microondas. Límites en los componentes

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Los componentes disponibles para integrar tienen ciertas limitaciones, que difieren de las de sus contrapartidas discretas. •

Resistencias. Son indeseables por necesitar una gran cantidad de superficie. Por ello sólo se usan valores reducidos y, en tecnologías mos, se eliminan casi totalmente.

•

Condensadores. Sólo son posibles valores muy reducidos y a costa de mucha superficie. Como ejemplo, en el amplificador operacional uA741, el condensador de estabilización viene a ocupar un cuarto del chip.

•

Bobinas. Sólo se usan en circuitos de radiofrecuencia, siendo híbridos muchas veces. En general no se integran.

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