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Carpeta
parte II
MAQUINAS ELÉCTRICAS Y
AUTOMATISMO
5TO AÑO
Componentes electrónicos
Se denomina componente electrónico a aquel dispositivo que forma parte de un circuito
electrónico. Se suele encapsular, generalmente en un material cerámico, metálico o plástico, y
terminar en dos o más terminales o patillas metálicas. Se diseñan para ser conectados entre ellos,
normalmente mediante soldadura, a un circuito impreso, para formar el mencionado circuito.
Se pueden obtener distintas clasificaciones:
1) Según su estructura física:
Discretos: Son aquellos que están encapsulados uno a uno. Ej: Resistores, condensadores,
diodos, transistores.
Integrados: Forman conjuntos más complejos. Ej: Un amplificador operacional o una
puerta lógica, que pueden contener desde unos pocos componentes discretos hasta
millones de ellos. Son los denominados circuitos integrados.
2) Según el material base de fabricación:
Semiconductores ó no semiconductores
3) Según su funcionamiento:
Activos: proporcionan excitación eléctrica, ganancia ó control
Pasivos: son los encargados de la conexión entre los diferentes componentes activos,
asegurando la transmisión de las señales eléctricas o modificando su nivel.
4) Según el tipo de energía:
Electromagnéticos: son aquellos que aprovechan las propiedades electromagnéticas de los
materiales (fundamentalmente transformadores e inductores).
Electroacústicos: Transforman la energía acústica en eléctrica y viceversa (micrófonos,
altavoces, bocinas, auriculares, etc.)
Optoelectrónicos: Transforman la energía luminosa en eléctrica y viceversa (diodos LED,
células fotoeléctricas, etc)
El rele
Es un dispositivo que consta de dos circuitos diferentes: un circuito electromagnético
(electroimán) y un circuito de contactos, al cual aplicaremos el circuito que queremos
controlar. En la siguiente figura se puede ver su simbología así como su constitución (rele
de armadura).
Simbolo del rele en dos circuitos:
Partes de un relé de armaduras :
Su funcionamiento se basa en el fenómeno electromagnético. Cuando la corriente atraviesa la
bobina, produce un campo magnético que magnetiza un núcleo de hierro dulce (ferrita). Este
atrae al inducido que fuerza a los contactos a tocarse. Cuando la corriente se desconecta vuelven a
separarse.
Los símbolos que aparecen en las figuras poseen solo 1 y dos circuitos, pero existen relés con un
mayor número de ellos.
CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS
Parte electromagnética
Corriente de excitación.- Intensidad, que circula por la bobina, necesaria para activar el relé.
Tensión nominal.- Tensión de trabajo para la cual el relé se activa.
Tensión de trabajo.- Margen entre la tensión mínima y máxima, garantizando el funcionamiento
correcto del dispositivo.
Consumo nominal de la bobina.- Potencia que consume la bobina cuando el relé está excitado con
la tensión nominal a 20ºC.
Contactos ó Parte mecánica
Tensión de conexión.- Tensión entre contactos antes de cerrar o después de abrir.
Intensidad de conexión.- Intensidad máxima que un relé puede conectar o desconectarlo.
Intensidad máxima de trabajo.- Intensidad máxima que puede circular por los contactos
cuando se han cerrado.
Los materiales con los que se fabrican los contactos son: plata y aleaciones de plata que
pueden ser con cobre, níquel u óxido de cadmio. El uso del material que se elija en su
fabricación dependerá de su aplicación y vida útil necesaria de los mismos.
RELES MAS UTILIZADOS
DE ARMADURA
El electroimán hace vascular la armadura al ser excitada, cerrando los contactos
dependiendo de si es normalmente abierto o normalmente cerrado.
DE NÚCLEO MÓVIL
Tienen un émbolo en lugar de la armadura. Se utiliza un solenoide para cerrar los contactos. Se
suele aplicar cuando hay que manejar grandes intensidades.
Las aplicaciones de este tipo de componentes son múltiples: en electricidad, en automatismos
eléctricos, control de motores industriales; en electrónica: sirven básicamente para manejar
tensiones y corrientes superiores a los del circuito propiamente dicho, se utilizan como interfaces
para PC, en interruptores crepusculares, en alarmas, en amplificadores...
La resistencia
Al conectar una batería a un material conductor, una determinada cantidad de corriente
fluirá a través de dicho material. Esta corriente depende de la tensión de la batería, de las
dimensiones de la muestra y de la conductividad del propio material. Las resistencia se
emplean para controlar la corriente en los circuitos electrónicos. Se elaboran con mezclas
de carbono, láminas metálicas o hilo de resistencia, y disponen de dos cables de conexión.
Es un componente pasivo, es decir no genera intensidad ni tensión en un circuito. Su
comportamiento se rige por la ley de Ohm.
Su valor lo conocemos por el código de colores, también puede ir impreso en cuerpo de la
resistencia directamente.
Una vez fabricadas su valor es fijo.
SíMBOLOS
CARACTERíSTICAS TéCNICAS GENERALES
A- Resistencia nominal.
Es el valor teórico esperado al acabar el proceso de fabricación.
B-Tolerancia.
Diferencia entre las desviaciones superior e inferior . Se da en tanto por ciento. Nos da una idea de
la precisión del componente. Cuando el valor de la tolerancia es grande podemos decir que la
resistencia es poco precisa, sin embargo cuando dicho valor es bajo la resistencia es más precisa.
C- Potencia nominal.
Potencia que el elemento puede disipar de manera continua sin sufrir deterioro. Los valores
normalizados más utilizados son : 1/8, ¼, ½, 1, 2.....
TIPOS DE RESISTENCIAS
1. Aglomeradas.
2. De película de carbón.
Se enrolla una tira de carbón sobre un soporte cilíndrico cerámico.
3. De película metálica.
El proceso de fabricación es el mismo que el anterior pero la tira es una película metálica. Los
metales más utilizados son Cromo, Molibdeno, Wólfram y Titanio. Son resistencias muy estables y
fiables.
4. Bobinadas.
Tienen enrolladas sobre un cilindro cerámico, un hilo o cinta de una determinada resistividad.
Se utilizan las aleaciones de Ni-Cr-Al y para una mayor precisión las de Ni-Cr.
Disipan grandes potencias. Los modelos más importantes son : Cementados, vitrificados y
esmaltados.
5. Variables
se le llaman reóstatos o potenciómetros, con un brazo de contacto deslizante y ajustable, suelen
utilizarse para controlar el volumen de radios y televisiones.
Componentes pasivos de tres terminales, que permiten manipular la señal que hay en un circuito
(volumen de un equipo de música).
Normalmente el terminal central corresponde al cursor o parte móvil del componente y entre los
extremos se encuentra la resistencia.
CARACTERíSTICAS TéCNICAS
Resistencia nominal: Es el valor teórico que debe presentar en sus extremos. Se marca
directamente sobre el cuerpo del componente.
Ley de variación.
Indica el tipo de variación y son: antilogaritmitos, en "S", lineal y logarítmico.
Resistencias ajustables.
Componentes pasivos de tres terminales, que son calibrados par fijar algún parámetro en el
interior de los equipos, y no son accesibles al usuario.
Los condensadores
Es un componente electrónico que almacena cargas eléctricas para utilizarlas en un circuito
en el momento adecuado.
Está compuesto, básicamente, por un par de armaduras separadas por un material aislante
denominado dieléctrico. La capacidad de un condensador consiste en almacenar mayor o
menor número de cargas cuando está sometido a tensión.
Condensador básico :
CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS GENERALES
Capacidad nominal.- Es el valor teórico esperado al acabar el proceso de fabricación. Se marca en
el cuerpo del componente mediante un código de colores o directamente con su valor numérico.
Tolerancia.- Diferencia entre las desviaciones, de capacidad, superiores o inferiores según el
fabricante.
Tensión nominal.- Es la tensión que el condensador puede soportar de una manera continua sin
sufrir deterioro
CLASIFICACIÓN
Condensadores fijos
Son componentes pasivos de dos terminales. Se clasifican en función del material dieléctrico y su
forma. Pueden ser: de papel, de plástico, cerámico, electrolítico, de mica, de tántalo, de vidrio, de
poliéster, Estos son los más utilizados. A continuación se describirá, sin profundizar, las diferencias
entre unos y otros, así como sus aplicaciones más usuales.
De papel
El dieléctrico es de celulosa impregnada con resinas o parafinas. Destaca su reducido volumen y
gran estabilidad frente a cambios de temperatura. Tienen la propiedad de autor regeneración en
caso de perforación. Las armaduras son de aluminio. Se fabrican en capacidades comprendidas
entre 1uF y 480uF con tensiones entre 450v y 2,8Kv.
Se emplean en electrónica de potencia y energía para acoplamiento, protección de impulsos y
aplanamiento de ondulaciones en frecuencias no superiores a 50Hz.
De plástico
Sus características más importantes son: gran resistencia de aislamiento (lo cual permite conservar
la carga), volumen reducido y excelente comportamiento a la humedad y a las variaciones de
temperatura, además, tienen la propiedad de autor regeneración en caso de perforación en
menos de 10s. Los materiales más utilizados son: poli estireno (styroflex), poliéster (mylar), poli
carbonato (Macrofol) y politetrafluoretileno (teflón). Se fabrican en forma de bobinas o
multicapas.
También se conocen como MK. Se fabrican de 1nF a 100mF y tensiones de 25-63-160-220-630v,
0.25-4Kv. Se reconocen por su aspecto rojo, amarillo y azul.
Cerámico
Los materiales cerámicos son buenos aislantes térmicos y eléctricos. El proceso de fabricación
consiste básicamente en la metalización de las dos caras del material cerámico.
Se fabrican de 1pF a 1nF (grupo I) y de 1pF a 470nF (grupo II) con tensiones comprendidas entre 3
y 10000v.
Su identificación se realiza mediante código alfanumérico. Se utilizan en circuitos que necesitan
alta estabilidad y bajas pérdidas en altas frecuencias.
Electrolítico
Permiten obtener capacidades elevadas en espacios reducidos. Actualmente existen dos tipos: los
de aluminio, y los de tántalo. El fundamento es el mismo: se trata de depositar mediante
electrolisis una fina capa aislante. Los condensadores electrolíticos deben conectarse respetando
su polaridad, que viene indicada en sus terminales, pues de lo contrario se destruiría.
De mica
Son condensadores estables que pueden soportar tensiones altas, ya que la rigidez dieléctrica que
presenta es muy elevada. Sobre todo se emplean en circuitos de alta frecuencia. Se utilizan en
gamas de capacidades comprendidas entre 5pf y 100000pF. La gama de tensiones para las que se
fabrican suelen ser altas (hasta 7500v). Se están sustituyendo por los de vidrio, de parecidas
propiedades y más barato.
Condensadores variables
Constan de un grupo de armaduras móviles, de tal forma que al girar sobre un eje se aumenta o
reduce la superficie de las armaduras metálicas enfrentadas, variándose con ello la capacidad.
El dieléctrico empleado suele ser el aire, aunque también se incluye mica o plástico.
Condensadores ajustables
Denominados también trimmers, los tipos más utilizados son los de mica, aire y cerámica.
Capacitor Electrolitico
A diferencia de los capacitores comunes, los capacitores electrolíticos se han desarrollado
para lograr grandes capacidades en dimensiones físicas reducidas.
Este capacitor se logra con un dieléctrico especial. La capacidad de un capacitor tiene
fórmula:
C = EA / d
donde:
- A = superficie
- d = separación de placas
- E = constante dieléctrica
Si el valor de la constante dieléctrica (E) aumenta, también aumenta la capacitancia del
capacitor.
Este dieléctrico es un electrolito constituido por óxido de aluminio impregnado en un papel
absorbente.
Cuando se fabrica el capacitor electrolítico, se arrollan dos láminas de aluminio, separadas
por un papel absorbente impregnado con el electrolito.
Después se hace circular una corriente entre las placas, con el propósito de provocar una reacción
química que creará una capa de óxido de aluminio que será el dieléctrico (aislante). Ver diagrama.
Físicamente consta de un tubo de aluminio cerrado, dentro del cual se haya el capacitor. Está
provisto de una válvula de seguridad que se abre en caso de que que el electrolito (de allí viene el
nombre) entre en ebullición y evitando el riesgo de explosión.
El capacitor electrolítico es un elemento polarizado, por lo que sus terminales no pueden ser
invertidas. Generalmente el signo de polaridad viene indicado en elcuerpo del capacitor.
El inconveniente que tienen estos capacitores es que el voltaje permitido entre sus terminales no
es muy alto. Si fuera necesario cambiar este capacitor, se debe buscar uno de la misma capacidad
y con un voltaje igual o mayor al del capacitor dañado, pero...
No se recomienda utilizar un capacitor de voltaje (dato de fabrica) muy superior al dañado pues,
un capacitor que recibe un voltaje mucho menor que para la que fue diseñado, siente que no
estuvo polarizado en corriente continua y la capa de óxido de aluminio disminuye hasta que el
elemento falla.
Nota: Este tipo de capacitores deben de utilizarse lo antes posible después de su fabricación.
Si el período de almacenamiento antes de usarlo es muy largo, al no recibir voltaje, se empieza a
dañar (se reduce la capa de óxido de aluminio). Es conveniente tomaren cuenta siempre la fecha
de fabricación.
EL DIODO
Las propiedades de los materiales semiconductores se conocían en 1874, cuando se observó
la conducción en un sentido en cristales de sulfuro, 25 años más tarde se empleó el
rectificador de cristales de galena para la detección de ondas. Durante la Segunda Guerra
Mundial se desarrolló el primer dispositivo con las propiedades que hoy conocemos, el
diodo de Germanio.
Algunos tipos de diodos
En el mercado podemos encontrar muchos tipos de diodos que nos sirven para distintas
aplicaciones. Ahora vamos a ver las características principales de algunos de ellos.
Diodo Zener
El diodo zener es un tipo especial de diodo, que siempre se utiliza polarizado inversamente.
Recordar que los diodos comunes, como el diodo rectificador (en donde se aprovechan sus
características de polarización directa y polarización inversa), conducen siempre en el sentido de la
flecha.
En este caso la corriente circula en contra de la flecha que representa el diodo.
Si el diodo zener se polariza en sentido directo se comporta como un diodo rectificador común.
Cuando el diodo zener funciona polarizado inversamente mantiene entre sus terminales un voltaje
constante.
En el gráfico se ve el símbolo de diodo zener (A - ánodo, K - cátodo) y el sentido de la corriente
para que funcione en la zona operativa.
Se analizará el diodo Zener, no como un elemento ideal, si no como un elemento real y se debe
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.
¿Qué hace un regulador con Zener?
Un regulador con diodo zener ideal mantiene un voltaje predeterminado fijo a su salida, sin
importar las variaciones de voltaje en la fuente de alimentación y/o las variaciones de corriente en
la carga.
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 el voltaje de salida disminuya conforme la carga
va aumentado, o sea conforme la demanda de corriente de la carga aumente.
Diodos PIN
El diodo PIN es un diodo que presenta una región P fuertemente dopada y otra región N también
fuertemente dopada, separadas por una región de material que es casi intrínseco. Este tipo de
diodos se utiliza en frecuencias de microondas, es decir, frecuencias que exceden de 1 GHz, puesto
que incluso en estas frecuencias el diodo tiene una impedancia muy alta cuando está
inversamente polarizado y muy baja cuando esta polarizado en sentido directo. Además, las
tensiones de ruptura están comprendidas en el margen de 100 a 1000 V.
En virtud de las características del diodo PIN se le puede utilizar como interruptor o como
modulador de amplitud en frecuencias de microondas ya que para todos los propósitos se le
puede presentar como un cortocircuito en sentido directo y como un circuito abierto en sentido
inverso. También se le puede utilizar para conmutar corrientes muy intensas y/o tensiones muy
grandes.
El diodo se forma partiendo de silicio tipo P de alta resistividad. La capa P de baja resistividad
representada, está esta formada por difusión de átomos de boro en un bloque de silicio tipo P y la
capa N muy delgada está formada difundiendo grandes cantidades de fósforo. La región intrínseca
i es realmente una región P de alta resistividad y se suele denominar región p. Cuando el circuito
está abierto, los electrones fluyen desde la región i(p) hasta la región P para recombinarse con los
huecos en exceso, y los huecos fluyen desde la región i para recombinarse con los electrones de la
región N. Si el material i(p) fuese verdaderamente intrínseco, la caída de tensión en la región i
sería nula, puesto que la emigración de huecos sería igual a la emigración de electrones. Si
embargo, como el material es en verdad p (P de alta resistividad), hay mas huecos disponibles que
electrones.
Cuando se aplica una polarización inversa al diodo los electrones y los huecos del material p son
barridos (swept free). Un posterior aumento de la tensión inversa simplemente incrementa las
distribuciones de tensiones P-I e I-N. En el diodo PIN la longitud de la región de transición L es
aproximadamente igual a la región i y aproximadamente independiente de la tensión inversa. Por
lo tanto, a diferencia de los diodos PN o Schottky, el diodo PIN tiene una capacidad inversa que es
aproximadamente constante, independiente de la polarización. Una variación típica de la
capacidad podría ser desde 0,15 hasta 0,14 pF en una variación de la polarización inversa de, por
ejemplo, 100 V. En virtud de que es igual a la longitud de la región i, la longitud de la región de
transición es aproximadamente constante y considerablemente mayor que la de otros diodos y,
por lo tanto, la capacidad CR, que es proporcional a 1/L es significativamente menor que la de
otros diodos, por lo que el diodo PIN es apropiado para aplicaciones de microondas. Los valores
normales de CR varían desde 0,1 pF hasta 4 pF en los diodos PIN, comercialmente asequibles.
Cuando el diodo está polarizado en sentido directo, los huecos del material P se difunden el la
región p, creando una capa P de baja resistividad. La corriente es debida al flujo de los electrones y
de los huecos cuyas concentraciones son aproximadamente iguales en la región i. En la condición
de polarización directa la caída de tensión en la región i es muy pequeña. Además, al igual que el
diodo PN, cuando aumenta la corriente, también disminuye la resistencia. En consecuencia el
diodo PIN es un dispositivo con su resistencia o conductancia modulada. En una primera
aproximación, la resistencia rd en pequeña señal es inversamente proporcional a la corriente IDQ
con polarización directa, lo mismo que en el diodo PN.
En frecuencias de microondas se representa de maneras mas sencillas por una capacidad CR en
serie con la resistencia directa rd. Con tensiones directas, CR es aproximadamente infinita,
mientras que en polarización inversa, rd es aproximadamente nula. La capacidad CS es la
capacidad parásita paralelo que se produce soldando el diodo a la cápsula y LS es la inductancia
serie debida a los hilos de conexión desde el diodo hasta la cápsula.
Diodos Varactores (Varicap)
Los diodos varactores [llamados también varicap (diodo con capacitancia-voltaje variable) o
sintonizadores] son semiconductores dependientes del voltaje, capacitores variables. Su modo de
operación depende de la capacitancia que existe en la unión P-N cuando el elemento está
polarizado inversamente. En condiciones de polarización inversa, se estableció que hay una región
sin carga en cualquiera de los lados de la unión que en conjunto forman la región de agotamiento
y definen su ancho Wd. La capacitancia de transición (CT) establecida por la región sin carga se
determina mediante:
CT = E (A/Wd)
donde E es la permitibilidad de los materiales semiconductores, A es el área de la unión P-N y Wd
el ancho de la región de agotamiento.
Conforme aumenta el potencial de polarización inversa, se incrementa el ancho de la región de
agotamiento, lo que a su vez reduce la capacitancia de transición. El pico inicial declina en CT con
el aumento de la polarización inversa. El intervalo normal de VR para diodos varicap se limita
aproximadamente 20V. En términos de la polarización inversa aplicada, la capacitancia de
transición se determina en forma aproximada mediante:
CT = K / (VT + VR)n
donde:
K = constante determinada por el material semiconductor y la técnica de construcción.
VT = potencial en la curva según se definió en la sección
VR = magnitud del potencial de polarización inversa aplicado
n = ½ para uniones de aleación y 1/3 para uniones de difusión
El diodo túnel
En 1958, el físico japonés Esaki, descubrió que los diodos semiconductores obtenidos con un grado
de contaminación del material básico mucho mas elevado que lo habitual exhiben una
característica tensión-corriente muy particular. La corriente comienza por aumentar de modo casi
proporcional a la tensión aplicada hasta alcanzar un valor máximo, denominado corriente de
cresta. A partir de este punto, si se sigue aumentando la tensión aplicada, la corriente comienza a
disminuir y lo siga haciendo hasta alcanzar un mínimo, llamado corriente de valle, desde el cual de
nuevo aumenta. El nuevo crecimiento de la corriente es al principio lento, pero luego se hace cada
vez mas rápido hasta llegar a destruir el diodo si no se lo limita de alguna manera. Este
comportamiento particular de los diodos muy contaminados se debe a lo que los físicos
denominan efecto túnel, del que no nos ocuparemos aquí debido a su complejidad. Para las
aplicaciones prácticas del diodo túnel, la parte mas interesante de su curva característica es la
comprendida entre la cresta y el valle. En esta parte de la curva a un aumento de la tensión
aplicada corresponde una disminución de la corriente; en otros términos, la relación entre un
incremento de la tensión y el incremento resultante de la corriente es negativa y se dice entonces
que esta parte de la curva representa una "resistencia incremental negativa". Una resistencia
negativa puede compensar total o parcialmente una resistencia positiva. Así, por ejemplo, las
pérdidas que se producen en un circuito resonante a causa de la presencia siempre inevitable de
cierta resistencia en el, se compensa asociando al circuito una resistencia negativa de valor
numéricoconveniente y realizada por ejemplo, mediante un diodo túnel. En tal caso el circuito
oscilante se transforma en un oscilador. Los ejemplo de circuito que se describen a continuación
muestra como puede aprovecharse este fenómeno en la práctica.
Diodo de contacto puntual
El rectificador de contacto puntual consiste en un semiconductor sobre el que descansa la punta
de un alambre delgado.
La curva de corriente versus voltaje es cualitativamente similar a la del diodo de unión. Sin
embargo, para un voltaje positivo dado, el diodo de contacto puntual conduce algo mas de
corriente. Más aún, conforme el voltaje negativo aumenta, la corriente inversa tiende a aumentar
mas bien que permanecer aproximadamente constante. La marca inflexión en la curva del diodo
de unión en -V» no ocurre en los diodos de contacto puntual, dado que el calentamiento de tal
punto ocurre a voltajes mucho mas bajos y produce un aumento gradual de la conductancia en la
dirección negativa.
CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS
Como todos los componentes electrónicos, los diodos poseen propiedades que les diferencia de
los demás semiconductores. Es necesario conocer estas, pues los libros de características y las
necesidades de diseño así lo requieren. En estos apuntes aparecerán las más importantes desde el
punto de vista practico.
Valores nominales de tensión:
VF = Tensión directa en los extremos del diodo en conducción. .
VR = Tensión inversa en los extremos del diodo en polarización inversa.
VRSM = Tensión inversa de pico no repetitiva.
VRRM = Tensión inversa de pico repetitiva.
VRWM = Tensión inversa de cresta de funcionamiento.
Valores nominales de corriente:
IF = Corriente directa. .
IR = Corriente inversa.
IFAV = Valor medio de la forma de onda de la corriente durante un periodo.
IFRMS = Corriente eficaz en estado de conducción. Es la máxima corriente eficaz que el diodo es
capaz de soportar.
IFSM = Corriente directa de pico (inicial) no repetitiva.
AV= Average(promedio) RMS= Root Mean Square (raíz de la media cuadrática)
Valores nominales de temperatura:
Tstg = Indica los valores máximos y mínimos de la temperatura de almacenamiento.
Tj = Valor máximo de la temperatura que soporta la unión de los semiconductores.
DIODOS METAL-SEMICONDUCTOR
Los más antiguos son los de Germanio con punta de tungsteno o de oro. Su aplicación más
importante se encuentra en HF, VHF y UHF. También se utilizan como detectores en los receptores
de modulación de frecuencia. 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 0,3v. El
diodo Schottky son un tipo de diodo cuya construcción se basa en la unión metal conductor con
algunas diferencias respecto del anterior. Fue desarrollado por la Hewlett-Packard en USA, a
principios de la década de los 70. La conexión se establece entre un metal y un material
semiconductor con gran concentración de impurezas, de forma que solo existirá un movimiento
de electrones, ya que son los únicos portadores mayoritarios en ambos materiales. Al igual que el
de germanio, y por la misma razón, la tensión de umbral cuando alcanza la conducción es de 0,2 a
0,3v. Igualmente tienen una respuesta notable a altas frecuencias, encontrando en este campo sus
aplicaciones más frecuentes. Un inconveniente de esto tipo de diodos se refiere a la poca
intensidad que es capaz de soportar entre sus extremos. El encapsulado de estos diodos es en
forma de cilindro , de plástico o de vidrio. De configuración axial. Sobre el cuerpo se marca el
cátodo, mediante un anillo serigrafiado.
DIODOS RECTIFICADORES
Su construcción está basada en la unión PN siendo su principal aplicación como rectificadores. Este
tipo de diodos (normalmente de silicio) soportan elevadas temperaturas (hasta 200ºC en la unión),
siendo su resistencia muy baja y la corriente en tensión inversa muy pequeña. Gracias a esto se
pueden construir diodos de pequeñas dimensiones para potencias relativamente grandes,
desbancando así a los diodos termoiónicos desde hace tiempo. Sus aplicaciones van desde
elemento indispensable en fuentes de alimentación como en televisión, aparatos de rayos X y
microscopios electrónicos, donde deben rectificar tensiones altísimas. En fuentes de alimentación
se utilizan los diodos formando configuración en puente (con cuatro diodos en sistemas
monofásicos), o utilizando los puentes integrados que a tal efecto se fabrican y que simplifican en
gran medida el proceso de diseño de una placa de circuito impreso. Los distintos encapsulados de
estos diodos dependen del nivel de potencia que tengan que disipar. Hasta 1w se emplean
encapsulados de plástico. Por encima de este valor el encapsulado es metálico y en potencias más
elevadas es necesario que el encapsulado tenga previsto una rosca para fijar este a un radiador y
así ayudar al diodo a disipar el calor producido por esas altas corrientes. Igual le pasa a los puentes
de diodos integrados.
DIODO RECTIFICADOR COMO ELEMENTO DE PROTECCIÓN
La desactivación de un relé provoca una corriente de descarga de la bobina en sentido inverso que
pone en peligro el elemento electrónico utilizado para su activación. Un diodo polarizado
inversamente cortocircuita dicha corriente y elimina el problema. El inconveniente que presenta
es que la descarga de la bobina es más lenta, así que la frecuencia a la que puede ser activado el
relé es más baja. Se le llama comúnmente diodo volante.
DIODO RECTIFICADOR COMO ELEMENTO DE PROTECCIÓN DE UN DIODO LED EN ALTERNA.
El diodo Led cuando se polariza en c.a. directamente conduce y la tensión cae sobre la resistencia
limitadora, sin embargo, cuando se polariza inversamente, toda la tensión se encuentra en los
extremos del diodo, lo que puede destruirlo.
DIODOS LED ( Light Emitting Diode)
Es un diodo que presenta un comportamiento parecido al de un diodo rectificador sin embargo, su
tensión de umbral, se encuentra entre 1,3 y 4v dependiendo del color del diodo.
Color Tensión en directo
Infrarrojo 1,3v
Rojo 1,7v
Naranja 2,0v
Amarillo 2,5v
Verde 2,5v
Azul 4,0v
El conocimiento de esta tensión es fundamental para el diseño del circuito en el que sea necesaria
su presencia, pues, normalmente se le coloca en serie una resistencia que limita la intensidad que
circulará por el. Cuando se polariza directamente se comporta como una lamparita que emite una
luz cuyo color depende de los materiales con los que se fabrica. Cuando se polariza inversamente
no se enciende y además no deja circular la corriente. La intensidad mínima para que un diodo Led
emita luz visible es de 4mA y, por precaución como máximo debe aplicarse 50mA.
Para identificar los terminales del diodo Led observaremos como el cátodo será el terminal más
corto, siendo el más largo el ánodo. Además en el encapsulado, normalmente de plástico, se
observa un chaflán en el lado en el que se encuentra el cátodo. Se utilizan como señal visual y en
el caso de los infrarrojos en los mandos a distancia. Se fabrican algunos LEDs especiales:
Led bicolor.- Están formados por dos diodos conectados en paralelo e inverso. Se suele utilizar en
la detección de polaridad.
Led tricolor.- Formado por dos diodos Led (verde y rojo) montado con el cátodo común. El
terminal más corto es el ánodo rojo, el del centro, es el cátodo común y el tercero es el ánodo
verde.
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
Son dispositivos semiconductores construidos con una unión PN, 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. Debido a su
construcción se comportan como células fotovoltaicas, es decir, en ausencia de tensión exterior,
generan una tensión muy pequeña con el positivo en el ánodo y el negativo en el cátodo. Tienen
una velocidad de respuesta a los cambios bruscos de luminosidad mayores a las células
fotoeléctricas. Actualmente, y en muchos circuitos estás últimas se están sustituyendo por ellos,
debido a la ventaja anteriormente citada.
DIODO DE CAPACIDAD VARIABLE (VARICAP)
Son diodos que basan su funcionamiento en el principio que hace que la anchura de la barrera de
potencial en una unión PN varia en función de la tensión inversa aplicada entre sus extremos. Al
aumentar dicha tensión, aumenta la anchura de esa barrera, disminuyendo así la capacidad del
diodo. De este modo se obtiene un condensador variable controlado por tensión. Los valores de
capacidad obtenidos van desde 1 a 500pF. La tensión inversa mínima tiene que ser de 1v. La
aplicación de estos diodos se encuentra en la sintonía de TV, modulación de frecuencia en
transmisiones de FM y radio, sobre todo.
DIODO SCHOTTKY
A diferencia del diodo semiconductor normal que tiene una unión P–N, el diodo schottky tiene una
unión Metal-N.
Estos diodos se caracterizan por su velocidad de conmutación, una baja caída de Voltaje uando
están polarizados en directo (típicamente de 0.25 a 0.4 voltios).
El diodo Schottky está más cerca del diodo ideal que el diodo semiconductoromún pero tiene
algunas características que hacen imposible su utilización en aplicaciones de potencia.
Estas son:
- El diodo Schottky tiene poca capacidad de conducción de corriente en directo (en sentido de la
flecha).
Esta característica no permiten que sea utilizado como diodo rectificador. Hay procesos de
rectificación (por ejemplo fuentes de alimentación) en que la cantidad de corriente que tienen que
conducir en sentido directo es bastante grande.
- El diodo Schottky no acepta grandes voltajes que lo polaricen inversamente (VCRR).
El proceso de rectificación antes mensionado también requiere que la tensión inversa que tiene
que soportar el diodo sea grande.
Sin embargo el diodo Schottky encuentra gran cantidad de aplicaciones n circuitos de alta
velocidad como en computadoras, donde se necesitan grandes velocidades de conmutación
y su poca caída de voltaje en directo ausa poco gasto de energía.
El transistor
Dispositivo semiconductor que permite el control y la regulación de una corriente grande
mediante una señal muy pequeña.Existe una gran variedad de transistores. En principio, se
explicarán los bipolares. Los símbolos que corresponden a este tipo de transistor es el
siguiente:
transistor bipolar:
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 2N2222, también identificado como PN2222, es un transistor bipolar NPN de baja potencia de
uso general.
Sirve tanto para aplicaciones de amplificación como de conmutación. Puede amplificar pequeñas
corrientes a tensiones pequeñas o medias; por lo tanto, sólo puede tratar potencias bajas (no
mayores de medio vatio). Puede trabajar a frecuencias medianamente altas.
Por todas esas razones, es un transistor de uso general, frecuentemente utilizados en aplicaciones
de radio por los constructores aficionados de radios. Es uno de los transistores oficiales utilizados
en el BITX. Su versatilidad ha permitido incluso al club de radioaficionados Norcal lanzar en 1999
un desafío de construir un transceptor de radio utilizando únicamente hasta 22 ejemplares de este
transistor - y ningún circuito integrado.
Las hojas de especificaciones señalan como valores máximos garantizados 500 miliamperios, 50
voltios de tensión de colector, y hasta 500 milivatios de potencia. La frecuencia de transición es de
250 a 300 MHz, lo que permite utilizarlo en aplicaciones de radio de alta frecuencia (hasta 300
MHz). La beta (factor de amplificación, hFe) del transistor es de por lo menos 100; valores de 150
son típicos.
El 2N2222 es fabricado en diferentes formatos, los más comunes son los TO-92, TO-18, SOT-23, y
SOT-223.
Su complemento PNP es el 2N2907. El 2N3904 es un transistor de características similares pero
que sólo puede transportar un décimo de la corriente que el 2N2222 puede transportar; puede
usarse como reemplazo del 2N2222 en caso de señales pequeñas.
Otro transistor de características similares, pero de mayor potencia es el 2N2219. Es un transistor
en formato TO-39, con una frecuencia de transición de 300 MHz, por lo cual puede ser usado en
transmisores y amplificadores para HF, VHF y una cierta parte de UHF (300 MHz) con una potencia
de salida de 1 a 2 watts, sabiendo que la máxima potencia que puede llevar a cabo es de 3 watts.
Su complementario PNP es el 2N2905 al igual que el 2N2907. También existe otro transistor que
es de similares características, el cual es el 2N3053, pero su potencia es de 1w y es sólo para
aplicaciones entre 50 y 100 mhz.
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.
El transistor bipolar 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 ß (beta) y es un dato propio de cada transistor.
Entonces:
- Ic (corriente que pasa por la patilla colector) es igual a ß (factor de amplificación) por Ib
(corriente que pasa por la patilla base).
- Ic = ß * 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 él, 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.
Transistor Darlington:
El transistor Darlington es un tipo especial de transistor que tiene una alta ganancia de corriente.
Está compuesto internamente por dos transistores bipolares que se conectan es cascada. Ver 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 analizando el gráfico:
- 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)
El transistor común con la
identificación de las patillas
Transistor Darlington con la
identificación de las
patillas y su estructura interna
Entonces utilizando la ecuación (2) y la ecuación (3) se obtiene:
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. ( la ganancias se
multiplican).
Si se tuvieran dos transistores con ganancia 100 (β = 100) conectados como un transistor
Darlington y se utilizara la fórmula anterior, la ganancia sería, en teoría: β2 x β1 = 100 x 100 =
10000. Como se ve es una ganancia muy grande. En la realidad la ganancia es menor.
Se utilizan ampliamente en circuitos en donde es necesario controlar cargas grandes con
corrientes muy pequeñas.
Muy importante:
La caída de tensión entre la base y el emisor del transistor Darlington es 1.4 voltios que
resulta de la suma de las caídas de tensión de base a emisor del primer transistor B1 a E1
(0.7 voltios) y base a emisor del segundo transistor B2 y E2 (0.7 voltios).
Disipador de calor:
Los disipadores de calor son componentes metálicos que utilizan para evitar que algunos
elementos electrónicos como los transistores bipolares , algunos diodos, SCR, TRIACs,
MOSFETS, etc., se calienten demasiado y se dañen.
El calor que produce un transistor no se transfiere con facilidad hacia el aire que lo rodea.
Algunos transistores son de plástico y otros metálicos. Los que son metálicos transfieren con más
facilidad el calor que generan hacia el aire que lo rodea y, si su tamaño es mayor, mejor.
Es importante aclarar que el elemento transistor que uno ve, es en realidad la envoltura de un
pequeño "chip" que es el que hace el trabajo, al cual se le llama "juntura" o "unión".
La habilidad de transmitir el calor se llama conductancia térmica y a su recíproco se le llama
resistencia térmica (Rth) que tiene unidad de °C/W (grado Centígrado/Watt).
Ejemplo: Si la resistencia térmica RTH de un transistor es 5°C/W, esto significa, que la temperatura
sube 5°C por cada Watt que se disipa.
Poniéndolo en forma de fórmula se obtiene: R = T/P, Donde:
- R = resistencia
- T = temperatura
- P = potencia
La fórmula anterior se parece mucho a una fórmula por todos conocida: La Ley de Ohm. R = V/I.
Donde se reemplaza V por T a I por P y R queda igual
Ejemplo: Se utiliza un transistor 2N3055 que produce 60 Watts en su "juntura".
Con los datos del transistor 2N3055, este puede aguantar hasta 200 Watts en su "juntura"
(máximo) y tiene una resistencia térmica entre la juntura y la carcasa de: 1.5°C/W (carcasa es la
pieza metálica o plástica que se puede tocar en un transistor)
Si la temperatura ambiente es de 23°C, ¿Cuál será la resistencia térmica del disipador de calor que
se pondrá al transistor? (RDA)
Con RJC = 1.5°C/W (dato del fabricante), la caída de temperatura en esta resistencia será T = RxP =
1.5°C x 60 Watts = 90 °C (ver fórmula)
Con RCD = 0.15°C/W (se asume que se utiliza pasta de silicón entre el elemento y el disipador de
calor), la caída de temperatura en RCD es T = RxP = 0.15 x 60 Watts = 9°C.
Tomando en cuenta que la temperatura del aire (temperatura ambiente es de 23°C), el disipador
de calor tiene que disipar: 200°C – 90°C – 9°C – 23°C = 78°C.
Esto significa que la resistencia térmica del disipador de calor será: RDA = 78°C/60 W = 1.3°C/Watt.
Con este dato se puede encontrar el disipador adecuado.
Importante:
Cuando se ponga un disipador de calor a un transistor, hay que evitar que haya contacto entre
ellos. Se podría evitar ésto con plástico o el aire, pero son malos conductores de calor.
Para resolver este problema se utiliza una pasta especial que evita el contacto. La virtud de esta
pasta es que es buena conductora de calor. De todas maneras hay que tomar en cuenta que esta
pasta aislante también tiene una resistencia térmica.
Es mejor evitar si es posible la utilización de la mica pues esta aumenta el RCD. El contacto directo
entre el elemento y el disipador de calor, contrario a lo que se pueda pensar, aumenta el valor de
RCD, así que es mejor utilizar la pasta.
Temporizador 555 El temporizador 555 es un excepcional circuito integrado, muy difundido en nuestros días.
Nació hace más de 30 años y continúa utilizándose actualmente, puede ver una Breve reseña
histórica del temporizador 555
Se puede ver de las figuras que, independientemente del tipo de encapsulado, la numeración de
las patillas del temporizador es la misma.
El 556 es un circuito integrado con 2 temporizadores tipo 555 en una sola unidad de 14 pines y el
558 tiene 4 temporizadores tipo 555 en una sola unidad de 14 pines.
Ver la representacion del temporizador 555
Distribución de pines del temporizador 555:
1 - Tierra o masa
2 - Disparo: Es en esta patilla, donde se establece el inicio del tiempo de retardo, si el 555 es
configurado como monostable. Este proceso de disparo ocurre cuando este pin va por debajo del
nivel de 1/3 del voltaje de alimentación. Este pulso debe ser de corta duración, pues si se
mantiene bajo por mucho tiempo la salida se quedará en alto hasta que la entrada de disparo pase
a alto otra vez.
3 - Salida: Aquí veremos el resultado de la operación del temporizador 555, ya sea que esté
conectado como monostable, astable u otro. Cuando la salida es alta, el voltaje de salida es el
voltaje de aplicación (Vcc) menos 1.7 Voltios. Esta salida se puede obligar a estar en casi 0 voltios
con la ayuda de la patilla # 4 (reset)
4 - Reset: Si se pone a un nivel por debajo de 0.7 Voltios, pone la patilla de salida # 3 a nivel bajo.
Si por algún motivo esta patilla no se utiliza hay que conectarla a Vcc para evitar que el 555 se
"resetee"
5 - Control de voltaje: Cuando el temporizador 555 se utiliza en el modo de controlador de voltaje,
el voltaje en esta patilla puede variar casi desde Vcc (en la practica como Vcc-1 voltio) hasta casi 0
V (en la practica aprox. 2 Voltios). Así es posible modificar los tiempos en que la patilla # 3 esta en
alto o en bajo independiente del diseño (establecido por las resistencias y condensadores
conectados externamente al 555).
El voltaje aplicado a la patilla # 5 puede variar entre un 45% y un 90 % de Vcc en la configuración
monostable.
Cuando se utiliza la configuración astable, el voltaje puede variar desde 1.7 voltios hasta Vcc.
Modificando el voltaje en esta patilla en la configuración astable causará la frecuencia original del
astable sea modulada en frecuencia (FM).
Si esta patilla no se utiliza, se recomienda ponerle un condensador de 0.01uF para evitar las
interferencias
6 - Umbral: Es una entrada a un comparador interno que tiene el 555 y se utiliza para poner la
salida (Pin # 3) a nivel bajo bajo
7 - Descarga: Utilizado para descargar con efectividad el condensador externo utilizado por el
temporizador para su funcionamiento.
8 - V+: También llamado Vcc, es el pin donde se conecta el voltaje de alimentación que va de 4.5
voltios hasta 16 voltios (máximo). Hay versiones militares de este integrado que llegan hasta 18
Voltios
El temporizador 555 se puede conectar para que funcione de diferentes maneras, entre los mas
importantes están: multivibrador astable y como multivibrador monoestable
El triac
Al igual que el tiristor tiene dos estados de funcionamiento: bloqueo y conducción.
Conduce la corriente entre sus terminales principales en un sentido o en el inverso, por ello,
al igual que el diac, es un dispositivo bidireccional.
Conduce entre los dos ánodos (A1 y A2) cuando se aplica una señal a la puerta (G).
Se puede considerar como dos tiristores en antiparalelo. Al igual que el tiristor, el paso de
bloqueo al de conducción se realiza por la aplicación de un impulso de corriente en la
puerta, y el paso del estado de conducción al de bloqueo por la disminución de la corriente
por debajo de la intensidad de mantenimiento (IH).
Está formado por 6 capas de material semiconductor .
La aplicación de los triacs, a diferencia de los tiristores, se encuentra básicamente en
corriente alterna. Su curva característica refleja un funcionamiento muy parecido al del
tiristor apareciendo en el primer y tercer cuadrante del sistema de ejes.
Esto es debido a su bidireccionalidad. La principal utilidad de los triacs es como regulador
de potencia entregada a una carga, en corriente alterna.
El encapsulado del triac es idéntico al de los tiristores.
El SCR Es un dispositivo electrónico que tiene dos estados de funcionamiento: conducción y bloqueo.
Posee tres terminales: Anodo (A), Cátodo(K) y puerta (G).
La conducción entre ánodo y cátodo es controlada por el terminal de puerta. Se dice que es un
dispositivo unidireccional, debido a que el sentido de la corriente es único.
CURVA CARACTERíSTICA
La interpretación directa de la curva característica del tiristor nos dice lo siguiente: cuando la
tensión entre ánodo y cátodo es cero la intensidad de ánodo también lo es.
Hasta que no se alcance la tensión de bloqueo (VBO) el tiristor no se dispara.
Cuando se alcanza dicha tensión, se percibe un aumento de la intensidad en el ánodo (IA),
disminuye la tensión entre ánodo y cátodo, comportándose así como un diodo polarizado
directamente.
Si se quiere disparar el tiristor antes de llegar a la tensión de bloqueo será necesario aumentar la
intensidad de puerta (IG1, IG2, IG3, IG4...), ya que de esta forma se modifica la tensión de cebado
de este.
Este seria el funcionamiento del tiristor cuando se polariza directamente, esto solo ocurre en el
primer cuadrante de la curva.
Cuando se polariza inversamente se observa una débil corriente inversa (de fuga) hasta que
alcanza el punto de tensión inversa máxima que provoca la destrucción del mismo.
En amplificación se utiliza en las etapas de potencia en clase D cuando trabaja en conmutación.
También se utilizan como relés estáticos, rectificadores controlados, inversores y
onduladores, interruptores....
BOBINA
Las bobinas (también llamadas inductores) consisten en un hilo conductor enrollado. Al
pasar una corriente a través de la bobina, alrededor de la misma se crea un campo
magnético que tiende a oponerse a los cambios bruscos de la intensidad de la corriente. Al
igual que un condensador, una bobina puede utilizarse para diferenciar entre señales rápida
y lentamente cambiantes (altas y bajas frecuencias). Al utilizar una bobina conjuntamente
con un condensador, la tensión de la bobina alcanza un valor máximo a una frecuencia
específica que depende de la capacitancia y de la inductancia. Este principio se emplea en
los receptores de radio al seleccionar una frecuencia específica mediante un condensador
variable.