electronica industrial

Academia de Instrumentación CECyTEM Electrónica Industrial 1

UNIDAD I TIRISTORES

1.1 Introducción Durante muchos años ha existido la necesidad de controlar la potencia eléctrica de los sistemas de tracción y de los controles industriales impulsados por motores eléctricos; esto ha llevado a un temprano desarrollo del sistema Ward-Leonard con el objeto de obtener un voltaje de corriente directa variable para el control de los motores e impulsores. La electrónica de potencia ha revolucionado la idea del control para la conversión de potencia y para el control de los motores eléctricos. La electrónica de potencia combina la energía, la electrónica y el control. El control se encarga del régimen permanente y de las características dinámicas de los sistemas de lazo cerrado. La energía tiene que ver con el equipo de potencia estática y rotativa o giratoria, para la generación, transmisión y distribución de energía eléctrica. La electrónica se ocupa de los dispositivos y circuitos de estado sólido requerido e el procesamiento de señales para cumplir con los objetivos de control deseados. La electrónica de potencia se puede definir como la aplicación de la electrónica de estado sólido para el control y la conversión de energía eléctrica. En la figura 5-1 se muestra la interrelación de la electrónica de potencia con la energía, la electrónica y el control. La electrónica de potencia se basa, en primer termino, en la conmutación de dispositivos semiconductores de potencia. Con el desarrollo de la tecnología de los semiconductores de potencia, las capacidades del manejo de la energía y la velocidad de conmutación de los dispositivos de potencia han mejorado tremendamente. El desarrollo de la tecnología de los microprocesadores-microcomputadoras tiene un gran impacto sobre el control y la síntesis de la estrategia de control para los dispositivos semiconductores de potencia. El equipo de electrónica de potencia moderno utiliza (1) semiconductores de potencia, que puede compararse con el músculo, y (2) microelectrónica, que tiene el poder de la inteligencia del cerebro.

_______________________________________________________________________________________ Pág. 1 Ing. Gonzalo Serafín Reyes


Figura 5-1: Relación de la electrónica de potencia con la energía, la electrónica y el control.

La electrónica de potencia ha alcanzado ya un lugar importante en la tecnología moderna y se utiliza ahora en una gran diversidad de productos de alta potencia, que incluyen controles de calor, controles de iluminación, controles de motor, fuentes de alimentación, sistemas de propulsión de vehículos y sistemas de corriente directa de un alto voltaje (HVDC por sus siglas en ingles). Resulta difícil trazar los límites de las aplicaciones de la electrónica de potencia; en especial con las tendencias actuales en el desarrollo de los dispositivos de potencia y los microprocesadores, él limite superior esta aun indefinido. En la tabla 5-1 se muestran algunas de las aplicaciones de la electrónica de potencia.

Tabla 5.1: Aplicaciones de la electrónica de potencia



Historia de la electrónica de potencia La historia de la electrónica de potencia empezó e el año 1900, con la introducción del rectificador de arco de mercurio. Luego aparecieron gradualmente, el rectificador de tanque metálico, el rectificador de tubo al alto vació de rejilla controlada, el fanotron y el tiratron. Estos dispositivos se aplicaron al control de la energía hasta la década de 1950. La primera revolución electrónica inicia en 1948 con la invención del transistor de silicio en los Bell Telephone Laboratories por los señores Bardeen, Brattain y Shockley. La mayor parte de las tecnologías electrónicas avanzadas actuales tienen su origen en esta invención. A través de los años la microelectrónica moderna ha evolucionado a partir de los semiconductores de silicio. El siguiente gran parte aguas, en 1956, también provino de los Bell Telephone Laboratories: la invención del transistor de disparo PNPN, que se definió como un tiristor o rectificador controlado de silicio (SCR) por sus siglas en ingles. La segunda revolución electrónica empezó en 1958 con el desarrollo del tiristor comercial por General Electric Company. Ese fue el principio de una nueva era en la electrónica de potencia. Desde entonces, se han introducidos muy diversos tipos de dispositivos semiconductores de potencia y técnicas de conversión. La revolución de microelectrónica nos dio la capacidad de procesar una gran cantidad de información a una velocidad increíble. La revolución de la electrónica de potencia nos esta dando la capacidad de dar forma y controlar grandes cantidades de energía con una eficiencia cada vez mayor. Debido a la fusión de la electrónica de potencia que es el músculo, con la microelectrónica, que es el cerebro, se han descubierto muchas aplicaciones potenciales de la electrónica de potencia, y se descubrirán más. Dentro de los siguientes 30 años, la electrónica de potencia formara y condicionara la electricidad, en alguna parte de la línea de transmisión, entre el punto de generación y todos los usuarios. La revolución de la electrónica de potencia ha ganado inercia, desde el fin de los años 80 y principios de los 90. Dispositivos semiconductores de potencia Desde que se desarrolló el primer tiristor de rectificador controlado de silicio (SCR), a fines de 1957, ha habido grandes adelantos en los dispositivos semiconductores de potencia. Hasta 1970, los tiristores convencionales se habían utilizado en forma exclusiva para el control de la energía en aplicaciones industriales. A partir de 1970, se desarrollaron varios tipos de dispositivos semiconductores de potencia que quedaron disponibles en forma comercial. Éstos se pueden dividir en cinco tipos principales: (1) diodos de potencia, (2) tiristores, (3) transistores bipolares de juntura de potencia (BJT), (4) MOSFET de potencia, y (5) transistores bipolares de compuerta aislada (IGBT) y transistores de inducción estáticos (SIT). Los tiristores se pueden subdividir en ocho tipos: (a) tiristor de conmutación forzada, (b) tiristor conmutado por línea, (e) tiristor desactivado por compuerta (GTO), (d) tiristor de conducción inversa (RCT), (e) tiristor de inducción estático (SITH), (o tiristor desactivado con asistencia de compuerta (GATT), (g) rectificador controlado de silicio foto activado (LASCR), y (h) tiristores controlados



por MOS (MCT). Los transistores de inducción estáticos también están disponibles en forma comercial. Los diodos de potencia son de tres tipos: de uso general, de alta velocidad (o de recuperación rápida) y Schottky. Los diodos de uso general están disponibles hasta 3000 V, 3500 A, y la especificación de los diodos de recuperación rápida puede llegar hasta 3000 V, 1000 A. El tiempo de recuperación inversa varía entre 0.1 y 5µs. Los diodos de recuperación rápida son esenciales para la interrupción de los convertidores de potencia a altas frecuencias. Un diodo tiene dos terminales: un cátodo y un ánodo. Los diodos Schottky tienen un voltaje bajo de estado activo y un tiempo de recuperación muy pequeño, típicamente en nanosegundos. La corriente de fuga aumenta con el voltaje y sus especificaciones se limitan a 100 V, 300 A. Un diodo conduce cuando el voltaje de su ánodo es más alto que el de su cátodo; siendo la caída de voltaje directa de un diodo de potencia muy baja, típicamente 0.5 y 1.2 V. Si el voltaje de cátodo es más alto que el voltaje de ánodo, se dice que el diodo está en modo de bloqueo. Existen varias configuraciones de diodos de uso general, mismos que se agrupan básicamente en dos tipos. Uno se conoce como de perno o montado en perno y el otro como de disco empacado a presión o de disco de hockey. En el de perno, tanto el ánodo como el cátodo podrían ser el perno. Un tiristor tiene tres terminales: un ánodo, un cátodo, y una compuerta. Cuando una pequeña corriente pasa a través de la terminal de la compuerta hacia el cátodo, el tiristor conduce, siempre y cuando la terminal del ánodo esté a un potencial más alto que el cátodo. Una vez que el tiristor está en un modo de conducción, el circuito de la compuerta no tiene ningún control y el tiristor continuara conduciendo. Cuando un tiristor está en un modo de conducción, la caída de potencial en directa es muy pequeña, típicamente 0.5 a 2 V. Un tiristor que conduce se puede desactivar haciendo que el potencial del ánodo sea igual o menor que el potencias de cátodo. Los tiristores conmutados en línea se desactivan en razón de la naturaleza senoidal del voltaje de entrada, y los tiristores conmutados en forma forzada se desactivan mediante un circuito adicional conocido como circuitería de conmutación. Existen varias configuraciones de tiristores de control de fase (o de conmutación de línea): tipo perno, tipo disco de hockey, tipo plano, y tipo de aguja. Los tiristores naturales o conmutados en línea están disponibles con especificaciones de hasta 6000 V, 3500 A. El tiempo de desactivación de los tiristores de bloqueo inverso de alta velocidad ha mejorado en forma sustancial y es posible obtener de 10 a 20 µs con un tiristor de 1200-V, 2000-A. El tiempo de desactivación se define como el intervalo de tiempo entre el instante en que la corriente principal se reduce a cero después de la interrupción externa del circuito de voltaje principal, y el instante en que el tiristor es capaz de aceptar un voltaje principal especificado, sin activarse. Los RCT y los GATT se utilizan en gran medida para la interrupción de alta velocidad, en especial en aplicaciones de tracción. Un RCT se puede considerar como un tiristor que incluye un diodo inverso en paralelo. Los RCT están disponibles hasta 2500 V, 1000 (y 400 A de



conducción inversa) con un tiempo de interrupción de 40 µs. Los GATT están disponibles hasta 1200 V, 400 A con una velocidad de interrupción de 8 µs. Los LASCR, que se fabrican hasta 6000V, 1500 A, con una velocidad de interrupción de 200 a 400 µs, son adecuados para sistemas de energía de alto voltaje, especialmente en HVDC. Para aplicaciones de corriente, alterna de baja potencia los TRIAC, se utilizan ampliamente en todo tipo de controles sencillos de calor, de iluminación, de motor, así como interruptores de corriente alterna. Las características de los TRIAC son similares a dos tiristores conectados en inverso paralelo con una sola terminal de compuerta. El flujo de corriente a través de un TRIAC se puede controlar en cualquier dirección. Los GTO y los SITH son tiristores auto desactivados. Los GTO y los SITH se activan mediante la aplicación de un pulso breve positivo a las compuertas, y se desactivan mediante la aplicación de un pulso corto negativo a las mismas. No requieren de ningún circuito de conmutación. Los GTO resultan muy atractivos para la conmutación forzada de convertidores y están disponibles hasta 4000 V, 3000A. Los SITH, cuyas especificaciones pueden llegar tan alto como 1200 V, 300 A, se espera que puedan ser aplicados a convertidores de mediana potencia con una frecuencia de varios cientos de Khz. y más allá del rango de frecuencia de los GTO. Existen varias configuraciones de GTO. Los transistores bipolares de alta potencia son comunes en los convertidores de energía a frecuencias menores que 10 Khz. y su aplicación es eficaz en las especificaciones de potencia de hasta 1200 V, 400 A. Un transistor bipolar tiene tres terminales: base, emisor y colector. Por lo general, se opera en forma de interruptor en la configuración de emisor común. Mientras que la base de un transistor NPN esté a un potencial más alto que el emisor, y la corriente de base sea lo suficientemente grande como para excitar al transistor en la región de saturación, el transistor se conservará activado, siempre que la unión del colector al emisor esté correctamente polarizada. La caída directa de un transistor en conducción está en el rango de 0.5 a 1.5 V. Si el voltaje de excitación de la base es retirado, el transistor se conserva en modo de no conducción (es decir desactivado). Los MOSFET de potencia se utilizan en convertidores de potencia de alta velocidad y están disponibles en una especificación de relativamente poca potencia en rango de 1000 V, 50 A, en un rango de frecuencia de varias decenas de Khz. Los IGBT son transistores de potencia controlados por voltaje. Por naturaleza, son más rápidos que los BJT, pero aún no tan rápidos como los MOSFET. Sin embargo, ofrecen características de excitación y de salida muy superiores a las de los BJT. Los IGBT son adecuados para altos voltajes, altas corrientes y frecuencias de hasta 20 Khz. Los IGBT están disponibles hasta 1200 V, 400 A.



1.2 EL FET El transistor bipolar es la espina dorsal de la electrónica lineal, su funcionamiento se basa en dos tipos de cargas electrones y huecos, es por eso que se denomina bipolar. Sin embargo para aplicaciones donde se requiere alta impedancia el transistor unipolar es el más adecuado. El funcionamiento del transistor unipolar depende de un solo tipo de carga que puede ser electrones o huecos. En la siguiente figura se muestra su símbolo. Debido a que la unión Gate-Source está polarizada inversamente (diferencia de bipolar) la corriente es IG=0. Si tenemos un VG=2v y IG=0 la resistencia de entrada es

∞=÷= 02vRG En términos reales la resistencia de entrada no es ∞ debido a una pequeña fuga de IG, pero si muy cercana del orden de cientos de MΩ. El termino efecto de campo se relaciona con las capas de empobrecimiento alrededor de cada región p. Cuando seleccionamos un transistor tendremos que conocer el tipo de encapsulado, así como el esquema de identificación de los terminales. También tendremos que conocer una serie de valores máximos de tensiones, corrientes y potencias que no debemos sobrepasar para no destruir el dispositivo. El parámetro de la potencia disipada por el transistor es especialmente crítico con la temperatura, de modo que esta potencia decrece a medida que aumenta el valor de la temperatura, siendo a veces necesario la instalación de un radiador o aleta refrigeradora. Todos estos valores críticos los proporcionan los fabricantes en las hojas de características de los distintos dispositivos.



La estructura física del FET así como su símbolo correspondiente se muestra en la figura 1. En la figura 1.a) se construye empleando una barra de material tipo n dentro del cual se difunde un par de regiones tipo p. Un JFET de canal p se elabora empleando una barra de material tipo p con regiones difundidas tipo n, como se muestra en la figura anterior. Compuerta ( G )

S D

G Fuente ( S ) Drenaje ( D )

material n

p

p

Contacto óhmico ( 1.a ) FET canal n (tipo p)

Compuerta ( G ) S D

G Fuente ( S ) Drenaje ( D )

Contacto óhmico

material P

N

N

(1.b) FET canal p (tipo n)



Zonas de funcionamiento del transistor de efecto de campo (FET): 1. ZONA ÓHMICA o LINEAL: En esta zona el transistor se comporta como una resistencia variable dependiente del valor de VGS. Un parámetro que aporta el fabricante es la resistencia que presenta el dispositivo para VDS= 0 (rds on), y distintos valores de VGS. 2. ZONA DE SATURACIÓN: En esta zona es donde el transistor amplifica y se comporta como una fuente de corriente gobernada por VGS 3. ZONA DE CORTE: La intensidad de drenador es nula (ID=0).

A diferencia del transistor BJT, los terminales drenador y surtidor del FET pueden intercambiar sus papeles sin que se altere apreciablemente la característica V-I (se trata de un dispositivo simétrico).



Entre las principales aplicaciones de este dispositivo podemos destacar:

APLICACIÓN PRINCIPAL VENTAJA USOS

Aislador o separador (buffer)

Impedancia de entrada alta y de salida baja

Uso general, equipo de medida, receptores

Amplificador de RF Bajo ruido

Sintonizadores de FM, equipo para comunicaciones

Mezclador Baja distorsión de intermodulación

Receptores de FM y TV, equipos para comunicaciones

Amplificador con CAG Facilidad para controlar ganancia

Receptores, generadores de señales

Amplificador cascodo Baja capacidad de entrada

Instrumentos de medición, equipos de prueba

Troceador Ausencia de deriva

Amplificadores de cc, sistemas de control de dirección

Resistor variable por voltaje Se controla por voltaje

Amplificadores operacionales, órganos electrónicos, controlas de tono

Amplificador de baja frecuencia

Capacidad pequeña de acoplamiento

Audífonos para sordera, transductores inductivos



1.3 El SCR. En la industria hay numerosas operaciones, las cuales requieren se entregue una cantidad de potencia eléctrica variable y controlada. La iluminación, el control de velocidad de un motor, la soldadura eléctrica y el calentamiento eléctrico, son las cuatro operaciones más comunes. Siempre es posible controlar la cantidad de potencia eléctrica que se entrega a una carga si se utiliza un transformador variable para proporcionar un voltaje de salida variables. Sin embargo, para grandes potencias, los transformadores variables son físicamente grandes y costosos y necesitan un mantenimiento frecuente, estos tres factores hacen que los transformadores variables sean poco utilizados. Otro método para controlar la potencia eléctrica que se entrega a una carga, es intercalar un reóstato en serie con la carga, para así controlar y limitar la corriente. Nuevamente para grandes potencias, los reóstatos resultan de gran tamaño, costosos, necesitan mantenimiento además, despercidian una cantidad apreciable de energía. Los reóstatos no son la alternativa deseable frente a los transformadores variables en el control de potencia industrial. Desde 1960 está disponible un dispositivo electrónico, el cuál no adolece de las fallas antes mencionadas. El SCR es pequeño y relativamente barato, no necesita mantenimiento y su consumo de potencia es muy pequeño. Algunos SCR modernos pueden controlar corrientes del orden de cientos de amperios en circuitos que operan a voltajes tan elevados como 1000 volts. Por estas razones, los SCR son muy importantes en el campo del control industrial moderno. Dentro de la familia de dispositivos pnpn, el rectificador controlado de silicio (SCR) es, sin duda, el de mayor interés hoy en día, y fue presentado por primera vez en 1956 por los Bell Telephone Laboratories. Algunas de las áreas más comunes de aplicación de los SCR son controles de relevador, circuitos de retardo de tiempo, fuentes de alimentación reguladas, interruptores estáticos, controles de motores, recortadores, inversores, cicloconversores, cargadores de baterías, circuitos de protección, controles de calefacción y controles de fase. En años recientes han sido diseñados SCR para controlar potencias tan altas de hasta 10 MW y con valores individuales tan altos como de 2000 A a 1800 V. Su rango de frecuencia de aplicación también ha sido extendido a cerca de 50 kHz, lo que ha permitido algunas aplicaciones de alta frecuencia. Operación Básica del Rectificador Controlado de Silicio Como su nombre lo indica, el SCR es un rectificador construido con material de silicio con una tercera terminal para efecto de control. Se escogió el silicio debido a sus capacidades de alta temperatura y potencia. La operación básica del SCR es diferente de la del diodo semiconductor de dos capas fundamental, en que una tercera terminal, llamada compuerta, determina cuándo el rectificador conmuta del estado de circuito abierto al de circuito cerrado. No es suficiente sólo la polarización directa del ánodo al cátodo del dispositivo. En la región de conducción la resistencia dinámica el SCR es típicamente de 0.01 a 0.1 . La resistencia inversa es típicamente de 100 k o más.



El símbolo gráfico para el SCR se muestra en la figura1, y las conexiones correspondientes a la estructura de semiconductor de cuatro capas en la figura 2

Figura 1 Símbolo del SCR.

Figura 2. Construcción básica del SCR.

Modelo de SCR de dos transistores: La acción regenerativa o de enganche debido a la retroalimentación directa se puede demostrar mediante un modelo de un SCR de dos transistores. Un SCR se puede considerar como dos transistores complementarios, un transistor PNP, Q1, y un transistor NPN, Q2, tal y como se demuestra en la figura 3.

a) Estructura básica b) Circuito equivalente

Fig. 3 Modelo del SCR.



Activación del SCR: Un SCR se activa incrementando la corriente del ánodo. Esto se puede llevar a cabo mediante una de las siguientes formas:

TERMICA. Si la temperatura de un SCR es alta habrá un aumento en el número de pares electrón-hueco, lo que aumentará las corrientes de fuga. y pudiera activarse. Este tipo de activación puede causar una fuga térmica que por lo general se evita.

LUZ. Si se permite que la luz llegue a las uniones de un SCR, aumentaran los pares electrón-hueco pudiéndose activar el SCR. La activación de tiristores por luz se logra permitiendo que esta llegue a los discos de silicio.

ALTO VOLTAJE. Si el voltaje directo ánodo a cátodo es mayor que el voltaje de ruptura directo VBO, fluirá una corriente de fuga suficiente para iniciar una activación regenerativa. Este tipo de activación puede resultar destructiva por lo que se debe evitar.

dv/dt. Si la velocidad de elevación del voltaje ánodo-cátodo es alta, la corriente de carga de las uniones capacitivas puede ser suficiente para activar el SCR. Un valor alto de corriente de carga puede dañar el SCR por lo que el dispositivo debe protegerse contra dv/dt alto. Los fabricantes especifican el dv/dt máximo permisible de los tiristores.

CORRIENTE DE COMPUERTA. Si un SCR está polarizado en directa, la inyección de una corriente de compuerta al aplicar un voltaje positivo de compuerta entre la compuerta y las terminales del cátodo activará al SCR. Conforme aumenta la corriente de compuerta, se reduce el voltaje de bloqueo directo, tal y como aparece en la fig.4 y además se proporcionan las características de un SCR para diversos valores de corriente de compuerta. Las corrientes y voltajes más usados se indican en las características.

Voltaje de ruptura directo V(BR) F* es el voltaje por arriba del cual el SCR entra a la región de conducción

Corriente de sostenimiento (IH) es el valor de corriente por abajo del cual el SCR cambia del estado de conducción a la región de bloqueo directo bajo las condiciones establecidas.

Figura 4. Características del SCR.



Aplicaciones del SCR. Tiene variedad de aplicaciones entre ellas están las siguientes: Circuitos de retardo de tiempo.

Fuentes de alimentación reguladas. Interruptores estáticos. Controles de motores. Recortadores. Inversores. Cicloconversores. Cargadores de baterías. Circuitos de protección. Controles de calefacción. Controles de fase.

En la figura 5 se muestra un interruptor estático es serie de medida de media onda. Si el interruptor está cerrado, la corriente de compuerta fluirá durante la parte positiva de la señal de entrada, encendiendo al SCR. La resistencia R1 limita la magnitud de la corriente de compuerta. Cuando el SCR se enciende, el voltaje ánodo a cátodo (VF) caerá al valor de conducción, dando como resultado una corriente de compuerta muy reducida y muy poca pérdida en el circuito de compuerta. Para la región negativa de la señal de entrada el SCR se apagará, debido a que el ánodo es negativo respecto al cátodo. Se incluye al diodo D1 para prevenir una inversión en la corriente de compuerta. Las formas de onda para la corriente y voltaje de carga resultantes se muestran en la figura 5b. El resultado es una señal rectificada de media onda a través de la carga. Si se desea conducción a menos de 180º, el interruptor se puede cerrar en cualquier desplazamiento de fase durante la parte positiva de la señal de entrada. El interruptor puede ser electrónico, electromagnético, dependiendo de la aplicación.

a) b) Figura 5. Interruptor estático en serie de media onda.



En la figura 6a se muestra un circuito capaz de establecer un ángulo de conducción entre 90º y 180º. El circuito es similar al de la figura 5, con excepción de la resistencia variable y la eliminación del interruptor. La combinación de las resistencias R y R1 limitará la corriente de compuerta durante la parte positiva de la señal de entrada. Si R1 está en su valor máximo, la corriente de compuerta nunca llegará a alcanzar la magnitud de ence4ndido. Conforme R1 disminuye desde el máximo, la corriente de compuerta se incrementará a partir del mismo voltaje de entrada. De esta forma se puede establecer la corriente de compuerta requerida para el encendido en cualquier punto entre 0º y 90º, como se muestra en la figura 6b. Si R1es bajo, el SCR se disparará de inmediato y resultará la misma acción que la obtenida del circuito de la figura 6b, el control no puede extenderse más allá de un desplazamiento de fase de 90º, debido a que la entrada está a su valor máximo en este punto. Si falla para disparar a éste y a menores valores del voltaje de entrada en la pendiente positiva de la entrada, se debe esperar la misma respuesta para la parte de pendiente negativa de la forma de onda de la señal. A esta operación se le menciona normalmente en términos técnicos como control de fase de media onda por resistencia variable. Es un método efectivo para controlar la corriente rms y, por tanto, la potencia se dirige hacia la carga.

a) b)

Figura 6. Control de fase de resistencia variable de media onda. Control unidireccional de rectificación de onda completa La Fig. 7 muestra como dos SCR pueden combinarse con un transformador de toma central para efectuar un control de onda completa. Este circuito se asemeja bastante al rectificador de onda completa para una fuente de alimentación de DC cuando el devanado secundario está en semiciclo positivo, positivo arriba y negativo abajo, el SCR puede cebarse. Esto conecta la carga a la mitad superior del devanado secundario se encuentra en el semiciclo negativo, el SCR, puede cebarse conectando la carga a la mitad inferior del devanado secundario.



La corriente a través de la carga siempre fluye en la misma dirección tal como sucede en una fuente de onda completa. La figura 2(b) muestra las formas de onda de voltaje en la carga y del voltaje ac de línea para un ángulo de disparo mencionado de 45º aproximadamente. La figura 7(a) muestra dos circuitos de disparo, una para cada SCR a menudo estos dos circuitos pueden combinarse en uno solo, esta práctica de diseño asegura que el ángulo de disparo es el mismo en ambos ciclos. SCR1 Fuente de VAC Carga SCR2

Circuito de disparo SCR1

Circuto de disparo SCR2

(a) V fuente t (b) V carga t Figura 7, (a) Control de potencia de onda completa, (b) formas de onda. Control de potencia de onda completa con rectificación, utilizando dos SCR y un devanado con toma central (b) formas de onda del voltaje de la fuente y del voltaje en la carga. Ambos semiciclos están siendo utilizados para la entrega de potencia, pero el voltaje en la carga tiene una sola polaridad.



1.4 El Diac. Dispositivo semiconductor de dos terminales de estructura similar a la del transistor que presenta cierto tipo de conductividad biestable en ambos sentidos. Cuando las tensiones presentes en sus terminales son suficientemente altas se utiliza principalmente junto a los triacs que para el control en fase de los circuitos. Es un tipo de tiristor que puede conducir en los dos sentidos. Es un dispositivo de dos terminales que funciona básicamente como dos diodos Shockley que conducen en sentidos opuestos.

La curva de funcionamiento refleja claramente el comportamiento del diac, que funciona como un diodo Shockley tanto en polarización directa como en inversa. Cualquiera que sea la polarización del dispositivo, para que cese la conducción hay que hacer disminuir la corriente por debajo de la corriente de mantenimiento IH. Las partes izquierda y derecha de la curva, a pesar de tener una forma análoga, no tienen por qué ser simétricas.



1.5 El TRIAC. El triac es un dispositivo semiconductor de tres terminales que se usa para controlar el flujo de corriente promedio a una carga, con la particularidad de que conduce en ambos sentidos y puede ser bloqueado por inversión de la tensión o al disminuir la corriente por debajo del valor de mantenimiento. El triac puede ser disparado independientemente de la polarización de puerta, es decir, mediante una corriente de puerta positiva o negativa. Descripción general Cuando el triac conduce, hay una trayectoria de flujo de corriente de muy baja resistencia de una terminal a la otra, dependiendo la dirección de flujo de la polaridad del voltaje externo aplicado. Cuando el voltaje es mas positivo en MT2, la corriente fluye de MT2 a MT1 en caso contrario fluye de MT1 a MT2. En ambos casos el triac se comporta como un interruptor cerrado. Cuando el triac deja de conducir no puede fluir corriente entre las terminales principales sin importar la polaridad del voltaje externo aplicado por tanto actúa como un interruptor abierto. Debe tenerse en cuenta que si se aplica una variación de tensión importante al triac (dv/dt) aún sin conducción previa, el triac puede entrar en conducción directa.

CONSTRUCCION BASICA, SIMBOLO, DIAGRAMA EQUIVALENTE

La estructura contiene seis capas como se indica en la figura anterior, aunque funciona siempre como un tiristor de cuatro capas. En sentido MT2-MT1 conduce a través de P1N1P2N2 y en sentido MT1-MT2 a través de P2N1P1N4. La capa N3 facilita el disparo con intensidad de puerta negativa. La complicación de su estructura lo hace mas delicado que un SCR en cuanto a di/dt y capacidad para soportar sobre intensidades.



Se fabrican para intensidades de 1 hasta unos 2000 Amperios eficaces y desde 400 a 2000 V de tensión de pico repetitivo. Los triac son fabricados para funcionar a frecuencias bajas, los fabricados para trabajar a frecuencias medias son denominados alternistores. En la figura anterior se muestra el símbolo esquemático e identificación de las terminales de un triac, la nomenclatura Ánodo 2 (A2) y Ánodo 1 (A1) pueden ser reemplazados por Terminal Principal 2 (MT2) y Terminal Principal 1 (MT1) respectivamente. El Triac actúa como dos rectificadores controlados de silicio (SCR) en paralelo, este dispositivo es equivalente a dos latchs.

La figura siguiente describe la característica tensión – corriente del Triac. Muestra la corriente a través del Triac como una función de la tensión entre los ánodos MT2 y MT1. El punto VBD (tensión de ruptura) es el punto por el cual el dispositivo pasa de una resistencia alta a una resistencia baja y la corriente, a través del Triac, crece con un pequeño cambio en la tensión entre los ánodos.

Característica tensión – corriente



El Triac permanece en estado ON hasta que la corriente disminuye por debajo de la corriente de mantenimiento IH. Esto se realiza por medio de la disminución de la tensión de la fuente. Una vez que el Triac entra en conducción, la compuerta no controla mas la conducción, por esta razón se acostumbra dar un pulso de corriente corto y de esta manera se impide la disipación de energía sobrante en la compuerta. El mismo proceso ocurre con respecto al tercer cuadrante, cuando la tensión en el ánodo MT2 es negativa con respecto al ánodo MT1 y obtenemos la característica invertida. Por esto es un componente simétrico en cuanto a conducción y estado de bloqueo se refiere, pues la característica en el cuadrante I de la curva es igual a la del cuadrante III Métodos de disparo del TRIAC. Como hemos dicho, el Triac posee dos ánodos denominados (MT1 y MT2) y una compuerta G. La polaridad de la compuerta G y la polaridad del ánodo 2, se miden con respecto al ánodo 1. El triac puede ser disparado en cualquiera de los dos cuadrantes I y III mediante la aplicación entre los terminales de compuerta G y MT1 de un impulso positivo o negativo. Esto le da una facilidad de empleo grande y simplifica mucho el circuito de disparo. Veamos cuáles son los fenómenos internos que tienen lugar en los cuatro modos posibles de disparo. 1 – El primer modo del primer cuadrante designado por I (+), es aquel en que la tensión del ánodo MT2 y la tensión de la compuerta son positivas con respecto al ánodo MT1 y este es el modo mas común (Intensidad de compuerta entrante). La corriente de compuerta circula internamente hasta MT1, en parte por la unión P2N2 y en parte a través de la zona P2. Se produce la natural inyección de electrones de N2 a P2, que es favorecida en el área próxima a la compuerta por la caída de tensión que produce en P2 la circulación lateral de corriente de compuerta. Esta caída de tensión se simboliza en la figura por signos + y - . Parte de los electrones inyectados alcanzan por difusión la unión P2N1 que bloquea el potencial exterior y son acelerados por ella iniciándose la conducción. 2 – El Segundo modo, del tercer cuadrante, y designado por III(-) es aquel en que la tensión del ánodo MT2 y la tensión de la compuerta son negativos con respecto al ánodo MT1 (Intensidad de compuerta saliente). Se dispara por el procedimiento de puerta remota, conduciendo las capas P2N1P1N4. La capa N3 inyecta electrones en P2 que hacen más conductora la unión P2N1. La tensión positiva de T1 polariza el área próxima de la unión P2N1 más positivamente que la próxima a la puerta. Esta polarización inyecta huecos de P2 a N1 que alcanzan en parte la unión N1P1 y la hacen pasar a conducción. 3 – El tercer modo del cuarto cuadrante, y designado por I(-) es aquel en que la tensión del ánodo MT2 es positiva con respecto al ánodo MT1 y la tensión de disparo de la compuerta es negativa con respecto al ánodo MT1( Intensidad de compuerta saliente).



El disparo es similar al de los tiristores de puerta de unión. Inicialmente conduce la estructura auxiliar P1N1P2N3 y luego la principal P1N1P2N2. El disparo de la primera se produce como en un tiristor normal actuando T1 de puerta y P de cátodo. Toda la estructura auxiliar se pone a la tensión positiva de T2 y polariza fuertemente la unión P2N2 que inyecta electrones hacia el área de potencial positivo. La unión P2N1 de la estructura principal, que soporta la tensión exterior, es invadida por electrones en la vecindad de la estructura auxiliar, entrando en conducción. 4 – El cuarto modo del Segundo cuadrante y designado por III(+) es aquel en que la tensión del ánodo T2 es negativa con respecto al ánodo MT1, y la tensión de disparo de la compuerta es positiva con respecto al ánodo MT1(Intensidad de compuerta entrante). El disparo tiene lugar por el procedimiento llamado de puerta remota. Entra en conducción la estructura P2N1P1N4. La inyección de N2 a P2 es igual a la descrita en el modo I(+). Los que alcanzan por difusión la unión P2N1 son absorbidos por su potencial de unión, haciéndose más conductora. El potencial positivo de puerta polariza más positivamente el área de unión P2N1 próxima a ella que la próxima a T1, provocándose una inyección de huecos desde P2 a N1 que alcanza en parte la unión N1P1 encargada de bloquear la tensión exterior y se produce la entrada en conducción. El estado I(+), seguido de III(-) es aquel en que la corriente de compuerta necesaria para el disparo es mínima. En el resto de los estados es necesaria una corriente de disparo mayor. El modo III(+) es el de disparo más difícil y debe evitarse su empleo en lo posible. En general, la corriente de encendido de la compuerta, dada por el fabricante, asegura el disparo en todos los estados.

Formas de onda de los triacs. La relación en el circuito entre la fuente de voltaje, el triac y la carga se representa en la siguiente figura. La corriente promedio entregada a la carga puede variarse alterando la cantidad de tiempo por ciclo que el triac permanece en el estado encendido. Si permanece una parte pequeña del tiempo en el estado encendido, el flujo de corriente promedio a través de muchos ciclos será pequeño, en cambio si permanece durante una parte grande del ciclo de tiempo encendido, la corriente promedio será alta.



Un triac no esta limitado a 180 de conducción por ciclo. Con un arreglo adecuado del disparador, puede conducir durante el total de los 360 del ciclo. Por tanto proporciona control de corriente de onda completa, en lugar del control de media onda que se logra con un SCR. Las formas de onda de los triacs son muy parecidas a las formas de onda de los SCR, a excepción de que pueden dispararse durante el semiciclo negativo. En la figura siguiente se muestran las formas de onda tanto para el voltaje de carga como para el voltaje del triac (a través de los terminales principales) para dos condiciones diferentes. Las formas de onda muestran apagado el triac durante los primeros 30 de cada semiciclo, durante estos 30 el triac se comporta como un interruptor abierto, durante este tiempo el voltaje completo de línea se cae a través de las terminales principales del triac, sin aplicar ningún voltaje a la carga. Por tanto no hay flujo de corriente a través del triac y la carga. La parte del semiciclo durante la cual existe esta situación se llama ángulo de retardo de disparo. Después de transcurrido los 30, el triac dispara y se vuelve como un interruptor cerrado y comienza a conducir corriente a la carga, esto lo realiza durante el resto del semiciclo. La parte del semiciclo durante la cual el triac esta encendido se llama ángulo de conducción. Las demás figuras muestran las mismas formas de ondas pero con ángulo de retardo de disparo mayor.



Ejemplo 1 circuito practico para disparo En la FIG. 5 se muestra un circuito práctico de disparo de un triac utilizando un UJT. El resistor RF es un resistor variable que se modifica a medida que las condiciones de carga cambian. El transformador T1 es un transformador de aislamiento, y su propósito es aislar eléctricamente el circuito secundario y el primario, para este caso aísla el circuito de potencia ca del circuito de disparo.

FIG.5

La onda senoidal de ca del secundario de T1 es aplicada a un rectificador en puente y la salida de este a una combinación de resistor y diodo zener que suministran una forma de onda de 24 v sincronizada con la línea de ca. Esta forma de onda es mostrada en la FIG. 6 (a). Funcionamiento. Cuando la alimentación de 24 v se establece, C1 comienza a cargarse hasta la Vp del UJT, el cual se dispara y crea un pulso de corriente en el devanado primario del transformador T2. Este se acopla al devanado secundario, y el pulso del secundario es entregado a la compuerta del triac, encendiéndolo durante el resto del semiciclo. Las formas de onda del capacitor (Vc1), corriente del secundario de T2 (Isec) y voltaje de carga (VLD), se muestran en la FIG. 6 (b), (c),(d). La razón de carga de C1 es determinada por la razón de RF a R1, que forman un divisor de voltaje, entre ellos se dividen la fuente de CD de 24 v que alimenta al circuito de disparo. Si RF es pequeño en relación a R1, entonces R1 recibirá una gran parte de la fuente de 24 v, esto origina que el transistor PNP Q1 conduzca, con una circulación grande de corriente por el colector pues el voltaje de R1 es aplicado al circuito de base, por lo tanto C1 se carga con rapidez. Bajo estas condiciones el UJT se dispara pronto y la corriente de carga promedio es alta.



Por otra parte se RF es grande en relación a R1, entonces el voltaje a través de R1 será menor que en el caso anterior, esto provoca la aparición de un voltaje menor a través del circuito base-emisor de Q1 con la cual disminuye su corriente de colector y por consiguiente la razón de carga de C1 se reduce, por lo que le lleva mayor tiempo acumular el Vp del UJT. Por lo tanto el UJT y el triac se disparan después en el semiciclo y la corriente de carga promedio es menor que antes.

FIG.6



Ejemplo 2 práctico de aplicación. En la figura siguiente puede verse una aplicación práctica de gobierno de un motor de c.a. mediante un triac (TXAL228). La señal de control (pulso positivo) llega desde un circuito de mando exterior a la puerta inversora de un ULN2803 que a su salida proporciona un 0 lógico por lo que circulará corriente a través del diodo emisor perteneciente al MOC3041 (opto acoplador). Dicho diodo emite un haz luminoso que hace conducir al Fototriac a través de R2 tomando la tensión del ánodo del triac de potencia. Este proceso produce una tensión de puerta suficiente para excitar al triac principal que pasa al estado de conducción provocando el arranque del motor. Debemos recordar que el triac se desactiva automáticamente cada vez que la corriente pasa por cero, es decir, en cada semiciclo, por lo que es necesario redisparar el triac en cada semionda o bien mantenerlo con la señal de control activada durante el tiempo que consideremos oportuno. Como podemos apreciar, entre los terminales de salida del triac se sitúa una red RC cuya misión es proteger al semiconductor de potencia, de las posibles sobrecargas que se puedan producir por las corrientes inductivas de la carga, evitando además cebados no deseados. Es importante tener en cuenta que el triac debe ir montado sobre un disipador de calor constituido a base de aletas de aluminio de forma que el semiconductor se refrigere adecuadamente.



1.6 El UJT (Transistor de unijuntura). El transistor monounión (UJT) se utiliza comúnmente para generar señales de disparo en los SCR. En la figura 5-7a aparece un circuito básico de disparo UJT. Un UJT tiene tres terminales, conocidas corno emisor E, base uno B1, y base dos B2. Entre B1 y B2 la monounión tiene las características de una resistencia ordinaria (la resistencia entre bases RBB teniendo valores en el rango de 4.7 a 9.1 kΩ). Cuando se aplica el voltaje de alimentación V, en cd, se carga el capacitar C a través la resistencia R, dado que el circuito emisor del UJT está en estado abierto. La constante de tiempo del circuito de carga es τ1= RC. Cuando el voltaje del emisor VE, el mismo que el voltaje del capacitor Vc, llega al voltaje pico, Vp, se activa el UJT y el capacitar C se descarga a través de RB1 a una velocidad determinada por la constante de τ2= RB1C. τ2 es mucho menor τ1. Cuando el voltaje del emisor VE se reduce al punto del valle Vv, el emisor deja de conducir, se desactiva el UJT y se repite el ciclo de carga. Las formas de onda del emisor y de los voltajes de disparo aparecen en la figura. La forma de onda del voltaje de disparo VB1 es idéntica a la corriente de descarga del capacitor C1. El voltaje de disparo VB1 debe diseñarse lo suficientemente grande como para activar al SCR. El periodo de oscilación, T, es totalmente independiente del voltaje de alimentación Vs. En términos sencillos, los UJT operan como sigue.

Cuando el voltaje entre el Emisor y la Base1, VEB1, es menor que cierto valor llamado el voltaje pico, Vp, el UJT está apagando y no puede haber flujo de corriente de E a B1 (IE =0).

Cuando VEB1 excede a Vp por una cantidad muy pequeña, el UJT se dispara, o enciende. Cuando esto ocurre, el circuito de E a B1 se vuelve casi un cortocircuito, y la corriente puede descargarse de una terminal a la otra. En la mayoria de los circuitos UJT, la descarga de corriente de E a B1 es de corta duración, y el UJT pronto se revierte a la condición de apagado.



1.7 El PUT (Transistor Unijuntura Programable). El transistor monounión programable (PUT) es un pequeño tiristor que aparece en la figura 5-8. Un PUT se puede utilizar como un oscilador de relajación, tal y como se muestra en la figura 5-8. El voltaje de compuerta VG se mantiene desde la alimentación mediante el divisor resistivo de voltaje R1 y R2, y determina el voltaje de punto de pico Vp. En el caso del UJT, Vp está fijo para un dispositivo por el voltaje de alimentación de cd. Pero el Vp de un PUT puede variar al modificar el valor del divisor resistivo RI y R2. Si el voltaje del ánodo VA es menor que el voltaje de compuerta VG, el dispositivo se conservará en su estado inactivo. Si VA excede el voltaje de compuerta en una caída de voltaje de diodo VD, se alcanzará el punto de pico y el dispositivo se activara. La corriente de pico Ip y la corriente del punto de valle Iv, dependen de la impedancia o, equivalente en la compuerta RG = R1R2/(RI + R2) y del voltaje de alimentación de cd Vs. En general, Rk está limitado a un valor por debajo de 100Ω.

Figura 5-8: Circuito de disparo para un PUT.

El oscilador de relajación PUT de la figura siguiente resalta algunas de las características del PUT que los distinguen de un UJT estándar. Note primero que la frecuencia de oscilación es ajustada variando el voltaje de cd aplicado a la



compuerta por el divisor de voltaje RG1-RG2. Haga la comparación con un oscilador UJT, donde la frecuencia se ajustaría variando RT, para cambiar la razón de carga del capacitor de temporización CT. El acto de variar VG puede onsiderarse como la programación del PUT.

+12V

RG1F

470Kohms

RG1V

ate

Rk RG2

100 ohms 1Mohms

Oscilador de relajación (la frecuencia varía con RG1V)

vés de Rk es prácticamente cero cuando el PUT está en su estado de apagado.

c Rt 22Mohms Vsalida Ánodo 500Kohms + G 20uF Cátodo Con el resistor de cátodo Rk presente, la referencia de tierra para el circuito es tomada de su terminal inferior, en lugar de la terminal del cátodo misma. Esto, virtualmente no tiene efecto sobre Vp, pues el voltaje a tra



1.8 GTO (Gate Turn-off Thyristor) Un tiristor GTO puede ser encendido por un solo pulso de corriente positiva en la terminal “gate” (como en el tiristor), pero en cambio puede ser apagado por un pulso de corriente negativa en la terminal “gate”. Ambos estados, tanto el estado de encendido como el estado de apagado del dispositivo son controlados por la corriente en la terminal “gate”. El símbolo para el tiristor GTO usado más frecuente, así como sus características de conmutación se muestran en la figura. El proceso de encendido es similar al del tiristor. Las características de apagado son un poco diferentes. Cuando un voltaje negativo es aplicado a través de las terminales “gate” y cátodo, la corriente en el gate (ig), crece. Cuando la corriente en el gate alcanza su máximo valor IGR, la corriente de ánodo comienza a caer y el voltaje a través del dispositivo (VAK), comienza a crecer. El tiempo de caída de la corriente de ánodo (IA) es abrupta, típicamente menor a 1 µs. Después de esto, la corriente de ánodo varía lentamente y ésta porción de la corriente de ánodo es conocido como corriente de cola. La razón (IA/IGR) de la corriente de ánodo IA a la máxima corriente negativa en el gate (IGR) requerida para el voltaje es baja, comúnmente entre 3 y 5. Por ejemplo, para un voltaje de 2500 V y una corriente de 1000 A, un GTO normalmente requiere una corriente negativa de pico en el gate de 250 A para el apagado.

La estructura del GTO es esencialmente la misma que un tiristor convencional. Como se muestra en la figura, existen 4 capas de silicón (pnpn), 3 uniones y tres terminales (ánodo, cátodo y gate). La diferencia en la operación, radica en que en que una señal negativa en el gate puede apagar el GTO. Mientras el GTO se encuentre apagado y no exista señal en el gate, el dispositivo se bloquea para cualquier polaridad en el ánodo, pero una corriente de fuga (IA leak) existe. Con un voltaje de bias en directa el GTO se bloquea hasta que un voltaje de ruptura VAK = VB0 es alcanzado. En este punto existe un proceso dinámico de encendido., VAK = 3V y la corriente IA es determinada por la carga. Cuando el GTO se apaga y con la aplicación de una voltaje en inversa, solo una pequeña corriente



de fuga (IA leak) existe. Una polarización en inversa VAK puede ser alcanzada cuando ocurra un corte. El valor del voltaje del voltaje de ruptura inverso depende del método de fabricación para la creación de una regeneración interna para facilitar el proceso de apagado. Con un voltaje de polarización directo aplicado al ánodo y un pulso de corriente positiva es aplicada al gate, el GTO se enciende y permanece de esa forma. Para ésta condición, existen 2 formas de apagarlo. Una forma es reduciendo la corriente de ánodo IA por medios externos hasta un valor menor a la corriente de holding Ih, en la cual, la acción regenerativa interna no es efectiva. La segunda forma de apagarlo es por medio de un pulso en el gate, y este es el método más recomendable porque proporciona un mejor control. Como el GTO tiene una conducción de corriente unidireccional, y puede ser apagado en cualquier instante, éste se aplica en circuitos chopper (conversiones de dc- dc) y circuitos inversores (conversiones dc –ac) a niveles de potencia en los que los MOSFET’s, TBJ’s e IGBT’s no pueden ser utilizados. A bajos niveles de potencia los semiconductores de conmutación rápida son preferibles. En la conversión de AC – DC, los GTO’s, son útiles porque las estrategias de conmutación que posee, pueden ser usadas para regular la potencia, como el factor de potencia.



1.9 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) El IGBT es un dispositivo semiconductor de potencia híbrido que combina los atributos del TBJ y del MOSFET. Posee una compuerta tipo MOSFET y por consiguiente tiene una alta impedancia de entrada. El gate maneja voltaje como el MOSFET. El símbolo más comúnmente usado se muestra en la figura . Al igual que el MOSFET de potencia, el IGBT no exhibe el fenómeno de ruptura secundario como el TBJ. La estructura del IGBT es similar al un MOSFET de canal n, una porción de la estructura es la combinación de regiones n+ , p y n- que forman el MOSFET entre el source S y el gate G con la región de flujo n- que es el drain D del MOSFET. Otra parte es la combinación de 3 capas p+ n- p, que crea un transistor de unión bipolar entre el drain D y el source. La región p actúa como colector C, la región n- actúa como la base B y la región p+ actúa como el emisor E de un transistor pnp. Entre el drain y el source existen 4 capas p+n-pn+ que forman un tiristor. Este tiristor es parásito y su efecto es minimizado por el fabricante del IGBT.

Consideremos que el IBGT se encuentra bloqueado inicialmente. Esto significa que no existe ningún voltaje aplicado al gate. Si un voltaje VGS es aplicado al gate, el IGBT enciende inmediatamente, la corriente ID es conducida y el voltaje VDS se va desde el valor de bloqueo hasta cero. LA corriente ID persiste para el tiempo tON en el que la señal en el gate es aplicada. Para encender el IGBT, la terminal drain D debe ser polarizada positivamente con respecto a la terminal S. LA señal de encendido es un voltaje positivo VG que es aplicado al gate G. Este voltaje, si es aplicado como un pulso de magnitud aproximada de 15, puede causar que el tiempo de encendido sea menor a 1 µs, después de lo cual la corriente de drain iD es igual a la corriente de carga IL (asumida como constante). Una vez encendido, el dispositivo se mantiene así por una señal de voltaje en el gate. Sin embargo, en virtud del control de voltaje la disipación de potencia en el gate es muy baja. EL IGBT se apaga simplemente removiendo la señal de voltaje VG de la terminal gate. La transición del estado de conducción al estado de bloqueo puede tomar



apenas 2 µs, por lo que la frecuencia de conmutación puede estar en el rango de los 50 kHz. EL IGBT requiere un valor límite VGS(TH) para el estado de cambio de encendido a apagado y viceversa. Este es usualmente de 4 V. Arriba de este valor el voltaje VDS cae a un valor bajo cercano a los 2 V. Como el voltaje de estado de encendido se mantiene bajo, el gate debe tener un voltaje arriba de 15 V, y la corriente iD se autolimita.

El IGBT se aplica en controles de motores eléctricos tanto de corriente directa como de corriente alterna, manejados a niveles de potencia que exceden los 50 kW.



UNIDAD II. ELEMENTOS FOTOELÉCTRICOS.

2.1 Introducción La optoelectrónica es el nexo de unión entre los sistemas ópticos y los sistemas electrónicos. Los componentes optoelectrónicos son aquellos cuyo funcionamiento está relacionado directamente con la luz. Los sistemas optoelectrónicos están cada vez más de moda. Hoy en día parece imposible mirar cualquier aparato eléctrico y no ver un panel lleno de luces o de dígitos más o menos espectaculares. Por ejemplo, la mayoría de los walkman disponen de un piloto rojo que nos avisa, siempre en el momento más inoportuno, que las pilas se han agotado y que deben cambiarse. Los tubos de rayos catódicos con los que funcionan los osciloscopios analógicos y los televisores, las pantallas de cristal líquido, los modernos sistemas de comunicaciones mediante fibra óptica,... son algunos de los ejemplos de aplicación de las propiedades ópticas de los materiales que nos disponemos a desglosar en este capítulo. Pero antes debemos recordar los conceptos elementales acerca de la luz. La radiación electromagnética La radiación electromagnética está formada por fotones. Cada fotón lleva asociada una energía que se caracteriza por su longitud de onda según la ecuación

E=hc/ donde

• E = energía del fotón • c = velocidad de la luz 3·108m/s • h = constante de Planck • = longitud de onda del fotón.

El numerador de la expresión de la energía es una constante. Por eso, la energía de un fotón es mayor cuanto menor sea la longitud de onda, que se encuentra en el denominador. La luz, tal y como la entiende la persona de a pie, no es mas que una parte de la radiación electromagnética que es capaz de excitar las células de la retina del ojo. La radiación electromagnética abarca un concepto más general. La radiación electromagnética queda dividida según su longitud de onda. A continuación se comentan algunos aspectos relativos a estas divisiones:

Las ondas de radio son generadas por circuitos electrónicos, como osciladores LC, y son utilizadas en comunicaciones.

Las microondas abarcan la zona desde 1 mm hasta 30 cm. Resultan adecuadas para los sistemas de radar, navegación aérea y para el estudio de las propiedades atómicas de la materia.

Las ondas infrarrojas son llamadas también ondas térmicas ya que estas ondas son producidas principalmente por cuerpos calientes y son absorbidas fácilmente por la mayoría de los materiales. La energía



absorbida aparece como calor. Estas ondas comprenden longitudes de onda desde 1 mm hasta 4x10-7 m.

La luz visible es la parte del espectro que puede percibir el ojo humano. Incluye las longitudes de onda desde 4x10-7 hasta 7x10-7 metros o lo que es lo mismo, desde 400nm hasta 700nm. Los diferentes colores corresponden a ondas de diferente longitud de onda.

La luz ultravioleta (6x10-8 - 3.8x10-7) es producida principalmente por el sol. Es la causa de que la gente se ponga morena.

Los rayos X y los rayos gamma son ondas de gran energía que dañan la estructura de los tejidos humanos.

El espectro electromagnético



La optoelectrónica se centra principalmente en la parte del espectro electromagnético correspondiente a la luz visible y la parte del infrarrojo cercano a la luz visible. Dispositivos optoelectrónicos básicos A nivel de componentes podemos distinguir tres tipos de dispositivos:

Dispositivos emisores: emiten luz al ser activados por energía eléctrica. Son dispositivos que transforman la energía eléctrica en energía luminosa. A este nivel corresponden los diodos LED o los LÁSER.

Dispositivos detectores: generan una pequeña señal eléctrica al ser iluminados. Transforma, pues, la energía luminosa en energía eléctrica.

Dispositivos fotoconductores: Conducen la radiación luminosa desde un emisor a un receptor.



2.2 El FOTODIODO. Los fotodiodos son diodos de unión PN cuyas características eléctricas dependen de la cantidad de luz que incide sobre la unión. En la figura siguiente se muestra su símbolo.

Figura 9.13: Símbolo del fotodiodo Características

Figura 9.14: Curvas características de un fotodiodo El efecto fundamental bajo el cual opera un fotodiodo es la generación de pares electrón - hueco debido a la energía luminosa. Este hecho es lo que le diferencia del diodo rectificador de silicio en el que, solamente existe generación térmica de portadores de carga. La generación luminosa, tiene una mayor incidencia en los portadores minoritarios, que son los responsables de que el diodo conduzca ligeramente en inversa. El comportamiento del fotodiodo en inversa se ve claramente influenciado por la incidencia de luz. Conviene recordar que el diodo real presenta unas pequeñas corrientes de fugas de valor IS. Las corrientes de fugas son debidas a los portadores minoritarios, electrones en la zona P y huecos en la zona N. La generación de portadores debido a la luz provoca un aumento sustancial de portadores minoritarios, lo que se traduce en un aumento de la corriente de fuga.



El comportamiento del fotodiodo en directa apenas se ve alterado por la generación luminosa de portadores. Esto es debido a que los portadores provenientes del dopado (portadores mayoritarios) son mucho más numerosos que los portadores de generación luminosa. Para caracterizar el funcionamiento del fotodiodo se definen los siguientes parámetros:

• Se denomina corriente oscura (dark current), a la corriente en inversa del fotodiodo cuando no existe luz incidente.

• Se define la sensibilidad del fotodiodo al incremento de intensidad al polarizar el dispositivo en inversa por unidad de intensidad de luz, expresada en luxes o en mW/cm2.

Esta relación es constante para un amplio intervalo de iluminaciones. El modelo circuital del fotodiodo en inversa está formado por un generador de intensidad cuyo valor depende de la cantidad de luz. En directa, el fotodiodo se comporta como un diodo normal. Si está fabricado en silicio, la tensión que cae en el dispositivo será aproximadamente 0,7 V. Los fotodiodos son más rápidos que las fotorresistencias, es decir, tienen un tiempo de respuesta menor, sin embargo solo pueden conducir en una polarización directa corrientes relativamente pequeñas. Geometría Un fotodiodo presenta una construcción análoga a la de un diodo LED, en el sentido que necesita una ventana transparente a la luz por la que se introduzcan los rayos luminosos para incidir en la unión PN. En la siguiente figura, aparece una geometría típica. Por supuesto, el encapsulado es transparente a la luz.

Corte transversal de un fotodiodo comercial



2.3 La Fotocelda. Las fotoceldas son pequeños dispositivos que producen una variación eléctrica en respuesta a un cambio en la intensidad de la luz. Las fotoceldas las podemos clasificar en 2 tipos:

a) Fotovoltaicas. b) Fotoconductoras O Fotoresistivas.

FOTOCELDAS FOTOVOLTAICAS. Las celdas fotovoltaicas generan una salida de voltaje en función de la intensidad de la luz que incide sobre su superficie. El símbolo de una celda fotovoltaica así como su curva de respuesta se muestran a continuación.

En la curva de respuesta se observa que el eje de la intensidad de la luz es logarítmica, lo cual nos indica que la celda es mas sensible a bajos niveles de luz dado que a pequeños cambios en la intensidad de la luz(de 1 a 10 f.c.) se producen las mismas variaciones del voltaje de salida que con cambios mayores según la gráfica. Las celdas fotovoltaicas son mas rápidas en relación a las fotoresistivas. Las aplicaciones de este tipo de dispositivos son:

En circuitos con operación de todo o nada. Colocando la fotocelda a una distancia máxima de 3 metros con respecto a una fuente de luz de tal forma que cuando la luz este incidiendo sobre el dispositivo el circuito active un relevador y lo apague cuando algún objeto se interponga entre estos dos elementos.



Otra aplicación es el conteo de eventos. En un disco que esta acoplado en un eje de motor o mecanismo se realiza una perforación y además se coloca una fuente de luz entre una posición de emisión y recepción. Cuando en disco está girando en pequeños instantes cuando el orificio permite el paso de la luz incidiendo directamente sobre la celda fotovoltaica, la cual en función de la luz nos proporciona una señal de voltaje útil para un circuito electrónico.

FOTOCELDAS FOTOCONDUCTORAS Ó FOTORESISTIVAS. Una celda fotorresistiva se compone de un material semiconductor cuya resistencia varia en función de la iluminación. La fotorresistencia reduce su valor resistivo en presencia de rayos luminosos. Es por ello por lo que también se le llama resistencias dependientes de luz (light dependent resistors), fotoconductores o células fotoconductoras. Cuando incide la luz en el material fotoconductor se generan pares electrón - hueco. Al haber un mayor número de portadores, el valor de la resistencia disminuye. De este modo, la fotorresistencia iluminada tiene un valor de resistencia bajo.

Fotogeneración de portadores Si dejamos de iluminar, los portadores fotogenerados se recombinarán hasta volver hasta sus valores iniciales. Por lo tanto el número de portadores disminuirá y el valor de la resistencia será mayor.



Figura 9.11: Estado de conducción sin fotogeneración Por supuesto, el material de la fotorresistencia responderá a unas longitudes de onda determinadas. Es decir, la variación de resistencia será máxima para una longitud de onda determinada. Esta longitud de onda depende del material y el dopado, y deberá ser suministrada por el proveedor. En general, la variación de resistencia en función de la longitud de onda presenta curvas como las de la figura siguiente.

Variación de resistencia en función de la longitud de onda de la radiación. El material mas utilizado como sensor es el CdS, aunque también puede utilizarse Silicio, GaAsP y GaP. La fotocelda no tiene unión como el fotodiodo. Una capa delgada del material conectada entre terminales se expone a la energía luminosa incidente. Cuando aumenta la intensidad de la iluminación sobre el dispositivo, se incrementa también el estado de energía de una gran número de electrones en la estructura debido al aumento de disponibilidad de los paquetes de fotones de energía, el resultado real es obtener una menor resistencia en la fotocelda. En otras palabras la respuesta es inversamente proporcional a la cantidad de luz que incida sobre la fotocelda, la resistencia es del orden de 100 kohms cuando no incide luz y 100 ohms cuando incida la mayor cantidad de luz. Las celdas fotoresistivas se prefieren más que las fotovoltaicas debido a que estas son más sensibles. Las aplicaciones de este dispositivo son:

Para el control de encendido de luz en las ciudades (lámparas).



En el control de intensidad gradual en las combustiones de calderas, cuando el humo producto de la combustión es bastante negro la resistencia es alta y por lo contrario cuando el humo es blanco la resistencia es menor, con lo anterior se puede controlar con seguridad la combustión o la generación de contaminantes al ambiente.



2.4 El LED (DIODO EMISOR DE LUZ). Un diodo emisor de luz es un dispositivo de unión PN que cuando se polariza directamente emite luz. Al aplicarse una tensión directa a la unión, se inyectan huecos en la capa P y electrones en la capa N. Como resultado de ello, ambas capas tienen una mayor concentración de portadores (electrones y huecos) que la existente en equilibrio. Debido a esto, se produce una recombinación de portadores, liberándose en dicha recombinación la energía que les ha sido comunicada mediante la aplicación de la tensión directa. Se pueden distinguir dos tipos de recombinación en función del tipo de energía que es liberada:

• Recombinación no radiante: la mayoría de la energía de recombinación se libera al cristal como energía térmica.

• Recombinación radiante: la mayoría de la energía de recombinación se libera en forma de radiación. La energía liberada cumple la ecuación:

Si se despeja la longitud de onda:

siendo E la diferencia de energía entre el electrón y el hueco que se recombinan expresada en electrón-voltios. Esta energía depende del material que forma la unión PN. Para caracterizar la eficacia en la generación de fotones se definen una serie de parámetros: La eficacia cuántica interna (s) es la relación entre el número de fotones generados y el número de portadores (electrones y huecos) que cruzan la unión PN y se recombinan. Este parámetro debe hacerse tan grande como sea posible. Su valor depende de las probabilidades relativas de los procesos de combinación radiante y combinación no radiante, que a su vez dependen de la estructura de la unión el tipo de impurezas, y sobre todo, del material semiconductor. Sin embargo, la obtención de una alta eficacia cuántica interna no garantiza que la emisión de fotones del LED sea alta. La radiación generada en la unión es radiada en todas las direcciones. Es esencial que esa radiación generada en el interior del material pueda salir de él. A la relación entre el número de fotones emitidos y el número de portadores que cruzan la unión PN se le llama eficacia cuántica externa. Las causas de que la eficacia cuántica sea menor son tres:

• Sólo la luz emitida en la dirección de la superficie entre el semiconductor y el aire es útil.

• En la superficie entre el semiconductor y el aire se pueden dar fenómenos de reflexión, quedando los fotones atrapados en el interior del material.



• Los fotones pueden ser absorbidos por el material para volverse a formar un par electrón-hueco.

Consideraciones prácticas En la Figura se muestra el símbolo del diodo LED.

Símbolo del diodo LED En el análisis de un circuito, el diodo LED puede ser tratado de manera análoga a un diodo normal. Sin embargo conviene tener en cuenta que los diodos LED no están fabricados de silicio monocristalino, ya que el silicio monocristalino es incapaz de emitir fotones. Debido a ello, la tensión de polarización directa VD depende del material con el que esté fabricado el diodo. Cuando se utilizan LEDs con tensión alterna se suele utilizar el esquema de la Figura:

Diodo LED en alterna Este esquema se utiliza para que el diodo LED no se encuentre nunca polarizado en inversa. Al situar un diodo normal en antiparalelo, la tensión máxima en inversa entre las terminales del LED es de 0,7 V. Esto se realiza así porque un diodo LED puede resultar dañado más fácilmente que un diodo normal cuando se le aplica una polarización inversa.



Materiales utilizados Tal y como se ha expuesto anteriormente, los diodos LED no están fabricados de silicio monocristalino. El material que compone el diodo es importante ya que el color de la luz emitida por el LED depende únicamente del material y del proceso de fabricación (principalmente de los dopados). En la tabla adjunta aparecen algunos ejemplos de materiales utilizados junto con los colores conseguidos: Material Longitud de onda Color VD típica AsGa 904 nm IR 1 V InGaAsP 1300 nm IR 1 V AsGaAl 750-850 nm Rojo 1,5 V AsGaP 590 nm Amarillo 1,6 InGaAlP 560 nm Verde 2,7 V CSi 480 nm Azul 3 V Una aplicación de los LEDs: el display de 7 segmentos Una de las aplicaciones más populares de los LEDs es la de señalización. Quizás la más utilizada sea la de 7 LEDs colocados en forma de ocho tal y como se indica en la figura.

Display de 7 segmentos. A la izquierda aparecen las dos posibles formas de construir el circuito



Polarizando los diferentes diodos, se iluminarán los segmentos correspondientes. De esta manera podemos señalizar todos los números en base 10. Por ejemplo, si queremos representar el número 1 en el display deberemos mandar señal a los diodos b y c, y los otros diodos deben de tener tensión cero. Esto lo podemos escribir así: 0110000(0). El primer dígito representa al diodo a, el segundo al b, el tercero al c,... y así sucesivamente. Un cero representa que no polarizamos el diodo, es decir, no le aplicamos tensión. Un uno representa que el diodo está polarizado, y por lo tanto, emite luz. Muchas veces aparece un octavo segmento, entre paréntesis en el ejemplo anterior, que funciona como punto decimal.



2.5 DISPLAY DE CRISTAL LÍQUIDO (LCDS) Los LCDs difieren de otros tipos de displays en que no generan luz sino que trabajan con la reflexión de la luz. El principio de funcionamiento es sencillo. Estos cristales líquidos están formados por unas moléculas alargadas con forma de puro, que se llaman moléculas nemáticas y se alinean con una estructura simétrica. En este estado el material es transparente. Un campo eléctrico provoca que las moléculas se desalinien de manera que se vuelven opacas a la luz. De esta manera, aplicando o no aplicando un campo eléctrico (es decir, polarizando o no polarizando), podemos jugar con oscuridad o transparencia respectivamente. Si aplicamos el campo localmente en geometrías iguales al display de 7 segmentos, conseguiremos un display análogo al de los LEDs pero con cristal líquido.

Esquema constructivo de un LCD En la construcción de un LCD se depositan electrodos transparentes en la cara interior de los cristales, tal y como aparece en la figura superior. Estos electrodos tienen la geometría deseada, por ejemplo, el display de 7 segmentos. El espesor del cristal líquido es muy pequeño, del orden de 0.01mm. Ya tenemos nuestro invento preparado. Si no se polarizan los terminales, al incidir la luz sobre el cristal frontal, pasa a través del cristal líquido y es reflejada por el



espejo incidiendo en el ojo que está mirando. El resultado: todo se ve de color claro. Si polarizamos un electrodo, por ejemplo, el electrodo a, el cristal líquido pegado al electrodo se vuelve opaco, negro, oscuro. La luz ya no es reflejada. Características eléctricas del LCD Desde el punto de vista eléctrico, se puede representar el LCD como una capacidad de valor muy pequeño en paralelo con una resistencia muy grande.

Circuito equivalente de un LCD. Se necesita una señal pequeña en AC de 3 a 7 voltios para polarizar el LCD. Tensiones mayores romperían la fina capa de cristal líquido. La frecuencia de la tensión puede variar entre 30 y 50 Hz. Frecuencias más bajas producen un efecto de parpadeo, frecuencias más altas producen un aumento del consumo.



2.6 DIODOS LASER LASER es un acrónimo de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Las aplicaciones de estos diodos son muy diversas y cubren desde el corte de materiales con haces de gran energía hasta la transmisión de datos por fibra óptica. Características: ventajas frente a los diodos LED Los diodos láser son constructivamente diferentes a los diodos LED normales. Las características de un diodo láser son

La emisión de luz es dirigida en una sola dirección: Un diodo LED emite fotones en muchas direcciones. Un diodo láser, en cambio, consigue realizar un guiado de la luz preferencial una sola dirección.

Corte esquemático de la emisión de luz en diodos LED y láser La emisión de luz láser es monocromática: Los fotones emitidos por

un láser poseen longitudes de onda muy cercanas entre sí. En cambio, en la luz emitida por diodos LED, existen fotones con mayores dispersiones en cuanto a las longitudes de onda.

Intensidad de luz en función de la longitud de onda para diodos LED y láser. Debido a estas dos propiedades, con el láser se pueden conseguir rayos de luz monocromática dirigidos en una dirección determinada. Como además también



puede controlarse la potencia emitida, el láser resulta un dispositivo ideal para aquellas operaciones en las que sea necesario entregar energía con precisión. Materiales utilizados Los materiales utilizados para la fabricación de diodos láser son prácticamente los mismos que en diodos LED. En comunicaciones se utilizan predominantemente diodos láser que emiten en el infrarrojo. También se utilizan de luz roja. Ejemplo de aplicación: El lector de discos compactos Una de las muchas aplicaciones de los diodos láser es la de lectura de información digital de soportes de datos tipo CD-ROM o la reproducción de discos compactos musicales. El principio de operación de uno y otro es idéntico.

Esquema del funcionamiento del CD-ROM Un haz láser es guiado mediante lentes hasta la superficie del CD. A efectos prácticos, se puede suponer dicha superficie formada por zonas reflectantes y zonas absorbentes de luz. Al incidir el haz láser en una zona reflectante, la luz será guiada hasta un detector de luz: el sistema ha detectado un uno digital. Si el haz no es reflejado, al detector no le llega ninguna luz: el sistema ha detectado un cero digital. Un conjunto de unos y ceros es una información digital, que puede ser convertida en información analógica en un convertidor digital-analógico. Pero esa es otra historia que debe de ser contada en otra ocasión.



2.7 El FOTOTRANSISTOR Se trata de un transistor bipolar sensible a la luz.

Símbolo del fototransistor La radiación luminosa se hace incidir sobre la unión colector base cuando éste opera. En esta unión se generan los pares electrón - hueco, que provocan la corriente eléctrica. El funcionamiento de un fototransistor viene caracterizado por los siguientes puntos:

Un fototransistor opera, generalmente sin terminal de base (Ib=0) aunque en algunos casos hay fototransistores tienen disponible un terminal de base para trabajar como un transistor normal.

La sensibilidad de un fototransistor es superior a la de un fotodiodo, ya que la pequeña corriente fotogenerada es multiplicada por la ganancia del transistor.

Las curvas de funcionamiento de un fototransistor son las que aparecen en la siguiente figura, como se puede apreciar, son curvas análogas a las del transistor BJT, sustituyendo la intensidad de base por la potencia luminosa por unidad de área que incide en el fototransistor.

Curvas características de un fototransistor típico



2.8 EL OPTOACOPLADOR Un optoacoplador es un componente formado por la unión de un diodo LED y un fototransistor acoplados a través de un medio conductor de luz y encapsulados en una cápsula cerrada y opaca a la luz.

Figura 9.18: Esquema de un optoacoplador Cuanta mayor intensidad atraviesa el fotodiodo, mayor será la cantidad de fotones emitidos y, por tanto, mayor será la corriente que recorra el fototransistor. Se trata de una manera de transmitir una señal de un circuito eléctrico a otro. Obsérvese que no existe comunicación eléctrica entre los dos circuitos, es decir existe un trasiego de información pero no existe una conexión eléctrica: la conexión es óptica. Las implementaciones de un optoacoplador son variadas y dependen de la casa que los fabrique. Una de las más populares se ve en la Figura 9.19. Se puede observar como el LED, en la parte superior, emite fotones que, tras atravesar el vidrio, inciden sobre el fototransistor.

Figura 9.19: Esquema constructivo de un optoacoplador



Funcionamiento del Optoacoplador La señal de entrada es aplicada al fotoemisor y la salida es tomada del fotoreceptor. Los optoacopladores son capaces de convertir una señal eléctrica en una señal luminosa modulada y volver a convertirla en una señal eléctrica. La gran ventaja de un optoacoplador reside en el aislamiento eléctrico que puede establecerse entre los circuitos de entrada y salida.

Los fotoemisores que se emplean en los optoacopladores de potencia son diodos que emiten rayos infrarrojos (IRED) y los fotoreceptores pueden ser tiristores o transistores. Cuando aparece una tensión sobre los terminales del diodo IRED, este emite un haz de rayos infrarrojo que transmite a través de una pequeña guía-ondas de plástico o cristal hacia el fotorreceptor. La energía luminosa que incide sobre el fotorreceptor hace que este genere una tensión eléctrica a su salida. Este responde a las señales de entrada, que podrían ser pulsos de tensión. Diferentes tipos de Optoacopladores Fototransistor: se compone de un optoacoplador con una etapa de salida formada por un transistor BJT. Fototriac: se compone de un optoacoplador con una etapa de salida formada por un triac Fototriac de paso por cero: Optoacoplador en cuya etapa de salida se encuentra un triac de cruce por cero. El circuito interno de cruce por cero conmuta al triac sólo en los cruce por cero de la corriente alterna.



Ejemplos de diseño de elementos sensibles a la luz. Calcular el valor mínimo de la resistencia R si se quiere que el LED CQX12 no sufra ningún daño al conectar la fuente de tensión.

En el siguiente circuito, D1 es un LED de color rojo, D2 naranja y D3 verde. Calcular los valores de R1, R2 y R3 para que se iluminen los tres diodos con If = 20 mA al conectarse la fuente de tensión.

DATOS: Caída de tensión (Voltios) en los diodos para If = 20 mA:

rojo naranja verde 1.8 2 2.2

Calcular el mínimo valor de R para que se enciendan los diodos de la figura sin sufrir ningún daño, sabiendo que D1 es rojo, D2 naranja y D3 verde (tomar los datos del problema anterior).



El montaje de la figura se utiliza cuando se quiere conectar un LED en AC. Como su tensión de ruptura en inversa es muy pobre, se conecta en paralelo un diodo convencional, para que conduzca en el semiciclo negativo y el LED no sufra daños. Se pide seleccionar el LED si se quiere que sea rojo.

Calcular el valor de R para que cuando se conecte la fuente de alimentación de 5 Voltios se enciendan los tres LED a la vez, con una corriente de 20 mA.

Se quiere que cuando se apliquen señales lógicas en la entrada, se encienda un LED de la serie SOD-76. ¿Qué colores podemos escoger?. ¿Qué señal habría que aplicar en la entrada para saturar Q? (Usar la guía rápida de selección).

Para la pantalla de un termómetro digital se ha utilizado un dispositivo tipo CQ216X, que incluye dos dígitos en el mismo soporte. Para que en el dígito de la derecha se lea el número dos, ¿qué tensiones hay que aplicar en los terminales de dicho dispositivo?. ¿Qué potencia se estará consumiendo en él si se alimentan con 10 mA?



En el circuito de la figura:

Calcular la corriente que atravesará al transistor cuando se ilumine con una luz de 10 W/m2. ¿Podría realizarse con este transistor el esquema de la figura 2?. ¿Por qué?. Un fotodiodo con sensibilidad S=25mA por mW/cm2 debe ser utilizado para vigilar la intensidad de la luz solar que incide sobre una estación de energía solar. Diseñe un circuito con dicho fotodiodo, que pueda proporcionar una señal en el rango de 0-5V que sea indicativo de la luz incidente. La intensidad pico promedio de la luz solar a medio día es aproximadamente 0.1mW/cm2 en la mayor parte de las regiones de la tierra. Un fotodiodo con sesnibilidad de 20mA por mW/cm2 de iluminación, se utiliza para decodificar una señal digital enviada a través de un cable de fibra óptica utilizando el arreglo que se muestra en la figura. En el extremo transmisor, un diodo LED de eficacia E=50mW/mA y Vf=1.3V está alimentado por una fuente de tensión que conmuta entre los niveles lógicos de 0 y 5V. El circuito hace que el LED produzca una señal óptica digital en el cable de fibra óptica. El arreglo físico es tal que el 20% de la luz emitida por el LED queda acoplado al cable de fibra óptica. En el extremo receptor, el 80% de la luz del cable se acopla al fotodiodo en un área de 1mm2. Si se desea reproducir los niveles lógicos de 0 y 5V, determinar los valores apropiados de VCC y RL.



Se quiere transmitir una señal de pulsos (VIN) a través de un entorno con ruidos electromagnéticos. Para ello, se piensa en utilizar fibra óptica, ya que no se ve afectada por dichos ruidos (un cable convencional sí se vería afectado y falsearía la información).

Si los transistores Q1 y Q2 funcionan únicamente en corte y saturación: 1. Explicar el funcionamiento del circuito 2. Seleccionar D1 y D2 Dado el dispositivo de la figura:

1.- Explicar qué tipo de circuito es y su funcionamiento. 2.- Comprobar que el diodo del optoacoplador no sufre ningún daño cuando VIN=0. 3.- Calcular la corriente absorbida de la fuente de 20 V cuando no se aplica ninguna señal de la entrada.



Operación Astable 555. El temporizador 555 es un oscilador y circuito de tiempo de precisión producido por diversos fabricantes de CI. Sus 2 modos de operación son como oscilador astable y como circuito monoestable. El circuito puede oscilar hasta alrededor de 100 Khz y hay versiones CMOS que llegan hasta 250 khz.. El LM555 puede operar con voltajes desde 4.5 V hasta 18 V. En la figura interna de 555 se muestra que contiene 3 resistencia que generan los voltajes internos de referencia para el circuito 1 de 2/3Vcc denominado comparador de umbral y 1/3Vcc para el circuito 2 llamado comparador de disparo. El Flip-flop (FF) es activado (impulsado alto) por el comparador de umbral cuando Vumbral > 2/3Vcc y la salida alta del FF hace que el transistor entre en operación ocasionando que el capacitor externo de 0.01 uf se descargue. El FF se reajusta (impulsado a bajo) mediante el comparador de disparo siempre que el Vdisparo<1/3 Vcc ocasionando que el transistor salga de operación y permita que el capacitor se vuelva a cargar. Podemos concluir que el LM555 proporcionará una salida en alto durante todo el tiempo que tarde el capacitor en cargarse y la salida estará en Bajo durante el tiempo de descarga del capacitor. Lo anterior controlado por los comparadores 1y 2 debido al voltaje proporcionado por el capacitor a las entradas de umbral y disparo. En la operación del LM555 como astable el circuito estará generando una señal de salida cuadrada durante todo el tiempo que el circuito permanezca encendido y su frecuencia de salida es posible controlarla al convertir la resistencia externa RB en un potenciometro. Esto es debido a que el tiempo de descarga se vuelve mas pequeño a medida que el valor del potenciometro baje. Operación Monoestable. Este circuito se muestra en siguiente figura donde la terminal 2 entrada del comparador de disparo estará alta, de manera que la salida de este comparador controle al FF con salida alta, al transistor en operación y la salida del LM555 en bajo. En estas condiciones el capacitor externo se está descargando(no pude cargarse mientras permanezcan estas condiciones). Un pulso negativo o menor de 1/3Vcc volverá a enviar a bajo la salida del FF y pondrá fuera de operación al transistor y permite que el capacitor se pueda volver a cargar. Ahora el LM555 proporciona una salida alta. Podemos concluir que en esta forma de operación del LM555 el circuito sólo envía un pulso ya que el control de este circuito está dado por la señal de control de disparo, la cual el diseñador la controla, es decir si el diseñador proporciona una señal baja a la entrada de disparo (terminal 2) el LM555 dará a la salida una señal alta y se ira a bajo tiempo después determinada por el tiempo de carga del capacitor externo.


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