GUIAS DE LABORATORIO DE ELECTRONICA ANALOGA II

FREDY ANDRES SERNA CARMONA

Trabajo Dirigido de Grado presentado Como requisito parcial para optar al Titulo de Ingeniero Electricista.

Director: FREDY BOLAOS MARTINEZ

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE MEDELLIN FACULTAD NACIONAL DE MINAS

TABLA DE CONTENIDO LISTA DE FIGURAS.3 RESUMEN..4 1. 2. 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 3. INTRODUCCION5 GUIAS DE LABORATORIO Modelado de Dispositivos Semiconductores usando PSPICE6 Uso del transistor BJT como amplificador de pequea seal...9 Uso del transistor Bipolar como conmutador.13 Uso del transistor BJT como acoplador de impedancias.17 Amplificadores con transistores de efecto de campo (FET).21 Oscilador de Relajacin con el transistor mono unin UJT.23 Circuito de Regulacin de Potencia en Corriente Alterna...25 TEORIA Y PRCTICA SOBRE ALGUNOS DISPOSITIVOS ELECTRONICOS DE POTENCIA Introduccin a los dispositivos de potencia..27 El diodo de potencia.29 El transistor de potencia..39 Cdigo de los transistores57 El scr63 El triac..67 El diac..72 Optoaclopladores...74 Circuitos de aplicacin..77 CONCLUCIONES..81

3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 4.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS...82

LISTA DE FIGURAS Figura 1. Comportamiento elctrico del diodo 2. Onda de salida del rectificador de media anda 3. Rectificador de media onda con filtro 4. Rectificador de onda completa 5 Rectificador de onda completa con filtro 6. Doblador de tensin 7. Doblador de tensin 8. Multiplicador de tensin 9. Tiempos de conmutacin 10. Tiempos de conmutacin 11. Parmetros importantes de los transistores 12. Regiones del transistor 13. Transistor como interruptor 14. Transistor como interruptor 15. Transistor como interruptor en paralelo 16. Seal de conmutacin 17. Prueba de los transistores 18. Variantes del circuito del transistor 19. Circuito con valores numricos 20. Ejemplo 21. Circuito con carga 22. Circuito con carga capacitiva 23. Aplicaciones 24. Interfaces 25. Interfaces 26. Scr 27. Circuito con Scr 28. Formas de onda con Scr 29. Formas de onda con Scr 30. Tiempo de Suicheo 31. Triac 32. Circuito con triac 33. Formas de onda con triac 34. Construccin bsica del triac 35. Disparo del triac 36. Diac 37. Optoaclopladores 38. Circuito de aplicacin 39. Fototiristor 40. Dimmer 41. Control de velocidad 42. Control de potencia 43. Control de iluminacin Pg 29 30 32 33 34 35 36 36 37 38 39 40 41 41 43 45 53 54 55 55 56 60 61 62 62 63 64 65 65 66 67 68 69 69 71 72 74 77 78 79 80 81 81

RESUMEN GUIAS DE LABORATORIO DE ELECTRONICA ANAOLGA II Por: Fredy Andrs Serna Carmona Director: Fredy Bolaos Martnez Direccin: Facultad nacional de minas, Ingeniera elctrica, Medelln. Fecha: Noviembre, 2008

La electrnica anloga es una herramienta muy poderosa que ayuda a resolver problemas a nivel cotidiano e industrial. La electrnica se ha ido posicionando en nuestro medio de una forma acelerada, ya que tanto en las residencias como en la industria los artculos y procesos se hacen cada vez mas automticos buscando la eficiencia de los mismos y la comodidad para el usuario. Las guas de laboratorio que les presentamos a continuacin pretenden ser un camino por el cual el aprendiz pueda conocer los procesos bsicos que se dan en la prctica de la electrnica analgica. Aunque sabemos que pueden existir otros caminos, incluso mejores que este, consideramos que presentamos en estas guas los elementos y componentes mas relevantes de la electrnica anloga. El presente trabajo se puede dividir en dos partes fundamentales: En la primera parte se encuentran las guas propuestas para desarrollar en el laboratorio de electrnica anloga II, cada una de ellas con su respectiva prctica y un instructivo acerca del informe que se le debe presentar al docente. En cada prctica se aborda un problema relacionado con el funcionamiento y respuesta de algn dispositivo propio de la electrnica anloga. Se hace nfasis, en las primeras practicas, al empleo del transistor, ya que este dispositivo es esencial en el desarrollo de la electrnica anloga. Otra rama de la electrnica que ha ido ganando mucha fuerza es la electrnica de potencia, sobre todo a nivel industrial. En las guas trabajamos el triac, el cual es un dispositivo de electrnica de potencia con el cual se pueden hacer diversos controles de potencia para la corriente alterna. En la segunda parte de este trabajo encontraremos una vasta recopilacin de aspectos tericos y datos tcnicos de los dispositivos mas relevantes utilizados en la electrnica anloga y de potencia, esto con el fin de motivar al estudiante a fundamentar sus montajes de laboratorio en el conocimiento del funcionamiento terico y de las diferentes respuestas esperadas de los dispositivos, y as, procurar que los estudiantes no realicen los montajes electrnicos como realizando una receta y que el xito de los mismos no sea una casualidad, si no es fruto de un trabajo cientfico. PALABRAS CLAVES: Electrnica, Anloga, Potencia, Transistor, Triac, Control de Potencia,

INTRODUCCION El presente trabajo de grado tiene dos ingredientes, uno de ellos fue la asesora de las prcticas en el laboratorio con los estudiantes de electrnica anloga II de la facultad de minas de la Universidad Nacional. Esta fue una experiencia de la cual no solo afiance mis conocimientos en la materia, si no que tuve la oportunidad de compartir con diferentes personas aspectos relacionados con uno de los temas que ms me apasiona como lo es la electrnica. En el desarrollo de la electrnica se puede apreciar como a travs del tiempo diversas personalidades han aportado algo a esta ciencia con lo cual se ha hecho cada ves mas elaborada y precisa, sin embargo las personas que escogimos este camino sabemos que cuando se realizan montajes electrnicos uno se parece mas a un artista que a un cientfico, ya que lo impredecible de la mecnica cuntica, que es la ciencia que rige el mundo microscpico, pareciera que se trasladara al mundo real. Los componentes electrnicos estn lejos de comportarse iguales a sus semejantes y menos en condiciones diferentes. Capacitancias parasitas, ruido elctrico, instrumentos de medida descalibrados, entre otros muchos factores que obligan al estudiante a desarrollar el sentido comn y otras capacidades que a simple vista pareciera que no tienen que ver con la electrnica. Por esto es de vital importancia la prctica de la electrnica en el laboratorio ya que al igual que la natacin se podra decir que la electrnica se aprende en la prctica. Otro de los aspectos que encierra la realizacin de este trabajo fue el desarrollo terico que se llevo a cabo a partir de las prcticas. Se realizo un trabajo de investigacin de los diferentes componentes bsicos de la electrnica anloga y se seleccionaron los aspectos tcnicos y datos de los dispositivos que poco se ven en las aulas de clase, pero que son importantes para el ingeniero a la hora de realizar diseos. En la parte final del presente trabajo se encuentra una breve seleccin de proyectos de electrnica anloga y de potencia para aquellas personas mas interesadas que quieran profundizar en el tema y que quieran realizar el montaje de las mismas.

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Modelado de Dispositivos Semiconductores usando PSPICE

Objetivos: Modelar Diodos y transistores de uso comercial usando PSPICE. Dibujar las curvas de transferencia de dispositivos semiconductores por medio de la herramienta PROBE. Realizar anlisis en DC y en el dominio del tiempo de circuitos con diferentes elementos semiconductores.

Planteamiento de la Prctica: Circuito bsico con Diodos

Figura 1. Circuito con Diodo Para el circuito de la figura 1, los valores de los elementos mostrados son: VDC: 1 voltio. Vsealp: 2 voltios picopico a 60 Hz.

R1: 1 kilo ohmio. Diodo de Silicio 1N4004. D1: Determine de manera terica el voltaje y la corriente de polarizacin (DC) del Diodo y establezca su punto de operacin (quisciente). Luego, usando PSPICE simule la descripcin nodal mostrada a continuacin:

Figura 2. Descripcin nodal en PSPICE Por medio de la herramienta de simulacin obtenga: a. El punto de operacin (polarizacin) del Diodo. b. Los valores mximo y mnimo para el voltaje en el diodo (VD). c. Los valores mximo y mnimo de la corriente en el diodo (ID). d. La forma de onda del voltaje en el diodo respecto al tiempo. e. La curva de transferencia del Diodo.

Trabajo adicional Simule un rectificador tipo puente usando diodos 1N4004. Asuma que el voltaje de alimentacin alterno es de 10 voltios de pico a una frecuencia

de 60 Hz, y una carga resistiva con RL = 1k. Obtenga las formas de onda de voltaje y corriente en la carga y voltaje y corriente en uno de los diodos. Para el circuito rectificador tipo puente del punto anterior, simule una carga reactiva, agregando un condensador de 1uF en paralelo con la resistencia. Obtenga las formas de onda de voltaje y corriente en la carga y en uno de los diodos. Para el circuito con transistor que se muestra a continuacin:

-

Figura 3. Amplificador en Emisor Comn Determine los valores tericos del punto de operacin usando los siguientes datos: VBB: 5 voltios. 100k RB: RC: 1k VCC: 20 voltios Q1: Transistor NPN de Silicio 2N2222 o 2N3904. Seguidamente, con la ayuda del simulador encuentre el punto de polarizacin de Q1 usando el modelo de alguno de los dos transistores propuestos para el circuito. Asuma que la fuente de seal alterna tiene

un voltaje de pico de 10 milivoltios a una frecuencia de 1 kHz y encuentre el valor de la ganancia del amplificador, definida como:

G=

VSalida VSeal

Informe: El informe de la prctica debe contener: - Las descripciones PSPICE hechas por el grupo de laboratorio. - Los resultados obtenidos. - Anlisis de los resultados. - Conclusiones. - Bibliografa. Sitios de Inters: En el siguiente enlace se encuentra una gua rpida PSPICE versin 9.1 en espaol: http://www.ics.upm.es/recursos/ManualSpice.pdf Un listado completo de los dispositivos y comandos PSPICE se puede encontrar en: http://www.ecircuitcenter.com/SPICEsummary.htm En este enlace est la lista de todos los parmetros que se pueden definir para modelar Diodos: http://www.acsu.buffalo.edu/~wie/applet/spice_pndiode/spice_diode_table.html Una amplia biblioteca de modelos PSPICE con diodos, transistores y otros elementos de uso comn en electrnica, proveda por un fabricante: http://www.fairchildsemi.com/models/PSPICE/Discrete Un ejemplo completo de cmo modelar amplificadores con transistor BJT en PSPICE. Incluye l modelo del transistor 2N2222: http://www.fe.uni-lj.si/spice/getstarted/getstarted.html

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Uso del transistor BJT como amplificador de pequea seal

Objetivos: Probar las capacidades de amplificacin del transistor BJT en diversas configuraciones. Obtener experimentalmente y por medio de simulaciones, las curvas de transferencia del transistor BJT. Comparar las bondades y desventajas de cada configuracin para el transistor.

Planteamiento de la Prctica: Configuracin de Base Comn

Usando como referencia el amplificador en pequea seal de la figura 1, disee uno cuya ganancia de voltaje sea igual a 50. Establezca los valores de los elementos referenciados en la figura.

Figura 1. Amplificador en base comn para el BJT

Una vez calculados los elementos necesarios en el amplificador, simule el circuito con la ayuda PSPICE. En caso de no lograr resultados satisfactorios, redisee el circuito hasta cumplir con el requerimiento de ganancia. Monte el circuito en el laboratorio y verifique las condiciones de polarizacin establecidas en el diseo y la ganancia de voltaje del circuito amplificador. Se propone la siguiente configuracin para obtener las curvas caractersticas de salida del circuito amplificador en base comn:

Figura 2. Circuito propuesto para obtener las curvas caractersticas de salida del transistor Con el circuito propuesto se deben tener en cuenta las siguientes cuestiones: - Se pretende obtener un grfico del voltaje colectorbase (vCB) contra la corriente de colector (iC). - La grfica se puede observar en el osciloscopio en el modo XY. - La tierra del circuito debe estar separada (aislada) de la tierra del osciloscopio. - La fuente de voltaje alterno (Vin en la figura) deber tener un voltaje pico suficiente para que la operacin del transistor alcance las regiones de corte, activa y saturacin, de modo que sean visibles en la curva obtenida. Explique brevemente el funcionamiento del circuito propuesto y haga las modificaciones que considere pertinentes para montarlo y probarlo en el

laboratorio. Tome nota de la grfica obtenida y comprela con las curvas de transferencia de salida disponibles del fabricante del transistor. Configuracin en Emisor Comn Calcule los valores de los componentes de la siguiente configuracin en Emisor comn de tal forma que el voltaje de polarizacin colectoremisor (VCE) del transistor sea de 10 voltios.

Figura 3. Configuracin en emisor comn por divisor de voltaje Calcule la ganancia en pequea seal del circuito (vout/vin). Confronte los resultados tericos con los resultados de una simulacin en PSPICE. Finalmente, monte el circuito y verifique tanto las condiciones de polarizacin presupuestas, como la ganancia de voltaje AC del amplificador. Proponga e implemente un circuito para obtener las curvas caractersticas del transistor BJT en una configuracin de Emisor Comn. Tome nota de las curvas obtenidas en el osciloscopio y comprelas con las obtenidas para la configura de base comn. Configuracin en Colector Comn Investigue acerca de la configuracin en Colector Comn. Establezca una topologa (circuito) para simular en PSPICE. Obtenga los valores tericos y simulados de las ganancias de voltaje y corriente del circuito y discuta acerca de las posibles utilidades del mismo.

Informe: El informe de la prctica debe contener: - Las respuestas a los cuestionamientos hechos en el planteamiento. - Las descripciones PSPICE hechas por el grupo de laboratorio. - Los resultados obtenidos. - Anlisis de los resultados. - Conclusiones. - Bibliografa. Sitios de Inters: Una amplia biblioteca de modelos PSPICE con diodos, transistores y otros elementos de uso comn en electrnica, proveda por un fabricante: http://www.fairchildsemi.com/models/PSPICE/Discrete Material en ingls acerca de las configuraciones bsicas del transistor BJT: http://people.deas.harvard.edu/~jones/es154/lectures/lecture_6/pdfs/lecture25.pdf Material en ingls sobre tcnicas de polarizacin del transistor BJT: http://morley.eng.ua.edu/J332.pdf Material de un curso del MIT sobre Circuitos y Electrnica en espaol notas de clase y con recursos multimedia como videos: http://mit.ocw.universia.net/6-002/OcwWeb/Electrical-Engineering-and-ComputerScience/6-002Circuits-and-ElectronicsFall2000/CourseHome/index.htm Explicacin de las regiones de operacin del transistor y de las diferentes configuraciones: http://www.unicrom.com/Tut_transistor_bipolar.asp

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Uso del transistor Bipolar como conmutador

Objetivos: Analizar el funcionamiento del transistor BJT en sus regiones de corte y saturacin. Disear circuitos que garanticen el funcionamiento no lineal del transistor.

Planteamiento de la Prctica: Circuito Inversor con BJT

Figura 1. Circuito inversor con BJT La figura 1 muestra la forma ms simple de un circuito inversor digital usando un transistor bipolar. La seal de entrada Vin corresponde a una fuente de pulsos cuadrados entre 0 y 5 voltios, a una frecuencia determinada. El transistor Q1

corresponde a un BJT 2N2222 o a una 2N3904. El resto de elementos del circuito debern ser determinados por parte del grupo de laboratorio. La idea es disear un circuito que genere un tren de pulsos de salida, con niveles entre 0 y 5 voltios. Como se puede corroborar en simulaciones o en el laboratorio. Los pulsos de salida son una versin invertida (negada) de los pulsos de entrada. Luego de hacer las simulaciones pertinentes con PSPICE, estime hasta que valor de frecuencia de la seal de entrada (Vin) el circuito funciona de manera correcta. Puede usar como referencia los niveles de voltaje vlidos para la Tecnologa TTL, los cuales se muestran a continuacin: Rango de voltajes Interpretacin 0 0.8 voltios 0 lgico 2.5 5 voltios 1 lgico 0.8 2.5 voltios No definido Pruebe el circuito inversor en el laboratorio y verifique los resultados de la simulacin.

Compuertas de varias entradas

Figura 2. Compuerta RTL Deduzca el funcionamiento de la compuerta de tres entradas de la figura 2. Llene una tabla de verdad para el circuito. Se sugiere suponer solo dos posibles estados para las entradas A, B y C. Esos dos estados corresponden al 1 lgico (5 voltios) y al 0 lgico (cero voltios). La tabla de verdad relaciona todas las posibles combinaciones de las seales de entrada con las salidas correspondientes. Una vez analizado el circuito, simlelo usando PSPICE. Investigue que nombre se le da a este tipo de compuerta. Finalmente, corrobore el funcionamiento del circuito en el laboratorio. Investigue qu tecnologas digitales usan transistores bipolares en la construccin de compuertas. Informe: El informe de la prctica debe contener: - Clculos previos de los circuitos a implementar. - Las descripciones PSPICE hechas por el grupo de laboratorio. - Los resultados obtenidos.

-

Anlisis de los resultados. Conclusiones. Bibliografa.

Sitios de Inters: En el siguiente enlace se encuentra una gua rpida PSPICE versin 9.1 en espaol: http://www.ics.upm.es/recursos/ManualSpice.pdf Un listado completo de los dispositivos y comandos PSPICE se puede encontrar en: http://www.ecircuitcenter.com/SPICEsummary.htm Una amplia biblioteca de modelos PSPICE con diodos, transistores y otros elementos de uso comn en electrnica, proveda por un fabricante: http://www.fairchildsemi.com/models/PSPICE/Discrete Material de ayuda sobre el funcionamiento del transistor BJT como conmutador: http://sistemas.itlp.edu.mx/tutoriales/electronica/tem4_7_.htm Las familias lgicas DTL y RTL: http://usuarios.iponet.es/agusbo/uned/propios/apuntes/flog1.PDF Material sobre las familias lgicas: http://www.uhu.es/raul.jimenez/DIGITAL_I/dig1_vii.pdf

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Uso del transistor BJT como acoplador de impedancias Objetivos: Entender el concepto de acople de impedancias y su aplicabilidad en la electrnica analgica. Disear un circuito de acople de impedancias con transistores bipolares.

Planteamiento de la Prctica: El propsito del acoplamiento de impedancias es aislar una etapa analgica de otra por medio de un circuito que posea una gran impedancia de entrada y una impedancia de salida moderada o pequea. Supngase la configuracin de la figura 1, en donde los terminales A y B corresponden al lugar en donde se conectar una carga. En la figura 1, las resistencias R1 y R2, pueden modelar las impedancias internas de la fuente o el sensor.

Figura 1. Configuracin de la fuente de seal Supngase ahora que entre los terminales A y B se conectar un amplificador cuya impedancia de entrada es de 100 Ohmios. Por medio de clculos o simulaciones, obtenga la magnitud del voltaje entre los terminales A y B cuando la carga esta presente y cuando no lo est.

Como puede verse, al conectar la resistencia directamente entre los terminales A y B, se presenta una disminucin del voltaje, como consecuencia de la corriente que fluye hacia la

carga. Un circuito acoplador de impedancias permite aislar una etapa de la otra, tal y como lo muestra la figura 2.

Figura 2. Funcionamiento del acoplador de impedancias. La idea con el circuito de la figura 2 es mantener la corriente i1 tan pequea como sea posible, al tiempo que los voltajes v1 y v2 deben permanecer iguales. El resultado neto de esta configuracin es que no se presentara disminucin del voltaje entre los terminales A y B, como consecuencia de la conexin de una etapa amplificadora adicional. Para poder cumplir con estos objetivos, un acoplador de impedancias, o seguidor deber poseer una gran impedancia de entrada, una pequea impedancia de salida y una ganancia de voltaje de 1. La figura 3 muestra un circuito seguidor construido con un transistor BJT en emisor comn. Establezca de manera terica y por medio de simulaciones el punto de operacin del circuito, la ganancia de voltaje, la impedancia de entrada y la impedancia de salida del amplificador. Suponga que la frecuencia de operacin de la seal de entrada es 10 kHz. Supngase ahora que el circuito seguidor de la figura 3 va a reemplazar el acoplador de impedancias de la figura 2. Calcule a la luz de la discusin establecida cual sera el voltaje en la carga bajo estas condiciones. Finalmente monte el circuito en el laboratorio, verifique el punto de operacin del amplificador, y el comportamiento predicho en las simulaciones. Compare los resultados experimentales con los esperados.

Figura 3. Circuito EmisorSeguidor o de Colector Comn.

Informe: El informe de la prctica debe contener: - Clculos previos de los circuitos a implementar. - Las descripciones PSPICE hechas por el grupo de laboratorio. - Los resultados obtenidos. - Anlisis de los resultados. - Conclusiones. - Bibliografa. Sitios de Inters: En el siguiente enlace se encuentra una gua rpida PSPICE versin 9.1 en espaol: http://www.ics.upm.es/recursos/ManualSpice.pdf Un listado completo de los dispositivos y comandos PSPICE se puede encontrar en: http://www.ecircuitcenter.com/SPICEsummary.htm Una amplia biblioteca de modelos PSPICE con diodos, transistores y otros elementos de uso comn en electrnica, proveda por un fabricante: http://www.fairchildsemi.com/models/PSPICE/Discrete Material de un curso del MIT sobre amplificador seguidoremisor (en espaol): http://mit.ocw.universia.net/6.071/s02/pdf/f02-lec14.pdf

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Amplificadores con transistores de efecto de campo (FET)

Objetivos: Usar el transistor de efecto de campo (FET) en su regin lineal para amplificar seales de frecuencia media. Disear un circuito de polarizacin para un transistor FET y entender las diferencias que ocurren con respecto al transistor bipolar. Identificar las ventajas prcticas del uso de FETs en amplificadores.

Planteamiento de la prctica: Amplificador MOSFET

Para el circuito amplificador de la figura anterior, calcule el valor de las resistencias RD y RF para cumplir con las siguientes condiciones: - El punto de operacin (ID, VDS) debe quedar lo ms centrado posible, para permitir una mxima excursin de la seal de salida. - La ganancia de voltaje debe ser mayor o igual a 30.

Simule el circuito en PSPICE y verifique que las restricciones al diseo se cumplen en la simulacin. Asuma que la seal de entrada tiene una frecuencia de 5 kHz y que los condensadores de acople son de 1 F. Monte el circuito en el laboratorio. Tome nota del punto de operacin y de la ganancia obtenida, para comparar luego estos valores con los tericos y los obtenidos de la simulacin. Discuta las causas de las posibles diferencias. Acoplador de impedancias

Usando el MOSFET IRF830 y los siguientes valores de los elementos del circuito: C1, C2 1 uF Rs 1k Rd 1k Rg 1 MOhms Vi 1 vpico/5 kHz Determine tanto de manera analtica como por medio de una simulacin, el punto de operacin del transistor, la ganancia de voltaje del amplificador y las impedancias de entrada y de salida del circuito. Para la simulacin use una resistencia de carga (a la salida del amplificador) de 10k. Monte el circuito y verifique los resultados anteriores. Analice las causas de cualquier diferencia que se presente en el laboratorio. Investigue acerca de la tecnologa CMOS, para la construccin de compuertas digitales.

Informe: El informe de la prctica debe contener: - Clculos previos de los circuitos a implementar. - Las descripciones PSPICE hechas por el grupo de laboratorio. - Los resultados obtenidos. - Anlisis de los resultados. - Conclusiones. - Bibliografa. Sitios de Inters: En el siguiente enlace se encuentra una gua rpida PSPICE versin 9.1 en espaol: http://www.ics.upm.es/recursos/ManualSpice.pdf Un listado completo de los dispositivos y comandos PSPICE se puede encontrar en: http://www.ecircuitcenter.com/SPICEsummary.htm Una amplia biblioteca de modelos PSPICE con diodos, transistores y otros elementos de uso comn en electrnica, proveda por un fabricante: http://www.fairchildsemi.com/models/PSPICE/Discrete Principios Bsicos de los transistores de Efecto de Campo (FET): http://www.electronics-manufacturers.com/info/electronic-components/field-effecttransistor.html http://www.nutsvolts.com/~downloads/fetmay.pdf Hoja de especificaciones del dispositivo FET IRF830: http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/I/R/F/8/IRF830-D.shtml

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Oscilador de Relajacin con el transistor monounin UJT

Objetivos: Estudiar el principio de funcionamiento del transistor monounin (UJT). Usar el UJT en una aplicacin de oscilador de relajacin tpica. Aprovechar la potencialidad del UJT como un elemento de disparo.

Planteamiento de la prctica

El circuito de la figura representa un oscilador de relajacin usando un transistor monounin 2n2646 para Q1. Los valores de los dems elementos del circuito se listan a continuacin: R 1k C 2.2uF

R1 R2 Q1

100 20 2N2646

Por medio de la simulacin o del anlisis del circuito, establezca la formas de onda en los nodos A y B del circuito. Explique brevemente el funcionamiento del circuito. Compare los valores y formas de onda con aquellos obtenidos en la prctica. Analice los resultados y explique posibles fuentes de discrepancia. Informe: El informe de la prctica debe contener: - Clculos previos de los circuitos a implementar. - Las descripciones PSPICE hechas por el grupo de laboratorio. - Los resultados obtenidos. - Anlisis de los resultados. - Conclusiones. - Bibliografa. Sitios de Inters: En el siguiente enlace se encuentra una gua rpida PSPICE versin 9.1 en espaol: http://www.ics.upm.es/recursos/ManualSpice.pdf Un listado completo de los dispositivos y comandos PSPICE se puede encontrar en: http://www.ecircuitcenter.com/SPICEsummary.htm Una amplia biblioteca de modelos PSPICE con diodos, transistores y otros elementos de uso comn en electrnica, proveda por un fabricante: http://www.fairchildsemi.com/models/PSPICE/Discrete Pgina con proyectos usando transistores monunin: http://www.talkingelectronics.com/Projects/UJT/UJT_Page.html

Oscilador de relajacin con UJT: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electronic/relaxo.html

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Circuito de Regulacin de Potencia en Corriente Alterna

Objetivos: Entender el principio de funcionamiento de un Tiristor. Analizar el comportamiento de un Triac con disparo interno. Calcular las caractersticas del circuito de disparo de un tiristor.

Planteamiento de la prctica En la prctica de laboratorio se usar el siguiente circuito, que pretende regular la potencia de CA presente en la carga (RL).

Los valores de los elementos de disparo se listan a continuacin: R1 100k R2 Potencimetro de 1M C 0.01 uF / 200v

Asumiendo que el voltaje de disparo del terminal T del Q4010 es 38 voltios (valor medio), por medio de una simulacin obtenga los ngulos de disparo para diferentes valores del potencimetro C. Corrobore los valores obtenidos con los resultados experimentales. Determine los valores de potencia (RMS) en la carga tericos para los ngulos de disparo obtenidos anteriormente. Para la carga se puede asumir una resistencia de orden de 100 Ohmios (bombillo de 100 W). Corrobore de manera experimental los resultados obtenidos y discuta las ventajas de tener el disparador DIAC integrado el terminal de puerta del tiristor. Ser deseable esta situacin en todos los casos? Que ocurrira si se pusiese un diodo en serie con el condensador de disparo (C). Qu diferencias notables ocurren entre un SCR y un TRIAC? Es posible obtener con este circuito un ngulo de disparo =0o? Qu implicaciones tendra esto para el circuito de disparo? Investigue otras alternativas para el disparo de los tiristores.

Informe: El informe de la prctica debe contener: - Clculos previos de los circuitos a implementar. - Las descripciones PSPICE hechas por el grupo de laboratorio. - Los resultados obtenidos. - Anlisis de los resultados. - Conclusiones. - Bibliografa. Sitios de Inters: En el siguiente enlace se encuentra una gua rpida PSPICE versin 9.1 en espaol: http://www.ics.upm.es/recursos/ManualSpice.pdf Un listado completo de los dispositivos y comandos PSPICE se puede encontrar en: http://www.ecircuitcenter.com/SPICEsummary.htm Una amplia biblioteca de modelos PSPICE con diodos, transistores y otros elementos de uso comn en electrnica, proveda por un fabricante: http://www.fairchildsemi.com/models/PSPICE/Discrete

ASPECTOS TEORICOS DE ALGUNOS DISPOSITIVOS DE ELECTRONICA ANALOGA Y DE POTENCIA Dentro de los dispositivos electrnicos de potencia, podemos citar: los diodos y transistores de potencia, el tiristor, as como otros derivados de stos, tales como los triac, diac, conmutador unilateral o SUS, transistor uniunin o UJT, el transistor uniunin programable o PUT y el diodo Shockley. Existen tiristores de caractersticas especiales como los fototiristores, los tiristores de doble puerta y el tiristor bloqueable por puerta (GTO). Uno de los aspectos importantes a considerar de estos dispositivos, es la curva caracterstica que nos relaciona la intensidad que los atraviesa con la cada de tensin entre los electrodos principales. El componente bsico del circuito de potencia debe cumplir los siguientes requisitos: Tener dos estados claramente definidos, uno de alta impedancia (bloqueo) y otro de baja impedancia (conduccin). Poder controlar el paso de un estado a otro con facilidad y pequea potencia. Ser capaces de soportar grandes intensidades y altas tensiones cuando est en estado de bloqueo, con pequeas cadas de tensin entre sus electrodos, cuando est en estado de conduccin. Ambas condiciones lo capacitan para controlar grandes potencias. Rapidez de funcionamiento para pasar de un estado a otro. El ltimo requisito se traduce en que a mayor frecuencia de funcionamiento habr una mayor disipacin de potencia. Por tanto, la potencia disipada depende de la frecuencia. Ahora veremos los tres bloques bsicos de semiconductores de potencia y sus aplicaciones fundamentales:

1. SEMICONDUCTORES DE ALTA POTENCIA DISPOSITIVO Rectificadores estndar o rpidos Transistores de potencia Tiristores estndar o rpidos INTENSIDAD MXIMA 50 a 4800 Amperios 5 a 400 Amperios 40 a 2300 Amperios

GTO Aplicaciones:

300 a 3000 Amperios

Traccin elctrica: troceadores y convertidores. Industria: Control de motores asncronos. Inversores. Caldeo inductivo. Rectificadores. Etc.

2. MDULOS DE POTENCIA DISPOSITIVO Mdulos de transistores SCR / mdulos rectificadores Mdulos GTO IGBT Aplicaciones: Soldadura al arco. Sistema de alimentacin ininterrumpida (SAI). Control de motores. Traccin elctrica. INTENSIDAD MXIMA 5 a 600 A. 1600 V. 20 a 300 A. 2400 V. 100 a 200 A. 1200 V. 50 a 300A. 1400V.

3. SEMICONDUCTORES DE BAJA POTENCIA DISPOSITIVO SCR Triac Mosfet Aplicaciones: Control de motores. aplicaciones domsticas. Cargadores de bateras. Control de iluminacin. Control numrico. INTENSIDAD MXIMA 0'8 a 40 A. 1200 V. 0'8 a 40 A. 800 V 2 a 40 A. 900 V.

Ordenadores, etc.

Aplicaciones generales: Transistores: Lavadoras, aire acondicionado, refrigeracin, robtica, control de motores, sistemas de alimentacin ininterrumpida. Triac: Lavadoras. GTO: Tren electrico, sistemas de alimentacin ininterrumpida, control de motores. MOSFET: VCR, hornos microondas, fuentes de alimentacin conmutables, robtica, automocin. IGBT: Robtica, control de motores, sistemas de alimentacin ininterrumpida

EL DIODO Uno de los dispositivos ms importantes de los circuitos de potencia son los diodos, aunque tienen, entre otras, las siguientes limitaciones: son dispositivos unidireccionales, no pudiendo circular la corriente en sentido contrario al de conduccin. El nico procedimiento de control es invertir el voltaje entre nodo y ctodo. Los diodos de potencia se caracterizan porque en estado de conduccin, deben ser capaces de soportar una alta intensidad con una pequea cada de tensin. En sentido inverso, deben ser capaces de soportar una fuerte tensin negativa de nodo con una pequea intensidad de fugas.

FIGURA 1

La curva caracterstica ser la que se puede ver en la figura 1, donde: VRRM: tensin inversa mxima. VD: tensin de codo. A continuacin vamos a ir viendo las caractersticas ms importantes del diodo, las cuales podemos agrupar de la siguiente forma: Caractersticas estticas: Parmetros en bloqueo (polarizacin inversa). Parmetros en conduccin. Caractersticas dinmicas: Tiempo de recuperacin inverso (trr). Influencia del trr en la conmutacin. Tiempo de recuperacin directo. Potencias: o Potencia mxima disipable. o Potencia media disipada. o Potencia inversa de pico repetitivo.

o Potencia inversa de pico no repetitivo. Caractersticas trmicas. Proteccin contra sobreintensidades.

CARACTERSTICAS ESTTICAS Parmetros en bloqueo Tensin inversa de pico de trabajo (VRWM): es la que puede ser soportada por el dispositivo de forma continuada, sin peligro de entrar en ruptura por avalancha. Tensin inversa de pico repetitivo (VRRM): es la que puede ser soportada en picos de 1 ms, repetidos cada 10 ms de forma continuada. Tensin inversa de pico no repetitiva (VRSM): es aquella que puede ser soportada una sola vez durante 10ms cada 10 minutos o ms. Tensin de ruptura (VBR): si se alcanza, aunque sea una sola vez, durante 10 ms el diodo puede destruirse o degradar las caractersticas del mismo. Tensin inversa contnua (VR): es la tensin continua que soporta el diodo en estado de bloqueo. PARMETROS EN CONDUCCIN Intensidad media nominal (IF(AV)): es el valor medio de la mxima intensidad de impulsos sinusuidales de 180 que el diodo puede soportar. Intensidad de pico repetitivo (IFRM): es aquella que puede ser soportada cada 20 ms , con una duracin de pico a 1 ms, a una determinada temperatura de la cpsula (normalmente 25). Intensidad directa de pico no repetitiva (IFSM): es el mximo pico de intensidad aplicable, una vez cada 10 minutos, con una duracin de 10 ms. Intensidad directa (IF): es la corriente que circula por el diodo cuando se encuentra en el estado de conduccin. CARACTERSTICAS DINMICAS Tiempo de recuperacin inverso. El paso del estado de conduccin al de bloqueo en el diodo no se efecta instantneamente. Si un diodo se encuentra conduciendo una intensidad IF, la zona central de la unin P-N est saturada de portadores mayoritarios con tanta mayor densidad de stos cuanto mayor sea IF. Si mediante la aplicacin de una tensin inversa forzamos la anulacin de la corriente con cierta velocidad, resultar que despus del paso por cero de la

corriente existe cierta cantidad de portadores que cambian su sentido de movimiento y permiten que el diodo conduzca en sentido contrario durante un instante. La tensin inversa entre nodo y ctodo no se establece hasta despus del tiempo ta llamado tiempo de almacenamiento, en el que los portadores empiezan a escasear y aparece en la unin la zona de carga espacial. La intensidad todava tarda un tiempo tb (llamado tiempo de cada) en pasar de un valor de pico negativo (IRRM) a un valor despreciable mientras van desapareciendo el exceso de portadores. ta (tiempo de almacenamiento): es el tiempo que transcurre desde el paso por cero de la intensidad hasta llegar al pico negativo. tb (tiempo de cada): es el tiempo transcurrido desde el pico negativo de intensidad hasta que sta se anula, y es debido a la descarga de la capacidad de la unin polarizada en inverso. En la prctica se suele medir desde el valor de pico negativo de la intensidad hasta el 10 % de ste. trr (tiempo de recuperacin inversa): es la suma de ta y tb.

La relacin entre tb/ta es conocida como factor de suavizado "SF". Influencia del trr en la conmutacin. Si el tiempo que tarda el diodo en conmutar no es despreciable: Se limita la frecuencia de funcionamiento. Existe una disipacin de potencia durante el tiempo de recuperacin inversa. Para altas frecuencias, por tanto, debemos usar diodos de recuperacin rpida.

Factores de los que depende trr: A mayor IRRM menor trr. Cuanta mayor sea la intensidad principal que atraviesa el diodo mayor ser la capacidad almacenada, y por tanto mayor ser trr.

Tiempo de recuperacin directo. tfr (tiempo de recuperacin directo): es el tiempo que transcurre entre el instante en que la tensin nodo-ctodo se hace positiva y el instante en que dicha tensin se estabiliza en el valor VF. Este tiempo es bastante menor que el de recuperacin inversa y no suele producir prdidas de potencia apreciables.

DISIPACIN DE POTENCIA Potencia mxima disipable (Pmx). Es un valor de potencia que el dispositivo puede disipar, pero no debemos confundirlo con la potencia que disipa el diodo durante el funcionamiento, llamada sta potencia de trabajo. Potencia media disipada (PAV). Es la disipacin de potencia resultante cuando el dispositivo se encuentra en estado de conduccin, si se desprecia la potencia disipada debida a la corriente de fugas. Generalmente el fabricante integra en las hojas de caractersticas tablas que indican la potencia disipada por el elemento para una intensidad conocida. Otro dato que puede dar el fabricante es curvas que relacionen la potencia media con la intensidad media y el factor de forma (ya que el factor de forma es la intensidad eficaz dividida entre la intensidad media). Potencia inversa de pico repetitiva (PRRM). Es la mxima potencia que puede disipar el dispositivo en estado de bloqueo. Potencia inversa de pico no repeptitiva (PRSM). Similar a la anterior, pero dada para un pulso nico. CARACTERSTICAS TRMICAS Temperatura de la unin (Tjmx). Es el lmite superior de temperatura que nunca debemos hacer sobrepasar a la unin del dispositivo si queremos evitar su inmediata destruccin. En ocasiones, en lugar de la temperatura de la unin se nos da la "operating temperature range" (margen de temperatura de funcionamiento), que significa que el dispositivo se ha fabricado para funcionar en un intervalo de temperaturas comprendidas entre dos valores, uno mnimo y otro mximo. Temperatura de almacenamiento (Tstg). Es la temperatura a la que se encuentra el dispositivo cuando no se le aplica ninguna potencia. El fabricante suele dar un margen de valores para esta temperatura. Resistencia trmica unin-contenedor (Rjc). Es la resistencia entre la unin del semiconductor y el encapsulado del dispositivo. En caso de no dar este dato el fabricante se puede calcular mediante la frmula: Rjc = (Tjmx - Tc) / Pmx

Siendo Tc la temperatura del contenedor y Pmx la potencia mxima disipable. Resistencia trmica contenedor-disipador (Rcd). Es la resistencia existente entre el contenedor del dispositivo y el disipador (aleta refrigeradora). Se supone que la propagacin se efecta directamente sin pasar por otro medio (como mica aislante, etc). PROTECCIN CONTRA SOBREINTENSIDADES Principales causas de sobreintensidades. La causa principal de sobreintensidad es, naturalmente, la presencia de un cortocircuito en la carga, debido a cualquier causa. De todos modos, pueden aparecer picos de corriente en el caso de alimentacin de motores, carga de condensadores, utilizacin en rgimen de soldadura, etc. Estas sobrecargas se traducen en una elevacin de temperatura enorme en la unin, que es incapaz de evacuar las caloras generadas, pasando de forma casi instantnea al estado de cortocircuito (avalancha trmica). RGANOS DE PROTECCIN Los dispositivos de proteccin que aseguran una eficacia elevada o total son poco numerosos y por eso los ms empleados actualmente siguen siendo los fusibles, del tipo "ultrarrpidos" en la mayora de los casos. Los fusibles, como su nombre indica, actan por la fusin del metal de que estn compuestos y tienen sus caractersticas indicadas en funcin de la potencia que pueden manejar; por esto el calibre de un fusible no se da slo con su valor eficaz de corriente, sino incluso con su I2t y su tensin. Parmetro I2t. La I2t de un fusible es la caracterstica de fusin del cartucho; el intervalo de tiempo t se indica en segundos y la corriente I en amperios. Debemos escoger un fusible de valor I2t inferior al del diodo, ya que as ser el fusible el que se destruya y no el diodo. Un ejemplo de una ficha caracterstica es la que se presenta a continuacin.

RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA

Teniendo en cuenta los conceptos bsicos y caractersticas de funcionamiento tratadas en el mdulo de electrnica bsica y ste, veremos como se puede emplear el diodo para realizar un rectificador de media onda sencillo. Una descripcin breve del funcionamiento del rectificador de media onda se da a continuacin. En la figura 2, se muestran las formas de onda. Durante el semi ciclo positivo el nodo del diodo se polariza positivo, mientras que el ctodo queda polarizado negativamente a travs de la resistencia, en consecuencia conduce y obtendremos sobre la resistencia una cada de tensin de la misma forma que la corriente, o sea que prcticamente ser la misma onda de entrada, ya que la resistencia interna del diodo y el voltaje de conduccin generalmente son muy pequeos comparados con el voltaje de entrada. Cuando el voltaje de entrada es de un valor relativamente bajo, el voltaje en el diodo debe ser restado al voltaje de entrada para obtener el voltaje de salida.

FIGURA 2 Durante el semiciclo negativo el diodo queda polarizado inversamente, el nodo negativo y el ctodo positivo, en consecuencia no hay conduccin, slo una pequea corriente de fuga, la cual es del orden de los nano amperios y en la mayora de los casos prcticos se desprecia, salvo que la resistencia R fuera muy grande y por consiguiente la cada de tensin fuera apreciable. En la mayora de los casos, el diodo va a ser interpretado como un interruptor que se cierra durante un semiciclo y se abre para el otro. Vpp = voltaje pico a pico. Vp = voltaje pico = Vpp/2 Vrms = voltaje eficaz = 0.707 Vp. Vdc = voltaje promedio o directo. Para vi es cero, pero para vo es = Vp/ = 0,318 Vp.

En la figura 3 se muestra el circuito conectado a un condensador y tambin la carga resistiva.

FIGURA 3 Al aplicar el semi ciclo positivo y el condensador estar inicialmente descargado, ste se cargar a la velocidad del voltaje de entrada y la corriente depender de su reactancia capacitiva. Cuando alcance el voltaje Vp, se iguala el voltaje de entrada con el voltaje del condensador y por lo tanto la diferencia de voltaje entre nodo y ctodo del diodo es cero, a partir de ese momento el voltaje de entrada empieza a descender, quedando el nodo con menor voltaje que el ctodo, o sea polarizado inversamente, en consecuencia el diodo no conduce y el condensador no tiene por donde descargarse permaneciendo indefinidamente con el voltaje Vp. Figura 3. El diodo, al comportarse como un interruptor abierto, aparecer entre sus extremos un voltaje en sentido inverso que es igual al voltaje de entrada en serie con el voltaje Vp existente en el condensador, llegando a alcanzar el nivel de 2Vp el voltaje inverso aplicado al diodo. Al colocar la carga resistiva, el condensador encuentra un camino por el cual se puede descargar y la onda de salida tendr la forma de Vo de la figura 3. t1 es el tiempo durante el cual se descarga el condensador, pues cada semi ciclo rectificado lo vuelve a cargar, la forma de carga ser prcticamente senoidal pues ocurre a travs del diodo que presenta una resistencia muy baja y el voltaje de entrada es senoidal, pero la descarga es en forma exponencial puesto que el voltaje durante el tiempo de no conduccin en el condensador, es un voltaje dc que se descarga por una resistencia. En la grfica se observa que durante la descarga, la parte inicial tambin es senoidal, esto es debido a que al comienzo los condensadores se descargan ms rpido que la velocidad de variacin de la onda de entrada, luego el proceso de descarga es ms lento. En la implementacin de este tipo de circuitos se busca que t1 sea muy pequeo comparado con la constante de tiempo (t = R*C), para que el condensador se descargue muy poco y as el voltaje a la salida permanezca con muy poca variacin. RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA CON TRANSFORMADOR

Cuando se aclara en este tipo de circuito el uso de transformador es porque se necesita una derivacin central del mismo, sin embargo el rectificador de media onda puede usar o no transformador, en la necesidad que se tenga de elevar o disminuir el voltaje disponible de entrada. En la figura 4 se muestra el diagrama correspondiente a un rectificador de onda completa con transformador.

FIGURA 4 La tensin de secundario entre los extremos debe ser el doble que la necesitada en un circuito de media onda e igual entre un extremo y la derivacin central. Funcionamiento. Durante el semiciclo positivo el diodo D1 queda polarizado directamente, positivo el nodo y por la derivacin central (tap) se aplica el negativo al ctodo. El diodo D2 est polarizado inversamente y en consecuencia no circula corriente por l. Cuando llega el semi ciclo negativo, el diodo D1 queda polarizado inversamente y D2 queda polarizado directamente, la corriente de carga de C durante este tiempo, tiene la misma direccin que en el caso anterior, en consecuencia durante los dos semi ciclos el condensador recibe carga. Si se mantienen los mismos valores de R y C, el tiempo t1 de descarga se reduce y en consecuencia se descarga menos el condensador, esto permite una mejor rectificacin, es decir que el voltaje DC aumenta y el rizado o ripple es menor, la frecuencia de estas variaciones ser el doble que la frecuencia del rectificador de media onda. PUENTE RECTIFICADOR Este tipo de rectificador es de onda completa, pero no necesita derivacin central del transformador. El voltaje de entrada es el mismo que para el rectificador de media onda, esto lo hace muy til cuando no se dispone de un voltaje mayor o de un transformador con derivacin central. En la figura 5 se muestra el circuito compuesto por cuatro diodos.

FIGURA 5 Durante el semi ciclo positivo de la onda senoidal de entrada, la corriente de carga de C circula por los diodos D1 y D3 como muestra la figura 5 con lnea continua, ya que los diodos quedan polarizados directamente, positivo el nodo de D1 y negativo el ctodo de D2, los diodos D3 y D4 quedan inversamente polarizados; para el otro semi ciclo los que quedan polarizados directamente son estos ltimos e inversamente los primeros; el flujo de la corriente se muestra con la lnea punteada. En ambos casos la corriente de carga del condensador es en la misma direccin, logrndose as carga para los dos semi ciclos como en el caso estudiado para la onda completa, pero necesitndose el mismo voltaje que para rectificacin de media onda y evitndose el uso de derivacin central. DOBLADORES DE TENSIN En algunos casos es necesario un voltaje mayor que el disponible de la red. Con los transformadores o con dobladores se puede lograr este propsito. Cuando se usan transformadores se debe tener en cuenta el limitante de potencia que tiene ste y por lo tanto si se aumenta el voltaje no se puede obtener la misma corriente sin correr el peligro de daarlo. En el circuito de la figura 6 se muestra un tipo de doblador de tensin. Est conformado por dos rectificadores de media onda, uno para un semi ciclo positivo y el otro para el semi ciclo negativo, colocndose de tal forma que el voltaje en los condensadores se sume, obtenindose as 2Vp.

FIGURA 6 Otro sistema que cumple la misma funcin es el de la figura 7.

FIGURA 7

MULTIPLICADORES DE TENSIN El caso del doblador de tensin ltimo por sujecin de voltaje se puede generalizar para lograr triplicadores, cuadriplicadores y en general para lograr multiplicadores de voltaje. Tambin se pueden lograr combinaciones de dobladores del primer tipo, con rectificadores de media onda para obtener un triplicador o cuadriplicador. En la figura 8 se muestra un circuito generalizado para un triplicador.

FIGURA 8 Con esta informacin bsica estamos listos para realizar la primera prctica, pero no antes de refrescar los conocimientos con la realizacin del taller.

EL TRANSISTOR El funcionamiento y utilizacin de los transistores de potencia es idntico al de los transistores normales, teniendo como caractersticas especiales las altas tensiones e intensidades que tienen que soportar y, por tanto, las altas potencias a disipar. Existen tres tipos de transistores de potencia: Bipolar. Unipolar o FET (Transistor de Efecto de Campo). IGBT. PARMETROS Impedancia de entrada Ganancia en corriente Resistencia ON (saturacin) Resistencia OFF (corte) Voltaje aplicable Mxima temperatura de operacin Frecuencia de trabajo Coste MOS Alta (1010 ohmios) Alta (107) Media / alta Alta Alto (1000 V) Alta (200C) Alta (100-500 Khz) Alto BIPOLAR Media (104 ohmios) Media (10-100) Baja Alta Alto (1200 V) Media (150C) Baja (10-80 Khz) Medio

El IGBT ofrece a los usuarios las ventajas de entrada MOS, ms la capacidad de carga en corriente de los transistores bipolares: Trabaja con tensin. Tiempos de conmutacin bajos. Disipacin mucho mayor (como los bipolares). Es de gran inters que el transistor se parezca, lo ms posible, a un elemento ideal: Pequeas fugas. Alta potencia. Bajos tiempos de respuesta (ton, toff), para conseguir una alta frecuencia de funcionamiento. Alta concentracin de intensidad por unidad de superficie del semiconductor. Que el efecto avalancha se produzca a un valor elevado (VCE mxima elevada). Que no se produzcan puntos calientes (grandes di/dt ).

Una limitacin importante de todos los dispositivos de potencia y concretamente de los transistores bipolares, es que el paso de bloqueo a conduccin y viceversa no se hace instantneamente, sino que siempre hay un retardo (ton, toff). Las causas fundamentales de estos retardos son las capacidades asociadas a las uniones colector - base y base - emisor y los tiempos de difusin y recombinacin de los portadores. PRINCIPIOS BSICOS DE FUNCIONAMIENTO La diferencia entre un transistor bipolar y un transistor unipolar o FET es el modo de actuacin sobre el terminal de control. En el transistor bipolar hay que inyectar una corriente de base para regular la corriente de colector, mientras que en el FET el control se hace mediante la aplicacin de una tensin entre puerta y fuente. Esta diferencia viene determinada por la estructura interna de ambos dispositivos, que son substancialmente distintas. Es una caracterstica comn, sin embargo, el hecho de que la potencia que consume el terminal de control (base o puerta) es siempre ms pequea que la potencia manejada en los otros dos terminales. En resumen, destacamos tres cosas fundamentales: En un transistor bipolar IB controla la magnitud de IC. En un FET, la tensin VGS controla la corriente ID. En ambos casos, con una potencia pequea puede controlarse otra bastante mayor. TIEMPOS DE CONMUTACIN

FIGURA 9 Cuando el transistor est en saturacin o en corte las prdidas son despreciables. Pero si tenemos en cuenta los efectos de retardo de conmutacin, al cambiar de un estado a otro se produce un pico de potencia disipada, ya que en esos instantes el producto IC x VCE va a tener un valor apreciable, por lo que la potencia media de prdidas en el transistor va a ser mayor. Estas prdidas

aumentan con la frecuencia de trabajo, debido a que al aumentar sta, tambin lo hace el nmero de veces que se produce el paso de un estado a otro. Podremos distinguir encendido (ton) y vez, cada uno de en otros dos. entre tiempo de excitacin o tiempo de apagado (toff). A su estos tiempos se puede dividir

FIGURA 10

Tiempo de retardo (Delay Time, td): Es el tiempo que transcurre desde el instante en que se aplica la seal de entrada en el dispositivo conmutador, hasta que la seal de salida alcanza el 10% de su valor final. Tiempo de subida (Rise time, tr): Tiempo que emplea la seal de salida en evolucionar entre el 10% y el 90% de su valor final. Tiempo de almacenamiento (Storage time, ts): Tiempo que transcurre desde que se quita la excitacin de entrada y el instante en que la seal de salida baja al 90% de su valor final. Tiempo de cada (Fall time, tf): Tiempo que emplea la seal de salida en evolucionar entre el 90% y el 10% de su valor final. Por tanto, se pueden definir las siguientes relaciones:

Es de hacer notar el hecho de que el tiempo de apagado (toff) ser siempre mayor que el tiempo de encendido (ton). Los tiempos de encendido (ton) y apagado (toff) limitan la frecuencia mxima a la cual puede conmutar el transistor:

OTROS PARMETROS IMPORTANTES

FIGURA 11 Corriente media: es el valor medio de la corriente que puede circular por un terminal (ej. ICAV, corriente media por el colector). Corriente mxima: es la mxima corriente admisible de colector (ICM) o de drenador (IDM). Con este valor se determina la mxima disipacin de potencia del dispositivo. VCBO: tensin entre los terminales colector y base cuando el emisor est en circuito abierto. VEBO: tensin entre los terminales emisor y base con el colector en circuito abierto. Tensin mxima: es la mxima tensin aplicable entre dos terminales del dispositivo (colector y emisor con la base abierta en los bipolares, drenador y fuente en los FET). Estado de saturacin: queda determinado por una cada de tensin prcticamente constante. VCEsat entre colector y emisor en el bipolar y resistencia de conduccin RDSon en el FET. Este valor, junto con el de corriente mxima, determina la potencia mxima de disipacin en saturacin.

Relacin corriente de salida - control de entrada: hFE para el transistor bipolar (ganancia esttica de corriente) y gds para el FET (transconductancia en directa). MODOS DE TRABAJO Existen cuatro condiciones de polarizacin posibles. Dependiendo del sentido o signo de los voltajes de polarizacin en cada una de las uniones del transistor pueden ser:

FIGURA 12 Regin activa directa: Corresponde a una polarizacin directa de la unin emisor - base y a una polarizacin inversa de la unin colector - base. Esta es la regin de operacin normal del transistor para amplificacin. Regin activa inversa: Corresponde a una polarizacin inversa de la unin emisor - base y a una polarizacin directa de la unin colector - base. Esta regin es usada raramente. Regin de corte: Corresponde a una polarizacin inversa de ambas uniones. La operacin en sta regin corresponde a aplicaciones de conmutacin en el modo apagado, pues el transistor acta como un interruptor abierto (IC 0). Regin de saturacin: Corresponde a una polarizacin directa de ambas uniones. La operacin en esta regin corresponde a aplicaciones de conmutacin en el modo encendido, pues el transistor acta como un interruptor cerrado (VCE 0).

TRANSISTORES BIPOLARES TRANSISTOR COMO INTERRUPTOR Adems del uso de los transistores como amplificadores en seales variables, el transistor puede ser utilizado como interruptor en circuitos de control. El transistor

no reemplaza ni duplica la accin de un interruptor de contactos mecnicos, pero si presenta ciertas ventajas sobre stos. La figura 17 muestra un diagrama esquemtico donde el transistor es empleado como interruptor.

FIGURA 13 La figura 17 muestra la resistencia de carga colocada en el circuito del colector y en serie con ste. El voltaje de entrada Vin determina cuando el transistor como interruptor se encuentra abierto, impidiendo el flujo de corriente por la carga, o cerrado, permitiendo el flujo de corriente. Cuando Vin es un voltaje bajo, no hay flujo de corriente por la unin base-emisor. Con una corriente de base nula, no hay corriente de colector, y por tanto, no circular corriente por la carga. Bajo esta condicin el transistor opera como un interruptor abierto en serie con la carga. Cuando el transistor opera de esta manera se dice que est CORTADO o EN CORTE. Clculos relacionados con el transistor como interruptor Cuando un transistor como interruptor se supone EN CORTE, Vin debe encontrarse por debajo de 0,6 V si el transistor es de silicio. Esto asegura que no fluye corriente de base al transistor, porque se necesita como mnimo 0,6 V de polarizacin directa de la unin base-emisor para que exista corriente a travs de ella. Para garantizar el CORTE del transistor, los circuitos de conmutacin se disean de modo que Vin sea menor a 0,30 V cuando el transistor se supone EN CORTE. Si el terminal de entrada se lleva a tierra, lo ms probable es que el transistor se corte. Para energizar (dar corriente a) la carga, el transistor debe operar como un interruptor cerrado. Esto se consigue elevando Vin a un valor suficientemente alto para llevar el transistor a saturacin. La condicin de saturacin es aquella en la cual la corriente de colector es lo suficientemente grande para que todo el voltaje

de alimentacin, Vcc, aparezca en los terminales de la resistencia de carga. Idealmente, esta corriente de colector est dada por la expresin: IC(sat) = Vcc / RLD que es la ley de Ohm aplicada al circuito del colector. La corriente de base viene dada por la expresin: IB(sat) = IC(sat) / = Vcc / RLD la cual relaciona las corrientes directas del colector y base. El trmino de la Ecuacin significa el dc (ganancia de corriente directa) del transistor en oposicin al ac. El dc y el ac pueden ser diferentes en algunos transistores. De todas maneras, para cerrar el interruptor, Vin debe ser suficiente, para entregar la cantidad de corriente de base necesaria de acuerdo con la Ecuacin anterior. Dado que el circuito de base es simplemente una resistencia en serie con la unin base-emisor, Vin puede calcularse a partir de: Vin = IB(sat)Rb + 0,6 V Vin = (Vcc Rb / RLD) + 0,6 V Si el voltaje de la base es igual o mayor al dado por la ecuacin anterior, el transistor opera como un interruptor cerrado y la totalidad del voltaje de alimentacin es aplicado a la carga. En resumen, un transistor puede operar como un interruptor mecnico en serie con la carga; esto significa que la accin de abrir o cerrar el interruptor, la ejecuta el voltaje de entrada tal como un actuador mecnico, el pistn de un solenoide, o la armadura de un rel, que son mtodos comunes para la operacin de interruptores mecnicos. Para evitar confusiones, los transistores usados como interruptor en este mdulo, son del tipo npn. Ciertamente, los transistores del tipo pnp pueden ser igualmente usados, pero son menos frecuentes. Ejemplo 1. Observe la figura 18. Cul es la magnitud del voltaje de entrada necesario para cerrar el interruptor (saturar el transistor)? Cunta corriente circula por la carga cuando esto sucede? Cul es la magnitud de la corriente de base necesaria?. Rb = 1K, = 150, Rcarga = 16 .

FIGURA 14 Solucin. De la ecuacin Vin = IB(sat)Rb + 0,6 V, Vin = (Vcc Rb / RLD) + 0,6 V; en saturacin, la totalidad de la fuente de alimentacin es aplicada a la carga, de modo que, IC(sat) = Vcc / RLD = 24 V / 16 Luego IB(sat) = IC(sat) / = Vcc / RLD = 24 V / (150)(16 ) = 10 mA El voltaje de entrada est dado por: Vin = IB(sat)Rb + 0,6 V = (10 mA)(1K) + 0,6 V = 10,6 V El ejemplo muestra que una gran corriente de carga, 1,5 A, puede ser conmutada por pequeos valores de voltaje y corriente de entrada. Contrariamente a lo que podra esperarse, el transistor utilizado no es necesariamente un transistor de potencia montado en un disipador, porque la gran cantidad de corriente del colector viene acompaada por un voltaje colector-emisor muy bajo e inclusive cero y as la potencia disipada (el producto de la corriente de colector por el voltaje colector-emisor) es pequea. COMPARACIN DEL TRANSISTOR INTERRUPTOR MECNICO COMO INTERRUPTOR CON UN = 1,5 A

Hasta ahora, la discusin de la operacin del transistor como interruptor se ha hecho suponiendo que se comporta como un cortocircuito cuando est cerrado. Esto no es del todo cierto. El transistor no puede saturarse hasta el punto de que el voltaje colector-emisor sea absolutamente cero. La mayora de los transistores de silicio para pequea seal tienen un voltaje de saturacin colector-emisor, VCE(sat), de alrededor 0,2 V. Los transistores de conmutacin tienen un bajo VCE(sat), generalmente del orden de 0,1 V para valores razonables de corriente de carga. Para valores altos de corriente de carga, VCE(sat) tiende a aumentar un poco. En la

gran mayora de los clculos, no es necesario considerar el valor de VCE(sat) pero es importante estar consciente de su magnitud cuando se hacen mediciones en circuitos de conmutacin. Esta pequea cada de voltaje es la principal desventaja del transistor como interruptor frente a un interruptor mecnico. La pequea cada de voltaje es en s un problema, porque esto impide que se puedan conectar en serie varios transistores operando como interruptores, como se hace con los interruptores mecnicos. Por ejemplo, los contactos de los rels comnmente se conectan en serie entre ellos y con otros interruptores. Sin embargo, el transistor como interruptor puede operar en paralelo tal como se muestra en la figura 19.

FIGURA 15 Algunas ventajas de los transistores sobre los interruptores mecnicos convencionales a. No tienen partes mviles, por tanto no sufren desgaste y pueden operar un nmero ilimitado de veces. Los contactos de los interruptores convencionales estn sujetos a desgaste y esto limita su vida til a unos pocos millones de operaciones. Adems, como los transistores no tienen contactos fsicamente expuestos, es imposible que sustancias extraas se adhieran a su superficie e impidan un buen cierre. Este problema es muy comn en los interruptores mecnicos, sobre todo cuando estn localizados en ambientes polvorientos o sucios. b. El transistor como interruptor es mucho ms rpido que un interruptor convencional, los cuales tienen tiempos de cierre del orden de los milisegundos, mientras que el transistor operando como interruptor tiene tiempos de cierre (tiempo de encendido) del orden de los microsegundos. c. El transistor como interruptor no presenta el rebote inherente de los interruptores mecnicos. El rebote es un problema que se presenta en los contactos de un interruptor, el cual se cierra y abre varias veces (en una sucesin rpida) antes de efectuarse el cierre perfecto. La figura 20 muestra la forma de onda

(ampliada) del voltaje en la carga contra el tiempo, cuando un interruptor mecnico energiza la carga y cuando es un transistor operando como interruptor el que la energiza.

FIGURA 16 d. Cuando un transistor como interruptor acciona una carga inductiva, no se produce arco al momento de la desconexin. Cuando un interruptor mecnico que acta sobre una carga inductiva se abre, la fuerza contra-electromotriz inducida, algunas veces produce un arco entre los contactos. Este arco no solamente deteriora la superficie de los contactos, sino que tambin puede ser peligroso en determinadas circunstancias. Prueba de los transistores que operan como interruptor Desafortunadamente, por simple inspeccin visual es imposible determinar si un transistor se encuentra abierto o cerrado, tal como sucede con los interruptores mecnicos. Es necesario un medidor para detectar el cierre del interruptor. La figura 21 se usar para ilustrar el procedimiento que se sigue en el chequeo de un transistor de conmutacin en el circuito. En general, cuando un transistor est CONDUCIENDO, VCE ser cercano a 0 V, y cuando est en CORTE VCE ser igual a VCC.

FIGURA 17 La lectura de VCC cuando el transistor est abierto es debido a que no existe corriente por la carga y por tanto no hay cada de voltaje. La totalidad del voltaje

aplicado, cae en terminales del transistor tal como sucede en un interruptor convencional. Si la carga no est energizada como se espera, es necesario chequear Vin. Este voltaje debe ser lo suficientemente alto para garantizar la CONDUCCIN del transistor. Si esto no sucede, el problema es la fuente de seal y no el transistor. Si Vin es lo suficientemente alto para CONDUCCIN del transistor y la carga est an desenergizada, la falla puede estar en la fuente de alimentacin. En el estado de CONDUCCIN, un transistor de silicio debe tener un VBE de alrededor de 0,6V. Si Vin es lo suficientemente alto para saturar el transistor pero VBE es ms alto o ms bajo que 0,6 V, por ejemplo, 1,5 0,2 V, la unin baseemisor est daada y el transistor debe ser remplazado. Los transistores de potencia estn diseados y construidos para manejar grandes corrientes y algunas veces tienen un VBE por encima de 1 V. Por tanto, en caso de que VBE sea 1,5V esto no significa necesariamente una unin daada. Es aconsejable referirse a las caractersticas dadas por el fabricante cuando se presenta esta situacin. Si VBE es normal y existe corriente de base, entonces se debe inspeccionar VCE. Si VCE es cercano al voltaje de alimentacin Vcc el transistor tiene daada la unin colector-base y debe ser remplazado. Si VCE es 0 V y la carga est desenergizada, probablemente ella est en circuito abierto. En este caso la carga debe ser remplazada. Cuando Vin cae a un voltaje bajo, el transistor se supone CORTADO y la carga desenergizada. Si la carga permanece energizada, la falla se debe probablemente a la existencia de un cortocircuito entre colector y base o entre colector y emisor, por tanto el transistor debe ser remplazado. VARIANTES DEL CIRCUITO BSICO DEL TRANSISTOR COMO INTERRUPTOR Algunas veces no es cierto que el supuesto voltaje bajo de entrada ser lo suficientemente bajo para CORTAR el transistor. Esto sucede cuando el voltaje de entrada es cercano a 0,6V, digamos 0,5V. En estas situaciones especficas deben tomarse precauciones que garanticen el CORTE del transistor. La figura 22 muestra dos mtodos comnmente utilizados para este propsito.

FIGURA 18 En la figura 22 se muestra, en la primera figura, un diodo conectado en serie con el circuito de base. Esto causa un aumento en el voltaje de entrada necesario para inyectar una corriente de base al circuito. Los 0,6 V necesarios para que el diodo entre a conducir, son sumados a los 0,6 V necesarios para que la unin baseemisor, entre tambin en conduccin. Por consiguiente, si Vin es cercano a 0,6 V debido a una falla en la fuente de seal, el transistor permanecer CORTADO, y el interruptor abierto. La segunda figura muestra una resistencia de sujecin, R2, agregada al circuito bsico. Esta resistencia hace lo que su nombre indica, esto es, sujeta el transistor en CORTE cuando Vin est en una condicin marginal. El voltaje en el terminal de base es siempre ms negativo (menos positivo) que Vin. Por consiguiente, si Vin es marginal, el voltaje de base es llevado por debajo de 0,6 V por la resistencia de sujecin conectada a una fuente de voltaje negativo. Cuando Vin est en el rango de valores altos, el voltaje de base es suficiente para llevar el transistor a CONDUCCIN an con la resistencia de sujecin presente en el circuito. Ejemplo 2. Suponga tres valores diferentes de voltaje de entrada en el circuito de la figura 23: (a) 0,1 V, (b) 0,6V y (c) 3,5V. Para cada voltaje de entrada, calcular el voltaje de base y el estado en el cual se encuentra el transistor (CORTADO o CONDUCIENDO).

FIGURA 19

Solucin a. Comencemos por asumir que la unin base-emisor se encuentra polarizada inversamente, de modo que las resistencias se encuentran efectivamente en serie. Entonces, para Vin = 0,1V, VR = (6,8K x 2,1 V) / (6,8K + 2,2K) = 1,6 V donde VR2 es el voltaje a travs de R2. La cantidad 2,1 V es la diferencia de potencial total a travs de la combinacin de resistencias en serie, o la diferencia entre los voltajes de +0,1 y -2,0V. El voltaje de base respecto a tierra puede hallarse por: Vb = -2 V + 1,6 V = -0,4 V De acuerdo con el divisor de voltaje, Vb ser -0,4V. Esto indica que la unin baseemisor est inversamente polarizada; por tanto, el supuesto original es vlido y R1 y R2 pueden ser tratadas como resistencias en serie. Debido a que la base es negativa con respecto al emisor, el transistor est CORTADO, y el interruptor est abierto. b. Para un valor de voltaje de 0,6 V, la cada de voltaje en R2 puede determinarse por: VR2 = (6,8K x 2,6 V) / (6,8K + 2,2K) = 1,9 V Por tanto, Vb = -2,0 V + 1,9 V = 0,1 V. Nuevamente, la unin base-emisor est polarizada inversamente, el supuesto es vlido y R1 y R2 estn efectivamente en serie. El transistor se encuentra EN CORTE y el interruptor abierto. c. Si el voltaje de entrada es 3,5V, los clculos son: VR2 = (6,8K x 5,5 V) / (6,8K + 2,2K) = 4,1 V

Los 5,5V en la ecuacin anterior corresponden al voltaje a travs de la combinacin de resistencias, +3,5V a -2,0V. El voltaje de la base es:

Vb = -2 V + 4,1 V = 2,1 V lo cual es imposible. En este caso, la unin base-emisor se encontrar polarizada directamente y no permitir que el voltaje de base est por encima de 0,6 V, por tanto, la combinacin de resistencias no puede considerarse como un circuito serie. El clculo del voltaje de base, produce un valor inaceptable porque el

supuesto inicial es falso. El transistor estar CONDUCIENDO, y el interruptor estar cerrado. Condensadores de Conmutacin. Para aumentar la velocidad de respuesta de los transistores como interruptor en aplicaciones donde se requiere alta velocidad de conmutacin, se utiliza una variante como la que se muestra en la figura 23. El condensador en paralelo con Rb se denomina generalmente condensador de conmutacin o aceleracin, porque acelera el paso hacia CONDUCCIN o CORTE del transistor. Cuando Vin aumenta por encima del nivel cero y comienza a entregar corriente al transistor, el condensador en un primer instante acta como un cortocircuito, dado que no puede cargarse instantneamente. Por tanto, la corriente por la base durante este primer instante de CONDUCCIN es mayor que la normal porque Rb est efectivamente cortocircuitada. Esta gran corriente de base lleva el transistor rpidamente a saturacin. Ms tarde, una vez el condensador se ha cargado completamente, se comporta como un circuito abierto y no afecta la operacin del transistor. Cuando el voltaje de entrada cae al nivel cero para llevar el transistor a CORTE, el condensador tiende a polarizar inversamente la unin base-emisor durante un tiempo pequeo, porque se encuentra cargado con el + a la izquierda, como lo muestra la figura 24 al instante en que Vin comienza a caer. Cuando Vin alcance el nivel cero, el terminal de entrada queda efectivamente conectado al emisor, el voltaje entre los terminales del condensador polarizan inversamente la unin baseemisor, llevando el transistor ms rpidamente a CORTE que cuando C no existe.

FIGURA 20 Una buena seleccin del condensador de conmutacin, puede reducir el tiempo de acceso a CONDUCCIN o CORTE de los transistores de conmutacin a pocas dcimas de microsegundos o menos. El valor de la mayora de los condensadores de conmutacin es del orden de algunos cientos de picofaradios. Algunas veces la carga en un transistor de conmutacin, no se encuentra conectada en serie con el colector sino como se muestra en la figura 25. Este mtodo es similar al utilizado para conectar una carga a un amplificador ac para pequeas seales, con la diferencia que aqu no se utiliza el condensador de

acople. Es de notar que la carga es energizada cuando el transistor est en CORTE y desenergizada cuando se encuentra en CONDUCCIN. Esta situacin es opuesta a la situacin previa, en la cual la carga estaba en serie con el colector. Es importante tener bien claras estas dos situaciones porque ambas son frecuentes.

FIGURA 21 Interruptor Totem-pole. En aplicaciones donde la carga tiene asociada una capacitancia (considerada en paralelo con RLD), el mtodo de la figura 25 no es adecuado porque produce un aumento lento del voltaje en la carga despus que el transistor entra en CORTE. Esto es debido al tiempo necesario para cargar la capacitancia asociada a travs de la resistencia de colector Rc. A medida que aumenta el valor de la capacitancia y/o el valor de la resistencia Rc, mayor ser la constante de tiempo (CRc), y mayor el tiempo de subida del voltaje en la carga. Si un tiempo de subida grande no es aceptable, el circuito a usarse es el de la figura 26.

FIGURA 22 El cricuito denominado Totem-pole es llamado as porque un transistor est localizado encima del otro. Para energizar la carga, T, es llevado a CONDUCCIN y T2, a CORTE; esto hace que el extremo superior de la carga quede conectado a Vcc. Para desenergizar la carga. T1 es llevado a CORTE y T2 a CONDUCCIN; esto hace que el extremo superior de la carga quede conectado a tierra. Cuando el transistor est CONDUCIENDO, la resistencia que presenta es nula (como se muestra en la figura 26) o muy pequea, por tanto, el tiempo de subida disminuye

y el efecto de retardos es prcticamente eliminado. Cuando T1 CONDUCE, el extremo superior de la carga queda conectado al positivo de la fuente. Se dice entonces que T1 "ha llevado la carga arriba" y es llamado un transistor de pull-up. T2 es llamado un Transistor de pull-down. El circuito de entrada de la figura 26 es el encargado de llevar T1 y T2, a CORTE y CONDUCCIN e impedir la CONDUCCIN simultnea de los dos transistores en el mismo instante. Si ambos entrasen en CONDUCCIN, en el mismo instante, se producir un cortocircuito y ocasionara el dao de al menos uno de los transistores. Por la misma razn, los interruptores Totem-pole no pueden conectarse en paralelo como se muestra en la figura 19. Si el transistor T1 de un interruptor y el transistor T2 de otro interruptor son llevados a CONDUCCIN en el mismo instante se produce un cortocircuito de la fuente de alimentacin. Si lo desea, puede dibujar un par de interruptores Totem-pole con sus salidas unidas y observar que esto puede suceder. APLICACIONES DEL TRANSISTOR COMO INTERRUPTOR Lmparas indicadoras El transistor como interruptor es usado comnmente para manejar lmparas indicadoras. Una lmpara indicadora es aquella que visualiza la condicin de un cierto punto de un circuito. Puede ser usada para mostrar que un cierto arrancador est energizado, o que un cierto interruptor de fin de carrera est cerrado, o que una cierta lnea de un circuito digital se encuentra en nivel alto. Por ejemplo, el primer esquema de la figura 27 muestra un transistor como interruptor utilizado para visualizar la salida de un flip-flop. Cuando la salida del flip-flop es nivel alto, el transistor CONDUCE y la lmpara se enciende. Un observador puede con slo un vistazo, darse cuenta del estado del flip-flop sin tener que recurrir a un instrumento para medirlo.

FIGURA 23 Algunas veces la fuente de seal tiene poca capacidad de corriente, y an la corriente que toma la base del transistor que opera como interruptor es una carga inaceptable. En estos casos, otra variante del circuito bsico es utilizada, como se muestra en la misma figura, dos transistores conectados en cascada. Cuando la

salida alcanza el nivel alto T1, que est conectado como un seguidor de emisor, entra en CONDUCCIN. Debido a la alta impedancia de entrada inherente al seguidor de emisor, la corriente que toma del flip-lop es muy pequea. La corriente de colector de T1, fluye hacia la base de T2, el cual entra en CONDUCCIN y enciende la lmpara. Indicadores digitales. El circuito de la figura 27 es usado repetitivamente en aplicaciones como los Indicadores digitales. Un Indicador digital es un medio que permite tomar un nmero binario contenido en un circuito lgico y presentarlo de modo que sea fcilmente comprensible por un operador y/o un observador. Interface entre diferentes niveles de voltaje Podemos decir que todo circuito de control industrial puede dividirse en tres partes. Estas tres partes son llamadas, seccin de entrada, seccin lgica y seccin de salida. En los sistemas industriales para una operacin confiable y segura, las secciones de entrada y salida deben operar a voltajes altos, generalmente 115 V ac. Dado que la seccin lgica est formada por dispositivos de estado slido de bajo voltaje, tenemos que establecer un mtodo que nos permita hacer compatibles las secciones de entrada y salida, operando a voltajes altos, y la seccin lgica operando a voltajes bajos. Este problema de acoplamiento de secciones diferentes entre s, se denomina un problema de interface, y los circuitos que hacen posible este acoplamiento, se denominan circuitos de interface. El transistor como interruptor es de uso frecuente en este tipo de circuitos. Una aplicacin del transistor como interruptor, es su uso como activador de un rel. La figura 28 muestra esta aplicacin y podemos decir que es un mtodo sencillo y barato para acoplar las secciones lgica y de salida. Una seal de bajo voltaje proveniente de una parte del circuito lgico, entrega la corriente de base necesaria al transistor como interruptor, el cual al entrar en CONDUCCION, energiza la bobina del rel. El contacto del rel, el cual est aislado elctricamente del circuito lgico, aplicar el alto voltaje al dispositivo de salida, como por ejemplo, el solenoide de una electrovlvula como se muestra en la figura 28.

FIGURA 24

El diodo en paralelo con la bobina del rel es un diodo rueda libre o diodo contraelectromotriz. Su funcin es la de cortocircuitar la fuerza contra-electromotriz inducida en la bobina en el instante de su activacin. Si el diodo no existiese, la fuerza contra-electromotriz, se presentara como un transitorio de alto voltaje, el cual puede daar el transistor. Para interfazar las secciones de entrada y lgica, el transistor como interruptor puede usarse como se muestra en la figura 29 cuando el interruptor de fin de carrera se cierra, el transformador reductor se energiza, y hace que el rectificador de onda completa entregue corriente directa a la base del transistor. El transistor entra en CONDUCCIN y su voltaje de colector cae a cero. Esta seal de 0 es interpretada por el circuito lgico como el cierre del interruptor de fin de carrera.

FIGURA 25 Si el interruptor de fin de carrera se abre, el transformador se desenergiza, el transistor entra en CORTE, y el voltaje del colector ser Vcc. El circuito lgico ha sido diseado para interpretar esta seal de voltaje Vcc correspondiendo al interruptor de fin de carrera abierto.

CDIGOS DE LOS TRANSISTORES Normalmente cuando se tiene un transistor marcado no se sabe de qu tipo es. Un rpido consejo es mirar siempre por nmeros conocidos (ej. 723, 6502, etc.) entre el sufijo y el prefijo, y tener cuidado con no confundirlo con la fecha. Joint Electron Device Engineering Council (Jedec) Estos toman la forma: Dgito, letra, nmero de serie, [sufijo] donde la letra es siempre 'N' El primer dgito es siempre una unidad menor que el nmero de pines, (2 para transistores), excepto para 4N y 5N que estn reservados para optoacopladores. El primer nmero 2 de algunas referencias, indican la cantidad de junturas de material tipo N y P del dispositivo, entonces una referencia que comience con el 1 tratara de un elemento con una sola juntura como el caso de los diodos. El nmero de serie se sita entre el 100 y el 9999 y no dice nada sobre el transistor, salvo su fecha aproximada de introduccin. El [sufijo] opcional indica la ganancia (hfe) genrica del dispositivo: A = ganancia baja B = ganancia media C = ganancia alta Sin sufijo = cualquier ganancia En las hojas de caractersticas del dispositivo se puede saber la ganancia exacta del dispositivo. La razn para agrupar la ganancia de forma genrica es que los dispositivos de baja ganancia son bastante ms baratos que los de alta ganancia, lo que se traduce en un ahorro para un gran nmero de usuarios. Ejemplos: 2N3819, 2N2221A, 2N904. Japanese Industrial Standard (JIS) Toman la forma: Dgito, dos letras, nmero de serie, [sufijo] Nuevamente, el dgito es una unidad menor que el nmero de pines.

Las letras indican el rea de aplicacin y tipo de dispositivo segn el siguiente cdigo: SA: SC: SE: SG: SJ: SM: SR: ST: SZ: Transistor PNP HF Transistor NPN HF Diodos Dispositivos de disparo FET/MOSFET de canal-p Triac SQ: Rectificadores Diodos avalancha Diodos zener SB: SD: SF: SH: SK: LED SS: SV: Transistor PNP AF Transistor NPN AF Tiristores UJT N-channel FET/MOSFET Diodos de seal Varicaps

El nmero de serie vara entre 10 y 9999. El [sufijo] opcional indica que dicho tipo est aprobado para el empleo por varias organizaciones japonesas. NOTA: Desde que el cdigo de los transistores siempre comienza por 2S, este es siempre omitido (en la mayora de los casos), por ejemplo: un 2SC733 puede estar marcado como C 733. Ejemplos: 2SA1187, 2SB646, 2SC733. Pro-electron Toman la forma: Dos letras, [letra], nmero de serie, [sufijo] La primera letra indica el material: A = Ge B = Si C = GaAs R = mezcla de materiales. No es necesario decir que la gran mayora de los transistores comienzan por B. La segunda letra indica la aplicacin del dispositivo: A: Diodo RF B: Variac C: transistor, AF, pequea seal D: transistor, AF, potencia E: Diodo tunel

F: transistor, HF, pequea seal K: Dispositivo de efecto Hall L: Transistor, HF, potencia N: Optoacoplador P: Dispositivo sensible a la radiacin Q: Dispositivo productor de radiacin R: Tiristor, baja potencia T: Tiristor, potencia U: Transistor, potencia, conmutacin Y: Rectificador Z: Zener, o diodo regulador de tensin La tercera letra indica que el dispositivo est pensado para aplicaciones industriales o profesionales, ms que para uso comercial. Suele ser una W, X, Y o Z. El nmero de serie vara entre 100 y 9999. El sufijo indica la ganancia genrica en grupo, como en los JEDEC. Ejemplos: BC108A, BAW68, BF239, BFY51. Otros Aparte de los tres tipos anteriores los fabricantes casi siempre introducen sus propios tipos, por razones comerciales (ej. para poner su nombre en el cdigo) o para enfatizar que el rango pertenece a una aplicacin especializada. Los prefijos ms comunes son: MJ: MJE: MPS: MRF: RCA: RCS: TIP: TIPL: TIS: ZT: ZTX: Motorolla potencia, cpsula de metal Motorolla potencia, cpsula de plstico Motorolla baja potencia, cpsula de plstico Motorolla HF, VHF y transistores microondas RCA RCS Texas Instruments transistor de potencia (capsula de plstico) TI transistor de potencia plano TI transistor de pequea seal (capsula de plstico) Ferranti Ferranti

Ejemplos: ZTX302, TIP31A, MJE3055, TIS43.

Muchos fabricantes tambin producen series a medida para un gran volumen destinado a determinados clientes. Estas series estn optimizadas para ser empleadas en una determinada parte de un circuito concreto. Normalmente llevan puesto la seal del productor y un nmero irreconocible.

A veces cuando una compaa quiebra o termina la produccin se libra de estos transistores, los cuales acaban en packs de oferta para aficionados. No hay forma de reconocer estos dispositivos, as que solo son utilizables como conductores de LED, buffers, etc, donde el parmetro actual no es importante. Una vez identificado el componente hay que acceder a la hoja de caractersticas o libro de equivalencias

FENMENOS TRMICOS EN POTENCIA El estudio trmico de los dispositivos de potencia es fundamental para un rendimiento ptimo de los mismos. Esto es debido a que en todo semiconductor, el flujo de la corriente elctrica produce una prdida de energa que se transforma en calor. El calor produce un incremento de la temperatura del dispositivo. Si este incremento es excesivo e incontrolado, inicialmente provocar una reduccin de la vida til del elemento y en el peor de los casos lo destruir. En Electrnica de Potencia la REFRIGERACIN juega un papel muy importante en la optimizacin del funcionamiento y vida til del semiconductor de potencia. Propagacin del calor. En todo semiconductor el flujo de la corriente elctrica produce una prdida de energa que se transforma en calor. Esto es debido al movimiento desordenado en la estructura interna de la unin. El calor eleva la energa cintica de las molculas dando lugar a un aumento de temperatura en el dispositivo; si este aumento es excesivo e incontrolado provoca una reduccin de la vida til del dispositivo y en el peor de los casos su destruccin. La capacidad de evacuacin del calor al medio ambiente podr variar segn el tipo de cpsula pero en cualquier caso ser demasiado pequea, por lo que necesita una ayuda adicional para transferir el calor disipado mediante un dispositivo de mayor volumen y superficie conocido como disipador de calor, el cual hace de puente para evacuar el calor de la cpsula al medio ambiente.

Formas de transmisin del calor. La experiencia demuestra que el calor producido por un foco calorfico se propaga por todo el espacio que lo rodea. Esta transmisin del calor puede producirse de tres formas: 1.- Conduccin. Es el principal medio de transferencia de calor. Se realiza por la transferencia de energa cintica entre molculas, es decir, se transmite por el interior del cuerpo establecindose una circulacin de calor. La mxima cantidad de calor que atraviesa dicho cuerpo es aquella para la cual se consigue una temperatura estable en todos los puntos del cuerpo. En este tipo de transmisin se debe tener en cuenta la conductividad trmica de las sustancias (cantidad de calor transmitido por unidad de tiempo, superficie, gradiente de temperatura). 2.- Conveccin. El calor de un slido se transmite mediante la circulacin de un fluido que le rodea y este lo transporta a otro lugar, a este proceso se le llama conveccin natural. Si la circulacin del fluido est provocada por un medio externo se denomina conveccin forzada. 3.- Radiacin. El calor se transfiere mediante emisiones electromagnticas que son irradiadas por cualquier cuerpo cuya temperatura sea mayor a -273,15 grados Celsius. El estado de la superficie influye en gran medida en la cantidad de calor radiado. Las superficies mates son ms favorables que las pulidas y los cuerpos negros son los de mayor poder de radiacin, por este motivo se efecta un ennegrecimiento de la superficie radiante. La transferencia de calor por radiacin no se tiene en cuenta puesto que a las temperaturas a que se trabaja sta es despreciable. Para que un semiconductor disipe la potencia adecuada, hay que mantener la temperatura de la unin por debajo del mximo indicado por el fabricante. Si se quiere mantener la temperatura en un nivel seguro, se debe evacuar al exterior la energa calorfica generada. La resistencia trmica entre el semiconductor y el disipador depende del sistema de fijacin del disipador y el componente, y del estado del plano y paralelismo de las superficies de contacto, puesto que a nivel microscpico, solo contactan por unos puntos, quedando huecos de aire que entorpecen la transmisin del calor. Tambin depende del tipo de material que se interponga entre ambas superficies de contacto. Los elementos que se sitan entre la cpsula y el disipador pueden ser de dos tipos: a. Pastas conductoras de calor, que pueden ser o no ser conductoras de la electricidad.

b. Lminas aislantes elctricas que se pueden emplear conjuntamente con siliconas conductoras de calor como mica, kelafilm, etc. Tambin las hay conductoras de calor que no precisan pasta de silicona. El tipo de contacto entre cpsula y disipador podr ser:

Directo. Directo ms pasta de silicona. Directo ms mica aislante. Directo ms mica aislante ms pasta de silicona.

El valor de esta resistencia trmica influye notablemente en el clculo de la superficie y longitud que debe disponer la aleta que se aplica al dispositivo a refrigerar. En las caractersticas tcnicas dadas por el fabricante se pueden presentar malas interpretaciones puede tomar su valor como la temperatura del medio ambiente cuando en realidad es la temperatura existente en el entorno donde est ubicado el disipador. El tema de los disipadores nos podra llevar a un largo estudio, ya que para la aplicacin adecuada de ellos hay un procedimiento tcnico muy detallado y lago, por lo tanto nos dedicaremos a conocer algo mas de los dispositivos de potencia. Pero recuerden siempre que cuando se trata de dispositivos de potencia no podemos olvidar los efectos del incremento de temperatura. A parte de los fenmenos trmicos anteriores, al momento de trabajar con dispositivos semiconductores de potencia, es indispensable tener en cuenta las caractersticas elctricas de funcionamiento, esto con el fin de maximizar la eficiencia de trabajo y obtener los mejores resultados de operacin sin sacrificar el estado de los componentes. A continuacin encontraremos algunas especificaciones y parmetros bsicos a tener en cuenta cuando vamos a instalar un semiconductor dentro de un circuito especfico.

SCR (Rectificador controlado de silicio) En la industria hay numerosas operaciones, las cuales requieren que se entregue una cantidad de potencia elctrica variable y controlada. La iluminacin, el control de velocidad de un motor, la soldadura elctrica y el calentamiento elctrico, son las cuatro operaciones ms comunes. Siempre es posible controlar la cantidad de potencia elctrica que se entrega a una carga si se utiliza un transformador variable para proporcionar un voltaje de salida variable. Sin embargo, para grandes potencias, los transformadores variables son fsicamente g