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Índice
1.- Objetivo 5
2.- Base Teórica 5
2.1.- Fundamentos físicos 5
2.2.- Efectos fisiológicos de las corrientes eléctricas 13
2.2.1.- Interacción de la radiación con la célula 10
2.2.3.- Efectos de la corriente eléctrica 15
2.2.4.- Consecuencias producidas con CA y CD 18
2.2.5.- Macroshock y Microshock 20
2.2.6.- Radio cirugía 23
2.3.- Teoría de transistores (bjt) 28
2.3.1.- Zonas de operación de un transistor 30
2.3.1.1.- Región de directa 31
2.3.1.2.- Región de corte 32
2.3.1.3.- Región de saturación 33
2.3.1.4.- Región de ruptura 34
2.3.2.- Concepto de punto de trabajo y recta de carga estática 35
2.3.3.- Potencia de disipación estática máxima (PCMAX) 37
2.4.- Transistores de efecto de campo FET 37
2.4.1.- Ventajas y desventajas del FET 38
3
2.4.2.- Características eléctricas del JFET 39
2.4.3.- Polarización de un JFET 39
2.4.3.1.- Región de corte 40
2.4.3.2.- Región lineal 41
2.4.3.3.- Región de saturación 41
2.4.3.4.- La región de ruptura 41
2.4.3.5.- Representación grafica del punto de polarización 42
2.5.- Transistores MOSFET 43
2.5.1.- Regiones de operación de Mosfet 43
2.5.1.1.- Región de corte 44
2.5.1.2.- Región lineal 44
2.5.1.3.- Región de saturación 44
2.5.1.4.- Región de ruptura 45
2.6.- Transistores de alta frecuencia rf, hf, vhr. 45
3.- Transistores a emplear 47
3.1.- Transistor MRF448 47
3.2.- Transistor BLW96 49
3.3.- Transistor MRF429 51
3.4.- Transistor SD1726 (THA15) 54
4
3.5.- Transistor MOS BLF177 56
4.- Circuitos empleados (BJT) 58
4.1.- Transistor BLW96 58
4.1.1.- Resultados obtenidos 59
4.2.- Circuito a emplear transistor MRF448 68
4.2.1.- Resultados obtenidos 69
4.3.- Transistor MRF429 76
4.3.1.- Circuito a emplear transistor MRF429 76
4.4.- Transistor SD1726 81
4.4.1.- Circuito a emplear con el transistor SD1726 81
4.5. Transistor BLF177 86
4.5.1.- Circuito a emplear con el transistor BLF177 86
5.- Conclusiones 91
6.- Bibliografía
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1.- Objetivo
Se realizaran pruebas de laboratorio para obtener las curvas
características de los transistores de alta potencia y alta frecuencia
para ser utilizados en circuitos de radiocirugía de 4 MHz, así como
pruebas en un sistema de electrocirugía y radiocirugía.
Se realizaran las pruebas para obtener sus curvas características de
los transistores MRF 429, MRF 422 y el MOSFET de potencia BLF177
a 4 MHz, esta es la frecuencia de operación de lo equipos de
radiocirugía
2.-Base teórica.
2.1.-Fundamentos físicos
La materia está formada por átomos los cuales a su vez están
formados por protones y electrones. Los protones se encuentran en el
núcleo central de el átomo y los electrones se encuentran colocados
en orbitas alrededor del núcleo.
Los protones son partículas grandes, su masa es alrededor de 1800
veces la masa del electrón, al protón se le asigna una carga eléctrica
positiva, mientras que al electrón se considera una carga eléctrica
negativa, sin embargo la magnitud de la carga eléctrica del protón es
igual al electrón.
Algunos átomos tienen núcleos con exceso de energía. Dichos átomos
existen en un estado de excitación anormal, caracterizado por un
núcleo inestable. Para alcanzar la estabilidad el núcleo emite de forma
6
espontánea partículas y energía, transformándose en otro átomo.
Este proceso se denomina desintegración radioactiva.
Los átomos correspondientes se conocen como radionúclidos.
Fig. 2.1. Modelo atómico clásico
Son muchos los factores que afectan la estabilidad nuclear. El más
importante probablemente sea el número de electrones. Cuando un
núcleo tiene un exceso o defecto de neutrones, experimenta
desintegración nuclear a fin de conseguir un número de protones y
neutrones que le permitan la estabilidad. A demás de isotopos
estables, muchos elementos tienen isotopos radioactivos o
radioisótopos. Estos se pueden producir en forma artificial en
reactores nucleares o acelerador de partículas.
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Cuando por algún mecanismo logramos sacar un electrón de una de
las orbitas del átomo, se tienen dos partículas un electrón con carga
eléctrica negativa y un átomo con carga eléctrica positiva, a estas dos
partículas se las da el nombre de iones y el proceso de separarlas se
conoce como ionización.
Fig. 2.2 . Modelo atómico señalando la fuerza de atracción al núcleo
Los electrones se encuentran ligados en sus orbitas por la fuerza de
atracción que el núcleo ejerce sobre los electrones, por lo que para
producir una ionización se requiere de cierta energía externa estos
pueden ser fotones.
Las capas orbitales de electrones se designan con las letras K,L,N…
para representar las energías relativas de ligadura de los electrones
desde los mas cercanos al núcleo hasta los mas alejados del mismo,
8
respectivamente. Mientras mas cerca este el electrón de el núcleo,
mayor es su energía de enlace y por lo tanto mayor energía se
requiere para sacarlo.
Fig. 2.3. Un electrón es mostrado en el estado de energía más bajo.
Cuando por algún proceso un electrón de las capas o niveles
inferiores es sacado, su lugar es ocupado por un electrón de las capas
superiores, la diferencia entre la energía de amarre correspondiente a
la capa de hueco presente y la energía de amarre de la capa de donde
proviene el electrón que la va a ocupar, es emitida en forma de
radiación electromagnética, conocida como radiación característica,
cuya energía depende como ya se menciono, exclusivamente de la
diferencia entre ambos niveles de energía y por lo tanto del átomo.
Fig. 2.4. Radiación característica
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Fig. 2.5. Radiación característica por medio de diferencia de potencial
Para medir la energía se utiliza una unidad conocida como electrón -
volt (eV) y es la energía que adquiere un electrón cuando es acelerado
por una diferencia de potencial de 1volt
Radiación es la forma de energía que se propaga en el espacio en la
misma forma que la luz, o las ondas de radio o tv.
Muchas de las propiedades de la radiación electromagnética se
describen adecuadamente con un modelo clásico de onda sinusoidal,
que utiliza parámetros como longitud de onda, frecuencia, velocidad y
amplitud. A diferencia de otros fenómenos como el sonido, la radiación
electromagnética no necesita un medio de apoyo para transmitirse y,
por tanto se propaga fácilmente a través del vació.
La radiación electromagnética se contempla como un flujo de
partículas discretas o paquetes ondulatorios de energía denominados
fotones, en los que la energía de un fotón es proporcional a la
frecuencia de la radiación.
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El espectro electromagnético abarca un intervalo enorme de
longitudes de onda y de frecuencias, de hecho, el intervalo es tan
grande que se necesita una escala logarítmica. Las divisiones de las
regiones espectrales son función de los métodos que se precisan para
generar y detectar las diversas clases de radiación. Cabe señalar que
la porción visible del espectro percibida por el ojo humano es muy
pequeña si se compara con otras regiones espectrales.
La radiación electromagnética se representa adecuadamente como un
campo eléctrico y otro magnético que están en fase, con oscilaciones
sinusoidales en ángulo recto de uno respecto a otro y respecto a la
dirección de propagación
.
Fig. 2.6. Calculo de frecuencia de ondas características.
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La frecuencia de un haz de radiación viene determinada por la fuente y
permanece invariable, Por el contrario, la velocidad de la radiación
depende de la composición de medio que atraviesa por lo que la
longitud de onda también depende del medio.
La velocidad de propagación se define por: vi= vi Ec.1
En el vacío, la velocidad de la radiación es independiente de la
longitud de onda y alcanza su valor máximo. Esta velocidad esta
determinada en c=299,792x108 m/s. La velocidad de la radiación en el
aire solo difiere un poco (0.03%), por lo que tanto para el aire, como
para el vacío, la velocidad de propagación puede escribirse como:
C= v = 3.00 x 108 m/s Ec.2
En cualquier medio material la propagación de la radiación disminuye
a causa de la interacción entre el campo electromagnético de la
radiación y los electrones de los átomos o moléculas presentes. Ya
que la frecuencia radiante permanece invariante y viene fijada por la
fuente, la longitud de onda debe disminuir cuando la radiación pasa
del vacío a algún otro medio.
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La potencia P de la radiación es la energía del haz que llega a un área
dada por segundo, mientras que la intensidad I es la potencia por
unidad de ángulo sólido. Estas cantidades se relacionan con el
cuadrado de la amplitud A. aunque rigurosamente no es correcto,
potencia e intensidad se usan a menudo como sinónimos.
Experimentalmente se observa que la velocidad a la que se propaga la
radiación a través de una sustancia transparente es menor que su
velocidad en el vacío y depende de los tipos y concentraciones de los
átomos, iones o moléculas del medio.
El índice de refracción de un medio es una medida de su interacción
con la radiación y se define como
Ni = c / vi Ec. 3.
La radiación ordinaria puede considerarse como un haz de ondas
electromagnéticas en el que las vibraciones se distribuyen por igual
entre una serie infinita de planos centrados a lo largo de la trayectoria
del haz. Visto de frente, un haz de radiación monocromática puede
visualizarse como un conjunto infinito de vectores eléctricos cuya
longitud fluctúa desde cero hasta la máxima amplitud fig.7. a).
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Fig. 2.7. La onda electromagnética y su dirección de propagación.
La radiación electromagnética polarizada en un plano se produce en
ciertas fuentes de energía radiante. Por ejemplo, tanto las ondas de
radio procedentes de una antena como las microondas producidas por
un tubo Klistron están polarizadas en un plano fig.7.b).
2.2-Efectos fisiológicos de las corrientes eléctricas
Todos los organismos vivos están constituidos por células.
Fig. 2.8. Estructura celular
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Dicho de una manera simple el citoplasma es el lugar donde se
realizan todas las funciones metabólicas en la célula, incluyendo la
síntesis de los compuestos orgánicos para suministrar energía y otros
requisitos necesarios para la vida, mientras que el nucleó contiene
toda la información que necesita la célula para realizar sus funciones
y reproducirse. El citoplasma procesa la comida y la transforma en
energía.
2.2.1.- Interacción de la radiación con la célula
Los efectos biológicos de las radiaciones ionizantes representan el
esfuerzo de los seres vivos para asimilar la energía que han absorbido
como consecuencia de la interacción con alguna radiación ionizante.
Cuando la radiación ionizante interacciona con una célula se producen
ionizaciones y excitaciones ya sea en las macromoléculas biológicas o
bien en el medio en el que están suspendidos los orgánulos celulares.
La radiación en la célula se puede clasificar en directa e indirecta.
Fig. 2.9. Radiación ionizante directa e indirecta
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La acción directa ocurre cuando una partícula ionizante interacciona y
es absorbida por una molécula biológica como el DNA, el RNA, las
proteínas, las enzimas o cualquier otra macromolécula de la célula el
daño se produce por absorción directa de energía.
La acción indirecta implica la absorción de radiación ionizante por el
medio en que están suspendidas las moléculas. (H2O).
La principal diferencia entre la radiación nuclear y la radiación mas
común encontrada como el calor y la luz es que la primera tiene
suficiente energía como para causar ionización. En agua de la cual
las células están compuestas en gran parte, la ionización puede
causar cambios moleculares.
2.2.3.-Efectos de la corriente eléctrica
De acuerdo a la ley de Ohm. Si se considera al cuerpo humano como
una resistencia eléctrica. La intensidad de la corriente que recibe por
efecto de shock eléctrico dependerá d la tensión de contacto y de la
impedancia (Z) que encuentra la corriente durante su trayectoria a
través del cuerpo.
Ec. 4
Las corrientes eléctricas y las diferencias de potencial desempeñan un
papel vital en el sistema nervioso. La conducción de los impulsos
nerviosos es fundamentalmente un proceso eléctrico, aunque el
mecanismo de conducción es mucho más complejo que en las
sustancias sencillas tales como los metales.
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A esta naturaleza de la transmisión del impulso se debe la gran
sensibilidad del organismo a las corrientes eléctricas exteriores.
Tenemos estimulaciones eléctricas externas, estas estimulaciones
cambian sus efectos en los tejidos de acuerdo a los niveles que se
utilicen en los parámetros usados como son voltaje, intensidad de
corriente, tiempo de exposición, tensión, resistencia del cuerpo entre
los puntos de contacto, recorrido de la corriente por el cuerpo,
condiciones fisiológicas del individuo y frecuencia de la corriente.
Fig. 2.10. Estimulación eléctrica al nervio de una rana
Para que ocurra algún fenómeno el cuerpo debe formar parte de un
circuito. La cantidad de corriente que pasa entre la entrada y la salida
es igual al voltaje aplicado, dividido entre la impedancia conjunta del
cuerpo y la interface del área de contacto con la fuente.
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Como ya se menciono el efecto que produce la corriente, depende de
diversos factores como si es corriente alterna o directa
Una razón de por qué no se usa la corriente continúa a pesar de ser
más segura, es que la corriente alterna presente infinidad de ventajas
respecto a la corriente continua.
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2.2.4.- Las consecuencias producidas con CA y CD
En los siguientes gráficos se pueden apreciar las cuatro zonas
representadas en función del tiempo y la intensidad y se pueden ver,
con cierta claridad, las consecuencias que pueden producir ambas
corrientes en el organismo, las cuales varían notablemente bien
estemos tratando con corriente alterna o continúa.
Fig. 2.11. Comparativo de umbrales de percepción de CD Y CA
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Podemos observar que en el gráfico de corriente continua no aparece
representada la zona 4. Esto no quiere decir que en este tipo de
corriente no exista en esta zona es simplemente que su omisión se
debe a que los valores que delimitan a la corriente continua no
aparecen en el presente gráfico; el cual tiene un comparativo más fino
que cualquier otra índole
Tabla . 2.1. Efectos fisiológicos de la corriente eléctrica
Como norma general hay que destacar que, cuanto mayor es la
frecuencia de la señal eléctrica menor es el daño producido al
organismo.
La frecuencia de suministro de la Red Eléctrica ronda los 50-60Hz. Si
atendemos a lo expuesto en el anterior párrafo, las frecuencias
mayores serán bastante más seguras, estas frecuencias son utilizadas
EFECTOS FISIOLOGICOS DE LA CORRIENTE ALECTRICA
ma EFECTO CONSRCUENCIAS
0 a 1 Imperceptible no se siente el paso de la corriente
1 a 3 Percepción El paso de la corriente produce cosquilleo
3 a 10 Electrización El paso de la corriente produce movimientos reflejo
10 Tetanazación El paso de la corriente provoca contracciones musculares
15 A 24 Límite de tolerancia Contracción de brazos, Dificultad de respiración.
25 Paro respiratorio Irregularidades cardiacas
25 a 30 Asfixia La tetanizacion afecta músculos del tórax
50 a 200 fibrilación ventricular colapso respiratorio ,contracciones musculares severas
200 a mas fibrilación ventricular Paro cardiaco y muerte
Amperes
1 a 4 Quemaduras contracciones musculares y daño a los nervios
10 Colapso cardiaco quemaduras severas probable muerte
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en aparatos relacionados con la medicina. La razón por la que no se
usan este tipo de frecuencias en el uso cotidiano, es el elevado coste
de los aparatos que utilizan frecuencias superiores a los 60Hz, lo que
les convierte en muy impopulares.
2.2.5.-Macroshock y Microshock
Microshock
Una corriente tan baja como 10 μA ( microamperios ) directamente a
través del corazón , puede enviar a un paciente directamente
en fibrilación ventricular . Por supuesto, el resultado exacto depende
de la duración de la corriente, la posición exacta del contacto, la
frecuencia de oscilación de corriente, y otros factores.
Podemos referirnos a un microshock en los casos que se tene un
catéter conectado al corazón, una pequeña corriente puede ocasionar
grandes daños al paciente e incluso la muerte (figura. a). Diversos
experimentos muestran que el rango de corrientes que producen
fibrilación en casos de microshock es de 80 a 600 mA
Macroshock
Los macroshock son producidos por la circulacion de corrientes
relativamente grandes a través de la superficie corporal, pueden
ocurrir por ejemplo, si se tocan los cables de potencia del equipo.
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Las quemaduras eléctricas, espasmos musculares, parálisis,
problemas respiratorios, cese del ritmo cardiaco, fibrilación ventricular
pueden ser asociadas al macroshock. (figura b).
Fig. 2.12. Ejemplo grafico de macroshock y microshock
Recordando que las corrientes del orden de 0.1 amp, muy
pequeñas para generar calentamientos importantes, interfieren con
procesos nerviosos esenciales para funciones vitales tales como el
latido cardiaco. Corrientes más pequeñas, del orden de 0.01 amp,
producen acciones convulsivas en los músculos y mucho dolor. Con
0.02 amp, por ejemplo, una persona no podría soltar un conductor y
llegaría al shock. Vemos que grandes corrientes, pero también
algunas tan pequeñas como 0.001 amp, pueden producir fibrilación
ventricular.
Definiendo fibrilación ventricular como estimulación en distintos
puntos y no hay una coordinación síncrona existente. Existe una
asíncrona y no hay Oxigenación por lo tanto no hay bombeo de
sangre.
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Fig. 2.13. Descripción de fibrilación auricular.
Aquí se ve la importancia de disponer, de una instalación
eléctrica segura y fiable que tenga incorporadas las medidas de
seguridad más adecuadas para esta especialidad. Los efectos de la
corriente sobre las personas, es casi independiente de la frecuencia,
hasta unos 1.000 ciclos/ s, no importando si esta es continua o alterna.
Por debajo de este valor aparecen fenómenos térmicos, farádicos y
electrolíticos, principalmente. Para frecuencias por encima de las 350
KHz, las corrientes no interfieren apreciablemente con los procesos
nerviosos y sólo producen calor.
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2.2.6.- Radio cirugía
Podemos entender así, cómo y por qué, las corrientes elegidas
para la electro cirugía, se desarrollan en frecuencias, por encima de
los 500 KHz (0.5 MHz). A estas frecuencias la conducción eléctrica y
la absorción orgánica de las ondas se hace más compleja. A medida
que la frecuencia aumenta, la energía, como vimos, tiende a ser
radiada. Aparecen pues dos mecanismos de producción de calor: por
efecto Joule, debido a la resistencia eléctrica, y por absorción de
radiación electromagnética, debido a las estructuras moleculares. Un
efecto y otro tomarán más relevancia a medida que vayamos
aumentando la pulsación. En electro cirugía se hacen presentes los
dos mecanismos a frecuencias hasta 1 MHz. Para frecuencias entre 1
MHz y 3 MHz de ciclos, es dominante la radiación electromagnética.
En la Radio cirugía, de 3.5 MHz a 4 MHz, sólo la componente
radiada tiene entidad. Hablamos entonces de radioemisión. Visto todo
lo anterior no es difícil deducir que si hacemos circular una corriente
de gran frecuencia entre dos electrodos de, por ejemplo 100 cm2 y
colocados en buen contacto con la piel, y le damos la amplitud
suficiente, se producirá una cierta cantidad de calor en la parte del
organismo situada entre los mismos, debido a los efectos comentados.
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Supongamos que medimos la potencia eléctrica entregada,
resultando ser de 80 watt (para hacerse una idea, una persona en
reposo emite unos 80 watt de potencia). Recordemos que potencia es
la velocidad a la que se desarrolla la energía.
Fig. 2.14. Placas de 100 cm no provocarán un aumento importante de temperatura
entre ellas.
Si observamos una de las placas, en ella se estarán transfiriendo
80/100=0.8 watt/cm2 como se nota en la figura Esta densidad de
energía, no es suficiente para comprometer los tejidos vivos pero si
disminuimos la superficie de contacto a 1 mm2, por ejemplo, la
densidad de energía subirá a 80/0.1=800 watt/cm2, que si es una
cantidad importante.
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Sabemos que el calor latente de evaporación del agua, a la
temperatura corporal, es de 2415 julios por cada gramo de la misma.
La concentración energética en una superficie de contacto pequeña,
incrementa considerablemente la temperatura. Si hacemos números,
vemos que si mantenemos el contacto permanentemente, tenemos
energía para volatilizar 0.5 gramos de agua por segundo de los tejidos
en contacto.
Esto nos da idea de lo que ocurre en el corte electro quirúrgico:
Evaporamos el agua de los tejidos y sustancias en contacto, con tanta
violencia que, literalmente, las células explotan. Además, la
temperatura de contacto y el vapor sobrecalentado producido,
aseguran la esterilización del corte. Estaríamos ante, lo que en electro
cirugía se llama, corte puro. Para obtener técnicamente estas
condiciones, utilizaremos electrodos de contacto lo más cortantes y
delgados posible; debemos de generar una onda senoidal de alta
frecuencia, por encima de 350 KHz, llamada portadora, con una
amplitud suficiente (alrededor de 1.000 Vpp) para suministrar la
energía que necesitamos. A esta onda se la sigue llamando en los
modernos equipos: onda totalmente filtrada.
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Si el efecto que queremos obtener es el de coagular los tejidos en
contacto, debemos de rebajar el calor transmitido a los tejidos con el
fin de que tan sólo hiervan en sus propios líquidos y formen coágulo
rápidamente. Utilizaremos, para dispersar la energía, electrodos de
gran superficie de contacto (bolas y cilindros) y maniobraremos con
ligeros toques sobre los tejidos. Si a la onda generada para el corte
puro se la modula con una semionda parcial senoidal, aumentando
ligeramente la amplitud, obtendremos los efectos deseados generando
el efecto de coagulación. A esta onda se le llama parcialmente
rectificada.
Si deseamos obtener efectos intermedios entre el corte y la
coagulación buscaremos una modulación que no rebaje tanto el calor
transmitido. Conseguimos así una hemostasia en el corte muy
importante. La onda, la modularemos con una semionda completa
senoidal, manteniendo los mismos parámetros que en el caso anterior.
Creando un corte combinado o corte con coagulación y a esta onda
se le conoce como completamente rectificada.
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Si lo que pretendemos es la destrucción superficial de tejidos por
deshidratación, también llamado desecación, podemos generar una
modulación por onda amortiguada y gran amplitud, mas de 2,500 volt,
capaz de ionizar el aire y, por tanto, de crear arcos eléctricos entre el
electrodo y los tejidos. Este se aproximara a la zona a tratar y sin
llegar a tocarla; se deberá evitar contacto prolongado para evitar crear
agujeros en los tejidos. También podríamos obtener estos arcos de un
generador eléctrico de chispas. Con esto generamos lo que en electro
cirugía se llama fulguración.
Fig. 2.15. Graficas de las distintas corrientes empleadas en electro cirugía.
La electrodesecación se pude obtener, usando electrodos apropiados,
y en los modos de coagulación, eligiendo una potencia adecuada. Los
aparatos que incluyen salida micro bipolar pueden realizar
desecaciones sin chispas, lo que es ideal para ciertas aplicaciones.
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2.3.-Teoría de transistores
El transistor es un dispositivo que ha originado una evolución en el
campo electrónico. En este tema se introducen las principales
características básicas del transistor bipolar y FET y se estudian los
modelos básicos de estos dispositivos y su utilización en el análisis los
circuitos de polarización. Polarizar un transistor es una condición
previa a muchas aplicaciones lineales y no-lineales ya que establece
las corrientes y tensiones en continua que van a circular por el
dispositivo.
Fig. 2.16.-Símbolos y sentidos de referencia para un transistor bipolar a) NPN y b)
PNP.
Las corrientes en un transistor de unión o BJT Un transistor bipolar de
unión está formado por dos uniones pn en contraposición.
Físicamente, el transistor está constituido por tres regiones
semiconductoras -emisor, base y colector- siendo la región de base
muy delgada (< 1µm). El modo normal de hacer operar a un transistor
es en la zona directa. En esta zona, los sentidos de las corrientes y
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tensiones en los terminales del transistor se muestran en la figura
1.1.a para un transistor NPN y en la figura 1.1.b a un PNP.
Ebers y Moll desarrollaron un modelo que relacionaba las corrientes
con las tensiones en los terminales del transistor. Este modelo,
conocido como modelo de Ebers-Moll, establece las siguientes
ecuaciones.
Donde IES y ICS representan las corrientes de saturación para las
uniones emisor y colector, respectivamente, α F el factor de defecto y
α R la fracción de inyección de portadores minoritarios. En un
transistor bipolar PNP, las ecuaciones de Ebers-Moll son:
Para un transistor ideal, los anteriores cuatro parámetros están
relacionados mediante el teorema de reciprocidad.
30
Valores típicos de estos parámetros son: α F =0.99, α R=0.66, IES=10-
15A y ICS=10-15A .
2.3.1.-Zonas de operación de un transistor
En general, los transistores bipolares de circuitos analógicos lineales
están operando en la región activa directa. En esta región existe
cuatro zonas de operación definidas por el estado de las uniones del
transistor saturación, lineal, corte y ruptura.
Fig. 2.17. Zonas de operación del transistor
A continuación se describe las características del transistor en estos
modos de operación considerando el transistor NPN únicamente;
similar resultado puede ser aplicado a transistores PNP.
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Tabla. 2. 2. Principales modos de operación de un transistor bipolar.
2.3.1.1.- Región directa.
La unión emisor-base está directamente polarizada y la unión base-
colector inversamente polarizada; la VBE está comprendida entre 0.4
V y 0.8 V (valor típico de 0.7 V) y la VBC > 100mV. En estas
condiciones, las ecuaciones de Ebers-Moll se pueden aproximar a
Operando con estas ecuaciones, se obtiene una relación entre ambas
intensidades de forma que
donde siendo
Es la ganancia en corriente en continua del transistor que en las
hojas de características del fabricante se representa por hFE. Este
parámetro es muy importante en un transistor de unión y define la
relación entre las corrientes de colector y base.
Al ser ICO una corriente muy baja, el segundo término de la ecuación
puede ser despreciado frente al primero. Como resultado, se obtiene
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una relación muy utilizada para analizar transistores que operen en
esta región
La ecuación indica que en la región activa lineal la relación entre las
corrientes de colector y base es constante. Sin embargo, en la práctica
la hFE de los transistores varía hasta en un 500% debido
principalmente a tres factores:
1) Proceso de fabricación. Los transistores sufren variaciones en el
proceso de fabricación que modifican sus características.
2) Corriente de colector. La hFE varía también con la corriente de
colector. El fabricante proporciona curvas de características que
permiten obtener la hFE para diferentes IC.
3) Temperatura. La dependencia de la hF E con la temperatura
2.3.1.2.- Región de corte
En la región de corte las uniones de emisor y colector están
polarizadas en inversa;
la VBE y la VBC tienen tensiones inferiores a 100mV. En estas
condiciones, las ecuaciones de Ebers-Moll pueden ser simplificadas
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Estas corrientes son extremadamente bajas y pueden ser
despreciadas; a efectos prácticos se puede considerar al transistor
como si no existiese. Sin embargo, en muchos circuitos resulta
interesante establecer cuando se dan las condiciones de conducción
de un transistor, es decir, fijar la frontera entre la región de corte y
lineal. Esta frontera no es clara y el transistor pasa de una región a
otra de una manera gradual. Es decir, el transistor está en la región
lineal cuando tiene corrientes significativas en sus terminales.
En corte cuando esas corrientes son muy bajas. Normalmente, se
asigna una VBE umbral (VBEγ ) a partir de la cual las corrientes tienen
un valor suficientemente alto; esta VBEγ suele estar comprendida
entre 0.4 y 0.5 V.
2.3.1.3.- Región de saturación
En la región de saturación las uniones de emisor y colector están
polarizadas en directa; la VBE y la VBC tienen tensiones superiores
100mV
La caída de tensión entre el colector y emisor es muy baja debido a
que ambas uniones pn se encuentran directamente polarizadas. De
esta manera, se verifica que
34
Sabemos que
Los valores típicos de la VCE(sat) están próximos a 0.1 o 0.2 V y la
VBE(sat) es ligeramente superior a la de la región lineal (≈0.8 V). El
transistor está operando con una relación ßF (sat)=IC/IB variable e
inferior a la ßF de la región lineal.
2.3.1.4.-Región de ruptura
Las tensiones máximas que pueden soportar las uniones pn
inversamente polarizadas se denominan tensiones de ruptura. Cuando
se alcanza estas tensiones existe peligro de ruptura del transistor
debido a dos fenómenos: ruptura por avalancha y ruptura por
perforación. El fabricante proporciona dos tensiones máximas (VCEO,
VCES) que limitan de alguna manera las tensiones máximas de
polarización en continua los transistores. La VCEO define la tensión
máxima entre el colector y emisor, estando la base en circuito abierto,
antes de que se produzca fenómenos de multiplicación de avalancha
que incrementa exponencialmente la ICO a través de la unión.
35
2.3.2.-Concepto de punto de trabajo y recta de carga estática
El transistor bipolar que opera en la región lineal tiene unas
características eléctricas lineales que son utilizadas para amplificación.
En estos circuitos, las señales de entrada son amplificadas a la salida
y, por consiguiente, hay un aporte de energía realizado a través de
fuentes de tensión externas denominadas fuentes de alimentación o
fuentes de polarización. Las fuentes de alimentación cubren dos
objetivos: proporcionar las corrientes y tensiones en continua
necesarias para que el transistor opere en la región lineal y suministrar
energía al transistor de la que parte de ella va a ser convertida en
potencia (amplificación). Los valores de corrientes y tensiones en
continua en los terminales de un transistor se denomina punto de
trabajo y se suele expresar por la letra Q (Quiescent operating point).
En transistor del circuito de la figura 1.8.a está polarizado con dos
resistencias y una fuente de tensión en continua VCC. En este circuito
se verifica que V − VBE I B = CC RB (1.16) Si suponemos que el
transistor se encuentra en la región directa lineal, entonces se puede
relacionar las intensidades de base y colector a través de la hFE y
asignar una tensión base-emisor típica de 0.7 V. El cálculo de las
tensiones e intensidades del transistor proporciona su punto de trabajo
Q. Para este circuito, Q viene definido por las siguientes ecuaciones:
36
Punto de trabajo Q
Fig. 2.18. Grafica que nos muestra el punto de trabajo.
Se puede observar la representación gráfica del punto de trabajo Q
del transistor, especificado a través de tres parámetros: ICQ, IBQ y la
VCEQ. Este punto se encuentra localizado dentro de una recta
denominada recta de carga estática: si Q se encuentra en el límite
superior de la recta el transistor estará saturado, en el límite inferior en
corte y en los puntos intermedios en la región lineal. Esta recta se
obtiene a través de la ecuación del circuito que relaciona la IC con la
VCE que, representada en las curvas características del transistor
Una de las primeras decisiones relacionadas con la polarización de un
transistor es seleccionar la situación del punto Q. La selección más
práctica es situarle en la mitad de la recta de carga estática para que
la corriente de colector sea la mitad de su valor máximo, condición
conocida como excursión máxima simétrica. Evidentemente esta es
una condición de diseño que asegurará el máximo margen del punto Q
a incrementos de cualquier signo de la intensidad de colector. Sin
embargo, hay muchas otras condiciones de operación del transistor
que exige un desplazamiento de Q en uno u otro sentido. En estos
37
casos la situación del punto Q estará definida por las diferentes
restricciones.
2.3.3.- Potencia de disipación estática máxima (PCMAX)
Un transistor de unión polarizado tiene unas tensiones y corrientes en
sus terminales que le hacen disipar energía. Esta potencia de
disipación se puede obtener aplicando la definición de potencia
absorbida por un elemento tri-terminal, que en caso del transistor, se
expresa como VCE.
Debido a que generalmente la IB<<<IC y la VBE<<VCE, el primer
término de esta ecuación es despreciable frente al segundo,
resultando que
Esta ecuación representa a una hipérbola en el plano (VCE, IC) de las
curvas características del transistor. El fabricante proporciona como
dato la potencia de disipación máxima de un transistor; como ejemplo,
el BC547 tiene una PCMAX=500mW.
Circuitos de polarización de transistores bipolares La selección del
punto de trabajo Q de un transistor se realiza a través de diferentes
circuitos de polarización que fijen sus tensiones y corrientes.
2.4.-Transistores de efecto de campo ( FET)
Son particularmente interesantes en circuitos integrados y pueden ser
de dos tipos: transistor de efecto de campo de unión o JFET y
transistor de efecto de campo metal-óxido semiconductor (MOSFET).
38
Son dispositivos controlados por tensión con una alta impedancia de
entrada (101 2Ω). Ambos dispositivos se utilizan en circuitos digitales y
analógicos como amplificador o como conmutador. Sus características
eléctricas son similares aunque su tecnología y estructura física son
totalmente diferentes.
2.4.1.- Ventajas y desventajas del FET
Ventajas del FET:
1) Son dispositivos controlados por tensión con una impedancia de
entrada muy elevada (107 a 101 2Ω).
2) Los FET generan un nivel de ruido menor que los BJT.
3) Los FET son más estables con la temperatura que los BJT.
4) Los FET son más fáciles de fabricar que los BJT pues precisan
menos pasos y permiten integrar más dispositivos.
5) Los FET se comportan como resistencias controlados por tensión
para valores pequeños de tensión drenaje-fuente.
6) La alta impedancia de entrada de los FET les permite retener carga
el tiempo suficiente para permitir polarización de corriente de base
7) Los FET de potencia pueden disipar una potencia mayor y conmutar
corrientes grandes.
Desventajas que limitan la utilización de los FET
1) Los FET presentan una respuesta en frecuencia pobre debido a la
alta capacidad de entrada.
39
2) Los FET presentan una linealidad muy pobre, y en general son
menos lineales que los BJT.
3) Los FET se pueden dañar debido a la electricidad estática.
2.4.2.-Las características eléctricas del JFET
El JFET de canal n está constituido por una barra de silicio de material
semiconductor de tipo n con dos regiones (islas) de material tipo p
situadas a ambos lados. Es un elemento tri-terminal cuyos terminales
se denominan drenador (drain), fuente (source) y puerta (gate).
Fig. 2.19. En l inciso a) JFET de canal n. b) Símbolo de un JTFET de canal n. c)
Símbolo de JFET canal p.
2.4.3.- La polarización de un JFET
La polarización exige que las uniones p-n estén inversamente
polarizadas. En un JFET de canal n, o NJFET, la tensión de drenador
debe ser mayor que la de la fuente para que exista un flujo de
corriente a través de canal. Además, la puerta debe tener una tensión
40
más negativa que la fuente para que la unión p-n se encuentre
polarizado inversamente.
Las curvas de características eléctricas de un JFET son muy similares
a las curvas de los transistores bipolares. Sin embargo, los JFET son
dispositivos controlados por tensión a diferencia de los bipolares que
son dispositivos controlados por corriente.
Fig. 2.20. Zonas de operación de un JFET
Se definen cuatro regiones básicas de operación: corte, lineal,
saturación y ruptura. A continuación se realiza una descripción breve
de cada una de estas regiones para el caso de un NJFET.
2.4.3.1.- Región de corte
En esta región la intensidad entre drenador y fuente es nula (ID=0).
En este caso, la tensión entre puerta y fuente es suficientemente
negativa que las zonas de inversión bloquean y estrangulan el canal
cortando la corriente entre drenador y fuente. En las hojas técnicas se
41
denomina a esta tensión como de estrangulamiento o pinch-off y se
representa por VGS(off) o Vp. Por ejemplo, el BF245A tiene una
VGS(off)=-2V.
2.4.3.2.- Región lineal
En esta región, el JFET se comporta como una resistencia no lineal
que es utilizada en muchas aplicaciones donde se precise una
resistencia variable controlada por tensión. El fabricante proporciona
curvas de resistencia drenador-fuente (rds(on)) para diferentes valores
de VGS tal
2.4.3.3.-Región de saturación
En esta región, de similares características que un BJT en la región
lineal, el JFET tiene unas características lineales que son utilizadas en
amplificación. Se comporta como una fuente de intensidad controlado
por la tensión VGS cuya ID es prácticamente independiente de la
tensión VDS.
La corriente se define como el valor de ID cuando VGS=0, y esta
característica es utilizada con frecuencia para obtener una fuente de
corriente de valor constante.
2.4.3.4.- La región de ruptura
Una tensión alta en los terminales del JFET puede producir ruptura por
avalancha a través de la unión de puerta. Las especificaciones de los
fabricantes indican la tensión de ruptura entre drenaje y fuente con la
42
puerta cortocircuitada con la fuente; esta tensión se designa por
BVDSS y su valor está comprendido entra 20 y 50 V. Las tensiones de
polarización nunca deben superar estos valores para evitar que el
dispositivo se deteriore. Por último, comentar las diferencias existentes
entre un NJFET y PJFET.
Las ecuaciones desarrolladas anteriormente para el JFET son válidas
para el PJFET considerando el convenio de signos indicados en la
tabla:
Tabla. 2.3. Convenio de signos en las tenciones
2.4.3.5.-Representación grafica del punto de polarización
La representación gráfica de este punto Q y la relación existente en
ambas curvas las cuales permiten determinar el punto de polarización
de un transistor utilizando métodos gráficos. ID recta de carga estática
IDSS VGS =0 IDQ Q VGSQ –VGS Vp VGSQ VDSQ VDS
43
Fig. 2.21. Curvas características de un JFET
2.5.- Transistores MOSFET (MOS)
Son dispositivos de efecto de campo que utilizan un campo eléctrico
para crear una canal de conducción. Son dispositivos más importantes
que los JFET ya que la mayor parte de los circuitos integrados
digitales se construyen con la tecnología MOS. Existen dos tipos de
transistores MOS: MOSFET de canal N o NMOS y MOSFET de canal
P o PMOS. A su vez, estos transistores pueden ser de acumulación
(enhancement) o deplexion (deplexion); en la actualidad los segundos
están prácticamente en desuso y aquí únicamente serán descritos los
MOS de acumulación también conocidos como de enriquecimiento.
2.5.1.- Regiones de operación de mosfet
Los transistores JFET y MOSFET tienen una estructura física muy
diferente pero sus ecuaciones analíticas son muy similares. Por ello,
en los transistores MOS se definen las mismas regiones de operación:
corte, lineal, saturación y ruptura.
Fig. 2.22. Curvas características de un NMOS
44
2.5.1.1.- Región de corte
Se verifica que VGS<VT y la corriente ID es nula.
2.5.1.2.-Región lineal
El transistor se comporta como un elemento resistivo no lineal
controlado por tensión.
Un parámetro característico del MOS que depende de la tecnología a
través de la constante k y del tamaño de la puerta del transistor (W la
anchura y L la longitud).
2.5.1.3 Región saturación
El transistor se comporta como una fuente de corriente controlada por
la tensión VGS. Verifica las siguientes ecuaciones:
siendo ß el parámetro descrito en la ecuación.
45
2.5.1.4 Región de ruptura
Un transistor MOS puede verse afectado por fenómenos de
avalancha en los terminales drenado y fuente, y roturas en la capa de
óxido fino de la puerta que pueden dañar irreversiblemente al
dispositivo
. Convenio de signos en las tensiones y corrientes de un NMOS y
PMOS. Por último, señalar que en la tabla se indican las diferencias en
el signo y sentido de las corrientes y tensiones existentes entre
transistores NMOS y PMOS.
Tabla. 2.4. Convenio de signos en las tenciones
2.6.- Los transistores de alta frecuencia utilizados son
transistores rf,hf,vhr
VHF (Very High Frequency)
Es la banda del espectro electromagnético que ocupa el rango de
frecuencias de 30 MHz a 300 MHz.
HF (high frequency)
46
Es la onda corta, también conocida como SW ( shortwave)es una
banda de radio frecuencias comprendidas entre 2300 y 29.999Khz
RF( espectro de radiofrecuencia)
El espectro de radio frecuencia se encuentra situada entre unos
3 kHz y unos 300 GHz. El hercio es la unidad de medida de la
frecuencia de las ondas, y corresponde a un ciclo por
segundo.1 Las ondas electromagnéticas de esta región del espectro,
se pueden transmitir aplicando la corriente alterna originada en un
generador a una antena.
A partir de 1 GHz las bandas entran dentro del espectro de
las microondas. Por encima de 300 GHz la absorción de la radiación
electromagnética por la atmósfera terrestre es tan alta que la
atmósfera se vuelve opaca a ella, hasta que, en los denominados
rangos de frecuencia infrarrojos y ópticos, vuelve de nuevo a ser
transparente.
47
3.-Transistores a emplear
3.1.- Transistor MRF448
La hoja de características de este transistor se obtuvo de
www.alldatasheet.com.
49
3.2.- Transistor BLW96
La hoja de características de este transistor se obtuvo de
www.alldatasheet.com.
50
PRODUCT SAFETY This device incorporates beryllium oxide, the dust of which is toxic. The device is entirely safe provided that the BeO disc is not damaged.
51
3.3.- Transistor MRF429
La hoja de características de este transistor se obtuvo de
www.alldatasheet.com.
54
3.4.- Transistor SD1726
La hoja de características de este transistor se obtuvo de
www.alldatasheet.com.
56
3.5.- TANSISTOR MOS BLF 177
La hoja de características de este transistor se obtuvo de
www.alldatasheet.com.
58
4.-Circuitos empleados (BJT)
4.1.-Transistor BLW 96
Para el amplificador BLW96 se realizo el siguiente circuito que se
obtuvo de la hoja de datos del transistor.
Circuito 4.1 Usando transductor BLW96
59
4.1.1.- Resultados obtenidos
Fig. 4.1 Area de operación
Podemos ver cómo nos encontramos trabajando dentro de un área
segura.
61
Fig. 4.3 Transistor BLW96 utilizado en nuestro circuito 4.1
Grafica BLW96
HF/VHF power transistor
Tabla. 4.1. voltaje/corriente
Voltaje
Corriente
.7 0
1.25 .2
1.3 1
1.35 5
1.4 7
1.45 8
1.5 10
64
Las graficas obtenidas entran dentro de los resultados esperados con
ligeras variaciones pero dentro de las especificaciones
Con Vcc=5
Tabla 4.2. Corriente / frecuencia
66
0
50
100
150
200
250
300
0 5 10 15 20 25
ft (
MH
z)
-Ie corriente emisor
Con Vcc =45
Fig. 4.8. Grafica de frecuencia / corriente
Tabla. 4.4 corriente / frecuencia.
con vcb=45
Ie corriente
del emisor frecuencia
0 150
1 190
2 227
5 229
7 232
10 234
12 236
15 238
17 240
18 242
19 245
20 247
67
Comparando las graficas
Fig.4.9. Representación grafica de frecuencia /corriente con voltajes de 5v 15v y 45v
Fig. 4.10. Grafica de frecuencia visualizada en el hosiloscopio ala salida del circuito
0
50
100
150
200
250
300
0 5 10 15 20 25
ft (
MH
z)
-Ie corriente del emisor
con vcb=5v frecuencia
con vcb=15v frecuencia
con vcb=45 frecuencia
68
4.2.- CIRCUITO A EMPLEAR TRANSISTOR MRF448
Para el amplificador MRF448 se realizo el siguiente circuito que se
obtuvo de la hoja de datos del transistor.
Circuito 4.2. Usando transistor MRF448
70
Fig. 4.12 Transistor MRF448 utilizado en nuestro circuito 4.2
Grafica MRF448 HF/VHF power transistor
Tabla. 4.5. voltaje/corriente
Voltaje Corriente
.7 0
1.1 .2
1.2 .3
1.25 1
1.35 2
1.45 7
1.5 10
73
0
50
100
150
200
0 5 10 15 20 25
ft (
MH
z)
Ic Corriente de colector
Series1
Corriente de colector con transistor MRF448
Fig. 4.15. Grafica de frecuencia / Corriente
Tabla 4.6. Frecuencia / Corriente.
Con
Vcc=15v
Ic corriente colector Frecuencia
0 50
1 125
2 150
5 176
7 178
10 178
12 177
15 175
17 174
18 164
19 154
20 152
74
0
50
100
150
200
250
0 5 10 15 20 25
ft (
MH
z)
Ic Corriente de colector
Series1
Fig: 4.16 Grafica de frecuencia / Corriente.
Tabla 4.7. Frecuencia / Corriente
Con
Vcc=30
Ic corriente colector frecuencia
0 50
1 150
2 175
5 210
7 215
10 220
12 222
15 224
17 224
18 223
19 222
20 221
75
Comparación de graficas
Fig.4.17. Representación grafica de frecuencia / corriente con voltajes de 15v y 30
Fig. 4.18. Grafica de frecuencia visualizada en el hosiloscopio ala salida del circuito
0
50
100
150
200
250
0 5 10 15 20 25
Ft (
MH
z)
Ic corriente de colector (Amps)
con vcc=15v Frecuencia
con Vcc=30 frecuencia
76
4.3.- Transistor MRF429
4.3.1.- Circuito a emplear con el transistor MRF429,este circuito se
obtuvo de la hoja de datos de este transistor.
Circuito 4.3.- Usando transistor MRF429
78
Grafica
MRF429 Transistor
Fig. 4.20 Transistor MRF429 utilizado en nuestro circuito 4.3.1
Tabla 4.8.Voltaje / Corriente
Voltaje Corriente
.7 0
1 .17
1.3 1
1.35 7
1.4 10
81
4.4.- Transistor SD1726
4.4.1.- Circuito a emplear con el transistor SD1726
Circuito 4.4.-Usando transistor SD1726
82
Grafica SD1726
Transistor
Fig. 4.23 Transistor MRF429 utilizado en nuestro circuito 4.4.1.
Grafica transistor SD1726
Voltaje Corriente
.7 0
.82 .1
.95 .12
1 .15
1.32 .2
1.35 .3
1.37 .4
1.38 .5
1.4 .6
1.42 1
1.45 3
1.5 10
Tabla 4.9. Voltaje / Corriente
86
4.5.-Transistor BLF177
4.5.1.-Circuito a emplear con el transistor BLF177
Circuito4.5.- Utilizado con el transistor BLF177
87
Fig4.25. Transistor BLF177 utilizado en nuestro circuito 4.5.1
Grafica HF/VHF MOS transistor BLF177
Voltaje Corriente
.7 0
1.2 .2
1.25 .3
1.3 .6
1.32 1
1.4 2
1.47 3
1.49 4
1.5 10
Tabla 4.10. Voltaje / Corriente
91
RESULTADOS GRAFICAS
Fig4.29. Grafica de frecuencia visualizada en el hosiloscopio ala salida del circuito
5.- Conclusiones:
Al analizar las pruebas realizadas en cada uno de los transistores, nos podemos
dar cuenta, que nos encontramos trabajando en una área segura en la cual no
podemos hacer daño al paciente y el incremento de la potencia a 4 Mhz
optimizaría el funcionamiento de un equipo de radio cirugía ya que actualmente no
se usan estas frecuencias para estos equipos,
Con estas pruebas podemos comprobar que el uso de estos transistores en
futuros diseños para equipos de electrocirugía y radiocirugía pueden ser utilizados
sin riesgos así optimizar el diseño de estos equipos
92
BIBLIOGRAFIA
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