Laboratorio 0: Resistencias Chavez Cossio, Jacob 20130012CLazo Ramirez Luis Alberto 20102553COrtega Solrzano David Enrique 20112543KQuiroz Rojas, William Ernesto 20122606EYgnacio Espinoza Alexis Rolando 20122209F

Presentado a:Doc. Ing. Fernando Lpez Aramburu

Facultad De Ingeniera Elctrica y Electrnica

9 de Abril del 2015

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Laboratorio 0: Resistencias

I. IntroduccinII. Conduccin de semiconductoresIII. Variacin de resistenciasIV. Resistencia semiconductoraA. Termistor1. Tipos2. AplicacionesB. FotorresistorV. Circuitos integrados MOC y OptoacopladoresA. OptoacopladorB. Tipos de Optoacoplador1. Fototransistor2. Fototriac3. Fototriac de paso por ceroC. Sensor ptico con MOC 70VI.

Laboratorio 0: Resistencias Semiconductoras

Chavez Cossio, Jacob Lazo Ramirez Luis Alberto Ortega Solrzano David Enrique Quiroz Rojas, William Ernesto Ygnacio Espinoza Alexis Rolando Facultad de Ingeniera Elctrica y Electrnica, Universidad Nacional de IngenieraLima, Per

Abstract This report shows the nonlinear characteristics of semiconductor resistors, using each element curves characteristics. We proved that the resistance of semiconductor resistors increases with the temperature in the first circuit. Then, we also used variable resistors, which depend from the temperature and the luminosity in these. We took notes of some values of tension and draw some graphics in order to analyze the variations of the resistors.INTRODUCCINEn este reporte se muestra un fundamento terico sobre los semiconductores as como sus aplicaciones en la electrnica que se utilizan para demostrar la caracterstica no lineal de la resistencia semiconductora.

Fig.2 Excitacin de electrones y origen de los huecos

En un semiconductor tipo n, el dopante contribuye con electrones extras, aumentando drsticamente la conductividad. En un semiconductor tipo p, el dopante produce vacantes adicionales o huecos, que tambin aumentan la conductividad.

La corriente que fluir en un semiconductor intrnseco consiste en corriente de ambos electrones y huecos (Fig.3). Es decir, los electrones que han sido liberados de sus posiciones en la red dentro de la banda de conduccin, se pueden mover a travs del material.

Fig.3 Corrientes en semiconductores

Adems, otros electrones pueden saltar entre las posiciones de la red para llenar las vacantes dejadas por los electrones liberados. Este mecanismo adicional se llama conduccin de huecos, porque es como si los huecos estuvieran emigrando a travs del material en direccin opuesta al movimiento de electrones libres.

II. CUESTIONARIO

A. Conduccin en semiconductores.

La conductividad de un semiconductor puede ser modelada en trminos de la teora de bandas de slidos (Fig.1).

Fig.1 Teora de bandas

En un semiconductor intrnseco como el silicio a temperatura por encima del cero absoluto, habr algunos electrones que sern excitados, cruzarn la banda prohibida y entrando en la banda de conduccin, podrn producir corriente. Cuando el electrn del silicio puro atraviesa la banda prohibida, deja tras de s un puesto vacante de electrones o "hueco" en la estructura cristalina del silicio normal (Fig.2). Bajo la influencia de una tensin externa, tanto el electrn como el hueco se pueden mover a travs del material.

Debido al propio proceso de evaporacin, el filamento de tungsteno se va desintegrando con las horas de uso y la vida til de la lmpara se reduce. Cuando ese proceso llega a su lmite, el filamento se parte por el punto ms dbil y deja de alumbrar. Decimos entonces que la lmpara se ha fundido.

Fig.5 Lmpara incandescente actual

Para evitar el rpido deterioro del filamento por evaporacin, desde 1913 se adopt el uso del gas argn en el interior de las bombillas. De esa forma se logra disminuir en cierta medida la evaporacin del metal, pues los tomos del tungsteno evaporados al impactar con los tomos del gas argn rebotan hacia el filamento y se depositan de nuevo en su estructura metlica sin que se produzca una reaccin de combustin.

ltimamente, las bombillas con metal de tungsteno, conocido tambin por el nombre qumico de wolframio (W), eran recubiertas de calcio (Ca) y magnesio (Mg) y su funcin principal en los tubos de las Lmparas incandescentes es calentar previamente el gas argn que contienen en su interior para que se puedan encender.

C. Aplicaciones de las resistencias semiconductoras.

1. Termistor.Son dispositivos cuya resistencia vara en funcin de la temperatura. Existen dos tipos de termistores:1.1. NTC.Son componentes en los cuales disminuye su resistencia al aumentar la temperatura.

Fig.5 Smbolo y aspecto fsico del termistor NTC

B. Variacin de la resistencia del filamento.

La resistencia de un conductor depende de la temperatura. En la mayor parte de los metales, la resistividad aumenta con la temperatura. Debido a que cuando la temperatura del material aumenta los tomos que lo constituyen vibran con amplitud cada vez mayor, por eso los electrones encuentran ms dificultad para pasar entre los tomos que se mueven con mayor amplitud. En la mayor parte de los metales la resistividad aumenta de forma aproximadamente lineal con la temperatura, segn (1).

(1)

Donde es la resistividad a cierta temperatura, T en grados Celsius, es la resistividad a una temperatura y es un parmetro conocido como coeficiente de temperatura de la resistividad.

En el caso del filamento no se puede expresar de forma simplista el comportamiento de su valor resistivo, diciendo que "aumenta"; por las razones que se explican a continuacin:

El filamento de tungsteno de una lmpara incandescente est formado por un alambre extremadamente fino, mucho ms que el de un cable cualquiera (Fig.4). Por ejemplo, en una lmpara de 60 watt, el filamento puede llegar a medir alrededor de 2 metros de longitud y de grueso solamente 3 x 10-3 = 0,003mm. Para que la longitud total del filamento ocupe el menor espacio posible, el alambre se reduce por medio de un doble enrollado.

Fig.4 Filamento de tungsteno de una lmpara

El filamento de tungsteno presenta un problema y es que el metal se evapora al alcanzar temperaturas tan altas como la que produce la incandescencia. En ese estado, algunos tomos de tungsteno se excitan tan violentamente que saltan al vaco dentro de la bombilla y se depositan en la pared interna del cristal, ennegreciendo y volvindolo opaco a medida que ms se utiliza la lmpara.

1.2. PTC.Son componentes en los cuales aumenta su resistencia al aumentar su temperatura.

Fig.6 Smbolo y aspecto fsico del termistor PTC1.3. Aplicaciones de los termistores.- Medidor de compensacin. Se puede usar las temperaturas negativas de un termistor para permitir que la bobina de resistencia de un medidor se compense. La resistencia de la bobina es constante. Con el termistor, la medicin de temperaturas puede tener un rango ms amplio.- Dispositivos de corriente de arranque. El termistor se usa en dispositivos de corriente de arranque, proveyendo ms resistencia y evitando que las corrientes escapen. El termistor se calienta, permitiendo mayores flujos de corriente.- Aplicaciones en automviles. Las aplicaciones en automviles son otro de los muchos usos para un termistor. En un automvil, puedes usarlo para monitorear la temperatura del aceite y del refrigerante. Un termistor tambin regula la temperatura de la batera.- Termmetros diferenciales. Para medir y detectar diferencias de temperatura, se pueden utilizar dos termistores. Puedes conectar los termistores en un puente de Wheastone para minimizar los componentes. sto es til cuando ests midiendo temperaturas del viento a distintas elevaciones.- Control de corriente en LED. El control de corriente en LED es otro uso ms para un termistor. Puedes usar un termistor para proveer del flujo de corriente adecuada, de modo que el chip LED se mantenga a un nivel de temperatura normal. El termistor controla la corriente contenida en el circuito conductor. Controlar la corriente permite usar LED en varias aplicaciones.

2. Fotorresistencia o LDR.El LDR (resistor dependiente de la luz) es una resistencia que vara su valor dependiendo de la cantidad de luz que la ilumina.Los valores de una fotorresistencia cuando est totalmente iluminada y cuando est totalmente a oscuras vara. Puede medir de 50 ohmios a 1000 ohmios (1K) en iluminacin total y puede ser de 50K (50,000 Ohms) a varios megaohmios cuando est a oscuras.El LDR es fabricado con materiales de estructura cristalina, y utiliza sus propiedades fotoconductoras.Los cristales utilizados ms comunes son: sulfuro de cadmio y seleniuro de cadmio.El valor de la fotorresistencia (en Ohmios) no vara de forma instantnea cuando se pasa de luz a oscuridad o al contrario, y el tiempo que se dura en este proceso no siempre es igual si se pasa de oscuro a iluminado o si se pasa de iluminado a oscuro.Esto hace que el LDR no se pueda utilizar en muchas aplicaciones, especialmente aquellas que necesitan de mucha exactitud en cuanto a tiempo para cambiar de estado (oscuridad a iluminacin o iluminacin a oscuridad) y a exactitud de los valores de la fotorresistencia al estar en los mismos estados anteriores. Su tiempo de respuesta tpico es de aproximadamente 0.1 segundos.2.1. Aplicaciones de la fotorresistencia.- Encendido de luces. Las aplicaciones de las fotorresistencias en el mundo son en su mayora relacionadas con sistemas de iluminacin siendo el ejemplo ms popular y ms directo los sistemas de encendido de luces en las empresas a medida que se acerca la noche en donde la fotorresistencia se utiliza como un detector de oscuridad a modo de interruptor.La iluminacin elctrica est disponible desde hace mucho tiempo en todos los entornos domsticos, y la sencilla maniobra necesaria para encender y apagar una bombilla no constituye esfuerzo alguno. Sin embargo, existen determinadas situaciones en las que se prefiere delegar esta misin en un sistema automtico, normalmente centrado en un circuito electrnico conocido como 'interruptor crepuscular". Este sistema basa su funcionamiento en un sensor especial, que acta segn la cantidad de luz presente en el lugar en el que est instalado, sin necesidad de teclas u otros comandos que accionar a mano.Cuando la luz ambiental disminuye bajo un cierto nivel, el interruptor crepuscular acciona un rel, cerrando as el interruptor constituido por los contactos correspondientes.El nivel luminoso al que tiene lugar la intervencin puede naturalmente regularse, de modo que se puede adaptar el circuito a las distintas aplicaciones posibles. Para evitar activaciones accidentales, o conmutaciones repetidas en caso de pequeas variaciones de luminosidad (por ejemplo, por el paso de una nube), el dispositivo acta con un cierto retardo.

- LDR de retencin. El rel se acciona a causa de un cortocircuito temporal del LDR o de un impulso de tensin en la lmpara.

Fig.7- Indicador de nivel. Si el prisma est sumergido en un fluido, no existe casi reflexin. Tan pronto como el prisma queda por encima del nivel del fluido se produce reflexin total y se ilumina el LDR.

Fig.8- Conmutador y crepuscular. Opera con un rel bimetlico para que los impulsos de luz no puedan tener influencia.

Fig.9- Control de limitacin de ganancia. Al aumentar Vi, el valor de la resistencia del resistor LDR disminuye y el valor de Vo permanece bajo

Fig.10- Conmutador automtico de brillo y contraste en televisin El brillo y el contraste se ajustan automticamente al variar la iluminacin del ambiente.

Fig.11- Luz intermitente. Tan pronto como se enciende la lmpara, disminuye la resistencia del resistor LDR y el rel desconecta la lmpara. Como resultado aumenta la resistencia del resistor LDR y vuelve a encenderse la lmpara, y as sucecisavemente.

Fig.12 3. Varistores o VDR.El VDR (Voltage Dependent Resistors) o Varistor, es una resistencia dependiente de la tensin, ya que vara su resistencia de acuerdo a la tensin (voltaje) aplicada entre sus extremos. La propiedad que caracteriza a esta resistencia consiste en que cuando aumenta la tensin aplicada entre sus extremos esta rpidamente disminuye su valor hmico. Frente a picos altos de tensin se comporta casi como un cortocircuito.Los varistores son construidos para diferentes valores de tensin de ruptura. Tienen una amplia gama de voltajes, que van desde 14v a 550v (RMS).

3.1. Aplicacin de los varistores.-Generalmente los VDR son usados como estabilizadores de tensin, como supresores de picos de tensin en redes elctricas (transporte de energa), en telefona, en redes de comunicacin, para proteger los componentes delicados colocndolos en paralelo con estos y de esa manera evitar que se produzcan sobretensiones sobre ellos.-El varistor (VDR) slo suprime picos transitorios; si lo sometemos a una tensin elevada constante, se quema.-Los VDR en la electrnica son utilizados para proteger los componentes ms sensibles de los circuitos contra variaciones bruscas de voltaje o picos de corriente que pueden ser originados, entre otros, por relmpagos, interferencia electromagntica, conmutaciones y ruido elctrico.D. Curvas de elementos y explicaciones.Se tienen las siguientes curvas tericas

Fig.13 Curva caracterstica del termistor NTC

E. Apreciaciones de la experienciaLa experiencia ayud a poder conocer el funcionamiento y las aplicaciones de las resistencias semiconductoras, y debido a las simulaciones se pareci como la resistencia varia con respecto a la temperatura de una forma no lineal.

F. Circuitos integrados MOC y Optoelectrnicos.Un MOC es un optoacoplador. Dentro de su encapsulado tiene un led infrarrojo y un fototransistor, la finalidad de esto es aislar el circuito de control del de carga.1. Optoacoplador.Son conocidos como optoaisladores o dispositivos de acoplamiento ptico, basan su funcionamiento en el empleo de un haz de radiacin luminosa para pasar seales de un circuito a otro sin conexin elctrica. Estos son muy tiles cuando se utilizan por ejemplo, Microcontroladores PICs y/o PICAXE si queremos proteger nuestro microcontrolador este dispositivo es una buena opcin. En general pueden sustituir los rels ya que tienen una velocidad de conmutacin mayor, as como, la ausencia de rebotes.La gran ventaja de un optoacoplador reside en el aislamiento elctrico que puede establecerse entre los circuitos de entrada y salida. Fundamentalmente este dispositivo est formado por una fuente emisora de luz, y un fotosensor de silicio, que se adapta a la sensibilidad espectral del emisor luminoso, todos estos elementos se encuentran dentro de un encapsulado que por lo general es del tipo DIP.

2. Tipos de Optoacoplador.Existen varios tipos de Optoacopladores cuya diferencia entre s depende de los dispositivos de salida que se inserten en el componente. Segn esto tenemos los siguientes tipos:2.1. Fototransistor.Se compone de un optoacoplador con una etapa de salida formada por un transistor BJT.Los ms comunes son el 4N25 y 4N35 optotransistor, optotransistor en configuracin Darlington Optotransistor de encapsulado ranurado, optotransistor de encapsulado ranurado.

2.2. Fototriac.Se compone de un optoacoplador con una etapa de salida formada por un triac.

2.3. Fototriac de paso por cero.Optoacoplador en cuya etapa de salida se encuentra un triac de cruce por cero. El circuito interno de cruce por cero conmuta al triac slo en los cruce por cero de la corriente alterna. Por ejemplo el MOC3041Optotiristor: Diseado para aplicaciones donde sea preciso un aislamiento entre una seal lgica y la red.

3. Sensor ptico con MOC 70El sensor est basado en el integrado MOC 70 de Motorola, que se compone de un diodo emisor infrarrojo y un fototransistor, integrados en un solo chip. El integrado tiene una ranura en el centro, de manera de poder "cortar" el haz infrarrojo con algn medio mecnico y no elctrico (por ejemplo una rueda metlica ranurada). Al cortarse el haz infrarrojo, el transistor T1 que estaba en estado de saturacin conectando a masa a R3, se abre, enviando a travs de R3 un pulso al detector de flancos, que es el encargado de limpiar la seal de salida. El resultado es un pulso ntido, libre de ruido a la salida. Se puede utilizar, en lugar del MOC 70, cualquier diodo infrarrojo y fototransistor por separado para aumentar el ancho de la ranura a fin de hacer ms verstil al circuito. Finalmente, es necesario recordar que la amplitud de los "1" de la salida es igual a la tensin de alimentacin (que puede ser entre 5 y 12 voltios).

Fig.15 Circuito integrado MOC 3023G. Observaciones y Conclusiones.1. Observaciones. - Las resistencias semiconductoras debido a poseer la propiedad de variar de acuerdo a la temperatura tiene muchas aplicaciones en la electrnica.- Los MOC se usan para aislamiento galvnico.- Se debe conocer las caractersticas que vienen proporcionadas en la hoja de datos de las resistencias semiconductoras, para asegurarnos de no daar los componentes del circuito.2. Conclusiones.- Se concluye que las resistencias semiconductoras poseen una caracterstica no lineal. - Dentro de las simulaciones se aprecia como la resistencia vara de acuerdo a la temperatura, de ese mismo modo la corriente vara, es as que los semiconductores pueden ser aplicados como rectificadores y tambin como resistencia variables.

III. CLCULOS Y RESULTADOS

A.Curva caracterstica de un foco con filamento

Fig.16 Circuito1

V246810121416Vdc

Vf0.992.323.775.36.88.6810.0211.67Vdc

VR1.021.632.162.653.13.513.94.27Vdc

I8.513.581822.0825.8329.2532.535.58mA

Rf0.120.170.210.240.260.2970.310.36s

Tabla1. Datos del circuito 1

B. Curva caracterstica del Termistor NTC

Fig.17 Circuito2

V024681012Vdc

Vr0.290.30.40.640.770.91.06Vdc

Vt17.6817.6717.5817.3617.2117.0916.94Vdc

I0.290.30.40.640.770.91.06mA

Rt60.9658.943.9527.1322.3518.9915.98ks

Tabla2. Datos del circuito 2

IV. REFERENCIAS

[1]Aplicaciones de los diodos semiconductoras: http://www.icmm.csic.es/fis/gente/josemaria_albella/electronica/5%20Aplicaciones%20diodos.pdf

[2]Usos de un termistor: http://www.ehowenespanol.com/usos-termistor-sobre_99162/

[3]Varistor: http://electronica-electronics.com/info/VDR-Varistor-MOV.html

[4]Aplicaciones ms comunes de los LDR o fotorresistencias: http://martinezmorenomedicionesind.blogspot.com/2007/06/otras-aplicaciones.html

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