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Componentes Activos Unidad 1. Fundamentación de Circuitos Eléctricos y

Electrónicos

En este documento se hará la definición de los componentes activos, sus características más relevantes y su configuración de acuerdo a su naturaleza.

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¿QUÉ ENCONTRAREMOS EN ESTE DOCUMENTO?

Diodos ..................................................................................................................................... 3

Tipos de Diodos ...................................................................................................................... 5

Transistores ............................................................................................................................ 6

Amplificadores Operacionales ............................................................................................... 9

FILTROS ACTIVOS .............................................................................................................. 12

Enlaces de interés ................................................................................................................ 15

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Conceptos generales

Introducción Los componentes activos son aquellos que son capaces de excitar los circuitos o de realizar ganancias o control del mismo. Fundamentalmente son los generadores eléctricos y ciertos componentes semiconductores. Estos últimos, en general, tienen un comportamiento no lineal, esto es, la relación entre la tensión aplicada y la corriente demandada no es lineal.

Diodos

Un diodo es un dispositivo que permite el paso de la corriente eléctrica en un determinado sentido, bloqueándola cuando ésta circula en sentido contrario. UNION PN

Los diodos se fabrican mediante la unión de dos materiales semiconductores tipo P y N separados por una juntura llamada barrera o unión. Cuando esta barrera es de germanio, el diodo presenta una caída de voltaje de 0.3 voltios en sus terminales con polarización directa y cuando es de silicio la caída de voltaje es de 0.7 voltios aprox. Idealmente, el funcionamiento de un diodo se manifiesta mediante una resistencia nula, cuando la corriente entre sus terminales fluye de ánodo a cátodo (polarización directa) y una resistencia infinita en sentido opuesto (polarización inversa), esta propiedad es altamente utilizada en aplicaciones de rectificación, es decir, en el proceso de convertir una señal de corriente alterna en una corriente continua.

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Circuitos básicos de rectificación Rectificación de media Onda

En un rectificador de media onda, la señal de salida corresponde un semiciclo de la señal sinusoidal de entrada, y es el semiciclo positivo o el negativo, dependiendo del sentido hacia donde esté ubicado el diodo.

Rectificación de onda completa (con transformador)

La configuración para un rectificador de onda completa, incluye dos diodos los cuales cada uno se encarga de conducir en cada semiciclo y se aprovecha la totalidad de la señal de entrada, en este caso es necesario utilizar un transformador con tab central para referenciar a 0 voltios.

Rectificación de onda completa (con diodos)

El rectificador de onda completa, utiliza cuatro diodos en configuración puente, en este caso no es necesario el tab central y conducen dos diodos por cada semiciclo, este tipo de rectificador es más eficiente que el rectificador de onda completa con tab central y es utilizado bastante en aplicaciones de instrumentación y medición.

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Tipos de Diodos

DIODO ZENER: Es un tipo especial de diodo con unas características propias que

permiten que sea utilizado en aplicaciones de regulación de voltaje. Cuando se polariza de forma directa, funciona como un diodo rectificador normal, sin embargo, al polarizarlo inversamente, el voltaje entre sus terminales varía conforme lo hace la fuente que lo alimenta, mientras su valor no supere el voltaje de tensión o de Zener propio de cada diodo, en este caso el aumento de voltaje es muy pequeño y se puede considerar que no aumenta y se mantiene constante. En el mercado existen diodos Zener con una amplia variedad de valores de tensión de Zener para cada aplicación de regulación.

DIODO LED: El LED (Light Emitting Diode) es un tipo especial de diodo, que trabaja como un diodo común, pero que al ser atravesado por la corriente eléctrica en polarización directa, emite luz. Existen diodos LED de varios colores que dependen del material con el cual fueron construidos. Hay de color rojo, verde, amarillo, ámbar, infrarrojo, entre otros.

FOTODIODO: En este tipo de diodos, al conectarlos en polarización inversa, permiten o no el paso de corriente eléctrica dependiendo de la intensidad de luz que incide sobre él.

DIODO LASER: Los diodos laser don diodos emisores de luz mediante el principio de emisión estimulada, lo cual le permite generar un haz de luz bastante estrecho, enfocado y puro. El diodo láser también se conoce como láser semiconductor o también como láseres de inyección, Estos diodos pueden producir luz visible (roja, verde o azul) y luz invisible (infrarroja). Sus aplicaciones más comunes se pueden ver en el campo de las comunicaciones, en la cual los láseres pueden transmitir señales mediante fibra óptica, a grandes distancias y altas velocidades. También se utilizan bastante en los lectores de discos compactos.

DIODO SCHOTTKY: A diferencia del diodo rectificador normal de unión P-N, el diodo Schottky tiene una unión Metal-N, este tipo de diodo posee características que lo hacen más parecido a un diodo ideal, ya que su caída de voltaje en polarización directa está entre 0.25 y 0.4 voltios, sin embargo, en aplicaciones de potencia no es muy utilizado puesto que no tiene gran capacidad de conducción de corriente y no acepta altos voltajes en polarización inversa, por lo que como rectificador no se comporta bien, por otro lado, si es muy utilizado en circuitos donde se manejen altas velocidades de conmutación y bajos consumos de energía, como en computadores

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Transistores

Un transistor, es un dispositivo semiconductor que permite el control y la regulación de una corriente grande mediante una señal muy pequeña. Dentro de sus aplicaciones importantes se encuentran las de amplificación de corriente, conmutación de cargas y como oscilador.

TRANSISTOR BIPOLAR

Comúnmente se encuentran los transistores de unión bipolar o (BJT), fabricados normalmente de Germanio, Silicio o Arseniuro de galio, materiales que poseen cualidades semiconductoras, los transistores bipolares se pueden encontrar en dos configuraciones NPN y PNP, los cuales poseen tres capas con conexión física externa y por tanto veremos estos transistores físicamente con tres paticas o puntos de conexión llamados: emisor, base y colector respectivamente. La zona N con elementos donantes de electrones (cargas negativas) y la zona P de aceptadores o "huecos" (cargas positivas). En este tipo de transistores, la corriente que fluye entre emisor y colector depende de la corriente que ingresa por la base.

CIRCUITOS COMUNES

Una aplicación común de los transistores bipolares es la de conmutación de cargas, en este caso, este trabaja en las zonas de corte y saturación. En un circuito con transistor NPN por ejemplo, cuando la base se conecta a tierra a través de la resistencia Rb, el

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transistor trabaja en corte, y por lo tanto no fluye corriente a través de colector a emisor y cuando la base es conectada a la fuente, se genera una corriente de base a emisor lo cual permite que fluya una corriente proporcional entre colector a emisor, más precisamente por la resistencia de colector Rc que en este caso representa la carga.

Existen varias configuraciones para amplificadores con transistores, una de ellas es como emisor común, en la que la señal variable y de baja intensidad es amplificada mediante este circuito. Dicha señal ingresa mediante el capacitor C1, el cual se encarga de filtrar cualquier componente de señal continua, ya que la señal que se desea amplificar es alterna, el divisor de voltaje formado por R1 y R2 genera un punto de referencia para la señal evitando distorsiones, la resistencia Re y el capacitor Ce en el emisor, se colocan para dar estabilidad al amplificador, la señal amplificada se toma a través de la resistencia de colector Rc.

Los osciladores son muy utilizados en circuitos de radio y dentro de las varias configuraciones existentes, se encuentran los Hartley, el cual es un circuito electrónico basado en un oscilador LC. Se trata de un oscilador de alta frecuencia que debe obtener a su salida una señal de frecuencia determinada sin que exista una entrada.

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FET

También existen los transistores unión unipolar o de efecto de campo, los terminales se denominan drenador (drain), puerta (gate) y surtidor (Source), en este caso, la puerta hace las veces de base de los transistores BJT y la corriente que fluye entre drenador y surtidor depende del voltaje suministrado por la puerta.

Los transistores de efecto de campo o FET más conocidos son los JFET (Junction Field Effect Transistor), MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor FET) y MISFET (Metal-Insulator-Semiconductor FET).

Así como los transistores bipolares se dividen en NPN y PNP, los de efecto de campo o FET son también de dos tipos: canal n y canal p, dependiendo de si la aplicación de una tensión positiva en la puerta pone al transistor en estado de conducción o no conducción, respectivamente. Los transistores de efecto de campo MOS o MOSFET son usados extensísimamente en electrónica digital, y son el componente fundamental de los circuitos integrados o chips digitales.

Otra variación de los transistores, es la de los fototransistores, los cuales funcionan de una manera muy similar a la de los transistores BJT y FET, con la diferencia que la conducción de la corriente eléctrica depende de la luz que incide en el haciendo las veces de corriente de base.

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Amplificadores Operacionales

El amplificador operacional es un dispositivo activo de propósito general el cual tiene capacidad de ofrecer una tensión de salida en función de una tensión de entrada. Un amplificador operacional presenta cinco patillas. Dos de ellas son las entradas del dispositivo; la primera de ellas llamada entrada inversora se halla indicada en los esquemas con un signo menos, la otra denominada entrada no inversora se indica mediante un signo más. Otra de las patillas del amplificador operacional corresponde a la salida del dispositivo mientras que las dos restantes corresponden a la alimentación requerida por el dispositivo (±Vcc).

El nombre de amplificador operacional radica de su capacidad para realizar operaciones matemáticas analógicas de suma, resta, multiplicación, división, integración y derivación que permitían anteriormente la fabricación de computadoras analógicas

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CONFIGURACIONES BÁSICAS

Existen también otras configuraciones basadas en los amplificadores inversor y no inversor:

Amplificador diferencial.

En este tipo de configuración, la salida corresponde a la diferencia en las dos señales que ingresan por la inversora y la no inversora, atenuada o amplificada.

Amplificador no inversor

Este circuito presenta como característica más destacable su capacidad para amplificar o atenuar una señal de entrada manteniendo su fase, es decir, sin invertir la señal.

Amplificador inversor

La salida de un amplificador inversor corresponde a la señal de entrada atenuada o amplificada pero con su fase invertida.

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Amplificador sumador inversor

Lo que ocurre en este caso es que el voltaje de salida es la suma algebraica invertida de los voltajes de entrada proporcionadas por V1, V2 y V3

Amplificador sumador no inversor

Ocurre un comportamiento similar al sumador inversor, solo que no se invierte la señal de entrada.

Amplificador integrador

Un circuito integrador realiza un proceso de suma llamado "integración". La tensión de salida del circuito integrador es proporcional al área bajo la curva de entrada (onda de entrada), para cualquier instante.

Amplificador diferenciador o derivador

El amplificador diferenciador, realiza la operación de derivación al valor de entrada e invierte la señal.

Seguidor de tensión

En esta configuración la señal de salida, corresponde a la misma señal de entrada. Es bastante utilizado en aplicaciones donde es necesario hacer acoplamiento de impedancias entre dos circuitos.

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Comparador

El comparador, está constituido por un amplificador operacional en lazo abierto y suele usarse para comparar una tensión variable con otra tensión fija que se utiliza como referencia. En este caso la salida toma el valor positivo de la fuente de alimentación cuando el voltaje por V+ es mayor que el voltaje en V- y viceversa, dependiendo por donde entre la señal variable.

FILTROS ACTIVOS

Con amplificadores operacionales, es posible configurar circuitos conocidos como filtros activos, los cuales permiten o no, el paso de señales dependiendo de su frecuencia. Podemos encontrar filtros pasa bajos que permiten el paso de señales de baja frecuencia, filtros pasa altos que manejan señales de alta frecuencia, y filtros pasa banda, los cuales manejan un rango de frecuencias que se pueden configurar en el cálculo del circuito. La alta o baja frecuencia es un término relativo que dependerá del diseño y de la aplicación.

Existe gran variedad de filtros activos y existen de primer, segundo, tercer orden etc, los cuales se diseñan y calculan de acuerdo a la aplicación específica. No entraremos mucho en el tema del diseño de filtros activos ya que es un tema extenso y que se sale del alcance de este curso, sin embargo, si es necesario conocer su funcionamiento básico y algunas configuraciones básicas.

Filtro pasa bajo.

Esta clase de filtros deja pasar todas las frecuencias desde 0Hz hasta la frecuencia de corte (fc) y bloquea todas las frecuencias por encima de fc.

La gráfica de comportamiento de un filtro pasa bajo, muestra como se atenúa la señal, en un valor de porcentaje con respecto a la señal original, desde el momento en que la frecuencia se acerca al valor de corte hasta atenuarla completamente después de pasar este punto.

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Filtro pasa alto.

Un filtro paso alto es un tipo de filtro electrónico en cuya respuesta en frecuencia se atenúan las componentes de baja frecuencia pero no las de alta frecuencia.

Observe como la señal de salida del filtro pasa alto, llega al 100% de la señal original en la entrada, solo cuando sobrepasa la frecuencia de corte para la cual se diseña el filtro.

Filtro pasa banda

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Este tipo de filtros permiten el paso de señales, en un rango de frecuencia determinado por un valor de corte inferior (f1) y de corte superior (f2). Las señales cuya frecuencia está por fuera de este rango, serán atenuadas tal como se observa en la gráfica.

De la misma forma, existen los filtros rechaza banda, los cuales atenúan las señales cuya frecuencia se encuentra dentro de los límites de corte inferior (f1) y superior (f2), dejando pasar aquellas que se encuentren fuera de este rango.

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Enlaces de interés Dónde podemos encontrar más información

Diodos.URL

http://www.electronicafacil.net/tutoriales/Diodos-Semiconductores.php

Transistores. URL http://cromavideo.webcindario.com/DESCARGARCHIVOS/TUTORIALTRANSISTORES.pdf

Amplificadores. URL http://www.monografias.com/trabajos45/amplificadores-operacionales/amplificadores-operacionales.shtml