EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL

El amplificador operacional actual heredo su nombre de los amplificadores de tubos que realizaban operaciones de suma, resta, multiplicación  división y algunas diferenciales y que funcionaban con tubos de vacío.

Con el invento del circuito integrado nació el amplificador operacional lineal y que aparte de trabajar con voltajes muy bajos ofrece optimas prestaciones.

Un amplificador operacional IDEAL NO TIENE LIMITES!!!, tiene ganancia infinita y respuesta en frecuencia infinita, las resistencia de entrada es infinita, la impedancia de salida es cero y los voltajes de la fuente de poder no tienen limites.

Básicamente un amplificador operacional tiene DOS ENTRADAS, una positiva y una negativa, y UNA SALIDA (salida de extremo único) y mínimo dos terminales de alimentación para el voltaje positivo y el voltaje negativo, así que para trabajar con un OA necesitamos pocos elementos.

Terminales de entrada: Se denominan de Entrada Diferencial ya que la salida depende de la diferencia entre los terminales de entrada, denominada Ed y la ganancia del amplificador AOL.

Ahora bien, para que la salida Ed sea positiva, el voltaje presente en la entrada positiva (+) es positivo o mayor que la entrada negativa (-) y la salida Ed es negativa cuanto la entrada positiva (+) es menor o negativa que la entrada negativa (-)

Ed = voltaje de entrada (+) - voltaje de entrada (-)

Ganancia el lazo abierto: la ganancia en lazo abierto de un amplificador operacional es:

Vo = Ed X Aol                     ==> ganancia = voltaje diferencial por ganancia del amplificador

El valor de Aol es excesivamente grande, a veces de hasta 200.000 veces, cosa que en la practica se ve limitada por el voltaje de alimentación. El voltaje de salida positivo se denomina "Voltaje Positivo de Saturacion" y el voltaje de salida negativo de denomina "Voltaje Negativo de Saturacion". Dicho voltaje puede subir hasta 1 V por debajo del voltaje de alimentacion y caer hasta 2V por encima del voltaje negativo de alimentacion.

Por ejemplo, en una alimentacion de +20 y -20 voltios el voltaje (Vsat+) crecera hasta 19 Voltios y el voltaje (Vsat-) caera hasta -18 voltios.

Ejemplo: INTERRUPTOR ACTIVADO POR SONIDO

Fuente de Poder

Las fuentes de poder de un amplificador operacional son normalmente bipolares, es decir, debemos alimentar un voltaje positivo y un voltaje negativo. Normalmente usamos valores de +15 - 15 Voltios o +9 -9 Voltios para que el amplificador trabaje correctamente. Una fuente bipolar se puede armar juntando en serie dos fuentes de poder de +15 o +9 voltios, el punto medio seria la tierra asi:

Recomendaciones para conectar la fuente antes de usar el AO:

Realice todo el cableado con fuente apagada - Haga todo de tal forma que el cableado quede corto y lo mas junto posible - Conecte primero los cables de positivo, negativo y tierra. - Haga la tierra en configuracion estrella, de decir conectar los puntos de tierra a un solo punto o cable corto donde llegue las demas cables de tierra. Un lazo de tierra produce ruidos en la señal. - No tenga señales VIVAS a la entrada del amplificador SIN estar este conectado. Energice y luego ponga la señal. - Todas las mediciones hagalas a tierra, es decir si una resistencia esta entre dos puntos de un circuito, mida el voltaje en cada pata, calcule la caida de voltaje y por ende la corriente. - Desconecte la señal de entrada antes de apagar el sistema - NUNCA invierta la polaridad de la fuente, ni conecte valores por encima de los permitidos, si deje señales de entrada cuando apaga el sistema. PARA EVITAR OSCILACIONES: conecte un capacitor de 0.1 uF entre +V y 0.1uF entre -V, deje todo lo mas cercano posible.

Detectores de cruce por cero

El amplificador de la figura opera como un comparador. La entrada posivita (+) compara el voltaje Ei con un voltaje de referencia de 0 V (Vref= 0V). Cuando Ei es mayor que el Vref es igual a + Vsat. Como el voltaje de entrada (+) es mas positivo que el voltaje de referencia (-) . Lo mismo sucede cuando el voltaje de entrada (+) se hace menos positivo que el voltaje de referecencia (-), entones si Ei es menor que Vref la salida es -Vsat.

Electronica de Potencia

ELECTRONICA DE POTENCIA

La electrónica de potencia convierte  la energía eléctrica de un tipo de otra de otro tipo utilizando para ello dispositivos electrónicos. Para tal fin se utilizan dispositivos semiconductores como interruptores para controlar o modificar una tensión o una corriente.

Sus aplicaciones abarcan diversos campos como: -Equipos de conversión de alta potencia, transmisión de corriente continua y alterna, fuentes comunes, etc, conversión de corriente alterna en continua y visceversa, construcción de fuentes reguladas y no reguladas y otras. La electrónica de potencia abarca diversos campo dentro de la ingeniería como teoría de circuitos, de control, electromagnetismo, microprocesadores, térmica, etc.

Los interruptores electrónicos básicamente están en un estado ON y un estado OFF. Cuando un interruptor es ideal la corriente y tensión de conmutación son iguales a cero (como un interruptor mecánico), aunque realmente los dispositivos de interrupción electrónica consumen cierto grado de tensión y corriente, pero no lo suficientemente altas como para afectar el rendimiento del circuito.

CLASIFICACION DE CONVERTIDORES

Los circuitos convertidores se encargar de adaptar los requisitos de tensión y corriente de la carga al generador. Estos circuitos convierten una forma de onda de ciertas características en otra forma de ondas de otras características y se clasifican según la relación que exista entre la entrada y la salida.

-Convertidor CA/CC : Producen una salida continua a partir de una entrada alterna, desde un generador de alterna a una carga de corriente continua y se denominan RECTIFICADORES.

-Convertidor CC/CA : La potencia fluye desde el lado de la corriente alterna hasta el lado de la corriente alterna y se denominan INVERSORES

-Convertidor CC/CC: se usan cuando la carga necesitan un valor de corriente continua diferente al entregado por el generador y/o no regulado. Útiles por ejemplo en un circuito integrado que trabaja a 5V y el generador entrega 12V, con un convertidor cc-cc se soluciona.

-Convertidor CA/CA: Se utiliza en aplicaciones donde se necesita cambiar la amplitud o la frecuencia de una señal alterna, por ejemplo para regular la velocidad de un motor de inducción.

Los anteriores tipos de convertidores se pueden combinar para satisfacer las necesidades del circuito o la aplicación en particular.

INTERRUPTORES ELECTRONICOS

Los interruptores electrónicos se modelan como cortocircuitos cuando están cerrados y circuitos abiertos cuando no lo están, es decir como interruptores ideales donde las transiciones son instantáneas, entonces podemos citar algunos:

-Diodos: Son los dispositivos más sencillos, aunque la forma de controlarlos radica básicamente en que el sentido de la corriente indica si están en cortocircuito (cerrado) o si están en circuito abierto. El diodo esta polarizado en directa cuando la corriente es positiva y está en inversa cuando la corriente es negativa. Una característica importante del diodo es su corriente de recuperación inversa, que significa que cuando un diodo pasa de conducción a corte, la corriente en el disminuye y por un instante se hace negativa antes de ser cero (0 A), por esta razón algunos diodos tiene un diseño especial para su tiempo de recuperación sea corto o inferior a 1 uS.

 Los diodos Schottly poseen un contacto de metal-silicio en lugar de una unión p-n, teniendo una caída de tensión de 0.3V, la barrera de potencial no está sujeta a transitorios de recuperación y conmuta más rápidamente que un diodo común

-Tiristores: Son interruptores electrónicos usados en aplicaciones de potencia donde es necesario controlar la activación del interruptor. Constituyen una famila de componentes de tres terminales como los SRC (rectificador controlado de Silicio), el TRIAC, el tiristor de bloqueo por puerta (GTO) y el tiristor MCT o tiristor controlado por MOS. Sus terminales son llamadas ANODO, CATADO Y PUERTA.

Para que el SCR entre en conducción debe haber una  corriente positiva mínima,  entre los terminales ANODO Y CATODO llamada corriente de mantenimiento y que en la PUERTA exista una señal de activación o corriente de puerta, la cual, una vez entre en conducción el SRC no es necesario aplicarla más. El SRC deja de conducir cuando no exista corriente entre ANODO Y CATODO o sea negativa.

El tiristor GTO al igual que el SRC se activa con una corriente de puerta pero se puede desactivar usando también una corriente de puerta negativa mucho mayor que para activarlo, generalmente un tercio de la corriente de ánodo en estado de conducción. El Triac es capaz de conducir corriente en ambos sentidos, como dos SRC conectados en antiparalelo. El MCT es un dispositivo como el GTO, pero necesita es un tensión adecuada entre la PUERTA-CATODO, en lugar de una corriente de puerta.

-Transistores: Se usan en electrónica de potencia en sus estados de CORTE o SATURACION. En situaciones de amplificación se usan en su zona ACTIVA y tienen la ventaja que proporcionan control sobre la activación o desactivación. Los tipos mas usados son los BJT, FET, IGBT.

Un BJT entra en conducción cuando se aplica la suficiente corriente de base para que entre en  conducción. Un BJT de potencia normalmente tiene un corriente de saturación COLECTOR-EMISOR de 1 a 2 V y tienen una baja Hfe a veces menor que 20. Por ejemplo si un BJE va a conducir una corriente de 60 A y su Hfe es igual a 3, entonces la corriente de base debe ser de al menos 3 A. Para evitar extraer tanta corriente del circuito de excitación, se utiliza la CONFIGURACION DARLINGTON cuya ganancia es igual al producto de las ganancias individuales de cada transistor. Los BJT de potencia están disponibles con  valores nominales de hasta 1200 V  y 400 A (valores más altos que los de un MOSFET)

Los MOSFET de potencia son más de acumulación que de empobrecimiento. Una tensión suficientre entre COMPUERTA – FUENTE (VGS) activara el disposivito para que entre DRENADOR Y FUENTE exista una corriente ID. Los MOSFET de baja tensión tienen una resistencia de conduccion que ronda los 0.1 ohmios mientras que los de alta tensión tienen una resistencia de conduccion de unos cuantos ohmios. Sus valores nominales están por el orden de los 1000 V y los 50 A, sus velocidades de conmutación operan por encima de los 100 Khz (más que un  BJT)

El IGBT es un hibrido entre un MOSFET y un BJT, su circuito de excitación es como el de un MOSFET y sus caracteriscas de conduccion son como las de un BJT y pueden operar en conmutación a 20 KHz.

 

Transistor de Efecto de Campo JFET

El transistor de efecto de campo FET por sus siglas en ingles Field Efect Transistor son dispositivos similares al transistor BJT, ya que cuentan con tres terminales, aunque tienen algunas diferencias significativas.

La diferencia principal es que el transistor FET es un TRANSISTOR CONTROLADO POR VOLTAJE mientras que el BJT es controlado por corriente.

La corriente ID (la que circula por el Drenador) es funcion del voltaje VGS (Voltaje Compuerta Fuente)

Los transistores FET se conocen en dos tipos, los de CANAL N y los de CANAL P. El FET es un dispositivo unipolar que depende de la conducción de electrones (canal N) o huecos (canal P), a diferencia de los BJT que son bipolares, es decir que dependen de la conducción de electrones y huecos.

En el transistor FET se estable un campo eléctrico mediante las cargas presentes permitiendo controlar la trayectoria de conducción del circuito de salida, sin tener un contacto directo entre las cantidades controladores y controladas, es decir se comporta como un imán, de ahí su nombre de Efecto de Campo.

Otra caracteriscas del FET es su gran impedancia de entrada, que va desde uno hasta cientos varios de megahoms (útil en la amplificación lineal de AC), la variación de la corriente de salida de los FET es mucho menor que los BJT, por tanto las ganancias de voltaje en amplificación AC son menores en los FET, también los FET son más estables a la temperatura y su construcción es de menor tamaño que los BJT, lo que los hace ideales en la construcción de circuitos integrados, pero esto hace que sean más delicados en su manejo.

Los transistores FET se dividen en dos categorías especiales: Los JFET y los MOSFET, que a su vez se dividen en incrementales y decrementales.

JFET = Juntion Field Effect Transistor

MOSFET = Metal-oxide Semiconductor Field Effect Transistor

Características de los FET

Para el caso de un dispositivo canal N, vemos que la mayor parte es de material tipo n que forma el canal entre las capas integradas de material tipo p. La parte superior e inferior del material tipo n, se conecta mediante contactos ohmicos a los terminales llamadas Drenaje y Fuente o Drain y Source, (D) y (S) respectivamente. El material tipo p (las dos capas) están conectadas entre sí por contactos ohmicos y también a la terminal llamada Gate o computerta (G)

En la mayoría de los casos, el diseño del canal es simétrico y cualquiera se puede utilizar como drenador o fuente, pero en otros es asimetro, por tanto exite un pin para el drenador y otro para la fuente.

Notemos que para el símbolo del canal N la fecha apunta hacia adentro y para el canal P, hacia afuera.

En el instante en que se aplica un voltaje Vds, los electrones serán atraídos a la terminal de drenaje con lo que se establece una corriente Id, con la dirección de la figura, las corrientes de drenaje y fuente (D) y (S) son equivalentes de acuerdo a la trayectoria del flujo de carga, el cual se encuentra sin inhibición y limitado solamente por la resistencia que existe en el canal n entre el drenaje y la fuente.

Funcionamiento del FET de unión

Para operar correctamente un FET de unión o JFET debe tener dos tensiones aplicados o voltajes de polarización, uno entre el drenador y la fuente (V_DS) y otro entre la compuerta y la fuente (V_GS)

La fuente conecta a V_GS se dispone de tal forma que polarice inversamente la unión PN. En un JFET de canal N la fuente debe ser positiva con respecto a la compuerta (G) y negativa con respecto al drenador (D), así mismo en un JFET de canal P, la fuente debe ser negativa con respecto a la compuerta (G) y positiva con respecto al drenador (D).

El efecto de lo anterior, es que se crea una corriente ID, llamada corriente de drenaje, la cual circula a lo largo del canal entre el drenador y la fuente, lo que constituye el hecho que el voltaje V_GS controla el voltaje existente entre D y G, como si fuera una resistencia variable.

Para el JFET de canal N, cuando se aplica una tensión inversa de polarización, se crea en la frontera de la unión PN una región llamada región de agotamiento, donde se acumulan una gran cantidad de huecos en el sustrato o canal P y se agotan los electrones en la canal N, haciendo que la región de agotamiento se forme dentro del canal, aumentando o disminuyendo su espesor, lo que determina en ultimas la cantidad de electrones que pueden pasar.

Note que la región de agotamiento es más amplia en el lado del drenador (D), puesto que está sometido a una polarización inversa mayor que la fuente (S). Para un JFET canal N La relación entre el voltaje GS  y la corriente IDS es inversa, puesto que a medida que aumenta el voltaje VGS la corriente IDS disminuye, por eso el dispositivo presenta una resistencia de entrada muy alta y a través de la compuerta (G) solo fluye una corriente muy débil. La corriente ID se puede hacer fluir por cualquier tipo de carga y obtener así ganancia de voltaje o potencia.

La resistencia de entrada de un JFET es del orden de los miles de mega ohmios mientras que la de salida es del orden de los kilo ohmios a mega ohmios.

La transconductancia (gm) es la relación entre el efecto de la tensión de la compuerta (V_GS) sobre la corriente de drejane (I_D), típicamente se encuentra entre los 4 a 10 mA / V y los MOSFET tienden a ser mas altos hasta 20 mA / V

Resistor Controlado por Voltaje

La región óhmica es conocida como resistencia controlada por voltaje, en esta región el FET puede ser usado como un resistor variable, cuya resistencia es controlada por el voltaje aplicado de la compuerta a la fuente. La resistencia del dispositivo entre el drenaje y la fuente cuando el voltaje VDS < Vp (donde Vp es el voltaje de estrechamiento, donde las regiones P casi se tocan), es una función del voltaje aplicado V_GS, entre más negativo este voltaje la curva es mas horizontal. La siguiente ecuación define esta resistencia, teniendo en cuenta la pendiente de la curva

Donde Ro es la resistencia cuando VGS = 0 V y Rd es la resistencia a un nivel particular de VGS

TRANSISTORES MOSFET

La palabra MOSFET proviene de las siglas en ingles METAL OXIDE SEMICONDUCTOR FIELD EFFECT TRANSISTOR (Transistor de efecto de campo de semiconductor de óxido metálico). Es un dispositivo donde la compuerta (G) está aislado eléctricamente del canal mediante una fina capa de óxido metálico (IGFET o MOS)

Tal vez la diferencia más importante entre el JFET y el MOSFET es que el primero solo trabaja con una polaridad en la tensión de la compuerta (+ ò -) mientras que el MOSFET puede trabajar con dos polaridades o con una sola (+ y -), son muy inmunes al ruido, consumen poca potencia y son muy flexibles y se pueden integrar a gran escala, como la famosa familia CMOS de circuitos integrados. Es importante saber que se dañan muy fácil por descarga electrostática.

En la imagen se observa un transistor MOSFET de canal N. La compuerta está aislada eléctricamente mediante una capa de bióxido de silicio (S_iO₂), lo que le ofrece, por ejemplo, una alta impedancia de entrada. Observe que el canal N se forma dentro del sustrato P como en el FET de unión, sin embargo en el MOSFET, el sustrato está conectado eléctricamente a la fuente y no a la compuerta. Aunque la compuerta y el canal no forman una unión PN como en el JFET, la compuerta sigue siendo el terminal que controla la conductividad del canal. Aunque la compuerta y el canal no forman una unión PN como en el JFET, la compuerta sigue controlando la conductividad del canal.

El voltaje entre compuerta y fuente puede ser positivo o negativo y controla la concentración de portadores de corriente, veamos lo siguiente

VGS = NEGATIVO     Electrones son atraídos al canal P

                                      Aumenta la resistencia

                                      Se reduce ID

                                      Opera en MODO AGOTAMIENTO

VGS =  POSITIVO      Electrones son rechazados por el canal P

                                      Disminuye la Resistencia

                                      Aumenta ID

                                      Opera en MODO DE REALCE

Los valores de Trasconductancia (gm) en los MOSFET son similares a los JFET

El Transistor

El transistor

El transistor, inventado en 1948 en los laboratorios Bell, representa un avance bastante importante en el área electrónica, puesto que este dispositivo al ser desarrollado permitió que sucedieran avances significativos en esta área. Un transistor al igual que un diodo, está compuesto de material TIPO N y TIPO P, los cuales ya vimos en la sección de diodos. La diferencia radica en que están fabricados con dos secciones exteriores de un mismo material, ya sea TIPO N o P, y una sección central del otro material sea TIPO N o TIPO P, esto da lugar a transistores tipo NPN o tipo PNP y otras combinaciones.

Como ya sabemos cómo se conduce la electricidad en los materiales tipo N y P solo vamos a enfocarnos en que Transistor deriva de la palabra inglesa Transfer Resistor (resistencia de transferencia). Esto significa que su resistencia interna varía de acuerdo al voltaje o corriente aplicado en uno de sus terminales. Esta propiedad permite al transistor ser usado como interruptor, amplificador, oscilador.

Los transistores se dividen en dos grupos:

Transistores bipolares, que se conocen como PNP o NPN. Sus tres terminales se llaman Base (B), Emisor (E) y Colector (C).

Transistores de Efecto de campo (FET), que se conocen como de CANAL N o CANAL P. Sus tres terminales se conocen como Compuerta (G), Drenador (D) y Fuente (S). Los FET también se fabrican de unión (JFET) y de compuerta aislada (MOSFET)

De acuerdo a su aplicación los transistores se usan para pequeña señal, potencia, de alta frecuencia, etc. Los encapsulados en los que comúnmente vienen los transistores son TO-5, TO-3, TO-220

Como nota especial podemos decir que los transistores se rigen en su notación para identificarlos de acuerdo al sistema Americano, Europeo y Japonés. Los de sistema americano tienen prefijo por 2N y los diodos por 1N. El sistema europeo tiene prefijo dos letras y un numero, ejemplo BC108, BZ120. El sistema japonés los transistores se identifican por el prefijo 2SA, 2SB, 2SC, etc, seguido de un número. Obviamente algunos fabricantes usan su propia simbología.

Características importantes: a) La base es una región muy estrecha y poco dopada, es decir que tiene muy pocos portadores de corriente, esta estrechez facilita el paso rápido de los electrones desde el emisor al colector, b) la región del emisor está fuertemente dopada y tiene una amplia concentración de portadores mayoritarios, c) la región de colector es sumamente amplia y en comparación a la base tiene alta concentración de portadores minoritarios y pocos portadores mayoritarios en comparación al emisor, por tanto la corriente de fuga de B-C es muy pequeña.

EL TRANSISTOR BIPOLAR COMO AMPLIFICADOR

El transistor bipolar es un dispositivo de tres terminales gracias al cual es posible controlar una gran potencia a partir de una pequeña. En la figura se puede ver un ejemplo cualitativo del funcionamiento del mismo. Entre los terminales de colector (C) y emisor (E) se aplica la potencia a regular, y en el terminal de base (B) se aplica la señal de control gracias a la que controlamos la potencia. Con pequeñas variaciones de corriente a través del terminal de base, se consiguen grandes variaciones a través de los terminales de colector y emisor. Si se coloca una resistencia se puede convertir esta variación de corriente en variaciones de tensión según sea necesario.

La función básica de un transistor es la amplificación de corriente, para que esto sea posible la unión E-B debe polarizarse en directo y la unión C-B en inverso, es decir la base es positiva respecto al emisor y negativa respecto al colector, esto para un transistor NPN. Para un transistor PNP la situación es inversa.

Debido a que la unión B-E esta polarizada directamente, el voltaje de la batería, obliga a los electrones del emisor N, combinarse con los pocos huecos que hay en la base P (5%), formándose una corriente de base muy débil. El restante 99% de electrones son atraídos por la fuerte tensión inversa de polarización que hay entre base-colector. Los electrones cruzan extensa región N del colector y viajan hacia el polo positivo de la batería creando una corriente de colector muy intensa.

Lo mismo pasa en los transistores PNP pero la corriente tiene un sentido inverso, ya que los portadores mayoritarios con huecos y no electrones. Adicional a esto las polaridades de las tensiones de polarización directa e inversa son las opuestas al caso NPN.

La relación de las corrientes se da por la formula

IE = IB + IC

Y como la corriente de base es tan pequeña se puede afirmar que

IE=IC

La capacidad de un transistor para amplificar corriente se da por los parámetros de ALFA y BETA

Ahora supongamos que la el voltaje Vee aplicado entre la base y el emisor, es variable. Teniendo en cuenta la relación que nos dice que el voltaje de emisor es similar al voltaje de colector, si el voltaje que ingresa por emisor es variables, variable será su salida. El transistor debe estar en capacidad de de aceptar a la entrada una señal pequeña y proveer a la salida una señal de mayor amplitud.

El circuito de la figura presenta la configuración básica en la cual el transistor amplifica una señal (Emisor Común)

CORRIENTES Y TENSIONES

Para el análisis de las distintas corrientes que aparecen en un transistor vamos a considerar un transistor de tipo PNP, que polarizamos tal y como aparece en la figura. Este tipo de polarización será el usado cuando el transistor trabaje en región activa. La unión emisor-base queda polarizada como una unión en directa, y la unión colector-base como una unión en inversa. En la figura también se muestran las principales corrientes (de electrones y huecos) que aparecen en el transistor tras aplicar la polarización indicada en la figura. Se puede observar lo siguiente:

-Entre el emisor y la base aparece una corriente (IEp + IEn) debido a que la unión está en directa

-El efecto transistor provoca que la mayor parte de la corriente anterior NO circule por la base,

Sino que siga hacia el emisor (ICp)

-Entre el colector y la base circula una corriente mínima por estar polarizada en inversa (ICn más una parte ínfima de ICp)

-Por la base realmente circula una pequeña corriente del emisor, más otra de colector, más la corriente de recombinación de la base (IEn+ ICn+ IBr)

Cada una de las corrientes del transistor se puede poner en función de sus componentes de la siguiente forma: 

I_E         =          I_EN       +          I_EP

I_C         =          I_CN       +          I_CP

I_B         =          I_EN       +          I_CN       +          I_BR

PARÁMETROS ALFA Y BETA

En un transistor bipolar uno de los aspectos más interesantes para su análisis y uso es el conocer las relaciones existentes entre sus tres corrientes (IE, IB e IC). En la ecuación I tenemos una primera relación. Otras relaciones se pueden obtener definiendo una serie de parámetros dependientes de la estructura del propio transistor.

Definimos los parámetros α y β (de continua) como la relación existente entre la corriente de colector y la de emisor, o la de emisor y la de base, es decir:

 = I_C / I_E                  =I_C / I_B        

Operando podemos relacionar ambos parámetros de la siguiente forma:



En general el parámetro α será muy próximo a la unidad1 (la corriente de emisor será similar a la de colector) y el parámetro β tendrá un valor elevado (normalmente > 100).

A partir de las ecuaciones anteriores se puede obtener una más que es útil cuando se trabaja con pequeñas corrientes de polarización, en las que el efecto de la corriente inversa que circula entre colector y base puede no ser despreciable:

I_C = I_B + (+1) I_CO

En esta ecuación se ha denominado IC0 a la corriente inversa de saturación de la unión colector base, la cual, en general se puede aproximar por ICn, y corresponde a la corriente que circularía por dicha unión polarizada en inversa si se deja al aire el terminal de emisor.

REGIONES DE FUNCIONAMIENTO

Corte

Es cuando no circula corriente por sus terminales. Se cumple la condición IE=0 ó IE<0. Para polarizar el transistor en corte basta con no polarizar en directa la unión V_BE, es decir que sea cero la corriente de base.

Activa

Es la operación normal del transistor, en donde hay corriente en todas sus terminales y se cumple que la unión base-emisor esta polarizada en directa y la unión colector-base en inversa.

Se considera entonces lo siguiente:

V_BE  = V_Y

I_C=*I_B

Donde V_Y es la tensión de conducción de la unión base-emisor (normalmente 0.6 V)

Saturación 

Sucede cuando la región BE y BC se encuentran polarizados en directa en donde las tensiones V_BE y V_CE suelen tener valores determinados como 0.8v y 0.2V respectivamente. Cuando está en saturación circula corriente por sus tres terminales pero ya no se cumple la relación I_C = *I_B

 V_BE = V_{BE SAT}

V_CE = V_{CE SAT}

EL EFECTO EARLY

Una vez polarizado el transistor en su zona de funcionamiento se pueden producir variaciones no deseadas de las corrientes, debido a variaciones de la tensión colector-base y son consecuencia de la modulación de la anchura de la base, conocido como el Efecto Early.

En un transistor bipolar, un incremento en la tensión colector-base lleva asociado un incremento en la anchura de la zona de carga espacial de dicha unión. Este aumento provoca una disminución de la anchura efectiva de la base, (la anchura efectiva de la base pasa de WB a W’B). Debido a esto, la corriente de colector aumenta, pues existe menos camino para la recombinación en base. La pendiente positiva de las curvas características del transistor en zona activa es debida a este efecto.

El transistor bipolar tiene unas limitaciones físicas de funcionamiento debido a los fenómenos de avalancha que se pueden producir debido a tensiones elevadas en las uniones. Un transistor se puede destruir debido a:

-Ruptura  por entrar en avalancha alguna de las uniones, en especial la unión base-emisor debido a su alto dopaje es sensible a las altas tensiones.

-Cuando circula una corriente muy elevador por la unión colector-base, disminuye la anchura de la base del transistor, en lo que se denomina Perforación de base

DIODOS

LOS DIODOS

 

Antes de empezar veamos esta definición:

 

El término conductor se aplica a cualquier material que permite un flujo generoso de carga cuando una fuente de voltaje de magnitud limitada se aplica a través de sus terminales

Un aislante o dieléctrico es un material que presenta un nivel muy inferior de conductividad cuando se encuentra bajo la presión de una fuente de voltaje aplicada

Un semiconductor por lo tanto, es un material que posee un nivel de conductividad que se localiza entre los extremos de un dieléctrico y un conductor.

Vimos resumidamente como se produce la electricidad y que los mejores conductores son los metales, y de este grupo lo que tienen ciertas características son lo que realmente se usan.

Ahora bien, la electrónica nació de la búsqueda de hacer que un conductor condujese la electricidad en ciertos momentos, pero resulta que el cobre y otros metales siempre conducen, independiente de la polaridad que se aplica a los extremos del conductor, y los aislantes simplemente no conducen. El problema se resolvió cuando científicos vieron que en la naturaleza existían materiales muy abundantes como son el Germanio, el Silicio y el selenio que podían funcionar como aislantes o conductores mediante técnicas artificiales. El silicio se extrae de la Arena mediante unos procesos especiales. Ahora bien, el Silicio es el que más atención ha ocupado y con el cual se fabrican la mayoría de semiconductores. (Si les suena SILICOM VALLEY ya saben porque es)

 Pero primero lo primero. El silicio, por ejemplo, tiene en su capa de valencia solo 4 electrones, pero por si solo no conduce electricidad pues al fin y al cabo, no tiene “electrones libres”, pues si analizamos su estructura atómica esta completo. Ahora bien ¿Cómo hacer para que quede con carga positiva (menos electrones) o carga negativa (mas electrones)?. La respuesta  es: AÑADIENDO electrones o “DOPANDOLOS” como se conoce en la industria, es decir al Silicio se le añaden algunas impurezas. Es importante saber lo siguiente:

 -Sus átomos tienen un patrón periódico y que se repite continuamente

-Este patrón se denomina CRISTAL y a su arreglo periódico se denomina RED

-por su periodicidad del mismo material se denomina MONOCRISTAL.

-La estructura monocristal tiene forma de Diamante.

-Los cuatro electrones de valencia se encuentran enlazados con otros cuatro electrones de valencia de los átomos adyacentes, formado lo que se llama ENLACE COVALENTE

-El material semiconductor es llamado INTRINSECO cuando esta refinado a tal punto que sus impurezas se han eliminado y este queda con cierta cantidad de portadores libres  “naturales”.

-Un material semiconductor puede conducir mejor cuando aumenta la temperatura, pues aumenta el número de electrones libres.

 Teniendo estos conceptos básicos, ahora si podemos ver de dónde nació algo maravilloso llamado DIODO.

Un material semiconductor EXTRINSECO es aquel que fue dopado con impurezas, es decir se “mezclo” con otros materiales como el antimonio, el arsénico y el fosforo, los cuales son átomos pentavalentes, es decir tienen cinco electrones de valencia. El efecto de esta impureza, es que “ese electrón sobrante” es el que puede escapar del material. En este tipo de dopaje el material recibe el nombre de TIPO N (aunque para que no se les olvide asocien la N con negativo, es decir que los portadores mayoritarios son de carga negativa)

 Ahora cuando el dopaje se lleva a cabo usando átomos con tres electrones libres o trivalentes, como el boro, el galio y el indio, al silicio le “quedan haciendo falta electrones libres”, quedando con carga positiva. A este material semiconductor se le llama TIPO P (aunque para que no se les olvide asocien la P con positivo, es decir que los portadores mayoritarios son de carga positiva)

El material TIPO N cuenta con átomos “donores” y el TIPO P con átomos “aceptores”. Es importante aclarar que ambos materiales aunque en apariencia quedan cargados positiva o negativamente, siguen siendo NEUTRALES, debido a que el número de protones en el núcleo del átomo sigue siendo igual al número de electrones libres con carga negativa en la estructura.

Para efectos prácticos el material tipo N tiene PORTADORES y el tipo P tiene HUECOS. Los portadores tienden a ocupar los HUECOS ante la presencia de una diferencia de potencial

Para formar UN DIODO se unen los materiales TIPO P y TIPO N (ver figura). La frontera de los dos materiales se conoce como Region de Agotamiento y es porque allí se agotan los portadores mayoritarios tanto positivos como negativos, pues se acumulan allí los iones donores y aceptores atrayendo a los portadores minoritarios de cada material.

 

En ausencia de una diferencia de potencial de polarización el flujo neto de carga en cualquier dirección es CERO.

 Ahora si aplicamos una diferencia de potencial o Voltaje a las terminales de cada material tipo N y tipo P ocurre un flujo de corriente, pero solo  EN UN SENTIDO y eso es lo que hace especial al diodo, SOLO CONDUCE EN UNA SOLA DIRECCION.

¿Y porque sucede esto?, Veamos, que pasa si aplicamos un voltaje V con su borne positivo al terminal tipo N y el borne negativo al termina tipo P. Básicamente sucede que la región tipo N tiene portadores mayoritarios negativos y estos se sentirán atraídos por el potencial positivo de la Batería, al suceder esto los iones positivos se acumulan en la región de agotamiento, los mismo sucede con los portadores mayoritarios positivos de la región tipo P que se sentirán atraídos por el potencial negativo de la batería aumentado los iones negativos en la región de agotamiento. Con esta acumulación de iones en la región de agotamiento solo unos cuantos portadores pueden pasar generando una corriente insignificante que en la práctica se reduce a CERO.

 Cuando se aplica un voltaje V con su borne positivo conectado a la región tipo P y con el borne negativo a la región tipo N, sucede un “flujo” de electrones debido a las diferencias de potencial y las fuerzas de atracción entre las cargas, disminuyendo iones en la región de agotamiento y por ende la barrera es fácil de sortear. Esto se debe a que el potencial “presiona” a los electrones a recombinarse con  los iones cercanos a la región de agotamiento. Al disminuir la región de agotamiento los electrones del material tipo N viajaran a la terminal positiva de la batería y así se genera un flujo de corriente.

Podemos así decir que en polarización directa el diodo se comporta como un conductor debido a que presenta una baja resistencia a la corriente y en polarización inversa presenta una alta resistencia a la corriente.

 Ahora bien, los fabricantes de cada DIODO exponen en sus hojas técnicas una seria de curvas. La que más nos interesa saber es el VOLTAJE al cual el diodo empieza a conducir corriente. Revisemos un datasheet de un diodo de uso común y veremos una grafica exponencial donde vemos que a 0.7 voltios el incremento de corriente aumenta significativamente, logrando la conducción, pero a voltajes negativos (polarización inversa) la corriente si apenas aumenta unos microamperios, aunque esto llega a un punto en el que a un determinado voltaje de polarización inversa el diodo conduce, a lo que se conoce como región ZENER. El voltaje de conducción para diodos de silicio es de 0.6 a 0.7 voltios y de 0.3 V para diodos de Germanio.

 

Las hojas técnicas también nos proporcionan información valiosa acerca del diodo como el voltaje directo máximo, la corriente directa máxima, la corriente de saturación inversa, nivel de voltaje inverso o PIV, niveles de capacitancia, etc todo para ciertos niveles de temperatura.

BASICAMENTE ASI ES QUE FUNCIONA UN DIODO, y nunca se te olvide que un diodo normalmente solo conduce la corriente en una sola dirección y su símbolo  es

Sus terminales son conocidas con CATODO (lado tipo N) y ANODO (lado tipo P),

 

TIPOS DE DIODO

En el mercado se pueden conseguir varios tipos de diodos como son los diodos rectificadores, los diodos led, los fotodiodos, el diodo Zener, el diodo SRC, el varicap, el diodo Schottlky, el diodo túnel, etc. Es común que en un solo encapsulado existan varios diodos, por ejemplo en un display de 8 segmentos tenemos 8 diodos leds o en un rectificador de voltaje, 4 diodos conectados. Otros diodos especiales son el Triac y el Diac