Download DISPOSITIVOS ELECTRONICOS DE DOS TERMINALES (7

CAPITULO
2
DISPOSITIVOS ELECTRONICOS DE DOS
TERMINALES (7 Hrs)
Objetivo: El alumno explicará el funcionamiento básico de los principales dispositivos
electrónicos de dos terminales y conocerá algunas de sus aplicaciones.
2.1
Semiconductores Extrínsecos Artificiales…………………………………(1 Hr)
Materiales Semiconductores (Si y Ge). Los materiales semiconductores ideales son
aquellos que tienen propiedades entre los conductores y aislantes es decir no son
buenos conductores no son buenos aislantes.
Estructura
Se trata de materiales en los que, para formar el enlace, los átomos completan su última
capa atómica alcanzando la estructura electrónica estable que puede ser manipulada
eléctricamente. Los electrones se comparten (enlace covalente puro). En Figura 2.1 se
muestra la estructura molecular del silicio ( Si ), material semiconductor por excelencia
empleado en la industria microelectrónica.
Figura 2.1 Estructura molecular del Silicio (Si)
El hecho fundamental es que los electrones quedan semi-ligados al material, al
contrario de lo que sucedía con la nube electrónica de los conductores.
Semiconductores bajo la acción de un campo eléctrico
Si un semiconductor ideal se somete a un campo eléctrico (o a una diferencia de
potencial), es posible la circulación de una pequeña corriente, ya que no existen cargas
semi-libres. Técnicamente son malos conductores y malos aislantes.
MODELO DE BANDAS DE ENERGÍA.
Otra manera de explicar el funcionamiento de los materiales eléctricos es a través del
modelo de bandas de energía donde se representan los electrones de conducción y de
valencia representados en bandas
Figura 2.2 Bandas de Energía de (a) Conductor (b) Semiconductor (c) Aislante
Facultad de Ingeniería Mecánica
Edificio W Ciudad Universitaria
Morelia, Michoacán
Ignacio Franco Torres 20122013
[email protected]
www.fim.umich.mx
Email: [email protected]
Tel: 4433223500 ext 3107, 3109, 3111
1/20
4
II
Be
Mg
30
Zn
48
Cd
80
Hg
12
III
IV
5
6
B
13 Al
31 Ga
49 In
81 Tl
C
14 Si
32 Ge
50 Sn
82 Pb
V
VI
N
15 p
33 As
51 Sb
83 Bi
8O
16 S
34 Se
52 Te
84 Po
7
Tabla 2.1 Parte de la tabla periódica en la que figuran los elementos que juegan un
papel importante en la electrónica de semiconductores
Tipos de semiconductores
Semiconductores simples
Semiconductores compuestos IV-IV
Semiconductores Compuestos III-IV
Semiconductores Compuestos II-VI
Aleaciones
Ejemplos
Si, Ge
SiC, SiGe
GaAs, GaP, GaSb, AlAs, AlP, AlSb, InAs, InP, InSb
ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe
AlxGa1-xAs, GaAs1-xPx, Hg1-xCdxTe, GaxIn1-xAs1-yPy
Tabla 2.2 Tiposde Semiconductores utilizados en aplicaciones electronicas
En la actualidad los dispositivos electrónicos ocupan en su construcción al Silicio y al
Germanio en un 95 %— pero los semiconductores compuestos empiezan a jugar un
papel cada vez más significativo en aplicaciones de alta velocidad y en la
optoelectrónica. Por ese motivo, en este curso se considera al silicio como
semiconductor de referencia, si no se indica otra cosa explícitamente.
Construcción de los semiconductores para uso electrónico. Enfoque de red cristalina
pura, características eléctricas del semiconductor intrínseco.
Los semiconductores naturales deben ser preparados para ser usados como
semiconductores grado electrónico.
 Deben de purificarse, solo deben quedar impurezas en partes por millón (ppm)
 Deben poseer una Red cristalina pura y ordenada
 Se usan Silicio y Germanio generalmente.
Figura 2.3 Red cristalina de Silicio, tridimensional y Bidimensional
Semiconductores Intrínsecos. Se les denomina a los semiconductores que tienen una
red cristalina ordenada y un alto grado de pureza y debido a ello sus propiedades
eléctricas solo dependen de sí mismos y de su forma geométrica cuando se construyen
dispositivos con ellos.
Facultad de Ingeniería Mecánica
Edificio W Ciudad Universitaria
Morelia, Michoacán
Ignacio Franco Torres 20122013
[email protected]
www.fim.umich.mx
Email: [email protected]
Tel: 4433223500 ext 3107, 3109, 3111
2/20
Dopado. Si a los semiconductores intrínsecos se les combina adecuadamente con
elementos del III y con elementos del V grupo se forman los SEMICONDUCTORES
EXTRINSECOS.
2.1.1 Semiconductores Extrínseco Tipo N. Los elementos del V grupo que se usan en la
electrónica junto con el silicio y germanio son: fósforo, arsénico, antimonio y bismuto
que al combinarse con los semiconductores intrínsecos forman los Semiconductores
Extrínseco tipo N.
Figura 2.4 Semiconductor Extrínseco tipo N, (a) Bandas de Energía, (b) Enlace
Covalente
2.1.2 Semiconductores Extrínseco Tipo N. Mientras que los III grupo son: Boro,
Aluminio, Indio y Galio que al combinarse con los semiconductores intrínsecos forman
los Semiconductores Extrínseco tipo P.
Figura 2.5 Semiconductor Extrínseco tipo N, (a) Bandas de Energía (b) Enlaces
Covalentes
Características Eléctricas de semiconductores extrínsecos.
Valores de los intervalos prohibidos de energía, movilidades de electrones y huecos y
conductividades intrínsecas a temperatura ambiente para materiales semiconductores
Intervalo
Conductividad
Movilidad de los
Movilidad de los
Material
Prohibido(eV)
Eléctrica (Ω-m)-1 electrones (m2/V-s) huecos (m2/V-s)
Elemental
Si
1.11
4x10-4
0.14
0.05
Ge
0.67
2.2
0.38
0.18
Compuestos III-V
GaP
2.25
0.05
0.002
GaAs
1.42
10-6
0.85
0.45
InSb
0.17
2x104
7.7
0.07
Compuestos II-VI
Cd
2.40
0.03
ZnTe
2.26
0.03
0.01
Facultad de Ingeniería Mecánica
Edificio W Ciudad Universitaria
Morelia, Michoacán
Ignacio Franco Torres 20122013
[email protected]
www.fim.umich.mx
Email: [email protected]
Tel: 4433223500 ext 3107, 3109, 3111
3/20
El semiconductor Extrínseco es un material en el cual podemos controlar el movimiento
de portadores y por ende la conductividad del material mediante electricidad, podemos
afirmar que un semiconductor extrínseco puede ser controlado eléctricamente para ser
un buen Aislante o un buen conductor sin que el material se deteriore.
2.2
Unión NP ó PN y su polarización……………………………………………………(1 Hr)
2.2.1 Construcción de una Unión y zonas de la unión. Supongamos que se dispone de
un monocristal de silicio puro, dividido en dos zonas con una frontera nítida, definida
por un plano. Una zona se dopa con impurezas de tipo P y la otra de tipo N (portadores
mayoritarios) (Figura 2.6).
La zona P tiene un exceso de huecos, y se obtiene introduciendo átomos del grupo III
en la red cristalina (por ejemplo, boro). La zona N dispone de electrones en exceso,
procedentes de átomos del grupo V (fósforo). En ambos casos se tienen también
portadores de signo contrario, aunque en una concentración varios órdenes de
magnitud inferior (portadores minoritarios).
Figura 2.6 Impurificación del silicio para la obtención de diodos PN
En cada zona la carga total es neutra: por cada electrón hay un ion positivo, y por cada
hueco un ion negativo, es decir, no existen distribuciones de carga neta, ni campos
eléctricos internos.
En el momento mismo de crear dos zonas de diferente concentración de portadores,
entra en juego el mecanismo de la difusión. Como se recordará, este fenómeno tiende a
llevar partículas de donde hay más a donde hay menos. El efecto es que los electrones y
los huecos cercanos a la unión de las dos zonas la cruzan y se instalan en la zona
contraria, es decir:
Electrones de la zona N pasan a la zona P.
Huecos de la zona P pasan a la zona N.
Este movimiento de portadores de carga tiene un doble efecto. Centrémonos en la
región de la zona P cercana a la unión:
El electrón que pasa la unión se recombina con un hueco. Aparece una carga
negativa, ya que antes de que llegara el electrón la carga total era nula.
Al pasar el hueco de la zona P a la zona N, provoca un defecto de carga positiva
en la zona P, con lo que también aparece una carga negativa.
Facultad de Ingeniería Mecánica
Edificio W Ciudad Universitaria
Morelia, Michoacán
Ignacio Franco Torres 20122013
[email protected]
www.fim.umich.mx
Email: [email protected]
Tel: 4433223500 ext 3107, 3109, 3111
4/20
El mismo razonamiento, aunque con signos opuestos puede realizarse para la zona N.
En consecuencia, a ambos lados de la unión se va creando una zona de carga, que es
positiva en la zona N y negativa en la zona P (Figura 2.7).
Figura 2.7: Formación de la unión PN
En el ejemplo de gases, los gases difunden completamente hasta llenar las dos estancias
de la caja y formar una mezcla uniforme. Sin embargo, a diferencia de lo que ocurre
con los gases, en este caso están difundiendo partículas cargadas. La distribución de
cargas formada en la región de la unión provoca un campo eléctrico desde la zona N a
la zona P. Este campo eléctrico se opone al movimiento de portadores según la
difusión, y va creciendo conforme pasan más cargas a la zona opuesta. Al final la fuerza
de la difusión y la del campo eléctrico se equilibran y cesa el trasiego de portadores. En
ese momento está ya formado el diodo de unión PN, y como resultado del proceso se
ha obtenido:
 Zona P, semiconductora, con una resistencia RP.
 Zona N, semiconductora, con una resistencia RN.
 Zona de agotamiento (deplexión): No es conductora, puesto que no posee
portadores de carga libres. En ella actúa un campo eléctrico, o bien entre los
extremos actúa una barrera de potencial.
Hay que tener en cuenta que este proceso sucede instantáneamente en el momento en
el que se ponen en contacto las zonas N y P, y no necesita de ningún aporte de
energía, excepto el de la agitación térmica.
El diodo. Es el primer dispositivo semiconductor de estado sólido o también
denominado el elemento básico de la electrónica, está formado por la unión de los dos
semiconductores extrínsecos N y P, la cual genera una unión que presenta propiedades
eléctricas especiales, según sea su polarización.
2.2.2 Polarización Directa e Inversa, Zonas de Operación. Se le llama
polarización al efecto de aplicar una fuente de tensión entre los extremos del elemento
a polarizar en este caso de una unión NP ó PN. Como el dispositivo es bipolar existirán
dos posibles polarizaciones.
2.2.2.1 Polarización directa
Facultad de Ingeniería Mecánica
Edificio W Ciudad Universitaria
Morelia, Michoacán
Ignacio Franco Torres 20122013
[email protected]
www.fim.umich.mx
Email: [email protected]
Tel: 4433223500 ext 3107, 3109, 3111
5/20
El bloque PN descrito en el apartado anterior (Figura 2.8) en principio no permite el
establecimiento de una corriente eléctrica entre sus terminales puesto que la zona de deplexión
no es conductora.
Figura 2.8: Diodo PN durante la aplicación de una tensión inferior a la de barrera
Sin embargo, si se aplica una tensión positiva en el ánodo, se generará un campo
eléctrico que "empujará" los huecos hacia la unión, provocando un estrechamiento de
la zona de deplexión (Figura 2.9). Sin embargo, mientras ésta exista no será posible la
conducción.
Figura 2.9 Diodo PN bajo la acción de una tensión mayor que la de barrera
Si la tensión aplicada supera a la de la barrera, desaparece la zona de deplexión y el
dispositivo conduce.
De forma simplificada e ideal, lo que sucede es lo siguiente (Figura 2.9):
Electrones y huecos se dirigen a la unión.
En la unión se recombinan.
En resumen, polarizar un diodo PN en directa es aplicar tensión positiva a la zona P y
negativa a la zona N. Un diodo PN conduce en directa porque se inunda de cargas
móviles la zona de deplexión.
La tensión aplicada se emplea en:
Vencer la barrera de potencial.
Mover los portadores de carga.
Facultad de Ingeniería Mecánica
Edificio W Ciudad Universitaria
Morelia, Michoacán
Ignacio Franco Torres 20122013
[email protected]
www.fim.umich.mx
Email: [email protected]
Tel: 4433223500 ext 3107, 3109, 3111
6/20
2.2.1.2 Polarización inversa
Al contrario que en el apartado anterior, al aplicar una tensión positiva a la zona N y
negativa a la zona P, se retiran portadores mayoritarios próximos a la unión. Estos
portadores son atraídos hacia los contactos aumentando la anchura de la zona de
deplexión. Esto hace que la corriente debido a los portadores mayoritarios sea nula
(Figura 2.10).
Ahora bien, en ambas zonas hay portadores minoritarios. Un diodo polarizado en
inversa lo está en directa para los minoritarios, que son atraídos hacia la unión. El
movimiento de estos portadores minoritarios crea una corriente, aunque muy inferior
que la obtenida en polarización directa para los mismos niveles de tensión.
Figura 2.10: Diodo PN polarizado en inversa
Al aumentar la tensión inversa, llega un momento en que se produce la ruptura de la
zona de deplexión, al igual que sucede en un material aislante: el campo eléctrico
puede ser tan elevado que arranque electrones que forman los enlaces covalentes
entre los átomos de silicio, originando un proceso de rotura por avalancha. (Nota: Sin
embargo, ello no conlleva necesariamente la destrucción del diodo, mientras la
potencia consumida por el diodo se mantenga en niveles admisibles).
2.2.3 Zonas de Operación
Característica tensión-corriente
La Figura 2.11 muestra la característica V-I (tensión-corriente) típica de un diodo real e
ideal b).
En la gráfica se aprecian claramente diferenciadas las diversas regiones de
funcionamiento explicadas en el apartado anterior:
Región de conducción en polarización directa (PD).
Región de corte en polarización inversa (PI).
Región de conducción en polarización inversa (VBR, PIV).
Por encima de 0 Voltios, la corriente que circula es muy pequeña, hasta que no se
alcanza la tensión de barrera (VON). El paso de conducción a corte no es instantáneo: a
partir de VON la resistencia que ofrece el componente al paso de la corriente disminuye
Facultad de Ingeniería Mecánica
Edificio W Ciudad Universitaria
Morelia, Michoacán
Ignacio Franco Torres 20122013
[email protected]
www.fim.umich.mx
Email: [email protected]
Tel: 4433223500 ext 3107, 3109, 3111
7/20
progresivamente, hasta quedar limitada sólo por las resistencias internas de las zonas P
y N. La intensidad que circula por la unión aumenta rápidamente. En el caso de los
diodos de silicio, VON se sitúa en torno a 0.7 v.
a)
b)
Figura 2.11: a) Característica I-V de un diodo real. b) Características I-V de un diodo
Ideal
Cuando se polariza con tensiones menores de 0 Voltios, la corriente es mucho menor
que la que se obtiene para los mismos niveles de tensión que en directa, hasta llegar a
la ruptura, en la que de nuevo aumenta.
Figura 2.12 Detalles de las Zonas de funcionamiento de un Diodo
Facultad de Ingeniería Mecánica
Edificio W Ciudad Universitaria
Morelia, Michoacán
Ignacio Franco Torres 20122013
[email protected]
www.fim.umich.mx
Email: [email protected]
Tel: 4433223500 ext 3107, 3109, 3111
8/20
Diferencias entre el diodo de unión PN y el diodo ideal
Las principales diferencias entre el comportamiento real y ideal son:
La resistencia del diodo en polarización directa no es nula.
La tensión para la que comienza la conducción es VON.
En polarización inversa aparece una pequeña corriente.
A partir de una tensión en inversa el dispositivo entra en conducción por
avalancha.
En la Figura 2.13 vemos representadas más claramente estas diferencias entre los
comportamientos del diodo de unión PN e ideal.
Figura 2.13: Características más importantes del diodo de unión PN Real
2.3 Diversos Tipos de Diodos y aplicaciones……………………………………… (5 Hrs)
Existen varias clasificaciones para los diodos. Puedes encontrar en base al
semiconductor utilizado:
Diodos de germanio
Diodos de silicio
De semiconductores compuestos
Los más utilizados son los de silicio, y son los que presentan los 0.6~0.7 voltios de
tensión de umbral (Vγ=Voltaje Gama), mientras que los de germanio poseen una
tensión de 0.3 voltios. El voltaje de umbral es función de los materiales con los cuales se
fabrica el diodo.
Otra clasificación se hace en función de las características especiales de cada diodo
2.3.1 Diodo rectificador. Estos diodos tienen su principal aplicación en la conversión
de corriente alterna AC, en corriente continua DC.
Facultad de Ingeniería Mecánica
Edificio W Ciudad Universitaria
Morelia, Michoacán
Ignacio Franco Torres 20122013
[email protected]
www.fim.umich.mx
Email: [email protected]
Tel: 4433223500 ext 3107, 3109, 3111
9/20
A significa Ánodo (+) y la K significa Cátodo (-). En la
imagen de su aspecto físico observamos una franja
blanca, esta representa al cátodo.
Símbolo:
Aspecto físico:
Aspecto físico:
Símbolo
destinados.
Los fabricantes han incluido dentro de una misma
cápsula cuatro diodos rectificadores con montaje
llamado "en puente".
Observamos en el símbolo dos terminales de entrada de
corriente alterna y dos de salida de corriente continua.
Los terminales del puente rectificador pueden cambiar,
dependiendo del fabricante. Vemos que pueden tener
distintos aspectos, que dependen sobre todo de la
potencia que sea necesaria en el circuito al que van
AplicacionesSe utilizan en fuentes de alimentación con o sin transformador conectadas a Corriente
Alterna para obtener una Corriente directa o continua.
Rectificador de media Onda
Ondas sin capacitor
Rectificador de Media Onda (RMO)
positivo
Ondas con capacitor
Ondas sin capacitor
Rectificador de Media Onda (RMO)
Negativo
Ondas con capacitor
Facultad de Ingeniería Mecánica
Edificio W Ciudad Universitaria
Morelia, Michoacán
Ignacio Franco Torres 20122013
[email protected]
www.fim.umich.mx
Email: [email protected]
Tel: 4433223500 ext 3107, 3109, 3111
10/20
Rectificador de Onda Completa
Con Derivación
Ondas sin capacitor
Ondas con capacitor
Tipo Puente
Facultad de Ingeniería Mecánica
Edificio W Ciudad Universitaria
Morelia, Michoacán
Ignacio Franco Torres 20122013
[email protected]
www.fim.umich.mx
Email: [email protected]
Tel: 4433223500 ext 3107, 3109, 3111
11/20
Ondas sin capacitor
Ondas con capacitor
2.3.2 Diodo Zener
Diodo Zener (se utilizan como
reguladores de voltaje, voltajes de
referencia,
entre
muchas
otras
funciones) opera en el tercer
cuadrante PI, en el primer cuadrante
PD opera como un diodo rectificador.
Debemos conocer tres características
eléctricas importantes:
Vz Voltaje Zener nominal.
IZmáx Corriente máxima del Zener.
Potencia Nominal del Zener.
Facultad de Ingeniería Mecánica
Edificio W Ciudad Universitaria
Morelia, Michoacán
Ignacio Franco Torres 20122013
[email protected]
www.fim.umich.mx
Email: [email protected]
Tel: 4433223500 ext 3107, 3109, 3111
12/20
RLim
RLim mín
Vin máx VZ
I zener máx 1
( Z Z I Zener máx )
ZZ
VZ
RLoad máx
RLoad máx
Vin mín
RLim máx
I zener mín 1
Vin
VD1
I zener I Load
VZ ( Z Z I Zener mín )
ZZ
VZ
RLoad mín
RLoad mín
2.3.3 Diodo Led
EAST CLEVELAND, OHIO (9 de octubre de 2012) - Hoy hace
cincuenta años, el científico de GE, Nick Holonyak, a sus 33
años de edad, inventó el primer diodo emisor de luz de
espectro visible, un dispositivo que sus colegas de GE en ese
momento apodaron “el mágico” porque su luz, a diferencia de
los láseres infrarrojos, era visible al ojo humano.
http://www.ece.illinois.edu/di
rectory/profile.asp?nholonya
Nick Holonyak, Jr
287 Micro and
Nanotechnology Lab
208 N. Wright Street
Urbana, Illinois 61801
(217) 333-4149
[email protected]
LED es la abreviatura en lengua inglesa para Light Emitting
Diode, que en su traducción al español correspondería a
Diodo Emisor de Luz.
Un LED consiste en un dispositivo que en su interior contiene
un material semiconductor que al aplicarle una pequeña
corriente eléctrica produce luz. La luz emitida por este
dispositivo es de un determinado color que no produce calor,
por lo tanto, no se presenta aumento de temperatura como si
ocurre con muchos de los dispositivos comunes emisores de luz.
El color que adquiera la luz emitida por este dispositivo dependerá de los materiales
utilizados en la fabricación de este. En realidad dependerá del material semiconductor,
que dará una luz que puede ir entre el ultravioleta y el infrarrojo, incluyendo en el
medio toda la gama de colores visibles al ojo humano.
En el año 1962 fue creado el primer dispositivo LED, su creador fue Nick Holonyak, uno
de los ingenieros de General Electric. Sin embargo, este tipo de dispositivo no tiene una
gran popularidad hasta hace solo unos años atrás, cuando el científico japonés, Shuji
Nakamura, descubre, en 1993, una fórmula más económica para crear luz azul
utilizando Nitruro de Galio y Nitruro de Indio.
La importancia de este descubrimiento radica en que la fabricación de luz roja y verde,
a pesar de ser fácil y barata, no bastaba para la creación de la necesaria luz blanca que
Facultad de Ingeniería Mecánica
Edificio W Ciudad Universitaria
Morelia, Michoacán
Ignacio Franco Torres 20122013
[email protected]
www.fim.umich.mx
Email: [email protected]
Tel: 4433223500 ext 3107, 3109, 3111
13/20
utilizamos para, por ejemplo, poder ver la pantalla de este computador. Para la
fabricación de luz blanca es necesario mezclar partes iguales de luz roja, verde y azul.
De este modo, si nos acercamos a la pantalla y observamos con mucho detalle, veremos
que ésta se encuentra formada por miles y diminutos puntos de estos tres colores.
Como se dijo anteriormente, los dipositivos LED pueden emitir luz de una amplia gama
de colores, sin embargo, aquellos que emiten luz infrarroja, son denominados IRED
(Infra Red Emitting Diode). Estos dispositivos son ampliamente utilizados en aparatos de
uso cotidiano de nuestros hogares, como por ejemplo en equipos de sonido y todo tipo
de controles remoto.
Muchas son las ventajas de la utilización de diodos LED, entre las que encontramos su
reducido tamaño en comparación a una ampolleta común, dando ambas la misma
luminosidad. Por otra parte, su duración es considerablemente mayor, ya que un diodo
LED tiene la capacidad de mantenerse encendido por 50.000 horas, es decir, por 6 años
en continuo. Sin embargo, su alto precio hace que estos dispositivos aún no sean de
uso común en nuestros hogares, pero comienzan a ganar terreno y una gran
importancia en nuestras calles con los semáforos, asi como también se abren paso en el
mercado de los deportes extremos, por ejemplo, en linternas de montaña.
Cálculo de R resistencia de polarización del LED
R = (Vs - Vd) / Id
Vd= Voltaje del diodo entre 1.2 - 5V
Id= Corriente del diodo entre 10 - 20 mA para diodos de
propósito general
Ejemplo para Vs=12 V, Vd=1.5 V, Id=10 mA  R = 1050 Ω ó de valor
comercial de 1 KΩ
2.3.4 Diodo Diac
El DIAC es un diodo de disparo bidireccional, especialmente diseñado para
disparar TRIACs y Tiristores (es un dispositivo disparado por tensión).
Tiene dos terminales: MT1 y MT2. Ver el diagrama.
El DIAC se comporta como dos diodos zener conectados en serie, pero
orientados en forma opuesta. La conducción se da cuando se ha superado el
valor de tensión del zener que está conectado en sentido opuesto.
El DIAC normalmente no conduce, sino que tiene una pequeña corriente de fuga. La
conducción aparece cuando la tensión de disparo se alcanza.
Cuando la tensión de disparo se alcanza, la tensión en el DIAC se reduce y entra en
conducción dejando pasar la corriente necesaria para el disparo del SCR o TRIAC.
Se utiliza principalmente en aplicaciones de control de potencia mediante control de
fase.
La curva característica del DIAC se muestra a continuación
Facultad de Ingeniería Mecánica
Edificio W Ciudad Universitaria
Morelia, Michoacán
Ignacio Franco Torres 20122013
[email protected]
www.fim.umich.mx
Email: [email protected]
Tel: 4433223500 ext 3107, 3109, 3111
14/20
En la curva característica se observa que cuando
+V o -V es menor que la tensión de disparo, el
DIAC se comporta como un circuito abierto
Cuando +V o -V es mayor que la tensión de
disparo, el DIAC se comporta como un
cortocircuito
Sus principales características son:
Tensión de disparo
Corriente de disparo
Tensión de simetría (ver grafico anterior)
Tensión de recuperación
Disipación de potencia (Los DIACs se fabrican
con capacidad de potencia de 0.5 a 1 watt.)
2.3.5 Fotodiodo
Un fotodiodo de unión consiste básicamente en una unión
NP polarizada en sentido inverso (campo eléctrico en
sentido contrario al propio de la unión), de manera que se
cree una zona de difusión desprovista de portadores, cuya
anchura depende del potencial aplicado:
Fotodiodo de unión NP
Cuando no llega ninguna radiación luminosa a esta región, los electrones no tienen
energía suficiente para atravesarla y por ello la corriente será prácticamente nula.
Cuando la radiación luminosa es de la longitud de onda adecuada e incide en la zona
de difusión, se crean pares electrón - hueco que son atraídos por el campo eléctrico
aplicado, resultando una corriente inversa por la unión NP proporcional a la energía
absorbida y por lo tanto al flujo luminoso que incide sobre la unión, tal y como se
muestra en la siguiente curva característica de un fotodiodo genérico:
Facultad de Ingeniería Mecánica
Edificio W Ciudad Universitaria
Morelia, Michoacán
Ignacio Franco Torres 20122013
[email protected]
www.fim.umich.mx
Email: [email protected]
Tel: 4433223500 ext 3107, 3109, 3111
15/20
Puede verse que el elemento se comporta como un generador de corriente casi
constante hasta que se alcanza su tensión de ruptura, tras lo cual se produce una
avalancha de portadores y la destrucción del dispositivo. Los fotodiodos pueden
fabricarse sobre material base de silicio o de germanio y, en cualquier caso, la unión se
forma por el proceso de difusión para obtener una superficie de unión grande y
uniforme. La sensibilidad relativa del silicio y la del germanio son similares, quedando la
respuesta de este último más próxima a las frecuencias del infrarrojo y teniendo el
primero una respuesta más uniforme en la radiación visible. Sin embargo, el silicio
presenta una serie de ventajas sobre el germanio tal y como se detallan a continuación:
Tabla de comparación de las características de los fotodiodos
Las corrientes que pueden obtenerse con los fotodiodos son muy limitadas, por ello se
recurre a un proceso de amplificación, siendo aquellos meros sensores de muy pequeña
potencia
2.3.6 Celda fotovoltaica.
Fotovoltaica es la conversión directa de luz en
electricidad a nivel atómico. Algunos materiales
presentan una propiedad conocida como efecto
fotoeléctrico que hace que absorban fotones de
luz y emitan electrones. Cuando estos electrones
libres son capturados, el resultado es una
corriente eléctrica que puede ser utilizada como
electricidad.
Facultad de Ingeniería Mecánica
Edificio W Ciudad Universitaria
Morelia, Michoacán
Ignacio Franco Torres 20122013
[email protected]
www.fim.umich.mx
Email: [email protected]
Tel: 4433223500 ext 3107, 3109, 3111
16/20
El primero en notar el efecto fotoeléctrico fue el físico
francés Edmundo Bequerel, en 1839. Él encontró que
ciertos materiales producían pequeñas cantidades de
corriente eléctrica cuando eran expuestos a la luz. En
1905, Albert Einstein describió la naturaleza de la luz y el
efecto fotoeléctrico, en el cual está basada la tecnología
fotovoltaica. Por este trabajo, se le otorgó más tarde el
premio Nobel de física. El primer módulo fotovoltaico fue
construido en los Laboratorios Bell en 1954. Fue descrito
como una batería solar y era más que nada una
curiosidad, ya que resultaba demasiado costoso como
para justificar su utilización a gran escala. En la década de
los 60´s, la industria espacial comenzó por primera vez a
hacer uso de esta tecnología para proveer la energía eléctrica a bordo de las naves
espaciales. A través de los programas espaciales, la tecnología avanzó, alcanzó un alto
grado de confiabilidad y se redujo su costo. Durante la crisis de energía en la década de
los 70´s, la tecnología fotovoltaica empezó a ganar reconocimiento como una fuente
de energía para aplicaciones no relacionadas con el espacio.
El diagrama ilustra la operación de una celda
fotovoltaica, llamada también celda solar. Las celdas
solares están hechas de la misma clase de materiales
semiconductores, tales como el silicio, que se usan en
la industria microelectrónica. Para las celdas solares,
una delgada rejilla semiconductora es especialmente
tratada para formar un campo eléctrico, positivo en un
lado y negativo en el otro. Cuando la energía luminosa
llega hasta la celda solar, los electrones son golpeados
y sacados de los átomos del material semiconductor. Si
ponemos conductores eléctricos tanto del lado
positivo como del negativo de la rejilla, formando un
circuito eléctrico, los electrones pueden ser capturados
en forma de una corriente eléctrica --es decir, en
electricidad-. La electricidad puede entonces ser usada
para suministrar potencia a una carga, por ejemplo
para encender una luz o energizar una herramienta.
Un arreglo de varias celdas solares conectadas eléctricamente unas con otras y
montadas en una estructura de apoyo o un marco, se llama módulo fotovoltaico. Los
módulos están diseñados para proveer un cierto nivel de voltaje, como por ejemplo el
de un sistema común de 12 voltios. La corriente producida depende directamente de
cuánta luz llega hasta el módulo.
3.7 Fotorresistencia (Light Dependent Resistor, LDR, Resistor dependiente de la Luz)
Es un componente fotosensible a la luz. A diferencia de la resistencia fija donde el valor
óhmico no varía, la fotorresistencia tiene la particularidad de variar su valor óhmico en
Facultad de Ingeniería Mecánica
Edificio W Ciudad Universitaria
Morelia, Michoacán
Ignacio Franco Torres 20122013
[email protected]
www.fim.umich.mx
Email: [email protected]
Tel: 4433223500 ext 3107, 3109, 3111
17/20
función de la luz que incide sobre ella, cuanto más luz recibe más bajo es su valor
óhmico y cuanto menos luz recibe más alto es su valor óhmico.
Símbolo de la fotorresistencia y aspecto físico
Ejemplo
En la figura de arriba se puedes observar un par de circuitos de ejemplo. La diferencia
que hay de un circuito al otro es la disposición de la LDR y la resistencia fija y como
consecuencia obtendremos una tensión de salida Vout diferente en ambos circuitos.
Básicamente este circuito se conoce como un divisor de tensión resistivo, en este caso
formado por una resistencia fija en serie con la LDR.
En los dos circuitos tenemos una tensión de entrada Vin, esta tensión se reparte por las
dos resistencias ya que están en serie (ley de mallas de Kirchhoff),la tensión de la LDR y
la fija dependerá de la resistencia eléctrica de ambas.
El funcionamiento del circuito de la izquierda es como sigue: cuando incide luz sobre la
LDR esta baja su resistencia eléctrica aumentando la tensión sobre la resistencia fija,
como consecuencia obtendremos un tensión de salida Vout baja (Nivel lógico 0), por
contra si mantenemos la LDR en la oscuridad aumenta su resistencia eléctrica
disminuyendo la tensión en bornes de la resistencia fija y obteniendo una tensión de
salida alta (Nivel lógico 1).
El circuito de la derecha tiene un comportamiento inverso al de la izquierda por la
disposición de las resistencias. Su funcionamiento es como sigue: si aplicamos luz sobre
la LDR baja su resistencia y en consecuencia obtenemos una tensión Vout alta (Nivel
lógico 1),en la oscuridad aumenta su resistencia y tenemos en su salida Vout un nivel
bajo (Nivel lógico 0).
Facultad de Ingeniería Mecánica
Edificio W Ciudad Universitaria
Morelia, Michoacán
Ignacio Franco Torres 20122013
[email protected]
www.fim.umich.mx
Email: [email protected]
Tel: 4433223500 ext 3107, 3109, 3111
18/20
2.3.8 Termistores (Resistor dependiente de la temperatura) NTC y PTC
Termistores (Resistor dependiente de la temperatura) NTC y PTC
Un termistor es un ejemplo clásico de dispositivo electrónico fabricado con
semiconductores intrínsecos, tiene típicamente un coeficiente que lo hace dependiente
de la temperatura, es decir su resistencia eléctrica depende de la temperatura, si lo hace
de forma negativa, es decir si al aumentar la temperatura disminuye su resistencia se
dice que es NTC (Negative Temperature Coeficient) o PTC (Positive Temperature
Coeficient) si lo hace de manera opuesta.
Figura 7 Resistencia Vs Temperatura en termistores NTC y PTC y Símbolo
Su uso es como sensor de temperatura o como compensador dependiente de la
temperatura.
Aplicaciones del termistor a) Corriente dependiente de Temperatura, b) Voltaje
dependiente de Temperatura c) Termómetro con termistor
2.3.9 Otros Diodos
También puedes encontrar diodos con distintas funciones:
Facultad de Ingeniería Mecánica
Edificio W Ciudad Universitaria
Morelia, Michoacán
Ignacio Franco Torres 20122013
[email protected]
www.fim.umich.mx
Email: [email protected]
Tel: 4433223500 ext 3107, 3109, 3111
19/20
Diodo túnel o Esaki (poseen una curva I-V,
especial)
Varicap (poseen una capacitancia que depende la
tensión inversa aplicada, se utilizan en la
sintonización de las nuevas radios)
Diodo Schotcky (tienen una tensión de umbral de
0.3 voltios)
Diodos de señal (son los mas sencillos y sirven para
la circuitería en general)
Facultad de Ingeniería Mecánica
Edificio W Ciudad Universitaria
Morelia, Michoacán
Ignacio Franco Torres 20122013
[email protected]
www.fim.umich.mx
Email: [email protected]
Tel: 4433223500 ext 3107, 3109, 3111
20/20