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CIDEAD. 2º BACHILLERATO. Electrotecnia.
Tema 14.- La electrónica digital.
Desarrollo del tema.1. Los elementos no lineales de un circuito.
2. Las resistencias variables.
3. Los semiconductores. Teoría de las bandas.
4. La unión p-n de un diodo.
5. El transistor.
6. El tiristor.
7. El relé.
8. La electrónica digital.
1-La electrónica
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Tema 14.- La electrónica digital.
1. Los elementos no lineales de un circuito.
Existen elementos en un circuito, cuya variación de diferentes magnitudes sigue una
relación lineal. Por ejemplo las resistencias óhmicas, ya que cumplen la ley de OHM , V = R.I, y su
representación (I frente a V) será una recta que pasa por el origen de coordenadas.
Existen otros elementos no lineales, en los que la variación de cierta magnitud referente a
una de las magnitudes eléctricas fundamentales (I , V o R) no sigue una relación lineal. Así, por
ejemplo , la resistencia LDR, varia de forma hiperbólica respecto a la intensidad de luz recibida:
R=
A
, siendo A un parámetro que dependen del material con
α
I luz
el que está fabricada la resistencia LDR y el exponente α varía entre 0,7 y 1,5
Dentro de los elementos no lineales se consideran:
a. Las resistencias no óhmicas : Termistores NTC, PTC.
Resistencias LDR
Varistores VDR
b. Elementos electrónicos : diodos, transistores, tiristores, etc
c. Los relés.
2. Las resistencias variables.
Las resistencias variables, utilizadas como sensores en los circuitos electrónicos, son las
siguientes:
a. Fotorresistores. Son aquellas resistencias cuyo valor depende de la intensidad de luz que
incide en ellas. Se denominan LDR (Light Dependent Resistor) y su magnitud depende del
flujo luminoso por unidad de superficie que incide sobre ellas.
Se encuentran formadas por un soporte cerámico donde se colocan semiconductores del tipo
Si, Ge o ciertas sales como In As y el In Sb , recubierto de una lámina de material
transparente.
Para su instalación es necesario utilizar un divisor de tensión. El instrumento utilizado para
medir la intensidad de luz incidente es el luxómetro y su unidad en el sistema internacional
es el lux.
Si se va a utilizar una LDR se debe de tener en cuenta que es necesario utilizar valores de R
elevadas cuando la iluminación es grande y resistencias pequeñas cuando la intensidad
luminosa es pequeña. Por otra parte, la rapidez de respuesta de la LDR es pequeña,
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empleándose para medidas estáticas. Para las dinámicas se debe de emplear células
fotoeléctricas.
b. Las termorresistencias RTD (Resistor Thermal Detector).Es un hilo metálico cuya
resistencia depende de la temperatura. La expresión matemática es la siguiente:
RT = R 0 . ( 1 + α Δ T ) ; Δ T = T – T 0
• T0 es la temperatura inicial cuya resistencia es R0
• T es la temperatura final cuya resistencia es R
• α es un coeficiente que depende del material; se mide en ºC -1 o ºK-1 . En la
mayoría de las ocasiones es positivo.
En las siguientes tablas se expresan los valores de la resistividad y del coeficiente α para algunos
materiales:
Los RTD están constituidos por un hilo muy fino de Pt, Ni o Cu , que se encuentra bobinado
entre capas de material aislante y revestido por una carcasa de vidrio o cerámico. El que más se
utiliza es el de Pt , que posee una resistencia de 100 Ω a 0ºC . Es la sonda Pt - 100.
Para medir los valores de las sondas se
recurre al puente de Wheatstone , en donde en
una de las ramas se coloca un potenciómetro
y a continuación la sonda. En la otra rama se
utilizan dos resistencias de referencia:
R 1 I1 = R x I2
R2 I1 = Rpt I2 ;; Rpt = RX .
R2
R1
c.
Los
termistores
.
Son
semiconductores cuya resistencia depende de la temperatura . Las hay de dos tipos :
NTC ( Negative Temperature Coefficient)
▪ PTC (Positive Temperature Coefficient)
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Las NTC poseen un coeficiente de variación con la temperatura elevado y negativo. Su
resistencia experimenta una variación rápida frente a la temperatura , aunque el cambio de
temperatura sea pequeño. Se instala, al igual que la LDR, mediante un divisor de tensión:
T-
Símbolo
El valor de la Resistencia a una temperatura T, viene expresada por la relación:
R= R0 .e
( β ( 1 − 1 ))
T T0
→ I=
U
u β es una constante del material en un intervalo
=
R+ RT R moderado de temperatura.
Se pueden usar los puentes de Wheatstone para
la determinación indirecta de los valores de la resistencia.
PTC.- Es una resistencia, en la cual sus propiedades cristalinas se modifican a un
determinada temperatura, por lo que se produce un aumento de su resistencia eléctrica . La
temperatura de cambio suele estar entre 50 y 140 º C . El cambio es muy rápido, por lo que se
utilizan para medidas puntuales y no para medidas continuas, usándose como sensores de alarma .
Las PTC se suelen utilizar con divisores de tensión.
Problema 1.- Sabiendo que la resistencia de un termistor NTC a 20º C es 10 kΩ . Cuál
será su resistencia a 80º C sabiendo que el valor de la constante es de β = 3400 ºK
Resolución.- T0 = 273 + 20 = 293 º K ;; T = 80 + 273 = 353 º K
1
1
RT = R0 e   T −T
0

1
1
= 10 . e 3400 353 − 293  = 1391 Ω
c. Los Varistores (VDR) (Voltage Dependent Resistor) . Son dispositivos cuya resistencia
depende de la tensión aplicada
La relación entre la intensidad y la tensión se encuentra en
α
la siguiente expresión: I =±U
U es la tensión aplicada al varistor.
K es una constante que depende del varistor
α es un exponente no lineal
Símbolo del varistor
Los varistores se utilizan para la protección de equipos cuando ocurren picos de tensión.
3. Los semiconductores. Teoría de las bandas.
Para explicar el comportamiento de los semiconductores, es necesario recurrir a la teoría de
las bandas de Blogg.
La estructura atómica establece que el núcleo central se rodea de una serie de orbitales a
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distintos niveles de energía, que admiten como máximo dos electrones ( de spines antiparalelos).
Cuando los estados son condensados ( metales) los orbitales se entrecruzan y dan lugar a bandas de
energía. Estas bandas de energía se reparten en zonas permitidas y zonas prohibidas, en donde no se
pueden albergar electrones.
Los metales, poseen la segunda banda de energía permitida y con niveles de energía libres,
solapada con la primera banda de energía permitida, por lo que los electrones que ocupan esta
primera banda, pueden saltar a la segunda banda sin ningún aporte de energía extra; los metales son
conductores, al poderse los electrones mover libremente. Los metales ocupan prácticamente toda la
tabla periódica.
Los materiales aislantes, que no conducen la corriente eléctrica, poseen una primera banda
de energía permitida completamente ocupada por los electrones, estando la segunda banda de
energía permitida a un nivel superior, encontrándose en medio una banda ancha de energía
prohibida, por lo que no es posible que conduzcan la corriente eléctrica. Ocupan la parte de la
derecha de la tabla periódica.
Los semimetales o semiconductores poseen una zona prohibida entre dos zonas
permitidas(la primera completamente llena de electrones y la segunda completamente vacía)
estrecha, por lo que un aporte extra de energía ( la luz , agitación térmica o la presencia de trazas de
impurezas) pude hacer que sean conductores.
Los semiconductores se encuentran en la familia de los carbonoideos (IV -a) donde el C es
aislante, el Si y el Ge son semiconductores y el Sn y Pb son metales conductores.
En el caso de los conductores, su resistencia aumenta con la temperatura. En el caso de los
semiconductores, su resistencia disminuye con la temperatura.
En el siguiente esquema se representa los tres tipos de materiales:
Banda de coducción.
Banda de valencia
La anchura de la banda prohibida en el caso del Si es de 1,12 eV y para el Ge 0,72 eV.
Cuando los semiconductores adquieren una cierta energía externa : por la temperatura, por la
acción de la luz solar o por la acción de un campo electrostático, los semiconductores consiguen
una cierta conductividad, denominada intrínseca.
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Impurezas
añadidas en
concentración
ppm
E aportada por la
temperatura o la
energía solar
Las impurezas añadidas actúan como un ascensor
permitiendo a os electrones moverse por la banda
de conducción.
El añadir impurezas en cantidad de trazas (ppm = mg/Kg , o mg/litro) , supone dopar al
semiconductor. El dopaje puede ser mediante la introducción de impurezas de tipo p ( usando el B,
el Ga o el In), añadiendo huecos al retículo cristalino:
Los átomos con huecos, se
sitúan a un nivel Ea de la
banda de valencia, pasando
electrones a dicho nivel
dejando huecos en la banda de
valencia.
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Otra forma es añadir elementos que añaden electrones libres a la red cristalina. Estas impurezas,
añadidas en forma de trazas, son las correspondientes al P , As o Sb .
Según la teoría de las bandas, los
cuatro electrones del antimonio
se colocarán en la banda de
valencia, en tanto que el quinto,
al no tener cabida, encuentra
una posición en el nivel ED
situada a una distancia de 0,1 eV
de la banda conductora. Una
mínima aportación de energía
hace que el electrón pase a dicha
banda quedando un hueco + que
llamará a los electrones de la
banda de energía permitida.
En la siguiente tabla se puede apreciar la sinapsis de lo
anteriormente explicado:
Conducción intrínseca
Conducción de
semiconductores
los
Conducción extrínseca
Electrones y huecos en la misma cantidad
Impurezas de átomos Electrones libres
dadores pentavalentes
(mayoritarios)
P, As, Sb
Huecos (minoritarios)
Impurezas de átomos Huecos (mayoritarios)
aceptadores trivalentes
Electrones libres
B, Ga, In
(minoritarios)
4. La unión p-n de un diodo.
Cuando se une una pastilla de semiconductor n con otra p, se produce entre ellos el
fenómeno de difusión. Al existir un exceso de huecos en el semiconductor p y exceso de electrones
en el de tipo n, éstos pasarán a los huecos de p, cargándose negativamente y dejando defecto
electrónico en el semiconductor-n, cargándose positivamente. Esta zona cargada en lod límites de
unión de los dos semiconductores, recibe el nombre de zona de carga especial o zona de transición.
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Esta zona de transición da lugar a un campo electrostático que desempeña un papel de
barrera que se opone al paso de los electrones hacia la región p y de los huecos hacia la región n.
Este campo se opone a la difusión, llegando un momento que el sistema se equilibra.
En esta estructura puede ocurrir una polarización directa o inversa. La polarización directa
se produce cuando se aplica una tensión entre los extremos del diodo, de tal forma que la armadura
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del semiconductor p se conecta al polo positivo del generador de DC y el semiconductor n , se
conecta al polo negativo del mismo. En este caso se favorece la transición y la barrera de potencial
se hace más estrecha, permitiendo el paso de la corriente.
La polarización inversa ocurre cuando el semiconductor p se conecta al polo negativo del
generador de DC, en tanto que el semiconductor n se conecta al polo positivo del mismo. En este
caso, la barrera de potencial aumenta impidiendo el paso de la corriente eléctrica. Si existe corriente
solamente lo hará por portadores minoritarios y la corriente originada es la corriente de fuga o de
pérdidas.
Por lo tanto ocurrirá: a. Polarización directa, la conducción se hace por portadores mayoritarios; en
polarización inversa, la conducción se hará por portadores minoritarios.
El diodo es un componente electrónico que permite el
paso de la corriente en un sentido. Permite el paso de la corriente si se encuentra polarizado
directamente y la impide si se encuentra en polarización inversa.
El diodo posee dos electrodos y dos terminales, el ánodo (electrodo positivo) corresponde al
semiconductor p y el cátodo (electrodo negativo) corresponde al semiconductor n.
Polarización directa:
Semiconductor p se une
al polo + del generador.
Polarización inversa:
Semiconductor p se une
al polo – del generador.
La curva característica de un diodo.Permite relacionar la corriente que circula por el diodo y la tensión soportada por éste.
Según lo dicho anteriormente, solamente el diodo conducirá cuando en el terminal p (ánodo) se
conecta a una tensión positiva, actuando como un interruptor controlado por la polaridad del
generador. Según esto:
a. Cuando la tensión e alimentación es positiva, la corriente que circula a través del diodo es
también positiva y el diodo se comporta como un cortocircuito ( U D= 0)
b. Si la tensión de alimentación es negativa, , el diodo no conduce la corriente y se comporta
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como un circuito abierto.
Las curvas características del diodo ideal y real son las siguientes:
A la izquierda representa la curva característica de un diodo ideal y a la derecha la curva del
diodo real . Se demuestra empíricamente la siguiente expresión:
I D= I 0 . e
(
UD
−1)
η.UT
; siendo UD la tensión del dipolo, η, una constante del material
UT la tensión equivalente de temperatura, que es igual a
T
11600
; I0 la intensidad suministrada
por el generador.
Si la UD es positiva, el diodo se encuentra en la zona directa y, mientras que la U D< Uγ , no
pasará corriente; a partir de esa tensión, denominada tensión umbral Uγ , la corriente crece
exponencialmente.
Recibe el nombre de tensión umbral o tensión de codo del diodo, la que se debe de aplicar
en tensión directa para que conduzca al menos el 1% de la corriente máxima.
Si UD< 0 , se polariza en sentido inverso el diodo . El valor de esa tensión es elevada y
entonces ID ≈ - I0 . Esta corriente que es negativa, es independiente de la tensión aplicad y se conoce
como corriente inversa de saturación.
Por encima de un valor de tensión inversa, denominada U Z, se produce un paso de corriente.
Esta tensión recibe el nombre de tensión de ruptura. Esta zona de trabajo se denomina de avalancha
o de ruptura y puede ser debido a la destrucción del propio diodo ya que se somete a una tensión
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que no puede soportar.
El diodo como elemento de un circuito.
Para determinar el trabajo del diodo, es necesario establecer el punto de trabajo de su curva
característica.
a. El diodo se encuentra polarizado directamente. Se comporta, a partir de la tensión umbral,
con una resistencia baja de 1 Ω aproximadamente.
b. Si el diodo está en polarización inversa, circula una corriente de fugas de valor I0
Para una tensión inferior a la de codo, el diodo se comporta como un circuito abierto
y
la I = 0.
A partir de la tensión de codo :
tg α =
ID
=
UD
1
Req. diodo
En el circuito de la derecha, aparece un generador de
tensión U, un diodo, en polarización directa, y una
resistencia R
U = UD + I R
Si I = 0 ;; U = UD = Uγ
Si UD = 0 ;; U = I . R ;; I =
U
R
Por lo tanto se define la recta de carga.
Considerando las condiciones de trabajo del diodo,
se pueden determinar sus valores característicos.
Problema 1.- Dado el circuito de la figura,
cuyo diodo se encuentra en polarización inversa,
definir si es posible que conduzca la corriente
eléctrica.
Resolución.-
I0
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U
= 0,1 A , al ser su sentido contrario a su circulación no
R
conduce. No es posible que exista corrientes de avalancha a esa tensión.
La intensidad I0 =
Problema 2.- Dado el circuito de la figura cuya curva característica aparece al lado,
determinar la tensión y la corriente del diodo.
Tensión de
trabajo 2 V
Resolución.-
U0 = UD + I . R
ID = 0 ;; UD = U0 = 10 V Punto (10,0)
U0
UD = 0 ;; I =
= 50 mA ;; Punto (0,50)
R
De acuerdo al punto de corte con la curva característica. U D = 2 V y la intensidad de
corriente del diodo será : ID = 40 mA.
Diferentes tipos de diodo.Entre estos caben destacar:
a. El diodo Zener , se utiliza en polarización inversa utilizando la corriente de avalancha o
ruptura del diodo. Se utiliza como estabilizador de corriente . No se utilizan como diodos de
polarización directa ya que su tensión umbral es superior a la de ruptura.
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El diodo LED ( Light Emitting Diode ) es el diodo emisor de luz. Emite luz al ser atravesado
en polarización directa. Esta radiación por lo general pertenece al IR, aunque ahora se
obtiene todo un elenco de colores que varían con la intensidad de corriente que le llega. Su
tensión umbral suele ser mayor que los diodos normales.
El diodo Schottky.- Esta formado por la unión de un semiconductor n con un metal (Pt o Al)
Al polarizarse directamente, los electrones pasan directamente al metal donde éstos se
encuentran libres . No existen fenómenos de difusión,ni por tanto barreras de potencial, por
lo que la tensión de codo es muy inferior a la de una diodo normal y son más rápidos. Se
utilizan en conmutación de alta velocidad.
Fotodiodo semiconductor.- Presenta conducción inversa cuando se le somete a la acción de
la luz. Al aumentar la cantidad de luz incidente ( E = n h ν ) incrementa la circulación de la
corriente inversa . Se usan en los lectores de cintas, de banda sonora, etc.
El diodo de señal y de potencia.Actualmente se ha ido desarrollando la electrónica de las corrientes altas o de potencia,
introduciéndose en campos tan diversos como son en los interruptores estáticos, fuentes de
alimentación, carga de baterías, control de temperatura, modificadores de la velocidad de los
motores, etc.
Los elemento de electrónica de potencia, deben de trabajar en conmutación para minimizar
las pérdidas, Así, si trabajan en polarización inversa, la corriente de fugas ha de ser despreciable y si
trabaja en polarización directa, debe ser despreciable la caída de tensión. Los aspectos generales de
los diodos de señal y de potencia son análogas, la única diferencia es la de estar preparados para
grandes tensiones y corrientes eléctricas.
Los diodos de potencia han de tener las siguientes características:
a. En polarización directa .- Deben de tener la capacidad de conducir una intensidad elevada
con una caída de tensión pequeña.
b. En polarización inversa.- Debe de soportar una tensión elevada con una corriente de fugas
reducida.
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Los diodos que más se utilizan son los de Si y los de Ge. En la siguiente tabla se enumeran
las principales características de los diodos de potencia.
Problema 3.- Considerando el circuito de la figura, calcular la resistencia de protección
de un diodo LED , así como su potencia , sabiendo que su tensión umbral es de 2 V y que la
intensidad que ha de circular es de 12,5 mA.
Resolución.-
U0 = UD + I R
R=
U 0−U D
=
I
9−2
= 560 Ω
0,0125
P = I2 . R = 0,01252 . 560 = 0,0875 W
Problema 4.- Para alimentar una carga de 820 Ω a una tensión de corriente continua de
7 V , se emplea una fuente de tensión continua de 9 V que alimenta el circuito siguiente.
Calcular el valor de la resistencia R S para que el diodo zener con V Z = 7 V y una potencia de 0,3
W , no se destruya.
Resolución.-
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IL
IS
IZ
La curva característica del diodo zener es la siguiente:
La I (trabajo) = 0,1 IZ
Estabilizado en la rama de la resistencia:
IL =
UZ
=
R
7
= 8,53 m A
820
P = IZ . U ;; IZ =
P
=
UZ
0,3
= 42,8 mA ;; I (trabajo = 0,1 IZ = 4,28 mA
7
IS = IL+ IZ = 8,53 + 4,28 = 12,81 A
U0 = U Z + I RS ;; RS =
U 0−U Z
=
IS
9−7
= 156 Ω
0,01281
Problema 5.- Considerando el circuito de la figura con la curva característica del diodo,
determinar su punto de trabajo.
Resolución.-
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Se va a determinar la recta característica: U0 = UD + I . R
I = 0 ;;; U0 = UD
UD
=5mA
R
U(trabajo ) = 6 V ;; I = 3,5 mA
Problema 6.- Indicar los valores que marcará el miliamperímetro conectados en los circuitos a y
b.
UD = 0 ;;; I =
Resolución.-
En el primer caso, al estar el diodo en polarización inversa, la I = 0 A, U = 20 V
En el segundo caso, la polarización es directa; U ≈ 0 e I =
U
=
R
20
= 2 mA.
10000
5. El transistor.
El transistor es el elemento esencial de los dispositivos electrónicos desde su aparición en
los años cincuenta. Anteriormente se usaban válvulas de vacío para realizar la misma función.
Existen dos tipos de transistores:
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a. Los transistores bipolares (BJT) (Bipolar Junction Transistor)
b. Los transistores de efecto de campo (FET)(Field Effect Transistor)
c. Los transistores de potencia (IGBT) (Insulated Gate Bipolar Transistor)
a. El transistor bipolar.Se forma por la unión de dos uniones de semiconductores, que se disponen en forma de
sandwitch :
n-p-n .- formado por un semiconductor n otro p y el tercero n
p-n-p .- formado por un semiconductor p unido a otro n y éste a un tercero p
Los transistores poseen tres terminales, denominados Base, Colector y Emisor.
La base, permite controlar el paso de corriente por el transistor, en los transistores npn se
encuentra conectada al potencial positivo (polo positivo) . En el caso de los transistores pnp, se
conecta al polo negativo.
El colector, se encarga de recoger los portadores; en los transistores npn, se conecta al polo
positivo y en los pnp al polo negativo.
El emisor, se encarga de proporcionar los portadores; se conecta al polo negativo, si el
transistor es npn , y al polo positivo si es pnp.
Para explicar el funcionamiento del transistor, hay que tener en cuenta que si no se aplica
tensión de polarización, todas las corrientes son nulas.
Como ya se ha explicado anteriormente, la unión base emisor debe ser la polarización
directa y en la unión base – colector , la polarización ha de ser inversa.
En la figura siguiente se indica la polarización correcta de un transistor npn:
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La difusión de las partículas a lo largo del semiconductor decrece exponencialmente a
medida que nos separamos de la superficie de contacto:
La gráfica anterior nos indica que la base debe ser estrecha, con una longitud inferior a L d
para que el número de electrones capturados por la base sean pocos, cuando se polariza
directamente la unión B-E.
La intensidad de corriente del colector , es aproximadamente igual a la del emisor, ya que la
corriente de base es despreciable.
IC≈ IE
Si se encuentra inversamente polarizada la unión C-B, cuanto mayor sea ésta, mayor será la
corriente del colector ( efecto Early).
La corriente del colector IC se encuentra formada por los siguientes componentes:
a. La intensidad del emisor IE,, una parte de la misma forma la corriente del colector. El
porcentaje viene expresado por la letra α, que depende del material del transistor. La participación
será α IE.
b. Por otra parte se produce corrientes de fuga por el colector, por la unión en polarización
inversa entre la base y el colector B-C. Se denomina IC0 y es muy pequeña.
Es decir : IC = IC0 + α . IE ;; considerando la formación de un nudo (ley de Kirchhoff)
IE = IC + IB ;; IC = IC0 + α . (IC + IB )
Despejando IC , se obtiene IC =
β=
1
IC0 +
1−

IB
1−

; se denomina ganancia del transistor.
1−
IC = (β + 1) IC0 + β IB
IC0, es la corriente de fugas y es muy pequeña , por lo que IC = β IB
La corriente del colector es proporcional a la corriente de base.
En la mayor parte de los circuitos en donde se utilizan transistores, el emisor es el terminal
común para la entrada y para la salida.. Por lo tanto las curvas características son para el caso de
que el emisor sea el terminal común.
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Las curvas características de un transistor npn con emisor común, son las siguientes:
En este diagrama se representa la tensión que existe entre el colector y el emisor, frente a la
intensidad de colector .
La IC = f ( IB, UCE)
Existen tres zonas :
Zona de corte .- El transistor se comporta como un interruptor abierto. Queda por debajo de
la curva IB = 0 ; no pasa corriente.
Zona de saturación (zona amarilla) . El transistor se comporta como un interruptor cerrado,
como si estuviese en cortocircuito. En esta región la tensión puede ser de 0,1 a 0,2 V en
transistores de baja potencia (P< 1W) y puede valer de 1 a 2 V en transistores de elevada
potencia.
Zona activa o lineal.- Es la zona intermedia donde la tensión y la corriente del colector se
puede considerar lineal . Existen unos límites: el superior, la máxima corriente que puede
circular por el transistor sin dañarlo . El límite inferior es una corriente prácticamente nula.
Ademas de las curvas de salida, de un transistor, pueden ser útiles las curvas de entrada de
un transistor , con emisor común, en la que se representa U BE, en función de IB o viceversa para los
distintos valores de UCE . En la siguiente gráfica aparecen las curvas características de entrada y
salida de un transistor pnp con emisor común:
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El transistor se puede utilizar como un elemento más del circuito:
IC
R
U0
UCE
En estos casos : UCE = U0 - I C . R ;; UCE = 0 ;; IC =
U0
(saturación)
R
IC = 0 ;;; UCE = U0 (corte)
Problema 7.- Determinar la zona de trabajo del transistor del circuito de la figura . El
transistor es ideal y la ganancia es de 100. ¿ Qué pasaría se la resistencia de base fuera 50 K?
Resolución.Hay que tener en cuenta que
IC = β I B
La intensidad que proporciona la base es la que da la tensión de la pila adicional de 5 V.
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IB =
U 02
5
=
= 25 μ A ;; IC = 100 IB = 2,5 mA
200000
R
U01 = 10 = UCE + IC . R ;; UCE = 10 – 2,5 10-3 .3000 = 2,5 V>0
El transistor conduce y se encuentra en una zona de trabajo lineal.
Si R = 50000 Ω , ocurriría lo siguiente:
IB =
U 02
=
R
5
= 0,1 mA ;; IC = 100 IB = 10 mA
50000
U01 = 10 = UCE + IC . R ;; UCE = 10 – 10-2 .3000 = -20 < 0
El transistor no se encuentra en su zona lineal puesto que la tensión U CE tiene un
sentido contrario. Si conduce (al tener corriente de base) el transistor se encuentra en saturación; si
no condujese, se encontraría en situación de corte.
U 01
Si está saturado, se encontrará en cortocircuito y U CE = 0 , por lo que I C =
=
R
10
= 3,33 mA.
3000
b. Los transistores de efecto de campo (FET)(Field Effect Transistor).
Los transistores de efecto campo se denominan también unipolares, ya que la conducción se
debe a un determinado tipo de portadores. Pueden ser de dos tipos:
a. Transistores JFET ( Junction Field Effect Transistor), son los llamados transistores de
efecto unión. Consta de una capa delgada de semiconductor tipo n con dos contactos : La fuente S
( source) y el drenaje D ( Drain). Además presentan dos regiones o islas de tipo p situadas una
enfrente de la otra y que se unen para constituir la puerta G (Gate)
Si se aplica una tensión positiva U DS entre el drenaje y la fuente, los electrones circulan
desde la fuente al drenaje, a través del camino denominado canal. Los transistores de este tipo
pueden ser de canal n o canal p. En la figura se representa uno de canal n.
22-La electrónica
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Tema 14.- La electrónica digital.
b. Transistores MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). Son los
transistores de efecto campo metal-óxido-semiconductor.
Su funcionamiento es similar al anterior, aunque se construyan de una forma diferente. Un
MOSFET de canal n consiste en un sustrato de tipo p en donde se difunde dos islas de
semiconductores n, que forman la fuente y el drenaje . La zona entre ambas se cubre de una capa de
dióxido de silicio (Si O2 ) y encima se deposita una lámina metálica de aluminio donde se toma el
contacto de la puerta G ( Gate)
Los MOSFET , pueden ser de acumulación o enriquecimiento; cuando la tensión de la
puerta fuente es positiva, se induce un canal electrónico ( de tipo n) entre la S(fuente) y el
D(drenaje). También puede ser de deplexión o empobrecimiento, el canal que difunde es similar al
utilizado en su construcción, en la difusión de impurezas entre la puerta y el drenaje.
Los símbolos utilizados son los siguientes:
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Tema 14.- La electrónica digital.
c. Los transistores de potencia (IGBT)
El funcionamiento de los transistores de potencia es análogo al funcionamiento de los
transistores de señal. Trabajan en saturación y en corte, por lo que sus características son la
siguientes:
a. Existe baja caída de tensión colector-emisor en saturación.
b. Elevada tensión entre colector-emisor en corte.
c. Intensidad máxima de colector elevada.
Para su construcción se utiliza sobre todo el germanio (Ge), para bajas tensiones, y el Silicio (Si) .
Las características de este tipo de transistores viene referido en la siguiente tabla:
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Tema 14.- La electrónica digital.
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Tema 14.- La electrónica digital.
Transistores cilíndricos, colocados por
la parte inferior
Transistor en pastilla con tres
terminales
BD137
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Tema 14.- La electrónica digital.
Problema 8.- Si consideramos el circuito de la figura, en el que el transistor es un npn
ideal de β = 100 . Indicar su punto de trabajo.
Resolución.- U02 - IB . 50000 = IE . 20000
5 – IB . 50000 = IE . 20000 ;; IC = 100 IB
IC + IB = IE ;; 100 IB + IB =
5−I B .50000
;; IB = 2,4 μ A
20000
IC = 100 IB = 0,24 mA
UCE = U01 – I . R = 10 – 0,24 10-3 23000 =
= 4,48 > 0 . Trabaja en zona lineal.
Problema 9.- Considerando el circuito siguiente, utilizando un transistor pnp ideal de
ganancia β = 100 .
Aplicamos la ley de Kirchhoff en la malla:
15 + UEB – 50 10-3 . IB - 2 = 0 ;; UEB = 0 ;; IB =
IC = 100 0,26 = 0,026 A ;; 15 = UBC + IC R ;; UBC = - 37 V < 0
El transistor se encuentra en la zona de corte o saturación.
27-La electrónica
13
3 = 0,26 mA
5010
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15
= 7,5 mA.
2000
Problema 10.- Considerando el circuito de la figura, en donde existe un npn ideal de
ganancia 100 , indicar el punto de trabajo.
Si esta en corte, IC = 0 ;; si en saturación UCE = 0 ;; IC =
Resolución.U02 = 11 = IB . R ;; IB =
11
= 0,55 mA
20000
IC = 100 . 0,55 = 0,055 A
saturación UCD = 0 ;; IC =
UCD = U01 – IC R = 10 – 0,055. 5000 = -265<0 . Está en corte o
10
= 2 mA.
5000
6. El tiristor.
Son dispositivos electrónicos semiconductores usados para llevar a cabo funciones de
control, como conmutación, rectificación controlada, conversión de frecuencia , control de potencia,
etc. Realizan funciones de biestable de conducción no conducción , basándose en uniones pnpn .
Los tiristores se dividen en dos granes grupos:
a. Los unidireccionales , dejan pasar la corriente en una única dirección.
b Bidireccionales, conducen en los dos sentidos.
De todos los tiristores, los más usados son el SCR ( rectificador controlado de silicio) y el
triac.
El rectificador controlado de silicio.Es un tiristor unidireccional, que está formado por un cristal de silicio con cuatro capas
alternadas pnpn, obteniéndose tres uniones . Son dos transistores npn y pnp , acoplados entre si.
De los dos terminales externos, uno se comporta como ánodo (p) y el otro como cátodo (n) .
El tercer terminal, que recibe el nombre de Gate, G, es el semiconductor p mas próximo al cátodo.
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Una señal en la puerta supone un estado de conducción , mientras que si no hay señal, se encuentra
el tiristor bloqueado.
Para explicar el funcionamiento del SCR se debe de tener en cuenta lo siguiente:
Cuando se polariza en sentido de la conducción ( el ánodo es + y el cátodo -) la unión S 2
queda polarizada en sentido inverso y las otrs dos en sentido directo. Si no se actúa sobre el
electrodo control, a través del tiristor circula la corriente inversa que corresponde a la unión S 2 .
Este estado puede ser de conducción si la tensión ánodo – Cátodo U AK se vaya incrementando hasta
un valor de UBO y se produzcan fenómenos de avalancha.
Si el SCR se encuentra en las condiciones iniciales, se excita mediante una corriente de
control adecuada , se producirá una inyección de portadores en la zona de base, no pudiendo
permanecer en estado de bloqueo. A través de SCR circulará una intensidad de elevada intensidad,
con una caída de tensión pequeña.
Cuando el SCR se polariza a la inversa, el ánodo se hace negativo y el cátodo, positivo, las
uniones S1 y S3 quedan polarizadas inversamente y S2 en polarización directa., circulando la
corriente en sentido inverso en las dos primeras uniones.
En la figura siguiente, se representa las curvas corriente -tensión ( I a = f (UAK) ), tomando
como patrón de corriente la corriente en puerta I G. Las curvas presentan tres zonas diferentes : una
zona de bloqueo, para tensiones U AK negativas y una zona de conducción y otra de bloqueo para
tensiones anódicas positivas . De la situación de bloqueo positivo puede pasarse a la zona
conducción positiva sobrepasando la tensión de ruptura UBD, o bien inyectando una corriente de
control I G .
El rectificador controlado de Silicio se emplea como interruptor de potencia de acción rápida
y en aquellos circuitos que se regula la corriente por recorte de onda. Se utilizan para regular la
intensidad luminosa en puntos de luz, en accionamiento controlado por convertidores reversibles, en
convertidores de frecuencia.
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Tema 14.- La electrónica digital.
El Diac.No tiene una puerta, es un componente simétrico y no posee polaridad. Actúa como un
interruptor controlado por una tensión . La tensión baja entre terminales, el circuito está abierto. En
tensión alta, el circuito está bloqueado (cerrado) . Se utiliza para controlar el disparo de los tiristores
o triac.
El Triac.El triac es un interruptor de corriente alterna , es bidireccional. . Puede actuar como
rectificador y amplificador al mismo tiempo . Controla la potencia. Posee una estructura pnpn
semejante al SCR; su diferencia es que es bidireccional. Se puede disparar por corrientes positivas o
negativas en puerta , Posee tres terminales:
a El cátodo (-), se denomina terminal 1( T1)
b. El ánodo (+), se denomina terminal 2 (T2)
c. La puerta (G)
El terminal T1 , se toma como referencia y el T2 se une al radiador por el encapsulado
Se utiliza como conmutador de baja potencia, en inversores, rectificadores y
amplificadores.
La potencia de los triac es inferior a los SCR . Se fabrican triac que soportan intensidades de
200 A y de 1000 V
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Tema 14.- La electrónica digital.
31-La electrónica
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Tema 14.- La electrónica digital.
Circuitos en donde se utilizan Triac.
Utilización de circuitos con relés.
Unión Darlington
Problema 11.- En el circuito de la figura, se encuentra trabajando un transistor de Si de tipo npn
, conectado a emisor común y con resistencia . Si la ganancia es de 150 . Determinar el punto de
trabajo si el transistor no es ideal y existe una UBE = 0,6 V
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Tema 14.- La electrónica digital.
UCE
UBE
Resolución.12 – IB . 200 103 - IE 100 - 0,6 = 0
12- IC 1000 – UCE – IE100 = 0
IC + IB = IE ;; IC = 150 IB ;; 151 IB = IE
12 – IB 200 103 - 151 IB 100 – 0,6 = 0 ;; IB = 53 μA
IC = 7,95 mA ;; IE = 8,00 mA
UCE = 12 – 7,95 10-3 . 1000 – 8 10-3 . 100 = 3,25 V . Se encuentra en la
zona lineal.
Problema 12.- Dado el circuito de la figura , en donde el transistor es npn , se conecta a
emisor común. Su ganancia es de 200 . Calcular las corrientes de base, colector y la tensión
UCE.El transistor es no lineal y su UBE = 0,6 V
Resolución.33-La electrónica
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Tema 14.- La electrónica digital.
12 – 500 103 IB -0,6 = 0 ;; IB = 22,8 μ A
IC = 200 IB = 4,56 mA
12 – UCB – IC . R = 0 ;; UCB = 12 – 4,56 10-3 500 = 9,72 V, se encuentra en la
zona lineal.
7. El relé.
El relé es un conmutador eléctrico especializado para permitir controlar un dispositivo de
gran potencia mediante otro de potencia menor.
Sirve para el control de circuitos peligrosos de alta tensión e intensidad . Normalmente los
relés se suele utilizar en forma de enclavamiento o autorretención utilizándose electroimanes , los
cuales se activan mediante una corriente eléctrica
Los relés pueden ser:
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Tema 14.- La electrónica digital.
a. Relés apolares.- Funcionan independientemente el sentido de la corriente excitadora.
b Relés polares.- Funcionan dependiendo del sentido de la corriente excitadora.
c Relés con cápsula interruptora de mercurio Utilizan cápsulas interruptoras de mercurio.
Resisten la humedad y la suciedad. Interrumpen potencias elevadas.
d. Relés de sujeción.- La armadura permanece sujeta al núcleo en la posición de trabajo,
incluso después de haber dejado la excitación de actuar. Para desactivarlo se necesita otro
relé.
e. Relés intermitentes.- Los contactos se abren y cierran brevemente . El proceso se
denomina barrido.
f. Relés de resonancia.- Funcionan a una frecuencia determinada ( frecuencia de resonancia).
g. Relés de Cápsula protectora.- Los contactos se protegen frente a la suciedad,
contaminación, humedad y corrosión introduciéndolo en una cápsula hermética de vidrio o
plástico.
8. La electrónica digital.
Las señales transmitidas desde un emisor a un receptor, se dividen en dos grandes grupos:
señales analógicas (- +) , cuyo valor puede ser cualquiera, y las señales digitálicas, que varían entre
el 1 y el 0 ( Si o No) .
La información digital es más precisa que la analógica pues esta información va desprovista
de ruido . Por esta razón, en los circuitos digitales, se precisa de unos circuitos simples que se
repiten un gran número de veces para integrar una información, gracias a su correcta interconexión.
Otra de las razones por la que suele utilizar la tecnología digital es la gran velocidad de
transmisión de la información, permitiendo procesar una gran cantidad de instrucciones, por
ejemplo, el micro de un ordenador. La señal digital, puede ser eléctrica o luminosa, utilizándose
este segundo caso, la fibra óptica como medio de transmisión de la información.
El algebra de Boole realiza operaciones que se pueden realizar con los valores con los
códigos binarios(1 o el 0) o verdadero o falso. En el siguiente ejemplo , mediante impulsos, se
puede codificar una información. Por ejemplo el número 93 en código binario será :
9310 = 01011101, que correspondería a la señal :
La información, en sentido amplio, se considera como un conjunto de datos con significado
propio que debe de ser asumido e interpretado por una máquina dando una información de salida.
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Tema 14.- La electrónica digital.
El código más usado es el ASCII (American Standar Code for Information Interchange)
permitiendo representar hasta 255 caracteres diferentes, mediante combinación de 8 dígitos o bits,
lo que constituye un byte.
Una vez que se ha enumerado la constitución del álgebra de Boole, se van a realizar
operaciones básicas con estos números.
Si suponemos que una función lógica toma el siguiente valor: f (A,B,C) = A.B + C
El número de combinaciones posibles serán 2n = 23 = 8. Para determinar su valor, se recurre
a la construcción de la tabla de verdad:
A
B
C
f(A,B,C)
0
0
0
0
1
0
0
0
1
1
0
1
1
1
1
1
1
0
1
1
0
1
1
1
0
0
1
1
0
1
0
0
Se construye la función canónica:
_
_
_
_ _
F = A.B.C + A.B.C + A . B . C + A . B . C + A .B . C
Habría que reducir la función canónica por diferentes métodos.
Eléctricamente se construye esta función mediante una puerta AND y una puerta OR,
o mediante tres interruptores, dos colocados en serie y en paralelo con un tercero:
AND
OR
En el siguiente montaje se aprecia, como utilizando interruptores, es posible realizar la
misma secuencia:
36-La electrónica
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Tema 14.- La electrónica digital.
Las puertas lógicas básicas son : AND ( Conjunción Y) A * B = C
OR ( Disyunción O ) A + B = C
_
NEGACION
A =B
Las tablas de valores y sus símbolos aparecen en la tabla adjunta:
Las propiedades del algebra de Boole se resumen en las siguientes:
a. Uniforme . Cualquier operación entre dos magnitudes binarias da otra binaria.
b. Idempotencia A+A = A ;; A.A = A
c. Involución :
═
A=A
d. Propiedades conmutativa ,
asociativa,
distributiva
A+B = B+A
A+(B+C) = (A+B)+C
A*(B+C) = A*B+A*C
A*B = B*A
A*(B*C) = (A*B)*C
A+(B*C) = (A+B)*(A+C)
e. Existencia de elemento neutro A + 0 = 0
A*1 = A
f . Elemento opuesto _
_
37-La electrónica
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Tema 14.- La electrónica digital.
A+A=0
A*A=1
g . Leyes de absorción.- A+ A.B = A ;;; A.(A+B) = A
h . Leyes de Morgan :
A + B = A * B ;;; A * B = A + B
Puerta lógica NOR.
Representa A + B = C . En la siguiente tabla aparece la tabla de verdad y el símbolo para la
función NOR:
=A * B
El circuito eléctrico equivalente es el siguiente:
Si consideramos la tabla de verdad, se puede observar, en las filas primera y última, que
cuando los dos valores son nulos, el valor de la función es 1 y si los dos valores son 1, el valor de la
función es 0. Esto nos permite reducir que esta tabla es semejante a la formada por :
Si se unen las dos entradas en una sola, se obtiene la función NOT
Para construir la función OR, basta integrar la salida de la NOR con una NOT:
38-La electrónica
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Tema 14.- La electrónica digital.
Para construir una puerta AND, utilizando las leyes de Morgan :
A+B = A*B =A*B
Puerta lógica NAND
La puerta lógica NAND se construye con la negación de la AND :
C=A*B
La tabla de verdad y su símbolo viene expresado a continuación:
El circuito eléctrico equivalente es el siguiente:
Según las leyes de Morgan A* B = A + B
Con estas puertas se pueden obtener todas las demás puertas lógicas.
Así la NOT .- Uniendo las dos entradas en una sóla.
39-La electrónica
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Tema 14.- La electrónica digital.
La función AND se obtiene por integración de una puerta NAND y una NOT.
La puerta OR, se puede obtener a partir de las puertas NAND, usando las leyes de Morgan:
A*B = A+B=A+B
Otras puertas lógicas.Puerta O- Exclusiva (EXOR) . La salida de un O-exclusivo de dos entradas permanece en
estado 1 si solamente una de las dos entradas está en estado 1 . La tabla de verdad y su
símbolo es como sigue:
La puerta equivalente . Es la negada de O-Exclusiva . La salida de una puerta Equivalencia
de dos entradas permanece en estado 1 si ambas entradas son iguales. En la figura siguiente
40-La electrónica
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Tema 14.- La electrónica digital.
se representa la tabla de verdad y su símbolo.
Problema 12.- El transistor del circuito de la figura es pnp ( de silicio) , conectado al
emisor común, con resistencia en el emisor. Si la ganancia es de 150 y U BE = - 0,6 V .
Determinar el punto de trabajo.
kohm
Resolución.U0 - Ib 200000 + UBE + IE 100 = 0 ;; -12 + 200000 IB - 0,6 + 100 IE = 0
I C = 150 IB ;; I B + IC = IE
-12 + IC 1000 - UCE + IE 100 = 0
151 IB = IE
IB =
120,6
= 58,6 μ A
20000015000
I C = 150 IB = 8,79 mA
UCE = - 12 + 8,79 + 100 0,00875 = - 2,35 V
41-La electrónica
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Tema 14.- La electrónica digital.
Problema 13.- Calcular el punto de trabajo para el circuito de la siguiente U BE = 0,6 V y
ganancia 150
Resolución.-
15 – IC 15000 – IB 1050000 + 0,6 = 0
IE = IB + IC ;;; I C = 250 IB ;; IE = 251 IB
IB =
150,6
= 3,25 μ A
250 150001050000
IC = 250 . 3,25 = 0,81 mA
15 - UCE – 15000 0,81 10-3 = 0 ;; UCE = 2,85 V
Problema 14.- En el circuito de la figura siguiente , hay un transistor npn con α = 1 y β= 200 ,
conectado a emisor común . Calcular los valores de las corrientes de emisor, base y colector.
Hallar también la tensión colector-emisor.
Resolución.- Aplicando la regla de las mallas.UB – IB 13000 – 0,7 - 400 IE = 0
42-La electrónica
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Tema 14.- La electrónica digital.
UC - IC 450 - UCE – IE 400 = 0
IC + IB = IE ;; IC = β IB ;;
IB =
I C = α IE
10−0,7
= 0,1 mA
13000400. 200
IC = IE = 20 mA ;; UCE = 20 – 450 20 10-3 – 400 20 10-3 = 3 V
Problema 15.- Calcular el valor de las resistencias R B , RC y RE , en el circuito de la figura , en
donde α = 1 y β = 200 , conectados a base común , siendo RC = 5 RE
Resolución.- IC RC + UCE + IE RE = 8 + 8
IB RB + UBE + IE RE = UE
IC = IE = 200 IB ;;; IC = 4 mA = IE ;; IB = 20 μ A
4 10-3 . RC + 4 + 4 10-3 RE = 16 = 4 10-3 . 5 RE + 4 + 4 10-3 RE
20 10-6 RB + 0,7 + 4 10-3 RE = 8
Al resolver el sistema
RE = 500 Ω ;; RC = 2500 Ω ;; RB = 265 kΩ
43-La electrónica
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Tema 14.- La electrónica digital.
44-La electrónica