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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 CIDEAD. 2º BACHILLERATO. Electrotecnia. 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, 2-La electrónica CIDEAD. 2º BACHILLERATO. Electrotecnia. Tema 14.- La electrónica digital. 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) 3-La electrónica CIDEAD. 2º BACHILLERATO. Electrotecnia. Tema 14.- La electrónica digital. 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 4-La electrónica CIDEAD. 2º BACHILLERATO. Electrotecnia. Tema 14.- La electrónica digital. 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. 5-La electrónica CIDEAD. 2º BACHILLERATO. Electrotecnia. Tema 14.- La electrónica digital. 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. 6-La electrónica CIDEAD. 2º BACHILLERATO. Electrotecnia. Tema 14.- La electrónica digital. 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. 7-La electrónica CIDEAD. 2º BACHILLERATO. Electrotecnia. Tema 14.- La electrónica digital. 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 8-La electrónica CIDEAD. 2º BACHILLERATO. Electrotecnia. Tema 14.- La electrónica digital. 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 9-La electrónica CIDEAD. 2º BACHILLERATO. Electrotecnia. Tema 14.- La electrónica digital. 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 10-La electrónica CIDEAD. 2º BACHILLERATO. Electrotecnia. Tema 14.- La electrónica digital. 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 11-La electrónica CIDEAD. 2º BACHILLERATO. Electrotecnia. Tema 14.- La electrónica digital. 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. 12-La electrónica CIDEAD. 2º BACHILLERATO. Electrotecnia. Tema 14.- La electrónica digital. 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. 13-La electrónica CIDEAD. 2º BACHILLERATO. Electrotecnia. Tema 14.- La electrónica digital. 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.- 14-La electrónica CIDEAD. 2º BACHILLERATO. Electrotecnia. Tema 14.- La electrónica digital. 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.- 15-La electrónica CIDEAD. 2º BACHILLERATO. Electrotecnia. Tema 14.- La electrónica digital. 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: 16-La electrónica CIDEAD. 2º BACHILLERATO. Electrotecnia. Tema 14.- La electrónica digital. 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: 17-La electrónica CIDEAD. 2º BACHILLERATO. Electrotecnia. Tema 14.- La electrónica digital. 18-La electrónica CIDEAD. 2º BACHILLERATO. Electrotecnia. Tema 14.- La electrónica digital. 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. 19-La electrónica CIDEAD. 2º BACHILLERATO. Electrotecnia. Tema 14.- La electrónica digital. 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: 20-La electrónica CIDEAD. 2º BACHILLERATO. Electrotecnia. Tema 14.- La electrónica digital. 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. 21-La electrónica CIDEAD. 2º BACHILLERATO. Electrotecnia. Tema 14.- La electrónica digital. 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 CIDEAD. 2º BACHILLERATO. Electrotecnia. 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: 23-La electrónica CIDEAD. 2º BACHILLERATO. Electrotecnia. 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: 24-La electrónica CIDEAD. 2º BACHILLERATO. Electrotecnia. Tema 14.- La electrónica digital. 25-La electrónica CIDEAD. 2º BACHILLERATO. Electrotecnia. Tema 14.- La electrónica digital. Transistores cilíndricos, colocados por la parte inferior Transistor en pastilla con tres terminales BD137 26-La electrónica CIDEAD. 2º BACHILLERATO. Electrotecnia. 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 CIDEAD. 2º BACHILLERATO. Electrotecnia. Tema 14.- La electrónica digital. 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. 28-La electrónica CIDEAD. 2º BACHILLERATO. Electrotecnia. Tema 14.- La electrónica digital. 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. 29-La electrónica CIDEAD. 2º BACHILLERATO. Electrotecnia. 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 30-La electrónica CIDEAD. 2º BACHILLERATO. Electrotecnia. Tema 14.- La electrónica digital. 31-La electrónica CIDEAD. 2º BACHILLERATO. Electrotecnia. 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 32-La electrónica CIDEAD. 2º BACHILLERATO. Electrotecnia. 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 CIDEAD. 2º BACHILLERATO. Electrotecnia. 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: 34-La electrónica CIDEAD. 2º BACHILLERATO. Electrotecnia. 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. 35-La electrónica CIDEAD. 2º BACHILLERATO. Electrotecnia. 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 CIDEAD. 2º BACHILLERATO. Electrotecnia. 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 CIDEAD. 2º BACHILLERATO. Electrotecnia. 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 CIDEAD. 2º BACHILLERATO. Electrotecnia. 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 CIDEAD. 2º BACHILLERATO. Electrotecnia. 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 CIDEAD. 2º BACHILLERATO. Electrotecnia. 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 = 120,6 = 58,6 μ A 20000015000 I C = 150 IB = 8,79 mA UCE = - 12 + 8,79 + 100 0,00875 = - 2,35 V 41-La electrónica CIDEAD. 2º BACHILLERATO. Electrotecnia. 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 = 150,6 = 3,25 μ A 250 150001050000 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 CIDEAD. 2º BACHILLERATO. Electrotecnia. 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 13000400. 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 CIDEAD. 2º BACHILLERATO. Electrotecnia. Tema 14.- La electrónica digital. 44-La electrónica