Download 1.1 introducción a la materia.

1.1 INTRODUCCIÓN A LA MATERIA.
Definiciones Básicas
Electrónica: ciencia que se dedica al estudio de la condición eléctrica, para
procesar información, a través de los estados que manifiesta la materia: sólidos,
líquidos y gases.
Ramas de la electrónica:







Sistemas digitales.
Comunicaciones.
Terapéutica.
Instrumentación.
Telemetría.
Electrónica Industrial
Electrónica Militar
Materia: Se define como algo que ocupa espacio y tienen peso, la podemos
encontrar en los estados sólidos, líquidos y gaseosos.
Elemento: Cualquier sustancia cuyas moléculas no se pueden subdividir por
medios químicos ordinarios.
Atomos: Partícula más pequeña en que se puede dividir un elemento
manteniendo las propiedades del elemento original.
Carga: En la teoría de átomo de Bohr, los electrones orbitaban alrededor de un
núcleo que contenía protones y neutrones, la atracción de las cargas
opuestas de los electrones y los protones mantenían unidos a los átomos. las
partículas con igual carga se repelían unas a las otras.
El número casi igual de electrones y protones en la mayoría de los objetos, como
un pedazo de piel, hace que se cancelen sus fuerzas de atracción, de modo
que los electrones de un objeto vecino como una varilla de ámbar, normalmente
no siente ninguna atracción por la piel en algunos átomos, sin embargo, los
electrones no están tan arraigados como en otros y hay situaciones en que se
pierden electrones.
Por ejemplo: si frotamos la varilla con la piel algunos de los electrones de la
piel se pasan al ámbar, la piel pierde algunos electrones, mientras que ámbar
los gana. Puede verse la atracción entre estas cargas, los pelos de la piel son
atraídos hacia la varilla. Si se acercan ambos lo suficiente, algunos electrones de
la varilla brincaran de regreso a la piel emitiendo una chispa.
Voltaje: La atracción de cargas opuestas significa que se requiere energía
para apartarlas la que puede recuperarse al juntarse de nuevo. Entre una y otra
situación decimos que la energía se conserva como energía potencial. Cuando
un sistema tiene energía potencial, tiene el potencial de hacer trabajo.
Trabajo aquí significa una forma más visible de energía, no necesariamente algo
que queramos hacer.
En electricidad, la cantidad análoga a la altura es el voltaje, indicado, por regla
general, con el símbolo V. El voltaje se mide en volts. En circuitos digitales
medimos algunas veces el voltaje en milésimas de volt o milivolts.
En términos eléctricos, podemos usar la forma completa para describir la
diferencia de voltaje, o caída de voltaje, entre dos puntos, o podemos usar la
forma breve y hablar del voltaje en un punto. La forma breve siempre implica la
comparación implícita con un punto de referencia. En la mayoría de los circuitos
ese punto de referencia común se llama tierra, y puede en realidad
conectarse a tierra a través de una tubería de agua, pero no esta a 0 volts en un
sentido absoluto.
Corriente: La corriente eléctrica tiene la misma relación con la carga como la tiene
una corriente de río con el agua; es la rapidez con que la carga cruza una línea
que corta parte del circuito. La regla general de la corriente es que se indica con
el símbolo I y se mide en amperios. Un amperio es igual a 1 culombio por
segundo. Muy a menudo, tratamos una corriente de miliamperios (mA) y
microamperios (µA).
Al igual que un flujo de agua, la corriente tiene una magnitud y una dirección.
Conductores electrónicos: Son aquellos materiales por los cuales se puede
forzar el movimiento de electrones de átomo en átomo cuando se aplica una
presión eléctrica ó voltaje.
Aisladores: Son aquellos materiales a través de los cuales no se puede lograr
fácilmente el flujo electrones.
Resistencia eléctrica: En la oposición o resistencia ofrecida por un material al
paso de la corriente eléctrica.
Corriente eléctrica: Flujo ordenado de electrones por un circuito o sección del
mismo.
Circuito electrónico: Es el camino que sigue una corriente eléctrica que partiendo
de su fuente pasa por conductores y componentes y regresa a su punto de partida
por lo que se deduce que un circuito electrónico debe ser un camino cerrado para
que los electrones que parten de un punto puedan regresar a él completando el
circuito.
1.2. Funcionamiento y uso de un Multímetro
Analógico y Digital.
Medir: Validación de una ley, armar circuitos y medir para ver si se cumple una ley
de ohm verificar midiendo las variables. Medición con objeto de mantenimiento,
calibración, supervisión, evaluación de prototipos de diseño, procesos que
requieran supervisión (monitoreo continuo) a fin de tomar decisiones importantes
sobre su operación.
Alguna de las definiciones importantes que se deben de considerar al momento de
medir son las siguientes:
Exactitud: la exactitud de una medición especifica la diferencia entre el valor
medido y el valor real de una cantidad. La desviación del valor verdadero es un
índice de que tan exactamente se ha llevado a cabo una lectura.
Precisión: la precisión especifica la repetibilidad de un conjunto de lecturas,
hechas cada una en forma independiente con el mismo instrumento. Se determina
una estimación de la precisión mediante la desviación de la lectura con respecto al
valor promedio.
Las mediciones juegan un papel importante en la validación de las leyes de la
ciencia. También son esenciales para estudiar, desarrollar y vigilar muchos
dispositivos y procesos. Sin embargo el proceso mismo de medir implica muchos
pasos antes de producir un conjunto útil de información. Para estudiar los métodos
que produzcan mediciones efectivas se considera el proceso de medición como
una secuencia de 5 operaciones:
Operación # 1: El diseño de un dispositivo eficiente de medición, este paso
comprende una selección adecuada del equipo disponible y una interconexión
correcta de los diferentes componentes e instrumentos.
Operación # 2: Manejo inteligente de aparatos de medición.
Operación # 3: El registro de los datos de modo claro y completo. La información
registrada debe darnos una referencia inequívoca para interpretaciones futuras.
Operación # 4: El calculo de la exactitud de la medición y las magnitudes de los
posibles errores implícitos.
Operación # 5: La preparación de un informe que describa la medición y sus
resultados par aquellos que puedan utilizarse en su empleo.
La finalidad de Medir es con el objeto de mantenimiento, calibración, supervisión,
evaluación de prototipos de diseño, proceso que requieran supervisión (monitoreo
continuo) a fin de tomar decisiones importantes sobre su operación.
Las mediciones de voltaje se efectúan con dispositivos tan variados como
voltímetros electromecánicos, voltímetros digitales, osciloscopios y
potenciómetros. Los métodos para medir corrientes emplean los instrumentos
llamados amperímetros.
Un amperímetro siempre se conecta en serie con una rama del circuito y mide la
corriente que pasa a través de él. Un amperímetro ideal sería capaz de efectuar la
medición sin cambiar o perturbar la corriente en la rama. Sin embargo, los
amperímetros reales poseen siempre algo de resistencia interna y hacen que la
corriente en la rama cambie debido a la inserción del medidor.
En forma inversa, un voltímetro se conecta en paralelo con los elementos que se
miden. Mide la diferencia de potencial (voltaje) entre los puntos en los cuales se
conectan. Al igual que el amperímetro ideal, el voltímetro ideal no debería hacer
cambiar la corriente y el voltaje en el circuito que se está midiendo. Esta medición
ideal del voltaje sólo se puede alcanzar si el voltímetro no toma corriente alguna
del circuito de prueba. Sin embargo, la mayoría de los voltímetros reales trabajan
tomando una corriente pequeña, pero finita y por lo mismo también perturba el
circuito de prueba hasta cierto grado.
Los medidores que determinan el voltaje y/o corriente se pueden agrupar en dos
clases generales:
a) Medidores analógicos.
b) Medidores digitales.
Medidores Analógicos
Multímetro Analógico (VOM)
Los multímetros analógicos son instrumentos de laboratorio y de campo muy útiles
y versátiles, capaces de medir voltaje en corriente alterna (C.A.) y corriente directa
(C.D.), corriente, resistencia, ganancia de transistor, caída de voltaje en los
diodos, capacitancia e impedancia.
Este tipo de medidores emplea mecanismos electromecánicos para mostrar la
cantidad que se está midiendo en una escala continua. Es decir, el proceso que
realizan es analógico y la salida es analógica (agujas).
Los multímetros digitales han tomado el lugar de la mayoría de los multímetros
con movimientos de D' Arsonval por dos razones principales: mejor exactitud y
eliminación de errores de lectura.
Por otro lado, todavía se emplean los medidores analógicos que incorporan
movimientos de D' Arsonval, ya que se emplean todavía para aplicaciones en las
que se deben observar las indicaciones de muchos medidores de un vistazo. Por
ejemplo, la mayoría de las subestaciones de servicio eléctrico emplean medidores
analógicos que tratar de recordar 30 números y sus valores de seguridad.
Movimiento de D' Arsonval
El mecanismo sensor más común que se emplea en los amperímetros y vólmetros
electromecánicos es un dispositivo sensor de corriente llamado galvanómetro de
D' Arsonval o movimiento de imán permanente y bobina móvil. Este mecanismo
fue desarrollado por D' Arsonval en 1881. También se emplea en algunos
óhmetros, medidores rectificadores de corriente alterna y puentes de impedancia.
Su aplicación tan difundida se deba a su sensibilidad y exactitud extremas. Se
pueden detectar corrientes de menos de 1m A mediante instrumentos
comerciales. (Algunos instrumentos de laboratorio que emplean los movimientos
de D' Arsonval pueden medir corrientes tan pequeñas como 1.0 X 10 -13 A). El
movimiento detecta la corriente empleando la fuerza que surge de la interacción
de un campo magnético y la corriente que pasa a través de él. La fuerza se
emplea para generar un desplazamiento mecánico, que se mide en una escala
calibrada.
Las cargas que se mueven en forma perpendicular al flujo de un campo magnético
experimentan una fuerza perpendicular tanto al flujo como a la dirección de
movimientos de las cargas. Como la corriente que pasa por un conducto de debe
a un movimiento de cargas, esas cargas estarán sujetas a la fuerza magnética si
se orienta adecuadamente al conductor dentro de un campo magnético. La fuerza
se transmite mediante las cargas a los átomos en un conductor, y se fuerza al
conductor mismo a moverse.
La dirección de la fuerza en el conductor que lleva la corriente se encuentra
fácilmente mediante la regla de la mano derecha. El dedo índice apunta en la
dirección de la corriente convencional y el dedo medio apunta en la dirección del
campo magnético. La ecuación vectorial que define a esta fuerza es:
F=iLXB
Siendo F la fuerza en newtons en el conductor, i es la corriente en amperes, L es
la longitud en metros y B se representa por X.
En algunos medidores analógicos las escalas son no lineales. Esto se debe por lo
general a que el campo magnético no es uniforme en toda la zona entre las piezas
polares del imán. Para que la indicación del medidor sea exacta, la escala del
medidor debe desviarse de la linealidad para compensar esa falta de uniformidad
del medidor.
El mecanismo o movimiento que patentó D' Arsonval se basa en este principio.
Una bobina de alambre se fija en un eje que gira en dos cojinetes de joya. La
bobina puede girar en un espacio entre un núcleo cilíndrico de hierro suave y dos
piezas polares magnéticas. Las piezas polares crean el campo magnético y el
núcleo de hierro restringe el campo al espacio de aire (entrehierro) entre él y las
piezas polares. Si se aplica una corriente a la bobina suspendida, la fuerza
resultante hará que gire. A este giro se oponen dos resortes pequeños que
originan un par (fuerza giratoria) que se opone al par magnético. Las fuerzas de
los resortes se calibran de modo que una corriente conocida origine una rotación
de ángulo conocido.(También, los resortes sirven como conexiones eléctricas para
la bobina.) El puntero liviano muestra la cantidad de rotación sobre una escala
calibrada.
La desviación de la aguja es directamente proporcional a la corriente que fluye en
la bobina, siempre que el campo magnético sea uniforme y la tensión del resorte
es lineal. En ese caso, la escala del medidor también es lineal. La exactitud de los
movimientos de D' Arsonval que se emplean en los medidores comunes de
laboratorio es de aproximadamente el 1% de la lectura de la escala completa.
Movimiento del electrodinamómetro
El movimiento del electrodinamómetro se emplea en la construcción de voltímetros
y amperímetros de gran exactitud, así como wáttmetros y medidores de factor de
potencia. Al igual que el mecanismo de D' Arsonval, trabaja también como
dispositivo sensor de corriente. Se puede obtener exactitudes muy altas con el
empleo de este mecanismo porque no utilizan materiales magnéticos (los cuales
poseen propiedades no lineales).
En contraste con el movimiento de D' Arsonval, que emplea un imán permanente
como fuente del campo magnético, el electrodinamómetro crea un campo
magnético con la corriente que mide. Esta corriente pasa por dos devanados del
campo y establece el campo magnético que interacciona con la corriente en la
bobina móvil. La fuerza en esa bobina, debido a los campos magnéticos de las
bobinas fijas, hace que gire la bobina móvil. La bobina móvil se fija a un puntero
que se mueve a lo largo de una escala cargada para indicar el valor de la cantidad
que se esté midiendo. El conjunto completo del mecanismo se monta en una caja
blindada de hierro para aislarlo de cualquier campo magnético parásito.
El movimiento del electrodinamómetro produce una lectura de gran exactitud, pero
está limitado debido a sus necesidades de potencia. El campo magnético de los
devanados estacionarios, producido por una corriente de pequeña es mucho más
débil que el campo permanente del movimiento de D' Arsonval.
AMPÉRMETRO ANALÓGICO DE CD
Los amperímetros electromecánicos industriales y de laboratorio se emplean para
medir corrientes desde 1m A (10-6 A) hasta varios cientos de amperes. El
movimiento de D' Arsonval se emplea en la mayoría de los amperímetros de
corriente directa como detector de corriente. Los medidores típicos para banco de
laboratorio tienen exactitudes de aproximadamente 1 % del valor de la escala
completa debido a las inexactitudes del movimiento del medidor. Además de este
error, la resistencia de la bobina del medidor introduce una desviación con
respecto al comportamiento de un amperímetro ideal. El modelo que se emplea
para describir un amperímetro real en términos de circuito equivalente es una
resistencia Rm (de igual valor que la resistencia de la bobina y los conductores del
medidor) en serie con un amperímetro ideal.
RESISTENCIA INTERNA DE MOVIMIENTOS DE D' ARSONVAL TIPICOS
CORRIENTE
RESISTENCIA
CAIDA DE VOLTAJE
50 m A
1000-5000
50 mV-250mV
500 m A
100-1000
50 mV-500 mV
1 mA
30-120
30 mV-120 mV
10 m A
1-4
10 mV-40 mV
Ejemplo 1.1
Se tiene un amperímetro de 50 m A que tiene una resistencia interna de 2.5 K (K =
103), y se desea medir la corriente que pasa en una rama que contiene una
resistencia de 200 K
. Calcúlese:
a) El error introducido por la resistencia adicional del amperímetro en el circuito.
b) La indicación del amperímetro si se aplican 7.2 V en las terminales de la rama.
Solución: a) Sin el amperímetro en el circuito, 7.2 V aplicados a 200 K
producirán una corriente de:
I = V / R1 = 7.2 / 200K = 36 m A
b) Cuando se conecta el amperímetro en serie con esa resistencia, la resistencia
total de la rama es
de 202.5 K
. Así, si se aplican 7.2 V a esta nueva resistencia, se tendrá
una corriente de
I = V / (R1 + RM) = 7.2 / 202.5K = 35.56 m A
El error en la lectura originado por RM del amperímetro es
(36 X 10-6) - (35.56 X 10-6)
Error = ------------------------------------- X 100% = 1.23%
La sensibilidad de un amperímetro indica la corriente mínima necesaria para una
desviación de toda la escala.
Un shunt es un trayecto de baja resistencia conectado en paralelo con el
movimiento del medidor. El shunt permite que una fracción específica de la
corriente que pasa por la rama del circuito rodee el movimiento del medidor. Si se
sabe con exactitud cómo se divide la corriente, la fracción de ésta que pasa por el
movimiento puede indicar la corriente total que pasa por la rama en la que se
conecta el medidor.
Ejemplo 1.2
Dado un movimiento para 1mA con una resistencia interna (de bobina) de 50
,
se desea convertirlo a un amperímetro capaz de medir hasta 150 mA. ¿Cuál será
la resistencia necesaria del shunt?
Solución :
Si el movimiento puede manejar un máximo de 1 mA, el shunt tendrá que conducir
el resto de la corriente. Así, para una desviación de escala completa.
I shunt = I total - I movimiento
= 150 -1
= 149 mA
Como las caídas de voltaje a través del shunt y del movimiento son iguales (en
virtud de estar conectadas en paralelo), entonces
Vshunt
=
V
movimiento
I shuntR shunt
= I MR M
I MR M
R shunt
= ---------- ---------------------------=
I shunt
R shunt
(0.001)(50)
= 0.32
0.149
VÓLTMETROS ANALÓGICOS DE CD
La mayor parte de los vólmetros emplean también el movimiento de D' Arsonval.
Este movimiento se puede considerar en sí mismo un vólmetro, si se considera
que la corriente que pasa por él, multiplicada por su resistencia interna, origina
una determinada caída de voltaje. Para aumentar el voltaje que se puede medir
mediante ese instrumento, se agrega una resistencia más en serie a la resistencia
propia del medidor. La resistencia adicional (que se llama un multiplicador) limita la
corriente que pasa por el circuito del medidor.
Ejemplo 1.3
Si se desea emplear un medidor de 1 mA y 50
como vólmetro con escala de 10
V, ¿qué resistencia se debe colocar en serie con el movimiento?
Solución:
A escala máxima, pasa 1mA por el medidor. Si se han de medir 10 V, la
resistencia total necesaria es:
R total
V
10 V
= ------------
= -----------------
I
0.001 A
Como la resistencia del movimiento es 50
= 10,000
, la resistencia agregada debe ser
R series = R total - R movimiento
o
R series = 9950
Para construir un vólmetro de múltiple rango, se puede emplear un interruptor que
conecte resistencias de varias magnitudes en serie con el movimiento del medidor.
Para obtener una deflexión hacia los valores altos de la escala, los bornes se
deben conectar con el vólmetro con la misma polaridad que las marcas de las
terminales. Los voltímetros típicos de corriente directa (CD) de laboratorio tienen
exactitudes de ± 1 % de la escala completa.
La sensibilidad de un vólmetro se puede especificar por el voltaje necesario para
una deflexión de escala completa. Pero otro criterio de sensibilidad, que se usa
ampliamente, es la capacidad de ohms por volts.
Figura 1-1. Voltímetro básico de CD.
Figura 1-2. Voltímetro de varios rangos.
OHMETRO
Es un instrumento que mide la resistencia o simplemente continuidad, de un
circuito o parte del directamente en ohmios sin necesidad de cálculos, su principio
de funcionamiento se basa en el método del voltímetro para medir resistencias y
se configura habitualmente en circuitos tipo serie y/o derivación.
OHMETRO TIPO SERIE
El ohmetro tipo serie consta de un galvanómetro o movimiento D`Arsonal
conectado en serie con una resistencia y una batería, con un par de terminales a
los cuales se conecta la resistencia desconocida. La corriente que circula a través
del galvanómetro depende de la magnitud de la resistencia desconocida y la
indicación del medidor es proporcional a su valor, siempre y cuando se hayan
tomado en cuenta los problemas de calibración.
R1 = resistor limitador de corriente.
R2 = resistor de ajuste a cero.
E = batería interna.
Rm = resistencia interna del galvanómetro d' Arsonal.
Rx = resitor desconocido.
Cuando la resistencia desconocida Rx = 0 (terminales A y B en cortocircuito),
circula corriente máxima en el circuito. En estas condiciones, la resistencia de
derivación R2 se ajusta hasta que el galvanómetro indique la corriente a escala
completa (Ifsd). La posición de la aguja para la corriente de escala completa se
marca "0
". En forma similar, cuando Rx =
(terminales A y B abiertas) la
corriente en el circuito es cero y el galvanómetro indica cero corriente, esta
posición se marca "
" en la escala. Se colocan las marcas intermedias en la
escala conectando valores conocidos de resistencia Rx en las terminales del
instrumento. La exactitud de estas marcas depende de la exactitud respectiva del
galvanómetro y de las tolerancias de las resistencias de calibración.
Aun cuando el ohmetro tipo serie es un diseño popular y se utiliza extensamente
en los instrumentos portátiles para servicio general, tiene ciertas desventajas. Las
más importantes se relacionan con la disminución del voltaje de la batería interna
con el tiempo y el uso, de forma que la corriente a escala completa disminuye y el
medidor no lee "0" cuando A y B están en cortocircuito. La resistencia de
derivación R2 provee un ajuste para contrarrestar el efecto de la descarga de la
batería. Es posible ajustar la aguja a escala completa con R1 eliminando a R2, pero
esto cambiaría la calibración en toda la escala. El ajuste de R2 es una mejor
solución, ya que la resistencia equivalente del paralelo de R2 y la bobina Rm
siempre es baja
Comparada con R1, y por consiguiente el cambio requerido en R2 para el ajuste no
cambia mucho de calibración.
Una cantidad conveniente al uso en el diseño de un ohmetro tipo serie es el valor
de Rx que origina media deflexión en el medidor. A esta posición, la resistencia a
través de las terminales A y B se define como la resistencia de media escala R h. El
circuito es analizable a partir de la corriente a escala completa Ifsd y la resistencia
interna del galvanómetro Rm, se reduce la corriente a 1/2 Ifsd, y la resistencia
desconocida debe ser igual a la resistencia interna total del ohmetro.
R2Rm
Rh = R1 + -------------R2 + Rm
La resistencia total que se presenta a la batería es igual a 2Rh, y la corriente
necesaria para la deflexión a media escala de
E
Ih = ----------2Rh
Para producir la deflexión a plena escala, la corriente por la batería se debe
duplicar, o sea
E
I1 = 2Ih = -----Rh
La corriente de derivación a través de R2 es
I2 = I1- Ifsd
El voltaje en la resistencia de la derivación (Esh) es igual al voltaje en el
galvanómetro
Esh = Em o I2R2 = IfsdRm
Y
Ifsd Rm
R2= --------------I2
Al sustituir las ecuaciones anteriores se obtiene
IfsdRm
IfsdRmRh
R2 = ----------------- = ----------------I1 - Ifsd
E - IfsdRh
Resolviendo la ecuación arriba mencionada por R1, se obtiene
R2 Rm
R1 = Rh - -------------R2 + Rm
Al sustituir las ecuaciones anteriores y al despejar R1, se tiene
IfsdRmRh
R1 = Rh - -----------E
OHMETRO TIPO DERIVACIONEste consiste de una batería enserie con una
resistencia de ajuste R1 y un galvanómetro D' Arsonal. La resistencia desconocida
se conecta a través de las terminales A y B, en paralelo con el medidor. Para este
circuito es necesario tener un interruptor que desconecte la batería cuando no se
use el instrumento. Cuando la resistencia desconocida Rx = 0
( A y B están
abiertas), las corrientes circulará únicamente a través del medidor; y con la
apropiada selección del valor de R1, se puede hacer que la aguja marque escala
completa. De esta forma, el ohmetro tiene la marca "cero" en el lado izquierdo de
la escala ( no circula corriente) y la marca "infinito" en el lado derecho de la escala
( corriente de deflexión a plena escala).
El ohmetro tipo derivación es adecuado para medir valores bajos de resistencia;
no se suele emplear en los instrumentos de prueba, pero se encuentra en los
laboratorios o para aplicaciones especiales de medición de resistencia baja.
El análisis del ohmetro tipo derivación es similar al del ohmetro tipo serie.
Medidor es
E
Ifsd = -------------R1 + Rm
Donde:
E = voltaje de la batería interna
R1 = resistor limitador de corriente
Rm = resistencia interna del galvanómetro
Al despejar R1 se tieneE
R1 = ------ - Rm
Ifsd
Para cualquier valor de Rx conectado a través de las terminales del medidor, la
corriente por el medidor decrece y esta dada por
E
Ifsd =-------------------------R1 + [Rm Rx /(Rm +Rx)]
Rx
X -----------Rm + Rh
La corriente del medidor para cualquier valor de Rx, expresada como una fracción
de la corriente a escala completa es
Im
Rx (R1 + Rm )
S= -----Ifsd
= ------------------------------R1(Rm + Rx) + Rm Rx
O
R1 Rm
------------ = Rp
R1 + Rm
Y sustituyendo las ecuaciones anteriores se obtiene
Rx
S = ------------Rx + Rp
Si se utiliza la ecuación anterior, el medidor se calibra calculando s en términos de
R x y Rp .
Para la lectura de media escala del medidor ( Im = 0.5 Ifsd ) la ecuación anterior se
reduce a
ERh
0.5 Ifsd = -------------------------R1 Rm + Rh (R1 + Rm )
Donde Rh = resistencia externa que produce media deflexión. Para determinar los
valores sobre la escala para un valor de R1,
R1 Rm
Rh = -------------------R1 + Rm
El análisis muestra que la resistencia de media escala está determinando por el
resistor limitador R1 y la resistencia interna del galvanómetro Rm. La resistencia
limitadora, de deflexión a plena escala Ifsd.
Amperímetros y voltímetros analógicos para CA
Las señales eléctricas que cambian en amplitud y dirección periódicamente a
través del tiempo se miden con los medidores de corriente alterna. Estos
medidores pueden responder al valor pico, promedio, o efectivo de las señales
periódicas de corriente alterna que se les aplique. Esos medidores también se
calibran para indicar sus salidas en términos de uno de esos tres valores
característicos de señales de CA. Como resultado, si se deben efectuar
mediciones exactas de señales de CA, se deben seguir las referencias que se dan
a continuación. Primero, se debe considerar qué valor característico de la onda se
busca (promedio, pico o efectivo). A continuación, si es posible, se selecciona un
medidor que responda y que esté calibrado para indicar su salida en esa
característica. Si ello no fuera posible, se necesita calcular un factor de corrección
entre la indicación que se obtiene y el valor deseado de la característica. Sin
embargo, en ese caso probablemente sea más fácil y más exacto observar y
medir el valor de la característica deseada de la onda real con un osciloscopio o
analizador de espectro y no con el medidor que se tenga a mano.
Figura 1-3. Formas de onda para corriente alterna.
COMO EMPLEAR LOS MEDIDORES BÁSICOS

Los amperímetros siempre se conectan en serie con la rama cuya corriente
se ha de medir y nunca en paralelo. Se puede destruir el amperímetro si se
conecta en paralelo por equivocación. Su baja resistencia puede permitir
que pase la suficiente corriente en el medidor para la suficiente corriente en
el medidor para quemarlo. El voltímetro se conecta en paralelo a la porción
del circuito cuya caída de voltaje se desea medir.

Asegúrese que la aguja esté siempre en cero antes de conecta un medidor.
Si no indica cero, ajústese con el tornillo de ajuste a cero en la cara del
medidor.

No maneje los medidores con rudeza. El eje y sus cojinetes se dañan
fácilmente por golpes violentos o vibración.

Para obtener el movimiento del medidor, cuando se tienen rangos múltiples,
inicie todas las mediciones de cantidades desconocidas ajustando al
instrumento en su escala mayor. Tómese como indicación final la deflexión
que quede más cerca del valor de escala completa. Esta indicación final
será el valor más exacto.

Descánsense los medidores portátiles sobre sus partes traseras. Esto
ayudará a evitar que se volteen y se dañen.

Se deben corregir las lecturas para todo efecto de carga originado por la
presencia del medidor en el circuito.

Para dar lecturas escala arriba, se deben conectar los medidores de cd de
modo que las terminales del medidor estén unidas a los puntos en el

circuito de prueba cuyas polaridades sean iguales. Las conexiones de
polaridad invertida pueden conducir a daños del movimiento a causa del
golpe del puntero contra el tope de reversa.

Los medidores de CA -de aleta de hierro, electrodinamómetros, y los
electrostáticos- pueden conectarse sin tomar en cuenta la polaridad.

Manténganse los medidores alejados de conductores con mucha corriente.
Los campos magnéticos asociados con las corrientes pueden interferir con
los campos magnéticos del movimiento del medidor e introducir errores.

Para los multímetros:
a).- Cuando no se usen, téngase el selector de función en las escalas de
alto voltaje de CD. esto evita que se descargue la batería si ocurre un corto
accidental entra las puntas. También protege al circuito rectificador contra
conexiones accidentales como una fuente de CD.
b).- Verifíquese la batería o pila para asegurarse que esté trabajando con
un voltaje mayor que el mínimo permitido.
c).- Utilícese cada una de las funciones del medidor tal como si se empleara
un instrumento especial únicamente.
d).-Si el óhmetro no se puede llevar a cero cuando las puntas de prueba
estén en corto, se le debe cambiar la batería.

Los medidores se deben calibrar una vez al año de conformidad con las
especificaciones de

l fabricante. Adhiérase una etiqueta de calibración al medidor en donde
aparezca la fecha en la que se hizo la última calibración.
ERRORES DE MEDIDORES

Error de escala. Marcas inexactas en la escala durante la calibración o la
fabricación. Son igualmente probables en toda la escala.

Error de cerro. Omisión de ajuste a cero antes de efectuarse las
mediciones.

Error de paralaje. Originado por no tener la línea de visión exactamente
perpendicular a la escala de medida. Se puede eliminar algo con un espejo
bajo la escala o la aguja.

Error de fricción. Si está dañado o gastado el cojinete, su fricción puede
evitar que la aguja indique un valor verdadero. Se puede eliminar algo
golpeando suavemente al medidor cuando se hace una medición.

Efectos de temperatura sobre los imanes, resortes y resistencias internas.
Estos errores son proporcionales al por ciento de deflexión.

Error originado por desalineación entre el eje y la bobina en el cojinete; se
reduce manteniendo al eje en posición vertical.

Aguja doblada o aguja rozando contra la escala.

Baja exactitud. Si se dice que un medidor es exacto hasta determinado
porcentaje, estos generalmente se refiere a la lectura de escala completa.
Para las lecturas menores, el porcentaje real de error puede ser mucho
mayor. Esto se aplica sólo a los medidores analógicos.

Error de efecto de carga debido a la utilización de un instrumento no ideal
en un circuito. Se puede calcular la perturbación del circuito por el
instrumento y se puede compensar en la indicación, si no se dispone de un
medidor con menos efecto de carga.

Errores específicos asociados con los principios de operación y el diseño de
un medidor en particular. La magnitud de esos errores se calcula a partir del
conocimiento del medidor y de su funcionamiento.

Error de ruido en modo común. El ruido en modo común puede originar
errores serios en muchos sistemas de medición electrónica.
Medidores Digitales
Multímetro Digital (DMM)
Están diseñados para medir cantidades como: voltaje de CD, voltaje de CA,
corrientes directa y alterna, temperatura, capacitancia, resistencia, inductancia,
conductancia, caída de voltaje en un diodo, conductancia y accesorios para medir
temperatura, presión y corrientes mayores a 500 amperes.
La mayoría de los multímetros digitales se fabrican tomando como base ya sea un
convertidor A/D de doble rampa o de voltaje a frecuencia. Muchos multímetros
digitales son instrumentos portátiles de baterías.
El medidor electrónico digital (abreviado DVM para voltímetro digital o DMM para
multímetro digital) indica la cantidad que se está midiendo en una pantalla
numérica en lugar de la aguja y la escala que se emplea en los medidores
analógicos. La lectura numérica le da a los medidores electrónicos digitales las
siguientes ventajas sobre los instrumentos analógicos en muchas aplicaciones:
Las exactitudes de los voltímetros electrónicos digitales DVM son mucho
mayores que las de los medidores analógicos. Por ejemplo, la mejor exactitud
de los medidores analógicos en de aproximadamente 0.5% mientras que las
exactitudes de los voltímetros digitales pueden ser de 0.005% o mejor. Aun los
DVM y DMM más sencillos tiene exactitudes de al menos ± 0.1%.
Para cada lectura hecha con el DVM se proporciona un número definido. Esto
significa que dos observadores cualquiera siempre verán el mismo valor. Como
resultado de ello, se eliminan errores humanos como el paralaje o
equivocaciones en la lectura.
La lectura numérica aumenta la velocidad de captación del resultado y hace
menos tediosa la tarea de tomar las mediciones. Esto puede ser una
consideración importante en situaciones donde se deben hacer un gran
número de lecturas.
La repetibilidad (repetición) de los voltímetros digitales DVM es mayor cuando
se aumenta el número de dígitos desplegados. El voltímetro digital DVM
también puede contener un control de rango automático y polaridad
automáticos que los protejan contra sobrecargas o de polaridad invertida.
La salida del voltímetro digital DVM se puede alimentar directamente a
registradores (impresoras o perforadoras de cinta) donde se haga un registro
permanente de las lecturas. Estos datos registrados están en forma adecuada
para ser procesados mediante computadoras digitales. Con la llegada de los
circuitos integrados (CI), se ha reducido el control de los voltímetros digitales
hasta el punto en que algunos modelos sencillos tienen hoy precios
competitivos con los medidores electrónicos analógicos convencionales.
La parte primordial de los DVM y DMM es el circuito que convierte las señales
analógicas medidas en la forma digital. Estos circuitos de conversión se llaman
convertidores analógicos a digitales (A/D).
Figura 1-4. Diagrama a bloque de un multímetro digital.
CONVERTIDORES ANALOGICOS A DIGITALES
Se usan un gran número de métodos para convertir señales analógicas a la
forma digital. Los que más se emplean en los circuitos convertidores A/D
disponibles en el mercado son cinco:
Rampa de escalera
2.- Aproximaciones sucesivas
3.- Doble rampa
4.- Voltaje a frecuencia
5.- Paralelo o instantáneo
1.- Convertidores A/D de rampa de escalera. Los convertidores más sencillos
son de este tipo. Cuando se aplica un comando de inicio o arranque la lógica
de control, el voltaje analógico de entrada se compara con una salida de voltaje
de un convertidor D/A. Esta salida comienza en cero y se incrementa en un bit
menos significativo con cada pulso del reloj. Siempre que el voltaje de entrada
sea mayor que el voltaje de salida del convertidor D/A, el comparador producirá
una señal de salida que continúa permitiendo que los pulsos del reloj se
alimenten al contador. Sin embargo, cuando el voltaje de salida de ese
convertidor es mayor que el voltaje de entrada, la salida del comparador
cambia y esta acción evita que los pulsos del reloj lleguen al contador. El
estado del contador en ese instante representa el valor de voltaje de entrada
en forma digital. La desventaja de este tipo de convertidores es que, no
obstante su simplicidad, es bastante lento y el tiempo de conversión depende
de la amplitud de voltaje de entrada.
Figura 1-5. Diagrama de bloques del convertidor analógico a digital en rampa
de escalera
2.- Convertidores A/D de aproximaciones sucesivas. Se utilizan ampliamente
debido a su combinación de alta resolución y velocidad, ya que pueden
efectuar conversiones entre 1 y 50 m s. Sin embargo, son más caros. La lógica
de este convertidor prueba varios códigos de salida y los alimenta al
convertidor D/A y a un registro de almacenamiento y compara el resultado con
el voltaje de entrada a través del comparador. La operación es análoga a la
acción de pesar una muestra en una balanza de laboratorio con pesos
estándar en una secuencia binaria. El procedimiento correcto es comenzar con
el mayor peso estándar y proseguir en orden hasta el menor. La muestra se
coloca en un platillo y el peso mayor se coloca en el otro; si la balanza no se
inclina, se deja el peso, y se coloca el siguiente con menor peso. Si la balanza
se inclina, se quita el peso mayor y se agrega el siguiente menos pesado. Se
usa el mismo procedimiento para el siguiente valor menos pesado y así se
prosigue hasta el menor. Después de que se ha probado el enésimo peso y se
ha tomado una decisión, se dan por terminadas las mediciones de peso. El
total de las pesas que se encuentran en el platillo es la aproximación más
cercana al peso de la muestra. En el convertidor de aproximaciones sucesivas,
se implementa el procedimiento de medición de pesos mediante un convertidor
D/A, un comparador, un registro de almacenamiento y una lógica de control.
Figura 1-6. Diagrama de bloques de un convertidor analógico a digital de
aproximaciones sucesivas.
3.- Convertidores A/D de doble rampa. Se emplean ampliamente en
aplicaciones en donde la mayor importancia estriba en la inmunidad al ruido,
gran exactitud y economía. Los convertidores de doble rampa pueden suprimir
la mayor parte del ruido de la señal de entrada debido a que emplean un
integrador para efectuar la conversión. El rechazo del ruido puede ser infinito
para una frecuencia específica del ruido si el primer periodo de integración del
convertidor se iguala al periodo del ruido. Por lo tanto, para rechazar el ruido
prevaleciente debido a las líneas de alimentación de 60 Hz, se necesita que T 1
sea de 16.667 ms. Sin embargo, esta ventaja también conduce a tiempos de
conversión muy largos. Sin embargo las ventajas de los convertidores de doble
rampa los hacen muy adecuados para aplicaciones en las que no sean
necesarios tiempos breves de conversión. Se emplean mucho, en especial en
aplicaciones de instrumentos de precisión tales como voltímetros digitales.
Figura 1-7. Convertidor analógico a digital de doble rampa.
4.- Convertidor de voltaje a frecuencia. En este tipo de convertidores, el voltaje
de CD de entrada se convierte en un conjunto de pulsos cuya velocidad de
repetición (o frecuencia) es proporcional a la magnitud del voltaje de
alimentación. Los pulsos se cuentan mediante un contador electrónico en
forma semejante al de contar las longitudes de onda con el contador de
intervalo de tiempo en el voltímetro digital de doble rampa. Por lo tanto, la
cuenta es proporcional a la magnitud del voltaje de entrada. La parte primordial
de esos convertidores es el circuito que transforma el voltaje de CD de entrada
a un conjunto de pulsos. Se emplea un integrador para llevar a cabo esta tarea.
Las frecuencias típicas del convertidor de voltaje a frecuencia (V/F) quedan en
el rango de 10 kHz a 1 kHz. El convertidor muy utilizado de 10 kHz necesita un
intervalo de compuerta de 0.025 s para una conversión A/D de 8 bits.
Figura 1-8. Diagrama de bloques de un multímetro digital tipo integrador voltaje
a frecuencia.
5.- Convertidor en paralelo (o instantáneo). Estos convertidores llevan a cabo
las más rápidas conversiones A/D. En esta técnica, el voltaje de entrada se
alimenta simultáneamente a una entrada de cada uno de los P comparadores.
La otra entrada de cada comparador es un voltaje de referencia. El comparador
recibe un valor distinto del voltaje de referencia, comenzando en V Rmax.
Empleando el principio del divisor de voltaje y valores iguales de R, el valor del
voltaje de referencia VRp en cada comparador estará dado por
VRp = VRmax P/Q
Siendo
p = número del comparador (de 1 a P)
P = número total de comparadores
Q = número total de resistencias = P + 1
Así, el voltaje de entrada se compara de manera simultánea con valores de
voltaje, igualmente espaciados (de 0 a VRmax).
Figura 1-9. Convertidor analógico a digital paralelo de tres bits.
OSCILOSCOPIO
El osciloscopio de rayos catódicos debido a su especial mecanismo de
despliegue puede desplegar seguir señales con frecuencias mayores de 1
GHz. De hecho, frecuencias aún mayores se pueden desplegar empleando el
osciloscopio de muestreo.
El dispositivo de despliegue que permite observar variaciones de tan alta
velocidad es el tubo de rayos catódicos. El tubo genera un haz delgado de
electrones (el rayo catódico) dentro de sí mismo. Este rayo está dirigido de tal
modo que choca con una pantalla fluorescente que cubre un extremo del tubo.
Siempre que el rayo choca con la pantalla, se emite un punto de luz visible.
Cuando el haz se mueve a través de la pantalla, "pinta" un trazo de su
trayectoria. Los campos que provocan las deflexiones del haz de electrones se
crean a lo largo de su trayecto mediante placas deflectoras. La pantalla del
osciloscopio depende de los voltajes aplicados a las placas del tubo. También
se sigue de esta conclusión que el osciloscopio en realidad es un vóltmetro,
esto es, un vóltmetro con mecanismo de despliegue de velocidad super alta.
El voltaje no es la única cantidad que se puede medir. Interpretando
correctamente las características del despliegue, se puede usar el osciloscopio
para indicar corriente, tiempo, frecuencia y diferencia de fase.
En efecto, el osciloscopio probablemente sea el instrumento más versátil y útil
inventado para trabajos de mediciones eléctricas.
Subsistemas del osciloscopio
El osciloscopio es un instrumento complejo capaz de medir o desplegar una
amplia variedad de señales. Los subsistemas que constituyen por lo general un
osciloscopio son:
1. Subsistema de despliegue (tubo de rayos catódicos).
2. Subsistema de deflexión vertical.
3. Subsistema de deflexión horizontal.
4. Fuente de poder.
5. Sonda (puntas de prueba).
6. Circuitos de calibración.
Dentro del tubo, se crea un haz de electrones mediante un cañón de
electrones. El haz de electrones se enfoca y, se dirige para que choque con la
pantalla fluorescente, creando un punto de luz en el lugar del impacto con la
pantalla. El haz se deflexiona en forma vertical en proporción a la amplitud del
voltaje aplicado a las placas de deflexión vertical del tubo. La señal amplificada
de entrada también está monitoreada por el subsistema de deflexión horizontal.
El subsistema tiene la tarea de barrer horizontalmente el haz de electrones a
través de la pantalla a una velocidad uniforme.
Figura 1-10. Diagrama a bloques de los subsistemas del osciloscopio
Subsistema de despliegue (tubo de rayos catódicos)
El tubo en sí es un recipiente sellado de vidrio con un cañón de electrones y un
sistema de deflexión montado dentro del tubo en un extremo y una pantalla
fluorescente en el otro. Se evacúa el aire del tubo, que queda al alto vacío. Se
necesita este alto vacío.
La función del cañón es producir el haz de electrones. Algunos de esos electrones
pasan a través de un pequeño agujero en la rejilla de control de intensidad que
rodea al cátodo. La intensidad del punto de luz que se produce donde el haz de
electrones choca con la pantalla fluorescente depende del número de electrones
en dicho haz.
Después de dejar el cañón de electrones, el haz enfocado y acelerado pasa entre
dos placas deflectoras. Si no hay diferencia de voltaje entre las placas, el haz
continúa directamente y llega a la pantalla fluorescente en su centro. Si hay una
diferencia de potencial entre uno o ambos conjuntos de placas, el haz se desviará
de su trayectoria recta.
Se colocan los dos conjuntos de placas deflectoras perpendiculares entre sí de
modo que puedan controlar en forma independiente el haz tanto en la dirección
horizontal como en la vertical.
La pantalla fluorescente del tubo de rayos catódicos está cubierta de fósforo, en el
punto donde el haz de electrones llega a la pantalla, este material emite un punto
de luz visible.
El tiempo que tarda la intensidad del punto para disminuir al 10 por ciento su
brillantez original se llama la persistencia del fósforo.
Cuando un haz de electrones llega a la pantalla se genera tanto calor como luz. El
efecto, 90 por ciento de la energía del haz se convierte en calor y sólo 10 por
ciento en luz visible.
La retícula es el conjunto de líneas horizontales y verticales inscritas en forma
permanente en la cara del tubo de rayos catódicos. Esas líneas permiten que se
mida visualmente la onda mostrada contra un conjunto de escalas verticales y
horizontales.
Figura 1-11. Tubo de rayos catódicos del osciloscopio
Figura 1-12. Deflexión del haz de electrones en el tubo de rayos catódicos; a)
ambas placas deflectoras a voltaje cero; b) voltaje positivo en la placa deflectora
derecha; c) voltaje positivo en la placa deflectora superior; d)-g) voltajes positivos
iguales en placas deflectoras adyacentes.
Subsistema de deflexión vertical.
Se deben aplicar aproximadamente 10 a 20 V a las placas deflectoras del tubo de
rayos catódicos para desviar al haz de electrones 1 cm. El osciloscopio debe tener
un subsistema que tenga la capacidad de amplificar o de atenuar las señales de
entrada para que se produzca una figura correcta cuando se apliquen las señales
de interés a las placas deflectoras del tubo de rayos catódicos.
El sistema de deflexión vertical esta compuesto de los siguientes elementos:
1. Selector de acoplamiento de entrada
2. Atenuador de entrada
3. Preamplificador
4. Amplificador vertical principal
5. Línea de retardo.
El subsistema de deflexión vertical comienza con un repaso de la operación
combinada del atenuador, el preamplificador y el amplificador vertical principal.
Todos ellos constituyen la parte amplificadora del subsistema.
La función del atenuador es reducir la amplitud de las señales de entrada en un
factor seleccionado F antes de que se apliquen esas señales a la sección de
preamplificador y amplificador.
Figura 1-13. Subsistema de deflexión vertical.
Subsistema de deflexión de horizontal
Consiste del amplificador de deflexión horizontal y los circuitos de base de tiempo.
Se emplea el amplificador de horizontal de dos maneras. La primera es en la
amplificación directa de señales externas de entrada (que se alimenta a
continuación a las placas de deflexión horizontal del tubo de rayos catódicos).
Como lo que muestra el osciloscopio al operar en este modo consiste en la
variación de alguna señal (mostrada en la dirección Y o vertical) contra de otra
(que se muestra a lo largo del eje X u horizontal), se dice que el osciloscopio está
trabajando en el modo X-Y de despliegue.
El segundo uso del amplificador horizontal se utiliza para amplificar las ondas de
barrido generadas por los circuitos de base de tiempo.
Figura 1-14. Modo X-Y de operación
Puntas de prueba del osciloscopio
Efectúan la importante tarea de detectar las señales en su fuente y transferirlas
hasta las entradas del osciloscopio. La cabeza de la punta contiene los circuitos
sensores de la señal. Casi siempre se emplea un cable coaxial para transmitir la
señal desde la cabeza de la punta hasta los circuitos de terminación (o
directamente a las terminales de entrada del osciloscopio, si no hay circuito de
terminación). Si se emplea un circuito de terminación, su función es terminar el
cable coaxial en la impedancia característica del cable y presenta así la
impedancia del cable a las entradas del osciloscopio.
Figura 1-15. Diagrama general de bloques de una sonda (puntas de prueba) de un
osciloscopio
Circuitos de calibración
Para asegurar que el amplificador vertical de un osciloscopio esté amplificando
con exactitud las magnitudes de las señales medidas, se deben efectuar pruebas
de calibración periódicamente. Esto es, se debe alimentar una señal que tenga
una amplitud conocida con exactitud a las terminales de entrada del osciloscopio y
observar la señal en la pantalla. Si la pantalla da un valor medido distinto del valor
conocido de referencia, indica que el amplificador vertical no se encuentra
calibrado en forma correcta. Se deben hacer entonces los ajustes correctos del
instrumento para restaurar la exactitud adecuada en la pantalla. De igual manera,
se deben efectuar periódicamente pruebas de calibración para asegurar la
exactitud de la base de tiempo.
1.3 Funcionamiento y Uso de Generadores de
Funciones.
Un generador de funciones es un instrumento versátil que genera diferentes
formas de onda cuyas frecuencias son ajustables en un amplio rango. La salidas
más frecuentes son ondas senoidales, triangulares, cuadradas y diente de sierra.
Las frecuencias de estas ondas pueden ser ajustadas desde una fracción de hertz
hasta varios cientos de kilohertz.
La diferentes salidas dl generador se pueden obtener al mismo tiempo. Por
ejemplo, proporcionando una sola cuadrada para medir la linealidad de un sistema
de audio, la salida en diente de sierra simultánea se puede usar para alimentar el
amplificador de deflexión horizontal de un osciloscopio, con lo que se obtiene la a
exhibición visual de los resultados de las mediciones. La capacidad de un
generador de funciones de fijar la fase de una fuente externa de señas es otra de
las características importantes y útiles.
Un generador de funciones puede fijar la fase de un generador de funciones con
una armónica de una onda senoidal del otro generador. Mediante el ajuste de
fase y amplitud de las armónicas permite general casi cualquier onda obteniendo
la suma de la frecuencia fundamental generada por un generador de funciones de
los instrumentos y la armónica generada por el otro. El generador de funciones
también se puede fijar en fase a una frecuencia estándar, con lo que todas las
ondas de salida generadas tendrán la exactitud y estabilidad en frecuencia de la
fuente estándar.
El generador de funciones también puede proporcionar ondas a muy bajas
frecuencias. Ya que la frecuencia baja de un oscilador RC es limitada, la figura
ilustrada otra técnica. Este generador entrega ondas senoidales triangulares y
cuadradas con un rango de frecuencias de 0.01 Hz hasta 100 kHz. La red de
control de frecuencia está dirigida por el selector fino de frecuencia en el panel
frontal del instrumento o por un voltaje de control aplicado externamente. El voltaje
de control de frecuencia regula dos fuentes de corriente.
La fuente de corriente superior aplica una corriente constante al integrador, cuyo
voltaje de salida se incrementa en forma lineal con el tiempo. La conocida relación
da el voltaje de salida.
Un incremento o decremento de la corriente aplicada por la fuente de corriente
superior aumenta o disminuye la pendiente del voltaje de salida. El multivibrador
comparador de voltaje cambia de estado a un nivel predeterminado sobre la
pendiente positiva del voltaje de salida del integrador. Este cambio de estado
desactiva la fuente de corriente superior y activa la fuente inferior.
Dicha fuente aplica un corriente distinta inversa al integrador, de modo que la
salida disminuya linealmente con el tiempo. Cuando el voltaje de salida alcanza un
nivel predeterminado en la pendiente negativa de la onda de la salida, el
comparador de voltaje cambia de nuevo, desactiva la fuente de corriente inferior y
activa al mismo tiempo la fuente superior.
El voltaje a la salida del integrador tiene una forma de onda triangular cuya
frecuencia está determinada por la magnitud de la corriente aplicada por las
fuentes de corriente constante. El comparador entrega un voltaje de salida de
onda cuadrada de la misma frecuencia. La tercera onda de salida se deriva de la
onda triangular, la cual es sintetizada en oda senoidal por una red de diodos y
resistencias. En ese circuito la pendiente de la onda triangular se altera a medida
que su amplitud cambia resultado una onda senoidal con menos del 1% de
distorsión.
Los circuitos de salida del generador de funciones consiste de dos amplificadores
que proporcionen dos salidas simultáneas seleccionadas individualmente de
cualquiera de las formas de onda.
UNIDAD II
ANALISIS DE CIRCUITOS DE
CORRIENTE ALTERNA
2.1. Introducción
2.1.1. Ley de OHM.
2.1.2. Circuitos Eléctricos.
2.1.3. Leyes de Kirchhoff.
2.2.- Capacitores e Inductores.
2.3.- Reactancias e Impedancias.
2.1 INTRODUCCIÓN
Corriente alterna: la corriente alterna, denominada normalmente ac, es la que se
obtiene de una máquina rotatoria llamada alternador o generador de ac. La teoría
de esta máquina se basa también en el principio de la inducción electromagnética
y se describe en las secciones siguientes. Del orden del 90 por 100 de la energía
eléctrica se genera como corriente alterna, y de aquí que la mayoría de los
sistemas de energía sean de este tipo. Las características de los circuitos de ac
difieren en algunos aspectos de 1as de los sistemas de dc. Una corriente alterna
es aquella que continuamente y a intervalos regulares cambia en magnitud y
alterna en sentido o polaridad.
Voltaje de los sistemas de CA; el transformador: El voltaje que generan los
alternadores de las grandes plantas de energía modernas es mayor que el voltaje
suministrado a las casas; no es raro que sea del orden de 16,600 V. este voltaje
tan alto aumenta el rendimiento para las compañías de energía, pero es necesaria
su reducción antes de conectarlo a las casas. El uso extensivo de los sistemas de
ac se debe principalmente al la facilidad de subir o bajar el voltaje con un
transformador. El funcionamiento de este aparato se basa también en el principio
de la inducción electromagnética.
Inducción Electromagnética
Descubrimiento de Faraday: El funcionamiento de aparatos de energía eléctrica
tales como el generador de dc, el alternador y el transformador se basan en el
principio de la inducción electromagnética. El descubrimiento de este principio se
debe a Michael Faraday, quien, en 1831, encontró que, cuando un conductor que
formaba parte de un circuito cerrado se movía a través de un campo magnético,
circulaba por él una corriente.
El descubrimiento de Faraday se puede comprobar moviendo un conductor a
través del campo de un fuerte electroimán como lo muestra la figura 2.1. Si el
conductor C se mueve hacia arriba a través del campo magnético, el movimiento
dará lugar a que se induzca un voltaje en el conductor, y el galvanómetro G
acusará la presencia del voltaje inducido.
Este voltaje inducido se denomina fem inducida. Si se mantiene quieto el
conductor en el campo magnético, el galvanómetro indicará un voltaje pero en
sentido opuesto a cuando se movía hacia arriba. Si se mueve el conductor hacia
los lados, esto es, paralelamente al campo de N a S, el galvanómetro indicará
cero, mostrando que no se induce ningún voltaje. Al cambiar la polaridad del imán,
esto es, al intercambiar la situación de los polos N y S, también se cambia el
sentido de la indicación del galvanómetro.
Figura 2.1 Comprobación del descubrimiento de faraday
El principio de la inducción electromagnética se puede resumir como sigue:
siempre que haya un movimiento entre un conductor y un campo magnético, se
inducirá una fem en el conductor; puede permanecer el campo magnético
estacionario y el conductor moverse a través de él o bien permanecer el
conductor estacionario y ser el campo magnético el que se mueva.
Características de la corriente alterna.
Grados eléctricos: en la figura 2.2 se muestra el voltaje de CA comenzando en
cero voltios, aumentando en sentido positivo hasta un valor máximo a los 90°,
después bajando a cero a los 180°, donde cambia de polaridad, o alterna;
volviendo después a aumentar hasta su valor máximo negativo a los 270° y
bajando otra vez a cero a los 360°. Desde este punto continúa indefinidamente
repitiendo este ciclo.
Los grados mencionados se llaman grados eléctricos.
Figura 2.2 Fem inducida en un conductor de un generador de CA simple.
Alternancia: Se emplea el término de alternancia para definir un periodo de 180
grados eléctricos.
Ciclo: Es el espacio de un conjunto completo de valores, esto es, todos los
valores positivos y negativos. El ciclo corresponde a 360 grados eléctricos y
también a dos alternancias.
Frecuencia: Es el número de veces que se presenta un ciclo en un segundo y se
expresa en ciclos por segundo.
La frecuencia de un alternador depende de su velocidad de rotación y del número
de polos. Expresada matemáticamente es
f = (P X S) / 120
Donde
f = frecuencia, cps
P = número de polos del alternador
S = velocidad del alternador, r.p.m.
Periodo : Es el tiempo que necesita el voltaje (o la corriente) para completar un
ciclo y se expresa matemáticamente como
t=1/f
Donde
t = tiempo necesario para completar un ciclo, seg
f = número de ciclos por segundo
Frecuencia empleada en los sistemas de suministro de energía. La frecuencia
de los sistemas de energía es baja, siendo la más común 50 ciclos, aunque
también se emplean 25, 30, 40 y 60. La más popular es la de 50 porque da
buenos resultados tanto cuando se usa para iluminación como para maquinaria.
Pueden construirse alternadores para producir frecuencias de 500 ciclos y en
algunos casos especiales se han construido para una frecuencia de 20,000 ciclos.
Frecuencias empleadas en los sistemas de comunicaciones. En radio,
televisión, telemetría, etc., se usan frecuencias mayores, tales como cientos de
millares de ciclos, millones de ciclos hasta cientos de millones de ciclos. Estas
frecuencias elevadas se consiguen gracias a los sistemas generadores
(osciladores) que emplean válvulas de vacío o transistores.
Características de la intensidad y el voltaje
Valores instantáneos. Cuando se produce una fem al girar una bobina a
velocidad constante en un campo magnético uniforme se puede encontrar el valor
del voltaje en cada instante por la ecuación
Onda sinusoidal. Si se obtiene un gran número de valores empleando la
ecuación anterior, se sitúan en un gráfico y se dibuja una curva; ésta se denomina
onda sinusoidal. Un voltaje que corresponde a esta forma se llama voltaje
sinusoidal.
Valor máximo. Es el valor mayor que se alcanza en un ciclo. Este valor es
importante en algunas partes del estudio de voltajes e intensidades alternos, pero
no se usa como valor de definición. Se designa como Emax e Imax.
Valor medio. El valor medio de un ciclo completo es cero, porque las áreas
positivas y negativas bajo la curva son iguales entre sí. El valor medio, sin
embargo, se refiere generalmente a solo medio ciclo. Este valor se puede
determinar encontrando un gran número de valores instantáneos igualmente
espaciados desde 0 a 180° (o desde 0 a 90°), obteniendo su suma y dividiéndola
por el número de valores empleados. Expresado matemáticamente,
e1 + e2 + e3 + en
Emed = ---------------------------n
El amperio en CA. La corriente que fluye en un circuito es proporcional al voltaje,
de aquí que los valores medio, instantáneos y máximos se puedan aplicar a las
intensidades sinusoidales tal como se ha descrito para los voltajes sinusoidales.
Se puede definir como la intensidad de corriente alterna que produce el mismo
efecto que un amperio en corriente continua. Asi las ecuaciones anteriores se
pueden escribir
621.5
Media = ----------------- = 62.15
10
Valor medio obtenido al tomar intervalos de 10°.
El valor eficaz. El valor instantáneo de la onda sinusoidal que se elige para
representar el amperio en CA se denomina valor eficaz, ya que debe ser de tal
magnitud que produzca el mismo efecto calorífico que 1 A en corriente continua.
El valor eficaz de una onda sinusoidal es, por tanto, la raíz cuadrado de la media
de los cuadrados instantáneos. También se puede hallar el valor eficaz usando
matemáticas más elevadas (cálculo) que muestran que el valor eficaz de una onda
sinusoidal es siempre igual a su valor máximo dividido por raiz de 2. Este valor es
el comúnmente aceptado y se expresa:
Esto puede simplificarse de la siguiente manera:
I = 0.707 Imax
El valor eficaz se llama a veces valor medio cuadrático porque se halla obteniendo
la raíz cuadrada de la media de los cuadrados de un gran número de valores
instantáneos.
Voltamperios, factor de potencia, potencia
Relación de fase entre el voltaje y la intensidad: debido a que los voltajes y las
intensidades en alterna están continuamente variando de una forma sinusoidal es
posible que en un circuito las ondas de voltaje e intensidad vayan o no a la par, o
sea estén o no en fase. El que el voltaje y la intensidad de un circuito estén o no
estén en fase de del tipo de elementos que forman su carga.
Voltiamperios: en los circuitos de CD, en los que la intensidad y el voltaje tienen
valor constante, el producto de los voltios por los amperios es la potencia en vatios
cuando ambos estén en fase. Cuando no están en fase, el producto de los voltios
por los amperios será mayor que los vatios consumidos por el circuito. Por esta
razón, al producto de los voltios por los amperios se le llama voltamperios del
circuito. También llama frecuentemente a este producto potencia aparente del
circuito.
Voltamperios = voltios x amperios
Factor de potencia: la razón entre los vatios consumidos realmente por el
circuito y los voltamperios del circuito se llama factor de potencia, así
Factor de potencia =
Potencia real
-------------------------Potencia aparente
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2.1 INTRODUCCIÓN
Corriente alterna: la corriente alterna, denominada normalmente ac, es la que se
obtiene de una máquina rotatoria llamada alternador o generador de ac. La teoría
de esta máquina se basa también en el principio de la inducción electromagnética
y se describe en las secciones siguientes. Del orden del 90 por 100 de la energía
eléctrica se genera como corriente alterna, y de aquí que la mayoría de los
sistemas de energía sean de este tipo. Las características de los circuitos de ac
difieren en algunos aspectos de 1as de los sistemas de dc. Una corriente alterna
es aquella que continuamente y a intervalos regulares cambia en magnitud y
alterna en sentido o polaridad.
Voltaje de los sistemas de CA; el transformador: El voltaje que generan los
alternadores de las grandes plantas de energía modernas es mayor que el voltaje
suministrado a las casas; no es raro que sea del orden de 16,600 V. este voltaje
tan alto aumenta el rendimiento para las compañías de energía, pero es necesaria
su reducción antes de conectarlo a las casas. El uso extensivo de los sistemas de
ac se debe principalmente al la facilidad de subir o bajar el voltaje con un
transformador. El funcionamiento de este aparato se basa también en el principio
de la inducción electromagnética.
Inducción Electromagnética
Descubrimiento de Faraday: El funcionamiento de aparatos de energía eléctrica
tales como el generador de dc, el alternador y el transformador se basan en el
principio de la inducción electromagnética. El descubrimiento de este principio se
debe a Michael Faraday, quien, en 1831, encontró que, cuando un conductor que
formaba parte de un circuito cerrado se movía a través de un campo magnético,
circulaba por él una corriente.
El descubrimiento de Faraday se puede comprobar moviendo un conductor a
través del campo de un fuerte electroimán como lo muestra la figura 2.1. Si el
conductor C se mueve hacia arriba a través del campo magnético, el movimiento
dará lugar a que se induzca un voltaje en el conductor, y el galvanómetro G
acusará la presencia del voltaje inducido.
Este voltaje inducido se denomina fem inducida. Si se mantiene quieto el
conductor en el campo magnético, el galvanómetro indicará un voltaje pero en
sentido opuesto a cuando se movía hacia arriba. Si se mueve el conductor hacia
los lados, esto es, paralelamente al campo de N a S, el galvanómetro indicará
cero, mostrando que no se induce ningún voltaje. Al cambiar la polaridad del imán,
esto es, al intercambiar la situación de los polos N y S, también se cambia el
sentido de la indicación del galvanómetro.
Figura 2.1 Comprobación del descubrimiento de faraday
El principio de la inducción electromagnética se puede resumir como sigue:
siempre que haya un movimiento entre un conductor y un campo magnético, se
inducirá una fem en el conductor; puede permanecer el campo magnético
estacionario y el conductor moverse a través de él o bien permanecer el
conductor estacionario y ser el campo magnético el que se mueva.
Características de la corriente alterna.
Grados eléctricos: en la figura 2.2 se muestra el voltaje de CA comenzando en
cero voltios, aumentando en sentido positivo hasta un valor máximo a los 90°,
después bajando a cero a los 180°, donde cambia de polaridad, o alterna;
volviendo después a aumentar hasta su valor máximo negativo a los 270° y
bajando otra vez a cero a los 360°. Desde este punto continúa indefinidamente
repitiendo este ciclo.
Los grados mencionados se llaman grados eléctricos.
Figura 2.2 Fem inducida en un conductor de un generador de CA simple.
Alternancia: Se emplea el término de alternancia para definir un periodo de 180
grados eléctricos.
Ciclo: Es el espacio de un conjunto completo de valores, esto es, todos los
valores positivos y negativos. El ciclo corresponde a 360 grados eléctricos y
también a dos alternancias.
Frecuencia: Es el número de veces que se presenta un ciclo en un segundo y se
expresa en ciclos por segundo.
La frecuencia de un alternador depende de su velocidad de rotación y del número
de polos. Expresada matemáticamente es
f = (P X S) / 120
Donde
f = frecuencia, cps
P = número de polos del alternador
S = velocidad del alternador, r.p.m.
Periodo : Es el tiempo que necesita el voltaje (o la corriente) para completar un
ciclo y se expresa matemáticamente como
t=1/f
Donde
t = tiempo necesario para completar un ciclo, seg
f = número de ciclos por segundo
Frecuencia empleada en los sistemas de suministro de energía. La frecuencia
de los sistemas de energía es baja, siendo la más común 50 ciclos, aunque
también se emplean 25, 30, 40 y 60. La más popular es la de 50 porque da
buenos resultados tanto cuando se usa para iluminación como para maquinaria.
Pueden construirse alternadores para producir frecuencias de 500 ciclos y en
algunos casos especiales se han construido para una frecuencia de 20,000 ciclos.
Frecuencias empleadas en los sistemas de comunicaciones. En radio,
televisión, telemetría, etc., se usan frecuencias mayores, tales como cientos de
millares de ciclos, millones de ciclos hasta cientos de millones de ciclos. Estas
frecuencias elevadas se consiguen gracias a los sistemas generadores
(osciladores) que emplean válvulas de vacío o transistores.
Características de la intensidad y el voltaje
Valores instantáneos. Cuando se produce una fem al girar una bobina a
velocidad constante en un campo magnético uniforme se puede encontrar el valor
del voltaje en cada instante por la ecuación
Onda sinusoidal. Si se obtiene un gran número de valores empleando la
ecuación anterior, se sitúan en un gráfico y se dibuja una curva; ésta se denomina
onda sinusoidal. Un voltaje que corresponde a esta forma se llama voltaje
sinusoidal.
Valor máximo. Es el valor mayor que se alcanza en un ciclo. Este valor es
importante en algunas partes del estudio de voltajes e intensidades alternos, pero
no se usa como valor de definición. Se designa como Emax e Imax.
Valor medio. El valor medio de un ciclo completo es cero, porque las áreas
positivas y negativas bajo la curva son iguales entre sí. El valor medio, sin
embargo, se refiere generalmente a solo medio ciclo. Este valor se puede
determinar encontrando un gran número de valores instantáneos igualmente
espaciados desde 0 a 180° (o desde 0 a 90°), obteniendo su suma y dividiéndola
por el número de valores empleados. Expresado matemáticamente,
e1 + e2 + e3 + en
Emed = ---------------------------n
El amperio en CA. La corriente que fluye en un circuito es proporcional al voltaje,
de aquí que los valores medio, instantáneos y máximos se puedan aplicar a las
intensidades sinusoidales tal como se ha descrito para los voltajes sinusoidales.
Se puede definir como la intensidad de corriente alterna que produce el mismo
efecto que un amperio en corriente continua. Asi las ecuaciones anteriores se
pueden escribir
621.5
Media = ----------------- = 62.15
10
Valor medio obtenido al tomar intervalos de 10°.
El valor eficaz. El valor instantáneo de la onda sinusoidal que se elige para
representar el amperio en CA se denomina valor eficaz, ya que debe ser de tal
magnitud que produzca el mismo efecto calorífico que 1 A en corriente continua.
El valor eficaz de una onda sinusoidal es, por tanto, la raíz cuadrado de la media
de los cuadrados instantáneos. También se puede hallar el valor eficaz usando
matemáticas más elevadas (cálculo) que muestran que el valor eficaz de una onda
sinusoidal es siempre igual a su valor máximo dividido por raiz de 2. Este valor es
el comúnmente aceptado y se expresa:
Esto puede simplificarse de la siguiente manera:
I = 0.707 Imax
El valor eficaz se llama a veces valor medio cuadrático porque se halla obteniendo
la raíz cuadrada de la media de los cuadrados de un gran número de valores
instantáneos.
Voltamperios, factor de potencia, potencia
Relación de fase entre el voltaje y la intensidad: debido a que los voltajes y las
intensidades en alterna están continuamente variando de una forma sinusoidal es
posible que en un circuito las ondas de voltaje e intensidad vayan o no a la par, o
sea estén o no en fase. El que el voltaje y la intensidad de un circuito estén o no
estén en fase de del tipo de elementos que forman su carga.
Voltiamperios: en los circuitos de CD, en los que la intensidad y el voltaje tienen
valor constante, el producto de los voltios por los amperios es la potencia en vatios
cuando ambos estén en fase. Cuando no están en fase, el producto de los voltios
por los amperios será mayor que los vatios consumidos por el circuito. Por esta
razón, al producto de los voltios por los amperios se le llama voltamperios del
circuito. También llama frecuentemente a este producto potencia aparente del
circuito.
Voltamperios = voltios x amperios
Factor de potencia: la razón entre los vatios consumidos realmente por el
circuito y los voltamperios del circuito se llama factor de potencia, así
Factor de potencia =
Potencia real
-------------------------Potencia aparente
2.1.1. LEY DE OHM
Ley de ohm
La relación matemática más importante entre el voltaje, intensidad de corriente y la
resistencia fue descubierta por Georg Simon Ohm y se denomina ley de ohm
enunciándose como sigue:
"La corriente que circula en un circuito varia directamente con el voltaje aplicado e
inversamente con la resistencia de el mismo".
E
I = ------R
Son tres la unidades básicas (variables) de medida en electricidad a saber; el
voltio, al amperio y el ohmio.
El amperio. Es la intensidad de corriente que equivale al paso de coulombio por
un punto dado de circuito en un segundo.
E
I = -------R
1 cul = 6.28 X 1018 e-
El nombre de amperio se dio en honor de Andre Marie Ampere.
El voltio. Equivale a la presión eléctrica que se requiere para conseguir una
intensidad de 1 amperio en una resistencia de 1 ohmio.
Corrientemente la palabra voltaje se usa en lugar de potencial, diferencia de
potencial y fuerza electromotriz.
E = IR
El nombre de voltio se dio en honor de Alejandro Volta.
El ohmio. Es igual a la oposición ofrecida por un conductor al paso de un amperio
cuando se aplica entre sus extremos una presión eléctrica de 1 voltio.
E
R = -------I
Potencia. La unidad eléctrica es el watt y es equivalente al trabajo que hace en 1
segundo una corriente constante de un amperio que circula bajo la presión de 1
voltio.
1 watt = 1A X 1V
P = IE
P = I2 R
P=(E/R)E
P = E2 / R
2.1.2. CIRCUITOS ELECTRICOS
Circuitos eléctricos.
Un circuito simple es aquel en el que solo hay una resistencia conectada a la
fuente del circuito.
Un circuito serie es aquel en el que están conectados o más resistencias formando
un camino continuo de manera que la corriente para sucesivamente de una a otra.
Intensidad de un circuito serie: solo sola hay un camino por donde pasar la
corriente y la que sale por la fuente tiene que regresar, pasará la misma intensidad
por todas las partes del circuito.
Voltaje en un circuito serie: las caída de voltaje e1, e2, etc. indican las
tensiones necesarias para obligar a la corriente a pasar por las resistencias
asociadas (existentes) en el circuito. Como la tensión total aplicada representa el
voltaje total necesario de la fuente para hacer pasar la corriente por todo el
circuito, el voltaje suministrado por la fuente a de ser igual a la suma de las caídas
de tensión en el circuito.
Resistencia de un circuito en serie: la corriente en este circuito tiene que pasar
por todas las resistencias antes de regresar al punto de partida. La resistencia
total ofrecida al paso de la corriente sera por tanto la suma de todas las
resistencias aisladas.
RT = r1 + r2 + r3
Potencia en un circuito serie: todas las resistencias absorben potencia y como
todas las potencias proceden de fuente del suministro, la potencia total absorbida
por el circuito tiene que ser igual a al suma de las potencias consideradas
aisladamente.
PT = p1 + p2 + p3
En = en1 + en2 + en3
Las características del circuito serie se pueden ser resumidas como sigue:
1. La intensidad (corriente) es igual en todas las partes del circuito.
2. El voltaje aplicado es igual a la suma de las caídas de tensión en el circuito.
3. La resistencia del circuito completo es igual a la suma de las resistencias
asociadas en el circuito.
4. La potencia total es igual a la suma de las potencias absorbidas en las
resistencias.
5. La energía total es igual a al suma de las energías en cada una de las
resistencias asociadas en el circuito.
Circuito paralelo
Cuando se conectan dos o mas resistencias de manera que la corriente pueda
pasar por dos o mas caminos se tiene un circuito paralelo.
La intensidad en un circuito paralelo es la suma de las intensidades de cada rama.
IT = l1 + l2 + l3
Así mismo la tensión que se aplica a los extremos de las terminales de las cargas
al no encontrar resistencias en su camino, serán iguales a la aplicada por la fuente
de voltaje.
ET = e1 + e2 + e3
Resistencia en un circuito paralelo: se calcula empleando el método de la
conductancia y se puede obtener mediante la expresión siguiente:
1
RT = ----------------1
1
1
--- + --- + ---r1 r2
r3
Por regla la resistencia total es menor que el valor de la menor de las resistencia
del circuito.
2.1.3. EMPLEO DE LAS LEYES DE KIRCHHOFF
Empleo de las leyes de Kirchhoff
Estás leyes se pueden emplear para resolver tanto los circuitos reducibles como
los irreducibles, calculando sus valores desconocidos (voltaje, intensidades,
resistencias, etc.).
Ley de Kirchhoff en voltaje. Se enuncia como sigue: la suma algebraica de todos
los voltajes a lo largo de un camino cerrado de un circuito a de ser igual a cero.
Es - e1 - e2 - e3 = 0
Ley de Kirchhoff de la intensidad. La suma algebraica de todas las intensidades
de corriente en cualquier modo o nudo de un circuito a de ser igual a cero.
IT - i1 - i2 - i3 = 0
Método de solución de problemas.
1. Marcar todos los elementos del circuito con un nombre y un valor.
2. Asignar a cada rama del circuito una dirección de corriente dibujando una flecha
a lo largo de la rama que indique la dirección del flujo de e- .
3. Marcar todos los puntos de conexión de elementos del circuito con una letra de
referencia.
4. Escribir las ecuaciones de las intensidades para cada unión de tres o más
elementos del circuito. Las corrientes que entran en la unión se consideraran
algebraicamente positivas y las que salen negativas.
5. Escribir las ecuaciones del voltaje para cada camino cerrado del circuito.
Indicar los voltajes desconocidos en función de las intensidades y resistencias.
Indicar las polaridades de los voltajes, cuando se establezcan las ecuaciones de
los voltajes se deben seguir las siguientes reglas:
a).- El voltaje de una fuente es positivo cuando la dirección de la corriente que
pasa por el, va del terminar negativo al positivo y negativo en caso contrario.
b).- La polaridad del voltaje en una resistencia dependerá de la dirección del flujo
de e- dentro de ella. Cuando está dirección es opuesta a la dirección en que se ha
trazado el voltaje del lazo, el voltaje de la resistencia es negativo. Cuando
coincidan la dirección del flujo de e- y la asignada a lazo el voltaje es positivo.
6. Resolver simultáneamente las ecuaciones de voltaje y corriente.
7. Los voltajes desconocidos pueden determinarse empleando la ley de Ohm.
8. Comprobar las respuestas obtenidas sustituyendo sus valores en las
ecuaciones del voltaje y corriente no empleadas de manera que todos los valores
de corriente desconocidas sean empleadas al menos una vez.
2.2. CAPACITORES E INDUCTORES.
Capacitores
Capacitancia o capacidad es la propiedad de un circuito por la que se opone a
cualquier cambio en el voltaje.
Mientras que la inductancia se origina en el campo magnético y se opone a
cualquier cambio de la intensidad de la corriente, la capacitancia la origina el
campo electrostático y se opone a cualquier cambio en el voltaje.
Cuando se desea obtener una capacitancia se emplea un dispositivo llamado
condensador.
Unidad de capacitancia: la unidad de capacidad es el faradio, denominado así en
honor de Michael Faraday,. Un circuito tiene una capacidad de un faradio cuando
un voltaje que cambia a razón de un volt por segundo origina una intensidad
media de 1 amperio.
El faradio es una unidad demasiado grande para fines prácticos y la que se usa
comúnmente es el µf. otras que se emplean también son el pf y nf.
Factores que influyen en la capacidad: área activa del conductor, espesor del
dieléctrico y clase de material empleado como dieléctrico.
La capacidad se determina por:
Donde:
C = Capacidad en µf.
K = Constante dieléctrica.
A = Área efectiva de una placa en cm2.
t = Espesor del dieléctrico en cm.
Reactancia capacitiva: la capacitancia ofrece una oposición al flujo de corriente
alterna que retarda los cambios de voltaje exactamente como la inductancia
retarda los cambios de intensidad. Cuando se conecta un condensador a una
fuente de corriente alterna la oposición se presenta permanentemente a ésta. La
oposición que un condensador ofrece al flujo de corriente alterna se llama
reactancia capasitiva. Se expresa en
y su símbolo es:
Donde:
Xc = Reactancia capasitiva.
f = Frecuencia en cps o Hz.
c = Capacitancia, faradios.
Inductancia
Aplicando C.A a un conductor el campo estaría expandiéndose, contrayéndose,
invirtiendo su polaridad; expandiéndose, contrayéndose.
Conclusión
Cuando la intensidad , la fem. Inducida es tal que se opone al aumento de la fem
aplicada, cuando la intensidad disminuye, la fem inducida es tal que se opone a la
disminución de la fem aplicada. Este efecto se llama inducción y esta de acuerdo
con la definición de que la inducción es la propiedad de un circuito de oponerse a
cualquier cambio en la intensidad de la corriente. Se debe advertir que cambio es
una palabra muy importante es esta definición.
Cuando el flujo de corriente a través de un circuito varía en intensidad origina un
campo magnético variable que crea una fuerza electromotriz inducida, la cual se
opone al cambio de la intensidad que la produce.
Es evidente que sólo es eficaz la inducción cuando hay una intensidad variable en
un circuito. En los circuitos de C.D , ésta condición sólo existe, normalmente no
se tiene en cuenta la inductacia en tales circuitos, considerándose más
significativa en C.A.
La unidad Inductancia es el henrio y se llama así en honor del científico
americano JOSEPH HENRY. Un circuito tiene una inductacia de 1 henrio cuando
un cambio en la corriente de un A x /s induce un voltaje medio de un voltio. Es un
símbolo para la inductancia es "L".
Factores que influyen en la inductacia de una bobina
Aunque prácticamente todos los circuitos tienen probablemente inductancia,
frecuentemente lo norma es hablar de L refiriéndose a una bobina. Cuando se
emplea una bobina expresamente por su propia inductiva; se llama inductor. La
auto inductancia es una bobina depende de sus características físicas, o sea, de
sus dimensiones, número de vueltas y propiedad magnética de su núcleo.
Debido a que a veces es muy difícil predecir con precisión las condiciones
magnéticas de un circuito. Se usan varias ecuaciones para expresar la relación
entre los factores que influyen en la "i" de una bobina.
Inductancia en un solenide:
Su longitud es al menos 10 veces en su diámetro.
Donde:
L = inductancia en henrios.
N = número de vueltas.
µ = permeabilidad del núcleo.
A = área del núcleo en cm2.
l = longitud del núcleo en cm.
Solenoide con núcleo de hierro.
Solenoide con medio de aire.
Bobina de varia capas con núcleo de aire.
Bobina plana con núcleo de aire.
2.3 REACTANCIAS E IMPEDANCIAS.
Reactancia inductiva, resistencia e impedancia.
Los efectos de la inductancia en un circuito de corriente alterna son dos:
a) Crear una oposición al flujo de la corriente.
b) Originar un retardo o trazo en la intensidad.
Reactancia inductiva.
El estudio de la inductancia muestra que un cambio en el campo magnético induce
un voltaje en tal sentido que se opone a cualquier cambio en la intensidad de la
corriente. Esto da lugar a que la intensidad sea mas baja que sin no estuviera
presente la inductancia y la inductancia debe , por tanto, introducir una oposición
al flujo de la corriente. La oposición se llama reactancia inductiva y se expresa en
ohmios; su símbolo es Xl. Sobre el valore de la reactancia inductiva influyen dos
valores:
a) La inductancia del circuito.
b) La velocidad a que cambia la corriente.
Donde:
Xl = Reactancia inductiva. (
f = Frecuencia. (cps (Hz))
L = Inductancia.(H)
2? = 6.2832.
)
En la practica es imposible tener un circuito (bobina) que solo tenga inductancia
porque el alambre con que se fabrica la bobina tiene alguna resistencia
normalmente esta resistencia es tan pequeña en comparación con la reactancia
inductiva que se desprecia, pero puede ser significativa en algunas aplicaciones.
Si se toma en cuenta la resistencia inherente al conductor en que esta fabricado la
bobina su efecto ohmico combinado con el de la reactancia inductiva se llama
impedancia (Z) y se expresa también em ohmios ( ).
EL
IL = -------Z
La corriente que se establece en una bobina pero no sale en ese mismo instante
por la bobina (vueltas). Ejemplo. Una manguera al abrirla para que salga el agua.
Constante de tiempo en la bobina (t)
L
t = -------R
Entre mas vueltas tiene la bobina se tarda más en establecer corriente.
Entre menos vueltas tiene una bobina más rápido establece corriente.
Constante de tiempo:
El tiempo que necesita la corriente para alcanzar su valor final depende de la
relación entra la inductancia y la resistencia del circuito.
La razón entre la inductancia y la resistencia se llama constante de tiempo y
representa el tiempo en segundos que necesita la corriente para alcanzar el 63.2
% de su valor final.
Angulo de retraso (cos de teta ): si en un circuito que contiene inductancia se
aplica corriente alterna, el efecto de la inductancia del circuito será causa que la
corriente atrasada continuamente repecto al voltaje.
El retraso depende de los valores relativos de la inductancia y la resistencia del
circuito y se expresa generalmente en grados eléctricos en lugar de segundos.
Se determina por la siguiente relación:
Todo lo que contiene bobina generalmente los circuitos de entrada son reactivos e
inductivos.
Ejercicio: Una bobina de choque de 6 henrios que tiene una resistencia de 200
ohmios se conecta a una fuerza de energía de 110 volts a 60 ciclos.
a) ¿Cuál es su reactancia inductiva?
b) ¿Cuál es su reactancia impedancia?
c) ¿Cuanta corriente roma de la línea?
L = 6H
R = 200
E = 100V / 60Hz
XL = 6.2832 X 60 X 6
XL = 2261.95?
_
Z = /(R2 + XL2)
_
Z = /(2002 + 2261.952)
Z = 2270.77?
I = 110 / 2270.77
I = 0.048 A
F.P. = ángulo = R / Z = 200 / 2270.77 = 0.088075
Inv cos de 0.088075 = 84.94°
Teta = 84.94°
Ejercicio: una bobina tiene una inductancia de 300 µ henrios y una resistencia de
6
se conecta a una batería de 3 V. Que tiempo tarda la corriente en alcanzar el
63.2% de su valor final.
L = 300 ?H
R=6?
E=3V
T=?
63.2% de su valor.
T = L / R = (300 X 10-6 H) / 6
T = 5 X 10-5 seg.
T = 50 µseg.
Las inductancias de un circuito que contiene varias bobinas conectadas en serie y
alejadas lo suficiente de modo que no exista acoplamiento entre ellas se
determina por:
LT = L1 + L2 + L3 + ... + LN
(serie)
Cuando están conectadas en paralelo bajo la misma condición anterior se usa la
siguiente expresión:
1
LT = ----------------------------1
1
1
1 (paralelo)
--- + --- + --- + ... + --L1 L2 L3
LN
L1 L2
LT = -------L1 + L2
Reactancia inductiva
XLT = XL1 + XL2 + XL3 + ...+ XLN
1
XLT = ----------------------------1
1
1
1 (paralelo)
(serie)
--- + --- + --- + ... + --XL1 XL2 XL3
XLN
Impedancia: en la practica no se puede construir condensadores solo que tengan
algunas resistencias. Debido a que esta es muy pequeña comparado con la
reactancia capacitiva, a veces se desprecia y se considera entonces el
condensador como si solo tuviera reactancia capacitiva.
Si se considera la resistencia del capacitor, su efecto ohmico debe combinarse
con el de las reactancias capacitivas, este efecto ohmico se denomina
impedancia.
I = E / Xc
I=E/Z
T = RC
Donde:
T = seg.
R = ohms
C = faradios
Q = IT
Constante de tiempo: el producto de resistencia en ohmios por la capacidad en
faradios se denomina constante de tiempo y represente el tiempo que necesita el
voltaje del condensador para alcanzar el 63.2% del voltaje ampliado.
UNIDAD III
SELECCION DE
COMPONENTES R, L, C
3.1.- Resistores.
3.2.- Inductores.
3.3.- Capacitores.
3.4.- Transformadores.
3.1. RESISTORES
a) Valor de resistencia.
b) Valores limite - disipación.
c) Limites máximos de corriente.
d) Tolerancia o precisión.
e) Coeficiente de temperatura y limitaciones.
f) Coeficientes de voltaje.
g) Ruido.
h) Requisitos de tamaño y montaje.
i) Efectos reactivos parásitos: Inductancia y capacitancia.
j) Estabilidad ambiental con respecto a soldabilidad.
k) Estabilidad ambiental con respecto a choques.
l) Estabilidad ambiental con respecto a vibraciones.
m) Estabilidad ambiental con respecto a ciclos térmicos.
n) Estabilidad ambiental con respecto a humedad.
o) Estabilidad ambiental con respecto a altitud.
p) Estabilidad ambiental con respecto a aislamiento.
q) Estabilidad ambiental con respecto a resistencia mecánica.
r) Estabilidad ambiental con respecto a durabilidad del código de colores.
s) Estabilidad ambiental con respecto a desviación.
t) Efectos de frecuencia.
u) Costos.
v) Temperatura máxima.
w) Factor de degradación por temperatura.
Figura 3.1. Especificaciones técnicas de un resistor
Ejemplo:
Figura 3.2. Ejemplo
Azul = 6
Gris = 8
Negro = 0
Oro = 5%
Tal que
68 X 100 (±5%) = 68 ± 3.4
3.2. INDUCTORES
a) Valor de inductancia.
b) Tamaño y requisitos de montaje.
c) Q (factor de mérito).
d) Gama de frecuencias.
e) Composición de núcleo (entre hierro).
f) Nivel de corriente continua.
g) Magnitud de corriente alterna en bobinas con núcleo de hierro.
h) Efectos de capacitancia parásita.
i) Frecuencia autorresonante.
j) Parabobinas acopladas.
k) Razón de vueltas.
l) Inductancia mutua.
m) Acoplamiento capacitivo entre devanados.
n) Factores ambientales con respecto a la temperatura.
o) Factores ambientales con respecto a la humedad.
p) Factores ambientales con respecto a los choques.
q) Factores ambientales con respecto a las vibraciones.
r) Factores ambientales con respecto a los aislamientos.
s) Factores ambientales con respecto a la altitud.
t) Factores ambientales con respecto a los ciclos térmicos.
u) Disipación de potencia.
v) Protección.
w) Fijos o variables.
3.3. CAPACITORES
a) Voltajes de capacitancia y valores limite.
b) Voltaje de corriente continua de corriente alterna pico y sobre
voltaje (transistores)
c) Tamaño físico.
d) Requisitos de montaje.
e) Limites de temperatura.
f) Coeficiente de temperatura de la capacitancia.
g) Tolerancia o precisión.
h) Variaciones de capacitancia con el voltaje.
i) Fugas.
j) Polarizaciones.
k) Valor de q
l) Efectos parásitos de inductancia serie, resonancia serie.
m) En variable número permitido de ajustes de variación.
n) Estabilidad.
o) Efectos ambientales con respecto a choques.
p) Efectos ambientales con respecto a vibraciones.
q) Efectos ambientales con respecto a ciclos de temperatura.
r) Efectos ambientales con respecto a humedad.
s) Efectos ambientales con respecto a posibilidades de soldadura.
t) Efectos ambientales con respecto a resistencia mecánica.
u) Efectos ambientales con respecto a altitud.
v) Efectos ambientales con respecto a aislamiento.
w) Efectos ambientales con respecto a duración de código.
x) Voltaje máximo de ondulación.
y) Gamma de frecuencias.
z) Costos.
aa) Corriente máxima de ondulación.
3.4. TRANSFORMADORES
Empleo de los transformadores en los sistemas de energía. Una razón
importante del gran empleo de la corriente alterna en proporción a la continua es
la facilidad con que se puede aumentar y disminuir su voltaje gracias a los
transformadores. Esto hace posible generar energía en grandes cantidades en la
fuente de energía que puede ser una planta hidroeléctrica. Se puede entonces
elevar el voltaje a los valores de la línea de transmisión, hasta 500.000 V, y hacer
que el rendimiento en la transmisión de la energía a ciudades a cientos de
kilómetros de la estación generadora sea grande. En las afueras de cada ciudad
se instala una subestación transformadora para reducir el voltaje a valores
razonables para su distribución por la ciudad, y se vuelve a bajar con otros
transformadores hasta llegar a la tensión de suministro a los consumidores.
Principio del funcionamiento. La base del funcionamiento de un transformador
es también la inducción electromagnética. En la figura que se muestra bajo este
texto ilustra el transformador fundamental que consiste en un núcleo de hierro y
dos bobinados denominados primario y secundario. El núcleo proporciona un
camino para el campo magnético y se construye generalmente de un gran número
de chapas delgadas de un acero especial. El primario es el que recibe la energía
de la línea y el secundario es el que da la energía a la carga.
Figura 3.3. Transformador fundamental
La teoría del funcionamiento de un transformador es la que sigue:
1. Cuando se conecta el primario a un fuente de fem alterna, por el bobinado
comienza a pasar una corriente alterna.
2. En cuanto fluye una corriente por un conductor se crea un campo magnético
alrededor de él. Si la corriente cambia continuamente en magnitud y la polaridad,
el campo magnético que se origina en el núcleo de hierro hará lo mismo.
3. El campo magnético alterno está, por tanto, continuamente expandiéndose y
contrayéndose. Como el circuito magnético es cerrado, la variación del campo
magnético es la misma en cualquier parte del núcleo.
4. Las líneas magnéticas al expandirse y contraerse cortarán a los conductores
situados en cualquier parte del núcleo, y de acuerdo con el experimento de
Faraday , en éstos aparecerá una fem inducida.
5. Como a cada conductor sobre el núcleo le corta el mismo flujo, la fem inducida
por vuelta será la misma. Por tanto, el voltaje en cada bobinado será proporcional
al número de vueltas; expresado matemáticamente, esto es
EP
NP
------ = -----ES
NS
6. Se puede ver en esta ecuación que el voltaje del secundario se puede aumentar
o disminuir eligiendo una relación de vueltas.
Funcionamiento del transformador cuando se carga. Si se conecta el
secundario a una carga, pasará una corriente a través de la carga y también por el
bobinado del secundario. La energía que consuma la carga tiene que proceder de
la línea; de aquí que la carga en el primario tenga que variar como en el
secundario. En la figura anterior se muestra que no existe conexión eléctrica entre
los bobinados del primario y el secundario. La energía consumida por la carga se
transfiere del secundario al primario por medio del flujo magnético. El rendimiento
del transformador es muy alto, a menudo superior al 95 por 100; de aquí que los
varios en el secundario sean casi los mismos que en el primario. En estas
condiciones las intensidades varían inversamente con los voltajes.
Matemáticamente, esto es
EP
IP
------ = -----ES
IS
Esta ecuación muestra que al elevar el voltaje con un transformador se disminuye
la intensidad. Esta es la ventaja decisiva en los sistemas de transmisión de
energía.
Rendimiento. Todos los generadores, motores, transformadores u otros aparatos
que transforman energía de una forma a otra pierden parte de esta energía en el
proceso. Si se emplea un motor de gasolina para hacer girar a un generador, el
motor suministra energía mecánica al eje del generador, y esta energía se
convierte en energía mecánica que pasa a la carga. Solo una parte de esta
energía mecánica se transforma en energía eléctrica debido a las pérdidas por
fricción y a las pérdidas en el hierro y el cobre del generador. El rendimiento es la
expresión que se usa para indicar qué porción de la energía recibida por un
aparato se aprovecha en la transformación. Se puede definir el rendimiento como
la relación entre la salida y la entrada de cualquier aparato; matemáticamente se
expresa como:
Salida
Rendimiento = ----------Entrada
UNIDAD IV
DISPOSITIVOS
SEMICONDUCTORES
4.1.- Introducción.
4.2.- Diodos Rectificadores, Aplicaciones.
4.3.- Diodos Zener. Para un Regulador en Paralelo.
4.4.- LEDs.
4.5.- Transistor (BJT).
4.6.- Amplificadores con BJT.
4.7.- BJT como Conmutador.
4.8.- Transistores de Potencia.
4.9.- Tiristores (SCR).
4.10.- TRIAC.
4.1 INTRODUCCIÓN
Cronología
En 1833, Michael Faraday un físico británico quien descubrió que el sulfuro de
plata tenia coeficiente negativo.
En 1835, se descubren las propiedades rectificadoras de los dispositivos de
estado sólido.
En 1864, se hace un redescubrimiento de las propiedades rectificadoras de los
dispositivos de estado sólido.
En 1904, se patenta el primer rectificador de estado sólido.
También en 1904 se patenta el primer diodo de vacío conocido como válvula de
Fleming.
En 1907, el doctor Lee de Forest inventa su diodo de vació (audión).
En 1940, se inicia la investigación sería sobre los dispositivos de estado sólido.
En la navidad de 1947, se produce el primer amplificador de estado sólido
(transistor) en los laboratorios de la compañía Bell (AT&T).
En 1949, se propone la teoría para el transistor de unión.
En 1956, se concede el premio novel de física a los inventores del transistor.
En 1951, se construyo y demostró un modelo funcional del transistor de unión.
A fines de la década de los 50 se le entregó a los militares una computadora de
bulbos que ocupaba 60000 pies2 (6231 m2 de espacio de suelo)
El diodo ideal
El diodo es un dispositivo electrónico, el más sencillo de los dispositivos
semiconductores, pero desempeña un papel muy importante en los sistemas
electrónicos. Con sus características, que son muy similares a las de un interruptor
sencillo, aparece en una amplia variedad de aplicaciones, que van desde las más
sencillas a las más complejas.
De manera ideal, un diodo conducirá corriente en la dirección que define la flecha
en el símbolo, y actuará como un circuito abierto en cualquier intento por
establecer corriente en dirección opuesta.
Las características de un diodo ideal son aquellas de un interruptor que puede
conducir corriente en una sola dirección.
Figura 4.1. Estado de conducción de un diodo ideal
Figura 4.2. Estado de no conducción de un diodo ideal
El átomo de germanio tiene 32 electrones en órbita, mientras que el silicio tiene 14
electrones en varias órbitas. En cada caso, existen cuatro electrones en la órbita
exterior (valencia). El potencial (potencial de ionización) que se requiere para
movilizar cualquiera de estos cuatro electrones de valencia, es menor que el
requerido por cualquier otro electrón dentro de la estructura. En un cristal puro de
germanio o de silicio estos cuatro electrones de valencia se encuentran unidos a
cuatro átomos adjuntos como se muestra en la figura 4.3. para el silicio. Tanto el
Ge como el Si son referidos como átomos tetravalentes, porque cada uno tiene
cuatro electrones de valencia.
Una unión de átomos fortalecida por el compartimiento de electrones se denomina
unión covalente.
Figura 4.3. Unión covalente del átomo de silicio
Se dice que los materiales semiconductores como el Ge y el Si, que muestran una
reducción en resistencia con el incremento en la temperatura, tienen un coeficiente
de temperatura negativo.
Mientras más distante se encuentre el electrón del núcleo es el estado de energía,
y cualquier electrón que haya dejado a su átomo, tiene un estado de energía
mayor que cualquier electrón en la estructura atómica.
Materiales semiconductores
El término semiconductor revela por sí mismo una idea de sus características. El
prefijo semi suele aplicarse a un rango de niveles situado a la mitad entre dos
límites.
El término conductor se aplica a cualquier material que soporte un flujo generoso
de carga, cuando una fuente de voltaje de magnitud limitada se aplica a través de
sus terminales.
Un aislante es un material que ofrece un nivel muy bajo de conductividad bajo la
presión de una fuente de voltaje aplicada.
Un semiconductor, por tanto, es un material que posee un nivel de conductividad
sobre algún punto entre los extremos de un aislante y un conductor.
Aunque se puede estar familiarizado con las propiedades eléctricas del cobre y la
mica, las características semiconductores, germanio (Ge) y silicio (Si), pueden ser
relativamente nuevas. Algunas de las cualidades únicas del Ge y el Si es que
ambos forman un patrón muy definido que es periódico en naturaleza
(continuamente se repite el mismo). A un patrón completo se le llama cristral y al
arreglo periódico de los átomos, red cristalina. Para el Ge y el Si el cristal tiene la
estructura de diamante de tres dimensiones que se muestra en la figura 4.4
cualquier material compuesto sólo
Figura 4.4. Estructura de un solo cristal de Ge y Si.
Materiales Extrínsecos tipo N y tipo P
Las características de los materiales semiconductores pueden ser alteradas
significativamente por la adición de ciertos átomos de impureza a un material
semiconductor relativamente puro. Estas impurezas, aunque sólo haya sido
añadida 1 parte en 10 millones, pueden alterar en forma suficiente la estructura de
la banda y cambiar totalmente las propiedades eléctricas del material.
Un material semiconductor que haya sido sujeto de dopado se denomina un
material extrínseco.
Existen dos materiales extrínsecos de gran importancia para la fabricación de
dispositivos semiconductores: el tipo n y el tipo p.
Material tipo N
Tanto el material tipo n como el tipo p se forman mediante la adicción de un
número predeterminado de átomos de impureza al germanio o al silicio. El tipo n
se crea a través de la introducción de elementos de impureza que poseen cinco
electrones de valencia (pentavalentes), como el antimonio, arsénico y fósforo.
Las impurezas difundidas con cinco electrones de valencia se les llama átomos
donadores.
Es importante comprender que, aunque un número importante de portadores
"libres" se han creado en el material tipo n, éste aún es eléctricamente neutral,
debido a que de manera ideal el número de protones cargados positivamente en
los núcleos es todavía igual al número de electrones "libres" cargados
negativamente y en órbita en la estructura.
Material tipo P
El material tipo p se forma mediante el dopado de un cristal puro de germanio o de
silicio con átomos de impureza que poseen tres electrones de valencia. Los
elementos que se utilizan con mayor frecuencia para este propósito son el boro,
galio e indio.
A las impurezas difundidas con tres electrones de valencia se les conoce como
átomos aceptores.
El material resultante tipo p el eléctricamente neutro, por las mismas razones
descritas para el material tipo n.
Flujo de electrones comparado con flujo de huecos
Si un electrón de valencia adquiere suficiente energía cinética para romper su
unión covalente y llena un hueco, entonces se creará un hueco en la unión
covalente que liberó el electrón.
Portadores mayoritarios y minoritarios
En el estado intrínseco, el número de electrones libres en Ge o en Si se debe sólo
a aquellos electrones en la banda de valencia que han adquirido suficiente energía
de las fuentes térmicas o lumínicas para romper la unión covalente o a las pocas
impurezas que no pudieron eliminarse. Las "vacantes" dejadas atrás en la
estructura de uniones covalentes representan una cantidad muy limitada de
huecos. En un material tipo n, el número de huecos no ha cambiado de manera
significativa de su nivel intrínseco. El resultado neto, por tanto, es que el número
de electrones supera por mucho el número de huecos. Por esta razón:
En un material tipo n al electrón se le llama portador mayoritario y el hueco es el
portador minoritario.
En un material tipo p el hueco es el portador mayoritario y el electrón el portador
minoritario.
Cuando el quinto electrón de un átomo donor deja a su átomo, el átomo restante
adquiere una carga positiva neta: de ahí el signo positivo en la representación de
ion donor. Por razones análogas, el signo negativo aparece en el ion aceptor.
Los materiales tipo n y p representan los bloques de construcción básicos de los
dispositivos semiconductores. En la siguiente sección se encontrará que la "unión"
de un solo material tipo n con un material tipo p tendrá por resultado un elemento
semiconductor de importancia considerable en los sistemas electrónicos.
Diodo semiconductor
El diodo semiconductor se forma con sólo juntar los materiales tipo n y tipo p. En
el momento en que son "unidos" los dos materiales, los electrones y los huecos en
la región de la unión se combinan, dando por resultado una falta de portadores en
la región cercana a la unión.
A esta región de iones positivos y negativos descubiertos se le llama región de
agotamiento, debido al agotamiento de portadores en esta región.
Como el diodo es un dispositivo de dos terminales, la aplicación de un voltaje a
través de sus terminales permite tres posibilidades:
a) Sin polarización (VD = 0V): en ausencia de un voltaje de polarización aplicado,
el flujo neto de la carga en cualquier dirección para un diodo semiconductor es
cero.
Figura 4.5. Unión p-n sin polarizar externamente
b) Polarización directa (VD > 0V): a la corriente que existe bajo las condiciones de
polarización se le llama corriente de saturación, y se representa mediante IS.
Figura 4.6. Unión p-n con polarización inversa.
c) Polarización inversa (VD < 0V): un diodo semiconductor tiene polarización
directa cuando se ha estableciedo la asociación tipo p y positivo y tipo n y
negativo.
Figura 4.7. Unión p-n con polarización directa
Región Zener
El potencial de polarización inversa que da como resultado un cambio muy
drástico de las características dse le llama potencial Zener y se le da el símbolo
VZ.
Mientras el voltaje a través del diodo se incrementa en la región de polarización
inversa, la velocidad de los portadores minoritarios responsables de la corriente de
saturación inversa IS también se incrementarán. Eventualmente, su velocidad y
energía cinética asociada será suficiente para liberar portadores adicionales por
medio de colisiones con otras estructuras atómicas estables. Esto es, se generará
un proceso de ionización, hasta el punto en el cual se establece una gran corriente
de avalancha que determina la región de ruptura de avalancha. La región de
avalancha (VZ) se puede acercar al eje vertical al incrementar los niveles de
dopado en los materiales tipo p y tipo n. sin embargo, mientras VZ disminuye a
niveles muy bajos, como - 5 V, otro mecanismo llamado ruptura Zener contribuirá
con un cambio agudo en la característica. Esto ocurre debido a que existe un
fuerte campo eléctrico en la región de la unión que puede superar las fuerzas de
unión dentro del átomo y "generar" portadores. Aunque el mecanismo de ruptura
Zener es un controbuyente significativo sólo en los niveles más bajos de VZ,
utilizan esta porción única de la característica de una unión p-n son los diodos
Zener.
Figura 4.8. Región Zener
El máximo potencial de polarización inversa que puede ser aplicado antes de
entrar a la región Zener se conoce como voltaje pico inverso.
Técnicas de fabricación
El primer paso en la fabricación de algún dispositivo es obtener materiales
semiconductores del nivel de pureza deseado, como el silicio, germanio y
arseniuro de galio. En la actualidad se requieren niveles de impureza de menos de
una parte de mil millones (1 en 1,000,000,000) para la fabricación de la mayoría
de los dispositivos semiconductores.
Las materias primas se sujetan primero a una serie de reacciones químicas y aun
proceso de refinación por zona para formar un cristal policristalino del nivel de
pureza que se desea. Los átomos de un cristal policristalino están acomodados en
forma aleatoria, mientras que en el cristal único, los átomos están acomodados en
una red cristalina geométrica, simétrica y uniforme.
El aparato para refinación por zona consiste en un recipiente de grafito o cuarzo,
para tener la contaminación mínima, un tubo contenedor de cuarzo y un juego de
bobinas de inducción de RF (radiofrecuencia). Las bobinas o el bote deben ser
movibles a lo largo de la longitud del tubo de cuarzo. Se obtendrá el mismo
resultado en cualquier caso, aunque aquí se presenta el método de las bobinas
movibles porque parece ser el más común. El interior del tubo contenedor de
cuarzo está lleno con un gas inerte (con poca o ninguna reacción química) o al
vacío, para reducir más la posibilidad de contaminación.
En el proceso de refinación por zona se pone en el bote una barra de silicio con
las bobinas en un extremo de la barra. Luego se aplica la señal de radiofrecuencia
a la bobina, la cual induce un flujo de carga (corrientes parásitas) en el lingote de
silicio. Se aumenta la magnitud de estas corrientes hasta que se desarrolla
suficiente calor para fundir esa región del material semiconductor. Las impurezas
del lingote entrarán en un estado más líquido que el material semiconductor que
las rodea. Las bobinas de inducción se mueven lentamente hacia la derecha para
inducir la fusión de la región vecina, las impurezas "más fluidizas" "seguirán" a la
región fundida. El resultado neto es que un gran porcentaje de las impureza
aparecerán al extremo derecho del lingote cuando las bobinas de inducción hayan
llegado a ese extremo. Este lado de la pureza con impurezas puede después
cortarse y se repite el proceso completo hasta que se llega al nivel de pureza
deseado.
Diodos Discretos
Los diodos semiconductores son con frecuencia de algunos de los siguientes
cuatro tipos: crecimiento de la unión, aleación, difusión o crecimiento epitaxial.
Crecimiento de la unión: los diodos de este tipo se forman durante el proceso de
estiramiento de cristal Czochralski. Se pueden añadir alternamente impurezas tipo
p y n al material semiconductor fundido en el crisol, y da como resultado una unión
p-n cuando el cristal se estira. Después de rebanar, el dispositivo de área grande
puede cortarse en grandes cantidades (a veces miles) de diodos semiconductores
de área más pequeña. El área de los diodos de unión por crecimiento es lo
suficientemente grande para manejar altas corriente (y por tanto tener valores
nominales de potencia altos). Sin embargo, al área grande introducirá efectos
capacitivos indeseables en la unión.
Aleación: el proceso de aleación dará como resultado un diodo semiconductor del
tipo de unión que también tendrá un alto valor nominal de corriente y PIV grande.
Sin embargo, la capacitancia de la unión es también grande, porque el área de
unión también es grande.
La unión p-n se forma poniendo primero una impureza tipo p en un sustrato tipo n
y calentando ambos hasta que sucede la licuefacción y los dos materiales se
juntan. El resultado es una aleación que cuando se enfría produce una unión p-n
en la frontera entre la aleación y el sustrato. Los papeles que desempeñan los
materiales tipo n y p pueden intercambiarse.
Difusión: el proceso de difusión para formar diodos semiconductores de unión
puede emplear difusión sólida o gaseosa. Este proceso requiere más tiempo que
el proceso de aleación, pero es relativamente barato y puede controlarse con
mucha más precisión. La difusión es un proceso por el cual una lata concentración
de partículas se "difunden" en una región que la rodea con menor concentración.
La principal diferencia entre los procesos de difusión y aleación es el hecho de que
no se llega a la licuefacción en el proceso de difusión. Solamente se aplica calor
en el proceso de difusión para incrementar la actividad de los elementos
involucrados.
El proceso de difusión sólida comienza con el "deposito" de impurezas aceptoras
en un sustrato tipo n y se calientan los dos hasta que la impureza se difunde en el
sustrato hasta formar la capa tipo p.
En el proceso de difusión gaseosa, un material tipo n se sumerge en una
atmósfera gaseosa de impurezas aceptoras y luego se calienta. La impureza se
difunde en el sustrato para formar la capa tipo p del diodo semiconductor. También
pueden intercambiarse los papeles de los materiales tipo p y n. el proceso de
difusión es el que se utiliza más en la actualidad para la fabricación de diodos
semiconductores discretos.
Crecimiento Epitaxial: el término epitaxial se deriva de las palabras griegas epi,
que significa "sobre", y taxis, que significa "arreglo". Una oblea base de material
n+ se conecta a un conductor metálico. La n+ indica un nivel de dopado muy alto
para una característica de resistencia reducida. Su propósito es actuar como una
extensión semiconductora del conductor y no como el material tipo n de la unión pn. La capa tipo n se depositará sobre esta capa usando un proceso de difusión.
Esta técnica de utilizar una base n+ da al fabricante ventajas definitivas de diseño.
Luego se aplica el silicio tipo p usando una técnica de difusión y se agrega el
conector metálico del ánodo.
Fabricación de Transistores
La mayoría de los métodos que se usan para fabricar transistores son
simplemente extensiones de los métodos usados para elaborar diodos
semiconductores. Los métodos más usados actualmente incluyen unión por
aleación y difusión. El estudio de cada método será breve, pero se incluirán los
pasos fundamentales de cada uno.
Unión por aleación: la técnica de unión por aleación es una extensión del método
para la fabricación de diodos semiconductores. Sin embargo, se depositan dos
puntos de la misma impureza a cada lado de la oblea semiconductora que tiene la
impureza opuesta. Luego se calienta toda la estructura hasta que se funde y cada
punto se une en aleación a la oblea de la base, dando como resultado las uniones
p-n.
El punto de colector y la unión resultante son más grandes para soportar la
corriente, y la disipación de potencia más alta en la unión colector-base. Este
método no se emplea tanto como la técnica de difusión que se describirá
brevemente, pero todavía se usa mucho en la fabricación de diodos de alta
potencia.
Crecimiento de la Unión: se usa la técnica Czochralski para formar las dos
uniones p-n en un transistor de unión por crecimiento. El proceso, requiere que el
control de la impureza y la relación de retiro sean tales que aseguren el ancho
adecuado de la base y los niveles de dopado de los materiales tipo n y p. Los
transistores de este tipo están limitados por lo general a un valor nominal menor
de ¼ W.
Difusión: el método de fabricación que más se utiliza en la actualidad es la
técnica de difusión. El proceso básico se presentó en el análisis de la fabricación
de diodos semiconductores. La técnica de difusión se emplea en la producción de
transistores en meseta y planares, donde cada uno de ellos puede ser de tipo de
difusión o epitaxial.
En el transistor pnp en meseta de difusión, el primer proceso es una difusión tipo n
en una oblea tipo p para formar la región de la base. Luego, se difunde o se une
en aleación el emisor tipo p a la base tipo n. después se hace una corrosión para
reducir la capacitancia de la unión del colector. El termino "meseta" se deriva de
su similitud con la formación geográfica. La técnica de difusión permite un control
muy preciso de los niveles de dopado y el espesor de las diversas regiones.
La principal diferencia entre el transistor de meseta epitaxial y el transistor de
meseta es una capa epitaxial adicional sobre el sustrato de colector original. El
sustrato tipo p original se pone en un recipiente cerrado que contiene vapor de la
misma impureza. Mediante un control adecuado de temperatura, los átomos del
vapor caerán y se acomodarán por sí mismos sobre el sustrato tipo p original,
dando como resultado la capa epitaxial. Una vez que se ha establecido esta capa,
continúa el proceso, igual que para el transistor en meseta, para formar las
regiones de base y emisor. El sustrato tipo p original tendrá un nivel de dopado
mayor y una resistencia menor que el de la capa epitaxial. El resultado es una
conexión de baja resistencia con la terminal de colector que reducirá las pérdidas
por disipación del transistor.
Los transistores planar y planar epitaxial son fabricados con dos procesos de
difusión para formar las regiones de base y emisor. El transistor planar tiene una
superficie plana y de ahí el término planar. Se añade una capa de óxido para
eliminar las uniones expuestas, lo cual reduce sustancialmente las pérdidas por
fugas superficiales (corrientes de fuga en la superficie, en vez de a través de la
unión).
4.3 DIODOS ZENER
En 1934 un científico llamado Carlos Zener propuso una teoría de ruptura eléctrica
en los sólidos, señalo que bajo cierta intensidad de campo, los portadores pueden
cruzar la unión o juntura mediante un proceso de mecánica cuántica. Tal como si
los portadores hubiese túneles en la barrera. Una vez que se produce la juntura,
se desarrolla con rapidez para convertirse en un avalancha de corriente.
Por supuesto se refería a corriente de unos cuantos µamperios; pero se trataba de
corriente inversa. El diodo Zener se diseño para que funcionara de acuerdo con
esta premisa, dicho componente funciona con polarización inversa y la
polarización operacional apropiada produce corriente en el centro de la zona de
ruptura. Puesto que el diodo Zener fue el primer dispositivo que funciona en estas
condiciones, una parte de la curva de corriente inversa se conoce como región
Zener.
Figura 4.13. Región Zener
De acuerdo con la curva característica anterior, cuando un diodo Zener se polariza
en modo inverso, el diodo actúa como un interruptor cerrado (igual que un diodo
de unión normal). La corriente directa aumenta con la tensión aplicada y esta
limitada prácticamente por parámetros externos del circuito. Cuento el diodo está
polarizado en sentido inverso, produce una pequeña i inversa llamada de
saturación, esta permanece relativamente constante hasta que se alcanza la
región de ruptura Zener en la proximidad de la tensión Zener del dispositivo. A
pesar del aumento de polarización inversa cerca de la tensión de ruptura la i
inversa aumenta rápidamente a causa del efecto de avalancha. Finalmente la
ruptura Zener (caracterizada por un brusco cambio de corriente) tiene lugar
cuando se alcanza la tensión Zener. En esta región, pequeñas variaciones de
tensión dan por resultado grandes variaciones de corrientes. Evidentemente hay
cambios muy bruscos de resistencia efectiva en la union p-n.
La ruptura Zener no origina necesariamente la destrucción de dispositivos.
Mientras la corriente esta limitada en el diodo por el circuito exterior hasta un nivel
que no exceda la capacidad de potencia del diodo éste continua funcionando
normalmente. Por otra parte reduciendo la polarización inversa por debajo de la
tensión Zener, se puede variar el nivel de tensión hasta restaurar el nivel de
corriente de saturación. El proceso de conmutación del diodo entre sus estados de
corriente Zener y de saturación puede ser repetido tantas veces como sea
necesario sobre que se deteriore el elemento.
4.4 LED´S
LED (light Emitting Diode) o SSL (Solid State Lamp) lampara de estado
sólido
Ventajas del SSL
1. Tienen una respuesta sumamente rápida de tiempo, esto es el encendido y
apagado que puede ser del orden de nseg o pocos µseg o inclusive pseg de
tiempo, también tiene una larga y una gran rigidez mecánica de tiempo, también
tienen una larga y una gran rigidez mecánica, además tiene baja impedancia lo
que les permite acoplarse a circuitos muy diversos en forma semejante a un diodo
convencional.
2. La luz de salida es predominantemente monocromática.
En cualquier semiconductor se produce una conexión de par hueco electrón al
fusionarse un hueco y electrón intercambian energía
En el intercambio de energía desprende luz visible y calor, todas la uniones
trabajan caliente. El LED es un dispositivo en el que intencionalmente se busca el
aprovechamiento de luz.
Cualquier diodo emite luz. El LED es una unión p-n hecho intencionalmente para
aprovechar la luz.
En una mesa de material aislante se le pone una diminuta pastilla, esta pastilla se
encarga en radiar los electrones.
Los LED'S pueden trabajar hasta 100000 horas lo cual es un tiempo muy grande
de funcionamiento.
Si los alimentas con corriente alterna y lo switcheas te da mas utilidad.
Los colores estan dados por el tipo de agente contaminate. La luz es un factor
muy importante para estos elementos.
Otra de las aplicaciones de los LED´S es la transferencia de luz como datos.
La información que se ponga en la fuente f va a hacer transmitida por luz (por el
LED) y es recibida por el emisor que la convierte a una señal eléctrica. Esto
genera un acoplador óptico (optoacopladores).
Siempre va haber un LED de entrada y en la salida puede haber un semiconductor.
4.5 TRANSISTORES BJT
Características de los Transistores:








El consumo de energía es relativamente baja.
El tamaño de los transistores es relativamente mas pequeña que los tubos
de vacío.
El peso.
Una vida larga útil (muchas horas de servicio).
Puede permanecer mucho tiempo en deposito (almacenamiento).
No necesita tiempo de calentamiento.
Resistencia mecánica elevada.
Los transistores pueden reproducir el fenómeno de la fotosensibilidad
(fenómenos sensibles a la luz).
Construcción de Transistores
El transistor es un dispositivo semiconductor de tres capas que consiste de dos
capas de material tipo n y una capa tipo p, o bien, de dos capas de material tipo p
y una tipo n. al primero se le llama transistor npn, en tanto que al segundo
transistor pnp.
Para la polarización las terminales que se muestran en la figura 4.14 las
terminales se indican mediante las literales E para el emisor, C para el colector y B
para la base. Se desarrollará una apreciación de la elección de esta notación
cuando se analice la operación básica del transistor. La abreviatura BJT, de
transistor bipolar de unión (del ingles, Bipolar Junction Transistor), suele aplicarse
a este dispositivo de tres terminales. El término bipolar refleja el hecho de que los
huecos y los electrones participan en el proceso de inyección hacia el material
polarizado de forma opuesta. Si sólo se utiliza un portador (electrón o hueco),
entonces se considera un dispositivo unipolar.
a)
b)
Figura 4.14. Tipos de transistores: a) pnp; b) npn.
Operación del Transistores
Se describirá la operación básica del transistor utilizando el transistor pnp de la
figura 4.14a. la operación del transistor npn es exactamente la misma que si
intercambiaran la funciones que cumplen el electrón y el hueco. En la figura 4.15
se dibujo de nuevo el transistor pnp sin la polarización base - colector. El espesor
de la región de agotamiento se redujo debido a al polarización aplicada, lo que da
por resultado un flujo muy considerable de portadores mayoritarios desde el
material tipo p hacia el tipo n.
Figura 4.15. Unión con polarización directa de un transistor pnp.
Ahora se eliminará la polarización base - colector del transistor pnp de la figura
4.14a, según se muestra en la figura 4.16. En resumen:
Una unión p-n de un transistor tiene polarización inversa, mientras que la otra
tiene polarización inversa.
ambos potenciales de polarización se aplicaron a un transistor pnp, con el flujo
resultante indicado de portadores mayoritarios y minoritarios. Los espesores de las
regiones de agotamiento, que indican con claridad cuál unión tiene polarización
directa y cuál polarización inversa. Habrá una gran difusión de portadores
mayoritarios a través de la unión p-n con polarización directa hacia el material tipo
n. Así, la pregunta sería si acaso estos portadores contribuirán de forma directa a
la corriente de base IB o si pasarán directamente al material tipo p. Debido a que
material tipo n del centro es muy delgado y tiene baja conductividad, un número
muy pequeño de estos portadores tomará esta trayectoria de alta resistencia hacia
la terminal de la base.
La magnitud de la corriente de base casi siempre se encuentra en el orden de los
microamperes, comparando con miliamperes para las corrientes del emisor y del
colector. La mayor cantidad de estos portadores mayoritarios se difundirá a través
de la unión con polarización inversa, hacia el material tipo p conectado a la
terminal del colector. La razón de esta relativa facilidad con la cual los portadores
mayoritarios pueden atravesar la unión con polarización inversa se comprenderá
con facilidad si se considera que para el diodo con polarización inversa, los
portadores mayoritarios inyectados aparecerán como portadores con polarización
inversa, los portadores mayoritarios inyectados aparecerán como portadores
minoritarios en el material tipo n.
En otras palabras, tuvo lugar una inyección de portadores minoritarios al material
de la región de la base tipo n. A la combinación de esto con el hecho de que todos
los portadores minoritarios en la región de agotamiento atravesará la unión con
polarización inversa de un diodo puede atribuírsele el flujo.
Figura 14.16. Unión con polarización inversa de un transistor pnp.
Configuración de Base Común
Para la configuración de base común con transistores pnp y npn. La terminología
de la base común se deriva del hecho de que la base es común tanto a la entrada
como a la salida de la configuración. A su vez, por lo regular la base es la terminal
más cercana a, o que se encuentra en, el potencial de tierra. A lo largo de este
libro todas las direcciones de corriente harán referencia al flujo convencional
(huecos) en lugar de hacerlo respecto al flujo de electrones. Para el transistor la
flecha en el símbolo gráfico define la dirección de la corriente del emisor (flujo
convencional) a través del dispositivo.
Para describir en su totalidad el comportamiento de un dispositivo de tres
terminales, como los amplificadores de base común se requiere de dos conjuntos
de características, uno para el punto de excitación o parámetros de entrada y el
otro para el lado de la salida. El conjunto de entrada para el amplificador de base
común relacionará la corriente de entrada (IE). el conjunto de características de la
salida o colector tiene tres regiones básicas de interés: la regiones activa, de corte
y de saturación. La región activa es la que suele utilizarse para los amplificadores
lineales (sin distorsión). En particular:
En la región activa la unión base - colector se polariza inversamente, mientras que
la unión emisor - base se polariza directamente.
La región activa se define mediante los arreglos de polarización de la figura 4.17.
En el extremo más bajo de la región activa, la corriente del emisor (IE) es cero;
esa es la verdadera corriente del colector, y se debe a la corriente de saturación
inversa ICO, como lo señala la figura 4.18.
La corriente ICO real es tan pequeña (microamperes) en magnitud si se compara
con la escala vertical de IC = 0. Las condiciones del circuito que existen cuando IE
= 0 para la configuración de base común se muestra en la figura 4.19. La notación
que con más frecuencia se utiliza para ICO en los datos y las hojas de
especificaciones es, como se indica en la figura 4.19, ICBO.
Debido a las mejoras en las técnicas de fabricación, el nivel de ICBO para los
transistores de propósito general (en especial los de silicio) en los rangos de
potencia baja y mediana, por lo regular es tan bajo que puede ignorarse su efecto.
Sin embargo, para las unidades de mayor potencia ICBO, así como Is, para el
diodo (ambas corrientes de fuga inversas) son sensibles a la temperatura. A
mayores temperaturas, el efecto de ICBO puede convertirse en un factor
importante debido a que aumenta muy rápidamente con la temperatura.
En la región de corte, tanto la unión base - colector como la unión emisor - base
de un transistor tienen polarización inversa.
En la región de saturación, tanto la unión como la emisor - base están en
polarización directa.
a)
b)
Figura 4.17. Símbolos utilizados con la configuración común: a) transistor pnp; b)
transistor npn.
Figura 4.18. Características de salida o colector para un amplificador a transistor
de base común.
Figura 4.19. Corriente de saturación inversa.
Configuración de Emisor Común
La configuración de transistor que se encuentra más a menudo aparece en la
figura 4.20 para los transistores pnp y npn. Se le denomina configuración de
emisor común debido a que el emisor es común o hace referencia a las terminales
tanto de entrada como de salida (en este caso, es común tanto a la terminal de
base como a la de colector). Una vez más, se necesitan dos conjuntos de
características para describir por completo el comportamiento de la configuración
de emisor común: uno para el circuito de entrada o base-emisor y otro para el
circuito de salida o colector-emisor.
En la región activa de un amplificador de base común la unión del colector-base se
encuentra polarizada inversamente, mientras que la unión base-emisor se
encuentra polarizada directamente.
Para propósitos de amplificación lineal (la menor distorsión), el corte para la
configuración de emisor común se definirá mediante IC = ICEO.
a)
b)
Figura 4.20. símbolos utilizados con la configuración de emisor común: a)
transistor npn; b) transistor pnp.
Configuración de Colector Común
La configuración de colector común se utiliza sobre todo para propósitos de
acoplamiento de impedancia, debido a que tiene una alta impedancia de entrada y
una baja impedancia de salida, contrariamente a alas de las configuraciones de
base común y de un emisor común.
La figura 4.21 muestra una configuración de circuito de colector común con la
resistencia de carga conectada del emisor a la tierra. Obsérvese que el colector se
encuentra conectado a la tierra aunque el transistor esté conectado de manera
similar a la configuración del emisor común. Desde un punto de vista de diseño, no
se requiere de un conjunto de características de colector común para elegir los
parámetros del circuito de la figura 4.21. puede diseñarse utilizando las
características de salida para la configuración de colector común son la mismas
que para la configuración de emisor común.
Figura 4.21. Configuración de colector común utilizado para propósitos de
acoplamiento de impedancia.
4.7 BJT COMO CONMUTADOR
Aplicar los transistores no se limita únicamente a la amplificación de señales. A
través de un diseño adecuado pueden utilizarse como un interruptor para
computadora y para aplicaciones de control. Puede emplearse como un inversor
en los circuitos lógicos de las computadoras.
Observe la figura 4.24 donde el voltaje de salida Vc es opuesto al que se aplicó
sobre la base o a la terminal de entrada. También obsérvese la ausencia de una
fuente de dc conectada al circuito de la base. La única fuente de dc está
conectada al colector o lado de la salida, y para las aplicaciones de computadoras
normalmente es igual a la magnitud del nivel "alto" de la señal aplicada, en este
caso 5 V.
Figura 4.24. Transistor inversor.
El diseño ideal para el proceso de inversión requiere que el punto de operación
conmute de corte a la saturación, pero a lo largo de la recta de carga descrita en la
figura 4.52. para estos propósitos se asumirá que Ic = Iceo = 0 mA cuando IB = 0
µA (una excelente aproximación de acuerdo con las mejoras de las técnicas de
fabricación).
Cuando Vi = 5 V, el transistor se encontrará "encendido" y el diseño debe asegurar
que la red está saturada totalmente por un nivel de IB mayor asociado con la curva
IB, que aparece cerca del nivel de saturación. El nivel de saturación para la
corriente del colector y para el circuito está definido por:
ICsat = Vcc/ Rc
4.8 TRANSISTOR DE POTENCIA
Mientras los circuitos integrados se usan para aplicaciones de pequeñas señales y
baja potencia, la mayoría de las aplicaciones de alta potencia todavía requieren
transistores de potencia discretos. Las mejoras en las técnicas de producción han
proporcionado potencias más altas en encapsulados de tamaño pequeño; también
han aumentado el voltaje de ruptura máximo de transistor y han proporcionado
transistores de potencia con una velocidad de conmutación mayor.
La potencia máxima manejada por un dispositivo particular y la temperatura de las
uniones del transistor están relacionadas, debido a que la potencia disipada por el
dispositivo causa un incremento de temperatura en la unión del dispositivo. Es
obvio que un transistor de 100W proporcionará más capacidad de potencia que un
transistor de 10 W.
Se debe hacer notar que de los dos tipos de transistores bipolares (germanio y
silicio), aquellos de silicio proporcionan temperaturas nominales máximas. Por lo
general, la temperatura máxima de unión de estos tipos de transistores de
potencia es:
Silicio: 150-200°C
Germanio: 100-110°C
Para muchas aplicaciones, la potencia promedio disipada puede aproximarse
mediante
PD = VCEIC
Sin embargo, esta disipación de potencia se permite solamente hasta una
temperatura máxima.
Por arriba de esta temperatura se debe reducir la capacidad de disipación de
potencia del dispositivo (o pérdida de disipación) para que a temperaturas
superiores del encapsulado se reduzca la capacidad de manejo de potencia,
llegando a 0 W a la temperatura máxima del encapsulado del dispositivo.
Entre mayor sea la potencia manejada por el transistor, mayor será la temperatura
del encapsulado. En la actualidad, el factor limitante en el manejo de potencia por
un transistor particular es la temperatura de la unión del colector del dispositivo.
Los transistores de potencia están montados en encapsulados metálicos grandes
para ofrecer un área grande a partir de la cual pueda radiar (transferirse) el calor
generado por el dispositivo. Aun así, la operación de un transistor directamente en
el aire (montado en una tarjeta de plástico, por ejemplo) limita severamente la
potencia nominal del dispositivo. Si en vez de ello (como es lo usual) se monta el
dispositivo en algún tipo de disipador de calor, su capacidad de manejo de
potencia puede acercarse más al valor de su potencia nominal máxima.
Figura 4.25. Curva de pérdida de disipación de potencia típica para os transistores
de silicio.
4.9 TIRISTORES (SCR)
Dentro de la familia de dispositivos pnpn, el rectificador controlado de silicio (SCR)
es, sin duda, el de mayor interés hoy en día, y fue presentado por primera vez en
1956 por los Bell Telephone Laboratories. Algunas de las áreas más comunes de
aplicación de los SCR incluye controles de relevador, circuitos de retardo de
tiempo, fuentes de alimentación reguladas, interruptores estáticos, controles de
motores, recortadores, inversores, cicloconversores, cargadores de baterías,
circuitos de protección, controles de calefacción y controles de fase.
En años recientes han sido deseñados SCR para controlar potencias tan altas de
hasta 10 MW y con valores individuales tan altos como de 2000 A a 1800 V. Su
rango de frecuencia de aplicación también ha sido extendido a cerca de 50 kHz, lo
que ha permitido algunas aplicaciones de alta frecuencia.
Operación Básica del Rectificador Controlado de Silicio
Como su nombre lo indica, el SCR es un rectificador construido con material de
silicio con una tercera terminal para efecto de control. Se escogió el silicio debido
a sus capacidades de alta temperatura y potencia. La operación básica del SCR
es diferente de la del diodo semiconductor de dos capas fundamental, en que una
tercera terminal, llamada compuerta, determina cuándo el rectificador conmuta del
estado de circuito abierto al de circuito cerrado. No es suficiente sólo la
polarización directa del ánodo al cátodo del dispositivo. En la región de conducción
la resistencia dinámica el SCR es típicamente de 0.01 a 0.1
. La resistencia
inversa es típicamente de 100 k
o más.
El símbolo gráfico para el SCR se muestra en la figura 4.27, y las conexiones
correspondientes a la estructura de semiconductor de cuatro capas en la figura
4.26.
Figura 4.26. Construcción básica del SCR.
Figura 4.27. Símbolo del SCR.
Características y Valores Nominales del SCR
En la figura 4.28 se proporcionan las características de un SCR para diversos
valores de corriente de compuerta. Las corrientes y voltajes más usados se
indican en las características.
Figura 4.28. Características del SCR.
1. Voltaje de ruptura directo V(BR) F* es el voltaje por arriba del cual el SCR entra
a la región de conducción. El asterisco (*) es una letra que se agregará
dependiendo de la condición de la terminal de compuesta de la manera siguiente:
O = circuito abierto de G a K
S = circuito cerrado de G a K
R = resistencia de G a K
V = Polarización fija (voltaje) de G a K
2. Corriente de sostenimiento (IH) es el valor de corriente por abajo del cual el
SCR cambia del estado de conducción a la región de bloqueo directo bajo las
condiciones establecidas.
3. Regiones de bloqueo directo e inverso son las regiones que corresponden a la
condición de circuito abierto para el rectificador controlado que bloquean el flujo de
carga (corriente) del ánodo al cátodo.
4. Voltaje de ruptura inverso es equivalente al voltaje Zener o a la región de
avalancha del diodo semiconductor de dos capas fundamental.
Aplicaciones del SCR
Tiene variedad de aplicaciones entre ellas están las siguientes:












Controles de relevador.
Circuitos de retardo de tiempo.
Fuentes de alimentación reguladas.
Interruptores estáticos.
Controles de motores.
Recortadores.
Inversores.
Cicloconversores.
Cargadores de baterías.
Circuitos de protección.
Controles de calefacctión.
Controles de fase.
En la figura 4.29a se muestra un interruptor estático es serie de medida de media
onda. Si el interruptor está cerrado, como se presenta en la figura 4.29b, la
corriente de compuerta fluirá durante la parte positiva de la señal de entrada,
encendiendo al SCR. La resistencia R1 limita la magnitud de la corriente de
compuerta.
Cuando el SCR se enciende, el voltaje ánodo a cátodo (VF) caerá al valor de
conducción, dando como resultado una corriente de compuerta muy reducida y
muy poca pérdida en el circuito de compuerta. Para la región negativa de la señal
de entrada el SCR se apagará, debido a que el ánodo es negativo respecto al
cátodo. Se incluye al diodo D1 para prevenir una inversión en la corriente de
compuerta.
Las formas de onda para la corriente y voltaje de carga resultantes se muestran en
la figura 4.29b. El resultado es una señal rectificada de media onda a través de la
carga. Si se desea conducción a menos de 180º, el interruptor se puede cerrar en
cualquier desplazamiento de fase durante la parte positiva de la señal de entrada.
El interruptor puede ser electrónico, electromagnético, dependiendo de la
aplicación.
a)
b)
Figura 4.29. Interruptor estático en serie de media onda.
En la figura 4.30a se muestra un circuito capaz de establecer un ángulo de
conducción entre 90º y 180º. El circuito es similar al de la figura 4.29a, con
excepción de la resistencia variable y la eliminación del interruptor. La
combinación de las resistencias R y R1 limitará la corriente de compuerta durante
la parte positiva de la señal de entrada. Si R1 está en su valor máximo, la corriente
de compuerta nunca llegará a alcanzar la magnitud de ence4ndido. Conforme R1
disminuye desde el máximo, la corriente de compuerta se incrementará a partir del
mismo voltaje de entrada.
De esta forma se puede establecer la corriente de compuerta requerida para el
encendido en cualquier punto entre 0º y 90º, como se muestra en la figura 4.30b.
Si R1es bajo, el SCR se disparará de inmediato y resultará la misma acción que la
obtenida del circuito de la figura 4.30b, el control no puede extenderse más allá de
un desplazamiento de fase de 90º, debido a que la entrada está a su valor máximo
en este punto. Si falla para disparar a éste y a menores valores del voltaje de
entrada en la pendiente positiva de la entrada, se debe esperar la misma
respuesta para la parte de pendiente negativa de la forma de onda de la señal. A
esta operación se le menciona normalmente en términos técnicos como control de
fase de media onda por resistencia variable. Es un método efectivo para controlar
la corriente rms y, por tanto, la potencia se dirige hacia la carga.
a)
b)
Figura 4.30. Control de fase de resistencia variable de media onda.
4.10 TRIAC
El triac es fundamentalmente una combinación paralela inversa de dos terminales
de capas de semiconductor que permiten el disparo en cualquier dirección con una
terminal de compuerta para controlar las condiciones de encendido bilateral del
dispositivo en cualquier dirección. En otras palabras, para cualquier dirección, la
corriente de compuerta puede controlar la acción del dispositivo en una forma muy
similar a la mostrada para un SCR. Sin embargo, las características del triac en el
primer y tercer cuadrante son algo diferentes como se muestran en la figura 4.31b.
En la figura 4.31 se proporciona el símbolo gráfico del dispositivo y las
características. Para cada dirección de conducción posible hay una combinación
de capas de semiconductor, cuyo estado será controlado por la señal aplicada a la
terminal de compuerta.
a)
b)
Figura 4.31.TRIAC a) símbolo; b) características.
En la figura 4.32 se presenta una aplicación fundamental del triac. En esta
condición está controlando la potencia de ac a la carga, encendiéndose y
apagándose durante las regiones positiva y negativa de la señal senoidal de
entrada. La acción de este circuito durante la parte positiva de la señal de entrada
es muy similar a la encontrada para el diodo Shockley. La ventaja de esta
configuración es que durante la parte negativa de la señal de entrada resultará el
mismo tipo de respuesta, porque tanto el diac como el triac pueden dispararse en
dirección inversa.
Figura 4.32. Aplicación del triac: control de fase (potencia)
UNIDAD V
AMPLIFICADORES
OPERACIONALES
5.1.- Introducción, Caracteristicas.
5.2.- Amplificadores con Retroalimentación
5.2.1. Amplificador Inversor.
5.2.2. Amplificador no Inversor.
5.2.3. Seguidor de Unitario.
5.3.- Consideraciones Practicas.
5.3.1. Compensación en Frecuencia.
5.4.- Amplificador Suma, Diferencia
5.1 INTRODUCCIÓN, CARACTERISTICAS
Un amplificador operacional, u op-amp, es un amplificador diferencial con una
ganancia muy alta, con una elevada impedancia de entrada y una impedancia de
salida baja. Los usos más típicos del amplificador operacional son proporcionar
cambios de amplitud de voltaje (amplitud y polaridad), osciladores, circuitos de
filtros y muchos otros tipos de circuitos de instrumentación. Un op-amp contiene
varias etapas de amplificador diferencial para lograr una ganancia de voltaje muy
alta.
La figura 5.1 muestra un op-amp básico con dos entradas y una salida, como
podría resultar con el uso de una etapa de entrada diferencial. Cada entrada da
como resultado una salida de la misma polaridad (o fase) o de la opuesta,
dependiendo de si la señal se aplica en la entrada con el signo de más (+) o a la
del signo de menos (-).
Figura 5.1. Op-amp básico
Entrada de una sola terminal
La operación con la entrada en una sola terminal resulta cuando la señal de
entrada se conecta a una terminal de entrada, mientras la otra terminal de entrada
se conecta a la tierra. La figura 5.2 muestra las señales conectadas para esta
operación. En la figura 5.2 la entrada se aplica a la terminal de entrada con un
signo más (con la terminal de entrada con signo menos a tierra), lo que da como
resultado una salida que tiene la misma polaridad que la de la señal aplicada a la
entrada. La figura 5.3 muestra una señal de entrada aplicada a la terminal de
entrada con un signo menos, siendo la salida opuesta en fase con la señal
aplicada.
Figura 5.2. operación de una sola terminal (negativo en tierra común)
Figura 5.3. operación de una sola terminal (positivo en tierra común)
Entrada de una doble terminal (diferencial)
Además de usar una sola entras, es posible también aplicar señales en cada
terminal de entrada. Por lo que se convierte en una operación de dos terminales.
La figura 5.4 muestra una entras, Vd, aplicada entra las dos terminales de entrada
(nótese que ninguna terminal de entrada está conectada a tierra), con la salida
resultante amplificada en fase con la aplicada entre las terminales de entrada con
signo más y con signo menos. La figura 5.5 muestra la misma acción que resulta
cuando se aplican dos señales separadas a las terminales de entrada, siendo la
señal diferencial Vi 1 - Vi 2.
Figura 5.4. Operación en doble terminal
Figura 5.5. Operación en doble terminal (diferencial)
Salida de una doble terminal
Aunque la operación tratada hasta ahora ha tenido una sola salida, el op-amp
también puede operar con salidas opuestas, como se indica en la figura 5.6 una
entrada aplicada a cualquier terminal de entrada dará como resultado salidas en
ambas terminales de salida, siendo estas salidas siempre opuestas en polaridad.
Figura 5.6.Salida en doble terminal
Operación en modo común
Cuando se aplica la misma señal de entrada a ambas terminales de entrada, da
como resultado la operación en modo común, como se muestra en la figura 5.7.
Resulta ideal cuando las dos entradas son amplificadas de manera igual, y debido
a que da como resultado señales de polaridad opuesta a la salida, estas señales
se cancelan, dando como resultado una salida de 0 V.
Figura 5.7. Operación en modo común
Rechazo en modo común
Una característica importante de una conexión diferencial es que las señales que
son puestas en las entradas están sólo ligeramente amplificadas; la operación
global amplifica la señal diferencial, mientras que rechaza la señal común en las
dos entradas. Debido a que el ruido (cualquier señal de entrada no deseada) es
por lo general común a ambas entradas, la conexión diferencial tiende a
proporcionar atenuación de esta entrada no deseada, mientras proporciona una
salida amplificada de la señal diferencial aplicada a las entrada. Esta característica
de operación, es conocida como rechazo en modo común.
Amplificador operacional básico
Un amplificador operacional es un amplificador de una ganancia muy alta que
posee una impedancia de entrada muy alta (por lo general de unos cuantos
megaohms) y una baja impedancia de salida (menos de 100?) . el circuito básico
se construye con un amplificador diferencial que tiene dos entradas (más o
menos) y al menos una salida. La figura 5.8 muestra una unidad op-amp. Como se
dijo anteriormente, la entrada positiva (+) produce una salida que está en fase a la
señal aplicada, en cambio, una entrada en la terminal de entrada negativo (-) da
como resultado una salida de polaridad opuesta. En la figura 5.9 se indica el
circuito equivalente en ac del ap-amp. Como se muestre, la señal de entrada
aplicada entre las terminales de entrada se ve como una impedancia de entrada,
Ri, por lo general muy alta. El voltaje de salida se muestre como la ganancia del
amplificador multiplicada por la señal de entrada tomada a través de una
impedancia da salida, R0, que es normalmente muy baja. Un circuito op-amp
ideal. Tal como se muestre en la figura 5.10, tendría impedancia de entrada
infinita, impedancia de salida cero y una ganancia de voltaje infinita.
Figura 5.8 Op-amp básico
Figura 5.9 Equivalente de ac de un circuito práctico
Figura 5.10 Equivalente de ac de un circuito ideal
Op-amp básico
En la figura 5.11 se muestra la conexión del circuito básico usando un op-amp.
Este circuito proporciona una operación como un multiplicador de ganancia
constante. Una señal de entrada V1, se aplica a través de una resistencia R1, a la
terminal de entrada de signo menos. Luego, la salida se vuelve a conectar de
regreso a la misma terminal de entrada de signo menos a través de una
resistencia Ef; por su parte, la terminal de entrada de signo más está conectada a
tierra. Debido a que la señal V1 está aplicada a la terminal de entrada del signo
menos, la salida resultante está opuesta en fase con la señal de entrada. La figura
14.12 muestra al op-amp reemplazado por su circuito equivalente de ac. Si
usamos el circuito equivalente del op-amp ideal, reemplazamos Ri por una
resistencia infinita y R0 por una resistencia cero, se tiene al circuito equivalente de
ac que se muestra en la figura 14.13.
Figura 5.11. Conexión de un op-amp básico
Figura 5.12. Operación de un op-amp como multiplicador de ganancia constante
equivalente de ac del op-amp
Figura 5.13. Operación de un op-amp como multiplicador de ganancia constante
equivalente de op-amp ideal
Usando superposición, podemos resolver para el voltaje V1 en terminos de los
componentes debidos a cada una de las fuentes. Para la fuente V1 solamente (AvVi igual a cero),
Rf
Vi = ---------- V1
R1 + Rf
Para la fuente -AvVi solamente (V1 igual a cero)
R1
Vi2 = ---------- -AvV1
R1 + Rf
El voltaje total Vi es entonces
Rf
R1
Vi = Vi1 + Vi2 = ------------ V1 + ----------- (-AvV1)
R1 + Rf
R1 + Rf
Que puede resolverse para Vi como
Rf
Vi = -------------------- V1
Rf + (1+ Av) R1
Si Av » 1 y AvRi » Rf, que por cierto, entonces
Rf
Vi = ---------- V1
AvR1
Si resolvemos para Vo / Vi, obtenemos
Vo
-Av Vi -Av R fVi
Rf V1
--- = ---------- = -------- ------ = - ---- ---Vi
Vi
Vi Av R1
R1 Vi
Por lo que
Vo
Rf
---- = - ---Vi
R1
El resultado de la ecuación anterior muestra que la relación de la salida total al
voltaje de entrada depende únicamente de los valores de las resistencias R1 y Rf,
siempre y cuando Av sea muy grande.
5.2.1 AMPLIFICADOR INVERSOR
El circuito de amplificador de ganancia constante que más se utiliza es el
amplificador inversor, el cual se muestra en la figura 5.14. La salida se obtiene
multiplicando la entrada por una ganancia fija o constante, que determinan la
resistencia de entrada (R1) y la resistencia de retroalimentación (Rf), con la salida
invertida respecto a la entrada. Ecuación:
V0 = -[(Rf / R1) V1]
Figura 5.14. Multiplicador inversor de ganancia constante.
Ejercicio 5.1:
Si el circuito de la figura 14.15 tiene R1 = 100 k
salida resulta para la entrada de V1 = 2 V?
Solución:
V0 = -[(Rf / R1) V1]
V1 = -[(500 / 100) 2V]
V1 = -10 V
y Rf = 500 k
, ¿qué voltaje de
5.2.1 AMPLIFICADOR INVERSOR
El circuito de amplificador de ganancia constante que más se utiliza es el
amplificador inversor, el cual se muestra en la figura 5.14. La salida se obtiene
multiplicando la entrada por una ganancia fija o constante, que determinan la
resistencia de entrada (R1) y la resistencia de retroalimentación (Rf), con la salida
invertida respecto a la entrada. Ecuación:
V0 = -[(Rf / R1) V1]
Figura 5.14. Multiplicador inversor de ganancia constante.
Ejercicio 5.1:
Si el circuito de la figura 14.15 tiene R1 = 100 k
salida resulta para la entrada de V1 = 2 V?
Solución:
V0 = -[(Rf / R1) V1]
V1 = -[(500 / 100) 2V]
V1 = -10 V
y Rf = 500 k
, ¿qué voltaje de
5.2.2 AMPLIFICADOR NO INVERSOR
Las conexiones de la figura 5.15 muestran un circuito a op-amp que trabaja como
amplificador no inversor o multiplicador de ganancia constante. Debe resaltarse
que la conexión de amplificador inversor es la que más se utiliza, porque tiene una
mejor estabilidad a la frecuencia (misma que trataremos más adelante). Para
determinar la ganancia de voltaje del circuito podemos usar que R1 es V1, debido
a que Vi ? 0 V. Este debe ser igual al voltaje de salida a través de un divisor de
voltaje R1 y Rf, por lo que
Figura 5.15. Multiplicador no inversor de ganancia constante.
R1
V1 = ---------- Vo
R1 + Rf
Lo que da como resultado
V0 R1 + Rf
Rf
--- = ---------- = 1 + ----V1
R1
R1
Ejercicio 5.2
Calcule el voltaje de salida de un amplificador no inversor (como el de la figura
5.15) para valores de V1 = 2 V, Rf = 500 k
y R1 = 100 k .
Solución :
Rf
V0 = 1 + ----- * V1
R1
500
V0 = 1 + ----- * 2 V
100
V0 = + 12
5.2.3 SEGUIDOR UNITARIO
El circuito seguidor unitario, que se muestra en la figura 5.16 proporciona una
ganancia unitaria sin inversión de polaridad o fase, está claro que:
V0 = V1
Y que la salida es de la misma polaridad y magnitud que la entrad. El circuito
opera como un circuito emisor seguidor o seguidor de fuente, a excepción de que
la ganancia es exactamente unitaria.
Figura 5.16. Seguidor unitario
5.3.1 COMPENSACIÓN EN FRECUENCIA
Un op-amp está diseñado para ser un amplificador de alta ganancia y con un gran
ancho de banda. Esta operación tiende a ser inestable (oscila) debido a retro
alimentación positiva. Para asegura una operación estable, los op-amp se
construyen con circuitería de compensación interna que también causa que la
ganancia muy alta de lazo abierto disminuya con el incremento de frecuencia. A
esta reducción de ganancia se le conoce como atenuación prograsiva. En la
mayoría de los amplificadores, la atenuación progresiva se presenta con un
porcentaje de 20 dB por década (-20 dB/década) o 6 dB por octava (-6 dB/octava).
Ganancia-ancho de banda
Debido a la circuitería de compensación interna incluida en un op-amp, la
ganancia de voltaje cae conforme se incrementa la frecuencia. Las
especificaciones del op-amp proporcionan una descripción de la ganancia en
función del ancho de banda. La figura 5.17 proporciona una gráfica de la ganancia
en función de la frecuencia para un op-amp típico. Si se baja la frecuencia hasta
CD, la ganancia se convierte en el valor listado por la especificación AVD
(ganancia diferencial de voltaje) del fabricante y por lo general tiene un valor muy
grande. Conforme aumenta la frecuencia de la señal de entrada, la ganancia en
lazo abierto cae hasta que finalmente llega al valor de 1 (unitaria).
La frecuencia en este valor de ganancia la especifica en fabricante como el ancho
de banda de ganancia unitaria, B1. Aunque este valor es una frecuencia en la que
la ganancia llega a 1, y puede considerarse un ancho de banda, puesto que la
banda de frecuencia desde 0 Hz hasta la frecuencia de ganancia unitaria es
también un ancho de banda. Por tanto, se podría hacer referencia al punto donde
la ganancia se reduce a 1, como la frecuencia de ganancia unitaria (f1) o el ancho
de banda de ganancia unitaria (B1).
Figura 5.17. Gráfica de ganancia en función de la frecuencia
Otra frecuencia interesante es la que vemos en la figura 5.17, a la cual la ganancia
cae en 3 dB (o a 0.707 de la ganancia de dc, AVD), siendo esta la frecuencia de
corte del op-amp, fC. De hecho, la frecuencia de ganancia unitaria y de corte están
relacionadas por
F1 = AVDfC
La ecuación arriba mencionada muestra que a la frecuencia de ganancia unitaria
también se le puede llamar producto ganancia-ancho de banda del op-amp.
Ejercicio 5.1
Determine la frecuencia de corte de un op-amp que tiene los valores especificados
B1 = 1 MHz y AVD = 200 V/mV.
Solución:
Debido a que f1 = B1 = 1 MHz, podemos usar la siguiente ecuación:
f1 = AVDfC
f1
1 MHz
1 X 10e6
fC = ----------= ---------------- = ----------------- = 5 Hz
AVD
200 V/mV
200 X 10e3
5.4 AMPLIFICADOR SUMADOR
Probablemente, el circuito op-amp más utilizado es el circuito del amplificador
sumador que se muestra en la figura 5.19. el circuito muestra un circuito
amplificador sumador de tres entradas que proporciona un medio de sumar
algebraicamente tres voltajes, multiplicado cada uno por un factor de ganancia
constante, el voltaje de salida puede expresarse en términos de las entradas como
R�
R�
R�
Vo = - ---- V1 + ---- V2 + ---- V3
R1
R2
R3
En otras palabras, cada entrada suma un voltaje a la salida, multiplicado por su
multiplicador de ganancia constante separado. Si se usan más entradas, cada una
añade un componente adicional a la salida.
Figura 5.19. Amlificador sumador
Ejercicio 3
Calcule el voltaje de salida de un amplificador sumador para los siguientes
conjuntos de voltajes y resistencias. (Use R� = 1 M
en todos los casos)
a) V1 = +1 V, V2 = +2 V, V3 = +3 V, R1 = 500 k
b) V1 = -2 V, V2 = +3 V, V3 = +1 V, R1 = 200 k
Solución
a)
, R2 = 1 M , R3 = 1 M .
, R2 = 500 k , R3 = 1 M .
1000 k
1000 k
1000 k
Vo = - ------------- (+1 V) + ------------- (+2 V) + ------------- (+3 V)
500 k
1000 k
1000 k
Vo = - [2 (1 V) + 1 (2 V) + 1 (3 V)] = -7 V
b)
1000 k
1000 k
1000 k
Vo = - ------------- (-2 V) + ------------- (+3 V) + ------------- (+1 V)
200 k
500 k
1000 k
Vo = - [5 (-2 V) + 2 (3 V) + 1 (1 V)] = +3 V
UNIDAD VI
FUENTES DE C.D. Y
OSCILADORES CON C.I.
6.1. Fuentes Reguladas.
6.2. Oscilador 555 y sus Variantes.
6.1 FUENTES REGULADAS
En la figura 6.1, el voltaje de línea de la entrada tiene un valor nominal de 115 V.
dependiendo de la demanda de electricidad en un área dada de localidad, este
voltaje de línea puede ser diferente de 115 V. de hecho, el voltaje de línea en la
instalación de potencia puede variar mucho entre hora pico y horas tranquilas.
Como este voltaje de línea es la entrada del puente rectificador, la salida filtrada
de éste es casi directamente proporcional al voltaje de línea. Como se puede ver
en la figura 6.1, la salida filtrada del puente rectificador es la entrada del regulador
de voltaje.
Figura 6.1. Regulación de la carga y de la fuente.
Otra forma de especificar la calidad de luna fuente de potencia regulada es su
regulación de la fuente (también se llama efecto de la fuente o regulación de la
línea). Se abrevia SR, la regulación de la fuente se define como el cambio en el
voltaje de la carga regulado para un intervalo específico del voltaje de línea,
generalmente 115± 10%.
La formula se define es
SR = VHL - VLL
Donde:
SR = regulación de la fuente.
VHL = voltaje de carga con voltaje de línea alto.
VLL = voltaje de carga con voltaje de línea bajo.
Por ejemplo, si el voltaje de la carga es 10 V± 0.3 V para un voltaje de línea de
115± 10%, entonces:
SR = 10.3 V - 9.7 V = 0.6 V
Comparando, una buena fuente de potencia tal como la 6214a de Hewlett-Packard
tiene una SR = 4 MV.
El porcentaje de regulación de la fuente es:
%SR = SR/Vnom X 100%
donde Vnom es el voltaje de carga nominal, es decir el voltaje de salida bajo
condiciones de funcionamiento características. Por ejemplo, si el cambio en el
voltaje de la carga es 0.6 V y el voltaje de carga nominal es 10 V, el porcentaje de
la regulación de la carga es:
%SR = 0.6/10V X 100% = 6%
6.2 OSCILADOR 555 Y SUS VARIANTES
Esté circuito integrado está compuesto de una combinación de comparadores
lineales y flip-flips, como se describe en la figura 6.2. El circuito completo se
encuentra, por lo general, en un encapsulado de ocho terminales, como se
especifica en la figura 6.2. Una conexión en serie de tres resistencias pone los
niveles de voltaje de referencia de los dos comparadores a 2Vcc / 3 y Vcc / 3,
iniciando o reiniciando la salida de estos comparadores a la unidad del flip-flop. La
salida del circuito flip-flop se lleva luego hacia afuera por medio de una etapa de
amplificación de salida. El circuito del flip-flop también opera a un transistor en el
interior del CI llevando el colector del transistor a bajo, por lo general, para
descargar a un condensador de temporización.
Figura 6.2. Detalles del CI temporizador 555.
Operación astable: una aplicación popular del CI del temporizador 555 es como
multivibrador astable o circuito de reloj. El siguiente análisis de la operación del
555 como un circuito astable incluye detalles sobre las diferentes partes de la
unidad y cómo se utilizan las diversas entradas y salidas. La figura 6.3 muestra un
circuito astable construido con la ayuda de una resistencia y un condensador
externos para fijar el intervalo de temporización de la señal de salida.
El condensador C se carga hacia Vcc por medio de unas resistencias externas RA
y RB. haciendo regerencia a la figura 6.3, el voltaje del condensador se eleva
hasta que llega a ser superior a 2Vcc/3. Este voltaje es el umbral en la terminal 6,
que maneja al comparador 1 para disparar al flip-flop en forma tal de que la salida
en la terminal 3 pasa a bajo. Además, el transistor de descarga se desactiva, lo
que ocasiona que la salida en la terminal 7 descargue al condensador por medio
de la resistencia RB. Luego, el voltaje del condensador disminuye hasta que cae
por debajo del nivel de disparo (Vcc/3). Entonces el flip-flop se dispara para que la
salida regrese a alto, y el transistor de descarga se desactiva para que el
condensador pueda de nuevo cargarse a través de las resistencias RA y RB para
llegar a Vcc.
Figura 6.3 Multivibrador astable usando el CI 555.
Operación monoastable: el temporizador 555 también puede usarse como un
circuito multivibrador de un disparo o monoestable, como se muestra en la figura
6.4. Cuando la señal de entrada de disparo para a negativo, activa al multivibrador
de un disparo, con la salida en la terminal 3 yendo a alto por un periodo de tiempo.
Talto = 1.1 RAC
Al revisar de nuevo la figura 6.2, el flanco negativo de la entrada de disparo hace
que el comparador 2 dispare al flip-flop con la salida de la terminal 3 yendo a alto.
El condensador C se carga hacia Vcc a través de la resistencia RA. Durante el
intervalo de carga la salida permanece en alto. Cuando el voltaje a través del
condensador alcance el nivel de umbral de 2 Vcc/3, el comparador 1 dispara al
flip-flop haciendo que la salida pase a bajo. El transistor de descarga también
pasa a bajo, haciendo que el condensador permanezca a casi 0 V hasta que se
vuelve a disparar.
Figura 6.4. Operación de un temporizador 555 como multivibrador monoastable.
BIBLIOGRAFIA
ELECTRÓNICA: TEORÍA DE CIRCUITOS
SEXTA EDICIÓN
ROBERT L. BOYLESTAD
LOUIS NASHELSKY
PRENTICE HALL
ANÁLISIS BÁSICO DE CIRCUITOS ELÉTRONICOS
QUINTA EDICIÓN
DAVID E. JOHNSON
JOHN L. HILBURN
JOHNNY R. JOHNSON
PETER D. SCOTT
PRENTICE HALL
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
CUARTA EDICIÓN
ROBERT L. BOYLESTAD
LOUIS NASHELSKY
PRENTICE HALL