Download L04 Componentes Electrónicos Básicos Usados En

UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE
FACULTAD DE INGENIERÍA
Departamento de Ingeniería Mecánica
HMR/hmr.
INGENIERIA DE EJECUCIÓN EN MECANICA
PLAN 2001
GUIA DE LABORATORIO
ASIGNATURA
15065 AUTOMATIZACIÓN
NIVEL 07
EXPERIENCIA ATM-L04
“COMPONENTES ELECTRÓNICOS BÁSICOS
USADOS EN AUTOMATIZACIÓN E
INSTRUMENTACIÓN”
HORARIO: JUEVES: 9-10-11-12
MARTES: 9-10-11-12
UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE
FACULTAD DE INGENIERÍA
Departamento de Ingeniería Mecánica
HMR/hmr.
COMPONENTES ELECTRÓNICOS BÁSICOS
AUTOMATIZACIÓN E INSTRUMENTACIÓN
1.
USADOS
EN
OBJETIVO GENERAL
Familiarizar al alumno con los componentes electrónicos más utilizados en
automatización e instrumentación
2.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
2.1 Que el alumno comprenda el principio de funcionamiento de los
componentes electrónicos de estado sólido, basados en la unión P-N y N-P.
2.2 Que el alumno se familiarice con la curva “I v/s Vab” para los diferentes
diodos, (diodo común, diodo Zenner, photodiodo y optodiodo) y comprenda
las aplicaciones funcionales de estos elementos.
2.3 Que el alumno se familiarice con los transistores NPN y PNP en la aplicación
circuito-abierto/saturación o todo/nada y también el la aplicación amplificador
de corriente.
2.4 Que el alumno comprenda y se familiarice con las diversas aplicaciones que
ofrece un amplificador operacional, en particular el uso de los amplificadores
operacionales en circuitos acondicionadores de señales y realizando
operaciones matemáticas y lógicas.
2.5 Que el alumno comprenda las aplicaciones funcionales de los TRIAC, en
particular usados como válvulas o amplificadores de potencia eléctrica.
2.6 Que el alumno identifique los parámetros técnicos que caracterizan a cada
uno de los elementos electrónicos tratados en el laboratorio y comprenda las
causas de destrucción de los mismos.
2
3.
INTRODUCCIÓN TEÓRICA
3.1
MATERIALES SEMICONDUCTORES
La mayor parte de los dispositivos electrónicos modernos están fabricados
a partir de semiconductores. Para comprender el funcionamiento de estos
dispositivos cuando se insertan en un circuito electrónico, es necesario conocer el
comportamiento de los componentes desde un punto de vista físico.
Si los conductores son materiales que disponen de electrones libres y los aislantes
carecen de ellos, los semiconductores se encuentran en una situación intermedia:
a la temperatura de 0ºK se comportan como aislantes, pero mediante una
aportación de energía puede modificarse esta situación, adquiriendo un
comportamiento más cercano al de los conductores.
Los materiales semiconductores de uso común en la tecnología
microelectrónica son el silicio, el germanio y el arseniuro de galio. Se trata de
elementos del grupo IV de la tabla periódica, o bien combinaciones de elementos
de los grupos III y V. De todos ellos, el más empleado actualmente es el silicio.
3.2
COMPONENTES SEMICONDUCTORES
3.2.1 EL DIODO
El nacimiento del diodo surgió a partir de la necesidad de transformación de
corrientes alternas en continua.
La corriente en un diodo presenta un sentido de circulación de cargas
positivas que van desde el ánodo al cátodo, no permitiendo la circulación de la
corriente en el sentido opuesto, lo cual permite la conversión de corriente alterna a
continua, procedimiento conocido como rectificación. Esto ocurre porque por el
diodo solamente podrá circular corriente cuando el ánodo sea más positivo que el
cátodo.
Están compuestos por dos regiones de material semiconductor que se
llama unión P-N que es la base de todo componente electrónico de tipo activo.
Entre las dos partes de la unión P-N, y en la zona de contacto entre ambas, se
produce una región denominada de transición, donde se genera una pequeña
diferencia de potencial, dado que se conforma una recombinación de electrones,
quedando la zona N a mayor tensión que la zona P. Cuando se le aplica una
tensión al diodo con el terminal positivo conectado a la zona P y el negativo a la N
se producirá una circulación de corriente entre ambas debido a que una pequeña
parte de esta tensión nivelará la diferencia de potencial entre zonas, llamada
3
tensión umbral, quedando éstas niveladas en tensión, y el resto de la tensión
aplicada producirá una circulación de electrones de la zona N a la P.
Si esa tensión externa se aplica con los bornes intercambiados, es decir, el
terminal positivo de la fuente conectado a la zona N y el negativo a la región P, no
habrá circulación de corriente por el diodo, debido a que por efecto de la tensión
aplicada se aumentará la diferencia de potencial existente entre las zonas P y N,
impidiendo así la circulación de corriente a través del mismo.
La figura entrega una idea algo más exacta de lo que sucede en el diodo
cuando se le aplica una tensión, en cualquiera de los dos sentidos (polarización
directa e inversa).
El cuadrante superior derecho corresponde a la polarización directa, en el
mismo se puede apreciar que existe una tensión (VU) a partir de la cual el diodo
comienza a conducir, dicha tensión es la tensión umbral y varía según sea el
material semiconductor empleado en la fabricación del diodo, siendo de 0,7V para
el silicio y 0,3V para el germanio.
El cuadrante inferior izquierdo corresponde a una polarización inversa. En
ella se ve que la corriente que lo atraviesa (conocida como corriente inversa) es
prácticamente nula. Note que los valores menores que cero en el eje de la
corriente están graduados en uA.
Nótese también que para polarización inversa mayor a V R la corriente
inversa crece indefinidamente. Una tensión inversa de este valor o mayor a él
daña al diodo en forma irreversible y se la conoce como tensión de ruptura o
zéner.
Entre las diversas clases de diodos que se encuentran en el mercado, se
pueden citar las siguientes: diodos rectificadores (en montaje individual o puente
4
rectificador), diodos de señal, diodos de conmutación, diodos de alta frecuencia,
diodos estabilizadores de tensión, diodos especiales.
EL ZÉNER
Es el tipo de diodo más utilizado para implementar sistemas electrónicos de
regulación de C.C.
Un diodo de este tipo trabaja en la zona de ruptura vista anteriormente,
llamándose a dicha tensión, tensión Zéner VZ. Obviamente que el proceso de
fabricación de éstos varía del empleado para los diodos comunes dada la
necesidad de funcionamiento en la zona de ruptura. Cuando a un zéner se le
aplica una tensión menor a VZ éste se comporta como un diodo normal.
Una de las aplicaciones prácticas más sencillas del zéner es la de regulador de
una tensión continua, cuyo diagrama se muestra en la siguiente figura:
Donde: Ve = Tensión de entrada 9 a 12 V
Vs = Tensión de salida 7 V
Iz = Corriente en el zéner 5 Ma
Is = Corriente de salida 20 a 50 mA
5
Con el uso de este circuito se puede asegurar una tensión máxima a la
salida del circuito, independientemente de las fluctuaciones originadas en la
entrada del mismo.
Este circuito es muy sencillo de implementar, solamente se tiene que ver
cuál es el valor de la resistencia Rlim que será la resistencia limitadora que
absorberá la diferencia de tensión que se desee "recortar" en la entrada.
Para el cálculo de la misma se procede como sigue:
Donde:
Ve(min) = Tensión de entrada mínima
VS = Tensión de salida
Iz(min) = Corriente mínima que circula por
obtenido de la hora de datos del fabricante).
Is(máx) = Corriente máxima que atraviesa la carga
el
diodo
(Dato
Si, por ejemplo, la fuente de entrada varía entre 9 y 12V y se quiere a la
salida una tensión de 7V, entonces Rlim será:
Rlim  (9 - 7)/(0,005 + 0,050) = 2/0,055 = 36,36 
El valor Iz(min) fue obtenido de la hoja de datos del zéner.
Se puede ver que Rlim tiene que ser menor o igual a 36,36 ohms, entonces
bastará con elegir un valor próximo a éste pero sin pasarlo. De la tabla de valores
disponibles se puede elegir 33 .
Ya se tiene el valor de la resistencia, ahora falta ver qué potencia va a
disipar la resistencia, para ello se multiplica la corriente que la atraviesa por la
tensión que cae en ella (Ve - Vs)
La corriente es: I = 2/33 = 60,60 mA, entonces P = 2 V x 60,60 mA = 0,12 W
Se debe elegir una Rlim cuya disipación de potencia sea 1/2 W.
EL LED
Otro tipo de diodo, quizá el de mayor difusión, es el diodo emisor de luz,
conocido comúnmente como LED (Light Emmitting Diode)
6
El funcionamiento de este tipo de diodo se basa en la polarización en
sentido directo de una unión P-N. Al hacer esto se origina una recombinación de
electrones y huecos, lo que origina gran cantidad de energía, que en el caso de
algunos semiconductores se traduce en una radiación luminosa.
Sus colores típicos son: rojo, verde y ámbar los que hacen al LED idóneo
para ser utilizado en muchos tipos de indicadores. Además su durabilidad y bajo
consumo los convierten en componentes casi imprescindibles a la hora de querer
utilizar algún tipo de indicador luminoso.
A continuación, se muestran como el diodo es utilizado para convertir una
corriente alterna en corriente continua.
7
3.2.2 EL TRANSISTOR
El transistor es un elemento semiconductor que tiene la propiedad de poder
gobernar a voluntad la intensidad de corriente que circula entre dos de sus tres
terminales (emisor y colector), mediante la circulación de una pequeña corriente
aplicada en el tercer terminal (colector).
Este efecto se conoce con el nombre de amplificación de corriente, y
permite aplicarle en la base una corriente muy pequeña con cualquier forma de
variación en el tiempo, y obtener la misma corriente, con la misma variación en el
tiempo, pero de mayor amplitud.
Se utilizan fundamentalmente en circuitos que realizan funciones de
amplificación, control, proceso de datos, etc.
El funcionamiento interno se puede describir a partir de lo ya explicado para
los diodos, con la diferencia de que este último posee dos uniones
semiconductoras, esto es: el transistor posee dos zonas semiconductoras, que
pueden ser N o P, y entre ambas una muy delgada del tipo P o N
respectivamente.
Este conjunto formará dos uniones: una N-P, entre el emisor y la base, y la
otra P-N entre la base y el colector (si las dos zonas exteriores son del tipo N y la
interior tipo P, es decir un transistor NPN. Si las regiones exteriores son del tipo P
y la interior del tipo N el transistor será del tipo PNP).
Si se le aplica una tensión externa a la unión N-P, de forma que quede
polarizada en directa, se producirá una circulación de corriente entre ambas
regiones. Aplicando una segunda tensión externa a la otra unión, de modo que
ésta quede en inversa (el terminal positivo de la fuente conectado al colector y el
negativo a la base), la corriente generada en la otra unión, será atraída por la
diferencia de potencial positiva aplicada al colector, generando que prácticamente
toda la corriente proveniente del emisor llegue al colector, salvo una pequeña
cantidad de corriente que saldrá por la base. Y es justamente esta pequeñísima
8
corriente de base la que permite gobernar la corriente circulante desde el emisor al
colector.
El sentido de circulación de la corriente adoptado hasta ahora es el de
circulación de los electrones, y como la convención utilizada toma el sentido
opuesto entonces en un transistor del tipo NPN la corriente será entrante por el
colector y la base, y saliente por el emisor.
En la figura c) se tiene una regla mnemotécnica para recordar la relación
entre las corrientes que atraviesan al transistor.
Debido a que la corriente de emisor será siempre un múltiplo de la de base
se obtienen los resultados deseados de amplificación. Suponga que dicha
corriente de colector (Ic) es 100 veces la corriente de emisor (Ie), entonces si
Ib = 5 mA; Ie = 500 mA. Si ahora Ib = 2 mA; Ie = 200 mA. Donde se puede apreciar
que una pequeña variación en la corriente de base (3 mA), produce una gran
variación en la de emisor (300 mA). Dicho factor de amplificación es denominado g
Ya se ha hecho notar que existen transistores del tipo NPN y PNP según
sean los dopados de las tres regiones, pero entre ambos tipos no existe ninguna
diferencia en cuanto a lo funcional, salvo que todos los sentidos de circulación de
las corrientes son opuestos en uno y otro, por lo tanto, para polarizar un transistor
PNP, de igual manera que uno NPN, se deberán utilizar tensiones opuestas en
uno y otro.
Los transistores tienen una característica muy interesante que es la
capacidad que tienen éstos de entregar una intensidad de corriente constante a
una resistencia, independientemente del valor de ésta, es decir que las
variaciones de corriente obtenidas por la acción de la base, producirán en la
resistencia una variación de la tensión, la cual será, según la ley de Ohm: V = I x
R. Entonces V dependerá del valor de la corriente de base y de la resistencia en el
colector, siendo V mayor cuando mayor es R, estando fijado el límite por el valor
de la tensión externa aplicada al circuito.
9
Este efecto resulta en una "amplificación de tensión", que es una de las
características más importantes de los transistores y el motivo por el cual son de
uso casi imprescindible en los montajes electrónicos. Esta amplificación de tensión
se calcula como la relación entre el voltaje en la resistencia de carga y la tensión
aplicada entre las junturas base-emisor.
Los transistores, según sea la tecnología de fabricación, se clasifican en
grandes grupos con diferentes características: BIPOLARES, FET, MOSFET, UNI
UNIÓN. Hasta el momento nos hemos referido al primer grupo de ellos.
El estudio y análisis de los transistores se realiza mediante el empleo de las
"curvas características" del mismo, con las cuales se puede caracterizar
completamente el comportamiento o funcionamiento eléctrico del transistor, siendo
ésta expresada en relaciones gráficas de las corrientes I b, Ic e Ie, en función de las
tensiones externas y para las distintas configuraciones: Emisor Común (EC), Base
Común (BC) y Colector Común (CC).
Las curvas describen el comportamiento de los transistores, pero como
estos no se comportan todos de igual manera, éstas varían según el tipo de
transistor, y, si bien difieren de un tipo a otro, son muy semejantes en la forma.
Además no se refieren a uno en concreto, sino que son un promedio de un gran
número de unidades. Estas gráficas son proporcionadas por el fabricante, y como
el montaje más común es la de emisor común, y además los fabricantes nos
suministran las curvas basadas en este tipo de configuración, nos centraremos en
el
También es importante conocer los valores máx, mín y típico de las
características más importantes, para poder emplear, en los cálculos, el valor que
resultare más desfavorable a fin de asegurarnos que el funcionamiento de
cualquier unidad de la muestra estará dentro de lo estipulado.
Las curvas características más importantes son la característica de entrada
y la de salida. En las de entrada, se expresan las gráficas de la relación entre la
corriente de base (Ib) y la tensión base-emisor (Vbe) para la tensión colector-emisor
(Vce) constante. A partir de ellas podemos calcular la corriente que circula por la
base cuando se aplica una tensión externa entre ésta y el emisor.
10
Como el transistor en montaje en emisor común tiene comportamiento
similar al de un diodo polarizado en directa, las curvas son de igual forma, es
decir, que existe una determinada tensión umbral por debajo de la cual la corriente
es prácticamente nula. También de las características de entrada podemos
deducir la resistencia de entrada del transistor, que es la variación de la tensión ba
En las curvas de salida se grafica la corriente de colector I c en función de la
tensión colector-emisor Vce cuando mantenemos constante Ib. Generalmente se
dibuja una familia de curvas para distintas Ib. En esta gráfica se observa que por
encima de un valor de tensión colector emisor Vce1 la corriente se mantiene
prácticamente constante, independientemente del valor de Vce. Por debajo de este
valor sucede todo lo contrario, Ib varía rápidamente con pequeñas variaciones de
Vce. Este valor de Vce1 es aproximadamente 0,5 V. A esta zona de funcionamiento
donde Ic es casi constante, se denomina región activa y es en la que se desea que
funcione el transistor cuando se lo usa en amplificadores. En este caso Ic
solamente depende de Ib.
11
En la gráfica podemos observar una recta denominada Rs, que delimita una
de las 3 posibles regiones de trabajo de los transistores.
El transistor trabajará en alguna de las 3 regiones dependiendo de las
polarizaciones que reciban cada una de las uniones P-N que lo componen. Las
tres regiones son:
Región de saturación: El transistor se comporta como un interruptor entre emisor y
colector.
Región de corte: El transistor se comporta como un interruptor abierto entre emisor
y colector.
Región lineal (o activa): Se comporta como un dispositivo amplificador de corriente
de entrada (corriente de base).
Algunos de los parámetros importantes de los transistores y que
generalmente son suministrados por el fabricante son:
Vce(sat)= Tensión máxima entre colector y emisor trabajando en saturación.
Vceo= Tensión máxima entre colector y emisor.
Vcbo= Tensión máxima entre colector y base.
Vebo= Tensión máxima entre emisor y base.
Icmáx= Corriente máxima de colector.
Icm máx= Corriente máxima de colector (valor pico)
Ibmáx= Corriente máxima de base (valor pico)
Ptot= Potencia disipable total.
De la misma manera que en las características de entrada podemos deducir
la resistencia de entrada, en las características de salida podemos deducir la
12
resistencia de salida de la forma: Variación de la tensión Vce con respecto a Ic.
Otro factor que podemos deducir es la ganancia de corriente del transistor ().
De las curvas se deduce, al ser casi horizontal, que la resistencia de salida
será muy elevada.
Es conveniente fijar el punto de trabajo del transistor, dependiendo de la
tarea que queremos que éste realice en un circuito y utilizando las curvas antes
vistas.
Para ello se ha de polarizar al transistor con algunos de los circuitos de
polarización que veremos a continuación, pero antes de ello haremos referencia a
la recta de carga de un transistor. Para obtenerla deberemos volver a la familia de
curvas de salida ya vista. La recta de carga es útil dado que nos muestra, en
forma gráfica, todos los puntos de trabajo posibles del transistor para una
polarización dada.
En la figura podemos ver la recta de carga superpuesta a la familia de
curvas de salida, en la que vemos varios puntos de interés, los que pasamos a
explicar a continuación:
Para el cálculo de la recta de carga consideraremos al transistor en dos de
sus estados: corte y saturación.
En el estado de corte Ic es prácticamente cero, entonces podemos concluir
que Vc = Vce, la que en nuestro ejemplo es de 12 V. Entonces con Ic  0 V y Vce 12
V obtenemos el primer punto de la recta de carga, al que llamamos P 1 en la
gráfica.
13
En el estado de saturación tenemos que Vce  0 V con lo que entonces
podemos calcular el valor de Ic que será Ic = Vc / Rc que en nuestro ejemplo da 12
V / 2000  = 6 mA. Al punto Vce = 0, Ic = 6 mA lo llamamos P2 en la gráfica.
Si unimos P1 y P2 obtendremos la recta de carga buscada.
Para obtener el punto de trabajo (Q) del transistor necesitamos saber I b, de
esta forma el punto Q es el punto de intersección de la recta de carga con la curva
correspondiente al valor de la corriente que opera el transistor en ese instante (I b).
La recta de carga puede ser diferente con cada transistor y cada punto de
polarización.
Proyectando al punto Q sobre los ejes coordenados de la gráfica
obtendremos los valores de Ic y Vce, denominados en el gráfico como Ic1 y Vce1.
Comenzaremos ahora sí con los circuitos para polarizar a los transistores.
La tarea de estos polarizadores no es otra que la de hacer que a las distintas
patas del transistor le lleguen diferentes tensiones, pero a partir de una única
fuente de alimentación, intentando, además, hacer que el parámetro  sea lo más
estable posible, es decir, que no varíe con los diversos factores externos que
pueden llegar a alterar al mismo.
En la figura podemos ver varias de las configuraciones para polarizar al
transistor:
El primer diagrama (A) muestra una configuración denominada polarización
por división de tensión. Las resistencias R1 y R2 forman un divisor de tensión, lo
cual le da el nombre a la configuración. Este tipo de polarización es uno de los
más idóneos y el mejor para trabajar en la zona activa del transistor.
En la parte B de la figura vemos otra forma de polarizador, denominada
"polarización de base". Ahora la corriente de base se obtiene a través de R 1. Este
tipo de polarización se utiliza en circuitos que trabajan en conmutación, no siendo
aconsejable su uso en transistores a los que se desea trabajen en la zona activa.
14
La polarización que se muestra en C es denominada "polarización por
realimentación de emisor" y por medio de ésta logramos una mayor estabilidad del
punto Q.
A la configuración mostrada en D se la llama "polarización por
realimentación de colector".
3.2.3 EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL
El componente electrónico conocido como amplificador operacional es
realmente un circuito complejo formado por muchos transistores y otros
componentes en un solo circuito integrado. El esquema funcional de un
amplificador operacional puede verse en la figura:
Esquema funcional del amplificador operacional
El amplificador operacional tiene dos entradas. En la primera etapa se
amplifica levemente la diferencia de las mismas. Esto se suele expresar también
diciendo que se amplifica el modo diferencial de las señales, mientras que el modo
común se rechaza. Posteriormente se pasa a segunda etapa de ganancia
intermedia, en la que se amplifica nuevamente el modo diferencial filtrado por la
primera. La ganancia total es muy elevada, típicamente del orden de 10 5.
Finalmente, en la última etapa no se amplifica la tensión, sino que se posibilita el
suministrar fuertes intensidades.
Para que este dispositivo pueda funcionar es obvio que necesitará una
fuente de alimentación que polarice sus transistores internos. Habitualmente se
emplean dos fuentes de alimentación, una positiva y otra negativa. De este modo
se permite que la salida sea de uno u otro signo. Evidentemente, la tensión de
salida nunca podrá superar los límites que marquen las alimentaciones. No
olvidemos que el operacional está formado por componentes no generadores.
15
Una vez realizada esta presentación, hay que aclarar que en la mayoría de
los casos, es posible conocer el comportamiento de un circuito en el que se inserta
un operacional sin tener en cuenta su estructura interna. Para ello vamos a definir,
como siempre, un componente ideal que nos permita una primera aproximación. Y
también como es habitual, los cálculos rigurosos necesitarán de modelos más
complejos, para los que sí es necesario estudiarlo más profundamente.
El símbolo del amplificador operacional es el que se muestra a continuación
junto con el equivalente circuí tal ideal.
Representación del amplificador operacional ideal
El operacional tiene cinco terminales:
Entrada no inversora (V+)
Entrada inversora (V-)
Alimentación positiva (ECC)
Alimentación negativa (-ECC)
A la hora de resolver circuitos se suelen omitir las alimentaciones, ya que
como se verá, no afectan al funcionamiento. La representación circuí tal está
formada por una resistencia de entrada, que une los dos terminales, y un
generador de tensión de salida. La tensión de salida es proporcional a la diferencia
de las entradas.
Las características más relevantes del amplificador operacional son:
Resistencia de entrada muy elevada: A menudo es mayor que 1 M.
Ganancia muy elevada: Mayor que 105.
Las consecuencias que se derivan de estas características son:
16
La corriente de entrada es nula: Al ser la resistencia de entrada tan
elevada, la corriente que circula por los terminales inversor y no
inversor puede despreciarse.
La ganancia puede considerarse infinita.
Con estas dos aproximaciones puede abordarse ya el análisis de algunos
circuitos sencillos.
FUNCIONAMIENTO EN LAZO ABIERTO
La figura muestra un esquema en el que el operacional funciona en lazo
abierto, es decir, la entrada es independiente de la salida.
Funcionamiento en lazo abierto
En el sencillísimo circuito de la figura, es muy fácil determinar las corrientes
y tensiones:
17
Hagamos unos números: Si VIN = 15 V ==> I+ = 15·10-6 A; VOUT = 1,5 V. La
corriente de entrada es despreciable. Ningún aparato de medida convencional
sería capaz de detectarla. Por lo tanto, a partir de ahora vamos a aceptar siempre
que:
La tensión de salida es proporcional a la de entrada. Si VIN = 100 V => VOUT
= 10 V. ¿Qué sucedería si VIN vale 200 V?. Según la fórmula obtenida, VOUT sería
de 20 V, pero no olvidemos que la alimentación es de 15 V, es decir, la salida no
puede superar los 15 V. A partir de 150 V en la entrada, por mucho que
aumentemos la tensión no obtendremos más de 15 V en la salida: el amplificador
se satura. En la figura 10.4 se representa la curva VIN - VOUT de este ejemplo.
Curva VOUT - VIN en lazo abierto
El funcionamiento como amplificador en lazo abierto presenta varios
inconvenientes:
El intervalo de tensiones que pueden amplificarse es muy pequeño (en el
ejemplo 150 V). El amplificador se satura con gran facilidad.
La tensión de salida depende directamente de la ganancia del operacional.
Este parámetro tiene fuertes dispersiones de unos componentes a otros.
Por estos motivos, nunca se emplea este esquema cuando se quieren
amplificar señales mediante operacionales. En la práctica cualquier señal provoca
la saturación. Esto sí se emplea en los comparadores, como se explicará más
adelante.
18
FUNCIONAMIENTO CON REALIMENTACIÓN
El concepto de realimentación implica que la entrada del amplificador
operacional no es independiente de la salida. Parte de la señal de salida se aplica
a la entrada, con lo que se puede controlar la ganancia. Para comprender mejor
este concepto veamos un sencillo ejemplo: El seguidor de tensión (ver figura
adjunta).
Seguidor de tensión
El análisis del circuito permite plantear las siguientes ecuaciones:
V- = VIN
V+ = VOUT
Además podemos añadir las ecuaciones características del operacional:
I+ = I - = 0
VOUT = A0(V+ - V-)
Sustituyendo:
VOUT = A0(VOUT - VIN) =>
Si A0 = 100.000, ==> VOUT = 1,00001 VIN. Evidentemente, podemos y
debemos olvidarnos del 5º decimal:
Además, de este ejemplo podemos sacar una interesante conclusión: al
aplicar la realimentación:
19
Este resultado, que ha sido obtenido en un caso particular, es general, y
surge de considerar la ganancia infinita. Siempre que se aplica la realimentación
puede admitirse dicha aproximación. Podríamos haber llegado a la misma
conclusión razonando de la siguiente manera: la tensión de salida debe estar
comprendida entre los límites de la alimentación ( 15 V, por ejemplo). Si esto es
así, la diferencia entre las entradas puede ser, como mucho, la alimentación entre
la ganancia (15/10000). Este valor suficientemente pequeño como para poder
despreciarse frente al resto de magnitudes del circuito.
Un último apunte sobre la realimentación: en la Figura 8.5 se puede
apreciarse que la realimentación se aplica a la entrada inversora (-)
(realimentación degenerativa). Esta es una condición necesaria para que el
circuito funcione correctamente en la práctica. Si se aplica una realimentación
regenerativa (+) el amplificador operacional se saturará inmediatamente. El
razonamiento se muy simple: supongamos que en los cables de realimentación se
capta una interferencia del exterior. Si la realimentación es regenerativa, esta
interferencia aparecerá como un aumento de la tensión se salida. El aumento de la
tensión de salida provoca un aumento de la entrada, que vuelve a provocar un
aumento de la salida.... no hay ningún recurso que atenúe la perturbación, y se
llegará a la saturación.
CIRCUITOS DE APLICACIÓN BÁSICOS
He aquí tres de los circuitos básicos más populares. En los dos primeros el
operacional funciona con realimentación negativa. En el tercero se aprovecha la
elevada ganancia en lazo abierto.
Amplificador no inversor
Ecuaciones del operacional (realimentación negativa):
I+ = I - = 0
e+ = e 20
Ecuaciones del circuito:
e+ = VIN
e- = - R1 I1 => I1 =
VOUT = - I1 (R1 + R2) =
==> Ganancia
Como características más llamativas cabe destacar:
Ganancia del circuito independiente de la del operacional.
Ganancia fijada por el cociente de dos resistencias.
Resistencia de entrada infinita.
La entrada y la salida son del mismo signo (no inversor)
Amplificador inversor
Ecuaciones del operacional (realimentación negativa):
I+ = I - = 0
e+ = e Ecuaciones del circuito:
e+ = 0
e- = VIN - R1 I1 = 0 => I1 =
21
VOUT = - I1 R2 =
==> Ganancia
Como características más llamativas cabe destacar:
Ganancia del circuito independiente de la del operacional.
Ganancia fijada por el cociente de dos resistencias.
Resistencia de entrada R1.
La entrada y la salida son de signo opuesto (inversor)
Comparador
Suponiendo que el operacional se alimenta a ECC:
VIN > VREF => VOUT = ECC
VIN < VREF => VOUT = - ECC
3.2.4 EL TRIAC
INTRODUCCION
El triac es un dispositivo semiconductor de tres terminales que se usa para
controlar el flujo de corriente promedio a una carga, con la particularidad de que
conduce en ambos sentidos y puede ser bloqueado por inversión de la tensión o
al disminuir la corriente por debajo del valor de mantenimiento. El TRIAC puede
22
ser disparado independientemente de la polarización de puerta, es decir, mediante
una corriente de puerta positiva o negativa.
DESCRIPCION GENERAL
Cuando el TRIAC conduce, hay una trayectoria de flujo de corriente de muy
baja resistencia de una terminal a la otra, dependiendo la dirección de flujo de la
polaridad del voltaje externo aplicado. Cuando el voltaje es mas positivo en MT2,
la corriente fluye de MT2 a MT1 en caso contrario fluye de MT1 a MT2. En ambos
casos el TRIAC se comporta como un interruptor cerrado. Cuando el TRIAC deja
de conducir no puede fluir corriente entre las terminales principales sin importar la
polaridad del voltaje externo aplicado por tanto actúa como un interruptor abierto.
Debe tenerse en cuenta que si se aplica una variación de tensión
importante al TRIAC (dv/dt) aún sin conducción previa, el TRIAC puede entrar en
conducción directa.
CONSTRUCCION BASICA, SIMBOLO, DIAGRAMA EQUIVALENTE
La estructura contiene seis
capas como se indica en la figura anterior izquierda, aunque funciona siempre
como un tiristor de cuatro capas. En sentido MT2-MT1 conduce a través de
P1N1P2N2 y en sentido MT1-MT2 a través de P2N1P1N4. La capa N3 facilita el
disparo con intensidad de puerta negativa. La complicación de su estructura lo
hace mas delicado que un tiristor en cuanto a di/dt y dv/dt y capacidad para
soportar sobre intensidades.
Se fabrican para intensidades de algunos amperios hasta unos 200 A
eficaces y desde 400 a 1000 V de tensión de pico repetitivo. Los TRIAC son
fabricados para funcionar a frecuencias bajas, los fabricados para trabajar a
frecuencias medias son denominados alternistores, en la figura superior derecha
se muestra el símbolo esquemático e identificación de las terminales de un
23
TRIAC, la nomenclatura Ánodo 2 (A2) y Ánodo 1 (A1) pueden ser reemplazados
por Terminal Principal 2 (MT2) y Terminal Principal 1 (MT1) respectivamente.
El TRIAC actúa como dos rectificadores controlados de silicio (SCR) en
paralelo (figura adjunta) , este dispositivo es equivalente a dos latchs.
CARACTERISTICA TENSION – CORRIENTE
La figura de arriba describe la característica tensión – corriente del Triac.
Muestra la corriente a través del Triac como una función de la tensión entre los
ánodos MT2 y MT1.
El punto VBD ( tensión de ruptura) es el punto por el cual el dispositivo pasa
de una resistencia alta a una resistencia baja y la corriente, a través del Triac,
crece con un pequeño cambio en la tensión entre los ánodos.
El Triac permanece en estado ON hasta que la corriente disminuye por debajo de
la corriente de mantenimiento IH. Esto se realiza por medio de la disminución de la
tensión de la fuente. Una vez que el Triac entra en conducción, la compuerta no
controla mas la conducción, por esta razón se acostumbra dar un pulso de
24
corriente corto y de esta manera se impide la disipación de energía sobrante en la
compuerta.
El mismo proceso ocurre con respecto al tercer cuadrante, cuando la
tensión en el ánodo MT2 es negativa con respecto al ánodo MT1 y obtenemos la
característica invertida. Por esto es un componente simétrico en cuanto a
conducción y estado de bloqueo se refiere, pues la característica en el cuadrante I
de la curva es igual a la del III
METODOS DE DISPARO
Como hemos dicho, el Triac posee dos ánodos denominados ( MT1 y MT2)
y una compuerta G.
La polaridad de la compuerta G y la polaridad del ánodo 2, se miden con
respecto al ánodo 1.
El triac puede ser disparado en cualquiera de los dos cuadrantes I y III
mediante la aplicación entre los terminales de compuerta G y MT1 de un impulso
positivo o negativo. Esto le da una facilidad de empleo grande y simplifica mucho
el circuito de disparo. Veamos cuáles son los fenómenos internos que tienen lugar
en los cuatro modos posibles de disparo.
1 – El primer modo del primer cuadrante designado por I (+), es aquel en que la
tensión del ánodo MT2 y la tensión de la compuerta son positivas con respecto al
ánodo MT1 y este es el modo mas común (Intensidad de compuerta entrante).
La corriente de compuerta circula internamente hasta MT1, en parte por la
unión P2N2 y en parte a través de la zona P2. Se produce la natural inyección de
electrones de N2 a P2, que es favorecida en el área próxima a la compuerta por la
caída de tensión que produce en P2 la circulación lateral de corriente de
compuerta. Esta caída de tensión se simboliza en la figura por signos + y - .
Parte de los electrones inyectados alcanzan por difusión la unión P2N1 que
bloquea el potencial exterior y son acelerados por ella iniciándose la conducción.
El Segundo modo, del tercer cuadrante, y designado por III(-) es aquel en
que la tensión del ánodo MT2 y la tensión de la compuerta son negativos con
respecto al ánodo MT1 (Intensidad de compuerta saliente).
Se dispara por el procedimiento de puerta remota, conduciendo las capas
P2N1P1N4.
La capa N3 inyecta electrones en P2 que hacen más conductora la unión
P2N1. La tensión positiva de T1 polariza el área próxima de la unión P2N1 más
25
positivamente que la próxima a la puerta. Esta polarización inyecta huecos de P2
a N1 que alcanzan en parte la unión N1P1 y la hacen pasar a conducción.
El tercer modo del cuarto cuadrante, y designado por I(-) es aquel en que la
tensión del ánodo MT2 es positiva con respecto al ánodo MT1 y la tensión de
disparo de la compuerta es negativa con respecto al ánodo MT1( Intensidad de
compuerta saliente).
El disparo es similar al de los tiristores de puerta de unión. Inicialmente
conduce la estructura auxiliar P1N1P2N3 y luego la principal P1N1P2N2.
El disparo de la primera se produce como en un tiristor normal actuando T1 de
puerta y P de cátodo. Toda la estructura auxiliar se pone a la tensión positiva de
T2 y polariza fuertemente la unión P2N2 que inyecta electrones hacia el área de
potencial positivo. La unión P2N1 de la estructura principal, que soporta la tensión
exterior, es invadida por electrones en la vecindad de la estructura auxiliar,
entrando en conducción.
El cuarto modo del Segundo cuadrante y designado por III(+) es aquel en
que la tensión del ánodo T2 es negativa con respecto al ánodo MT1, y la tensión
de disparo de la compuerta es positiva con respecto al ánodo MT1(Intensidad de
compuerta entrante).
El disparo tiene lugar por el procedimiento llamado de puerta remota. Entra
en conducción la estructura P2N1P1N4.
La inyección de N2 a P2 es igual a la descrita en el modo I(+). Los que
alcanzan por difusión la unión P2N1 son absorbidos por su potencial de unión,
haciéndose más conductora. El potencial positivo de puerta polariza más
positivamente el área de unión P2N1 próxima a ella que la próxima a T1,
provocándose una inyección de huecos desde P2 a N1 que alcanza en parte la
unión N1P1 encargada de bloquear la tensión exterior y se produce la entrada en
conducción.
El estado I(+), seguido de III(-) es aquel en que la corriente de compuerta
necesaria para el disparo es mínima. En el resto de los estados es necesaria una
corriente de disparo mayor. El modo III(+) es el de disparo más difícil y debe
evitarse su empleo en lo posible.
En general, la corriente de encendido de la compuerta, dada por el
fabricante, asegura el disparo en todos los estados.
26
FORMAS DE ONDA DE LOS TRIACS
La relación en el circuito entre la fuente de voltaje, el triac y la carga se
representa en la FIG.7. La corriente promedio entregada a la carga puede variarse
alterando la cantidad de tiempo por ciclo que el triac permanece en el estado
encendido. Si permanece una parte pequeña del tiempo en el estado encendido,
el flujo de corriente promedio a través de muchos ciclos será pequeño, en cambio
si permanece durante una parte grande del ciclo de tiempo encendido, la corriente
promedio será alta.
Un triac no esta limitado a 180 de conducción por ciclo. Con un arreglo
adecuado del disparador, puede conducir durante el total de los 360 del ciclo. Por
tanto proporciona control de corriente de onda completa, en lugar del control de
media onda que se logra con un SCR.
27
Las formas de onda de los triacs son muy parecidas a las formas de onda
de los SCR, a excepción de que pueden dispararse durante el semiciclo negativo.
En la FIG.8 se muestran las formas de onda tanto para el voltaje de carga como
para el voltaje del triac ( a través de los terminales principales) para dos
condiciones diferentes.
En la siguiente figura letra(a), las formas de onda muestran apagado el triac
durante los primeros 30º de cada semiciclo, durante estos 30º el triac se comporta
como un interruptor abierto, durante este tiempo el voltaje completo de línea se
cae a través de las terminales principales del triac, sin aplicar ningún voltaje a la
carga. Por tanto no hay flujo de corriente a través del triac y la carga.
La parte del semiciclo durante la cual existe seta situación se llama ángulo
de retardo de disparo.
Después de transcurrido los 30º, el triac dispara y se vuelve como un
interruptor cerrado y comienza a conducir corriente a la carga, esto lo realiza
durante el resto del semiciclo. La parte del semiciclo durante la cual el triac esta
encendido se llama ángulo de conducción.
La parte(b) de la figura muestran las mismas formas de ondas pero con
ángulo de retardo de disparo mayor.
28
3.2.5 SIMBOLOGÍA DE LOS ELEMENTOS ELECTRÓNICOS
En este ítems veremos los símbolos utilizados para los distintos elementos
que formarán parte de un circuito electrónico. Dada la aplicación universal de
estos materiales, a los efectos de poder representar gráficamente cualquier diseño
electrónico, de forma que sea posible por las personas que deban trabajar con él,
se emplea un conjunto de símbolos normalizados que permitan su compresión.
Para comenzar veremos la forma de representación de los cables y
conexiones, lo cual se puede apreciar en la figura adjunta.
Para la representación de las resistencias se emplean dos
representaciones, como se ve en la de más abajo. Junto al símbolo se debe
indicar el valor óhmico y la disipación de potencia.
Los capacitores también tienen dos representaciones diferentes, según se
trate de tipos con polarización fija (electrolíticos) o sin ella (cerámicos, poliéster,
etc.). En el primer caso se indicará la polaridad en el símbolo. Además se anotará,
junto a éste, el valor de la capacidad, así como la tensión máxima de trabajo.
Para las inductancias la simbología es la que se muestra a continuación,
aquí también el valor de su inductancia se coloca al lado del símbolo.
29
Para los transformadores existen varias representaciones para el núcleo
según se trate de hierro ferrita o aire. El primario se sitúa generalmente a la
izquierda mientras que los secundarios a la derecha.
Los diodos parten de un símbolo básico y añadiendo un cierto
complemento gráfico se representan los diferentes modelos que existen de este
componente. Al lado se puede escribir el tipo concreto de que se trata.
Los transistores, son representados con diferentes símbolos según las
diferentes familias (bipolares, FET, MOSFET). En cualquier caso, la flecha que
siempre existe en uno de sus tres terminales indica el sentido de circulación de la
corriente a través del mismo, identificando así los tipos NPN y PNP y FET o
MOSFET de canal N o P. Al lado del símbolo se indicará el tipo de transistor de
que se trate.
30
Los símbolos de los tiristores se aprecian en la figura adjunta, éstos tienen
dos símbolos según se traten de elementos con una puerta o dos.
El triac presenta una única simbolización al ser un elemento no polarizado.
Los interruptores y los conmutadores se pueden representar con los
símbolos de la figura siguiente:
En el relé se destacará la posición de reposo del mismo (Normal abierto o
normal cerrado).
Para representar la tierra o masa se utilizan diferentes símbolos, pero todos
son equivalentes entre sí como se puede ver en la figura.
Ahora veremos una serie de símbolos para diferentes componentes, los
cuales no son tan comúnmente utilizados y poseen además una única forma de
representarlos por lo que no necesitamos hacer referencia a ellos, salvo en el caso
31
de los osciladores de cristal que se representan con dos símbolos, siendo ambos
equivalentes.
PROTOBOARD
Permite realizar
conexiones de
circuitos de prueba.
El protoboard (su nombre viene de “prototype board”) es un tablero en
donde se insertan los componentes electrónicos y cables para armar el circuito.
Internamente, todas las perforaciones de una fila están unidas, y eso facilita
bastante la construcción del circuito.
32
Las líneas muestran la forma
en que están conectadas por
dentro las perforaciones de
este tipo de protoboard.
POTENCIOMETROS
El potenciómetro es básicamente una resistencia variable. En
este caso, los tres terminales están conectados internamente de
la siguiente forma:
- En este caso el potenciómetro presenta un valor
de resistencia de 10 KΩ entre A y C.
- El valor de la resistencia entre A y B va a
depender de la posición en la que se encuentre la
manivela.
- Y así mismo, el valor de la resistencia entre B y
C también dependerá de la posición de la
manivela (y será complementario al valor
existente entre A y B).
RESISTENCIAS
Hay muchos tipos de resistencias. En este caso se dan a conocer las más
comunes y tienen su valor grabado en el cilindro mediante un código de colores.
33
Esta resistencia tiene grabados los colores VIOLETA-VERDE-ROJO e un
extremo, en el otro tiene una franja de color DORADO. Esto significa que su valor
de resistencia es de 7500 ohms (o lo que es lo mismo: 7.5 KΩ). Y su tolerancia es
del 5%.
La tolerancia significa que para esta resistencia, su fabricante declara que
su valor puede variar en un rango de 375 ohms más, o bien 375 ohms menos
(variación del 5%).
4.
METODO A SEGUIR:
4.1 Reconocer físicamente los componentes electrónicos disponibles para el
desarrollo de la experiencia.
4.2 Se identifican las características técnicas de los elementos indicados por el
profesor, de acuerdo a la información contenida en la hoja de datos y
catálogos disponibles en el laboratorio.
4.3 El profesor explica los circuitos que serán implementados en la experiencia
para cada componente electrónico a estudiar; esto es, para los diodos, los
transistores, los amplificadores operacionales y los TRIACs.
4.6 El profesor revisa los circuitos implementados por los alumnos; los energiza
para hacer una evaluación preliminar de su comportamiento y hace las
correcciones pertinentes.
34
4.7 Para cada circuito electrónico a estudiar, el profesor explica a los alumnos los
ensayos planificados; posteriormente los alumnos los ejecutan y registran los
valores obtenidos.
5.-
VARIABLES A CONSIDERAR
5.1. Corriente y voltaje en diodos, (curva de los diodos), y uso de diodos en
circuitos rectificadores de media onda y de onda completa.
5.2. Al usar el transistor como todo/nada o como fuente de corriente, medir las
corrientes y voltajes asociados.
5.3 Al implementar circuitos usando el amplificador operacional como circuitos:
Amplificadores no inversores de tensión, amplificadores inversor de tensión,
amplificador sumador, amplificadores diferenciales y de instrumentación;
medir las valores de corriente y voltaje respectivos.
5.4 Al usar el tiristor TRIAC como válvula o amplificador de potencia eléctrica,
medir los valores RMS de voltaje y corriente resultantes en la carga aplicada
y en el propio TRIAC, además medir las variables dinámicas mediante el
osciloscopio.
6.-
TEMAS DE INTERROGACIÓN
6.1. Tipos de diodos, sus curvas características, su campo de aplicación y sus
datos fundamentales.
6.2. Curva característica de los transistores, su aplicación como interruptor
todo/nada y como amplificador de corriente. Parámetros y criterios de
selección.
6.3 Características fundamentales de los amplificadores operacionales, sus
aplicaciones y sus datos o propiedades más relevantes.
6.4. Forma de controlar los TRIACs al ser usados como reguladores de potencia
eléctrica bidireccional y las propiedades sustantivas para su selección.
35
7.-
EQUIPOS E INSTRUMENTOS A UTILIZAR
7.1 Componentes electrónicos: Diodos común (para señal y para potencia),
diodos zener, optodiodos, fotodiodos, puente de diodos, amplificadores
operacionales, transistores de potencia
y de señales NPN y PNP,
transistores Darlington, optotransistores, TRIACs, etc.
7.2 Osciloscopio.
7.3 Multitesters.
7.4 Fuente de poder cc con voltaje y corriente ajustables.
7.5 Fuentes en 05vcc, 12vcc, -12vcc
7.6 Protoboards
7.7 Transformadores, bobinas y condensadores.
7.8 Otros elementos, (resistencias, potenciómetros, fusibles, micro-botones,
micro-selectores, limit switch, alambres para conexión, regletas,
herramientas, material fungible, etc.).
8.
LO QUE SE PIDE EN EL INFORME
8.1 Las características técnicas de los elementos electrónicos e instrumentos
empleados en el laboratorio.
8.2 Especificar los circuitos electrónicos implementados, con un resumen gráfico
de valores medidos y calculados respectivamente.
8.6. Un análisis de los resultados obtenidos, tanto en las pruebas estáticas como
dinámicas; comentarios y conclusiones personales.
8.7. La referencia bibliográfica.
8.8 El apéndice con:
a.1.
Datos técnicos de los componentes electrónicos empleados.
a.2.
Desarrollo de los cálculos.
a.3.
Presentación de resultados.
a.4.
Gráficos.
36
9.-
BIBLIOGRAFÍA
9.1 Apuntes de cátedra de la asignatura de Automatización (15065). Héctor
Muñoz R. DIMEC-USACH.
9.2 Electrónica Básica Para Ingenieros. Gustavo A. Ruiz Robredo
9.3 Electrónica, volúmenes 1 y 2, Albert Paul Malvino, Ph.D; Ed, Mc Grauw-Hill
Sitios web:
http://www.electronicaestudio.com/simbologia.htm
http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/ingenieria/2001771/docs_curso/contenido.ht
ml
http://members.fortunecity.es/telectronica/
http://www.wikipedia.com
http://www.monografias.com
http://www.infomecanica.com
http://www.nteinc.com/
http://bulma.net/body.phtml?nIdNoticia=1161
37