Post on 23-May-2022
DIgErc Y CÍIIETRI.ESISI DE I'IA FIEilTE RENT-ADA DE Vq-TAIE
r EaTADO gq-¡DO Pm lmrtlw D.C.
RI.IEE¡{ PERDÍTOlr
fl-Vffif! VELffiO PNIJA
TrrbeJo de grrdo prurntrdotrm rrqulrito prreirl prre
optrr el tftulo dr IngrnlrroElretricilür -a-.--+ <iltei
UniYasidod ",r,,oms ic
-Occ¡drntr
Serrión 8ib!¡otoo
.Ya
85 0 0'ñrCtNPMffiIqtI UTIIVERBITffiIE fl,,T$ES DE OCCIDENTE
DIVIAIÍIII DE I]5E]IIIERIffi
PRÍFR*|A DE r1€Er{rERtA EI_EETRTCñ _ .
ce,i.,e'r-l8f rr|||ffi¡¡||||
{t, 3r3zP+3#
Aprobado por el tromitÉ de trabajo
de grado en cumplimiento con los
requisitog exigidos por la
Eorporación Universitaria Autonoma
de Occidente pará optar al tltulo
de Ingeniero Electricista.
PRESIDENTE DEL JURADT]
JURADtr
trali, l'layo de 1"97.
JURADO
AERADEtrII.IIENTT]S
Los autores expresan Eus agradecimientos :
A ALBERTB FRANtrg PIISADA. I.E. ' U.tr. Profesor en eI área
de electrónica de la trorporación Universitaria Autonoma
de Occidente y Director del trabajo.
A LA trtrRPORAtrItrN UHIVERSITARIA AUTtrNtrl'IA DE trtrCIDENTE.
A Terdas aquellas persclna=i que Etn una u otre forma
colaborarEln en la realizaciÉn del presente trabajo.
u
TABLA DE TOÍIITENIDO
IHTRODUtrtrION. ¡¡.¡¡
1. SEI.IICONDUtrTORES, ... r.
1.1 EENERALTDADES. ¡¡.¡.¡¡....¡¡¡.
1.2 rf'lPUREZA5... ......r.
1.3 JUHTUEAS PH.. ....¡¡.
1.4 DrttDtls. .¡...
I.5 JUHTURAS HPN Y PNP
t.á TRANSISTtrRES EIPBLARES. -. ¡ I - "
T.7 TRANSISTOR UNIJUNTURA.
1.8 REtrTIFItrADOR CONTROLADtr DE SILItrItr StrR
I.9 TRIAtrS.
1.10 PUT.
5
3
10
19
Fás
t
?h
2g
sÉ
44
47
50
41
ur
1.T1 INTEERADTIS..
I, 12 LA LOEItrA Y trOFIPUERTAS LtrEItrAs
f.1?.1 Euffers y Drivers.
t. 12..2 l'lultiplexores.
l.l?.3 Decodi'ticadoreE... .....
t-12.4 Demultiplexore=
2.5. I Valor l'ledio y Valor Ef icáz de una SeFral
Perfodica.
7.=.2 Factor de Riple de una Sefrat. . . .
?.5.3 Filtro trapacitivo.
2. FUENTES DE ALIFIEHTAtrIOH trC.. 74
2, I EENERALIDADEE.
2. ? REtrTIFItrADOR DE ¡'IEDIA ONDA.
74
75
?.3 REtrTIFItrADtrR DE trHDA trtrT'IPLETA 77
2.4 REtrTIFItrADAR EN PUENTE DE hIIEN. 81
2.5 FILTRADB DE SEFIALES REtrTIFItrADAs. a5
Pág
5l
5E
6á
bq
77.
72
E5
EB
rv
E9
?.5.4 Análisis Sobre el RiPle.
2.5-5 Filtro Inductivo..
?.5.É Filtro Eapacitivo Activo. ¡....
2.b REEULADORES ELEFIENTALES.
2.É.1 Reguladores csn Diodo Zener.
?..h.2 RegulaciÉn Serie Simple de (Seguidor
de Emisor).,
?.ó.3 Regulador Paralelct...
?.7 REEULAtrItrN SI''IPLE DE trORRIENTE
3.7. I Reguladores Simples l'lejorados.
2.7.2 UtilizaciÉn de flontajes Tipo Darlington....
?. B REEULADtrRES 5II'IPLES VARIABLES.
?.9. I Reguladores Variables de
Variables de
Tensión
Eorriente...
Pág
9ó
r02
107
111
115
t2l
?31
13é
150
150
155
156
15?2.El.? Reguladores
3. trtrNTROLEs DE VELtrCIDAD PARA I'IOTtrRES Dtr
v
1ál
3. I EEHERALIDADES.
s.2 EL l'ltrTtrR D.tr.
5.?. I l'láquinas de Eorriente trontf nuá.
3.?.2 Regulación de la Velocidad del l'lotor
ElÉctritro,.
3.?,3 Earacaterlsticas de Trabajo en E=tado
Estable de Diferentes Tipos de l'lotores Dtr.
3.3 FUNtrItrNAFIIENTO DEL StrR. ..¡¡¡¡¡
3.3-1 trebado del StrR.
5.4 trIRCUITOS DE CEBANO.
3.4. f Di=paro con 9eflal Dtr.
Fág
1&1
th7
tÚ7
1Eé
195
210
713
??s
?2s
?73
?30
234
?40
?47
I
3.4-2 Disparo con
3.4,3 Disparo con
Eiefial A, tr
Pulsos...,..
3.5 trStrILADOR DE RELAtrIBN
3.8.1 trebado ccln Transistor UJT.
vr
5.6 trEBADTl trON PUT.
3.7 trEBADO trON DIAC
Pág
?49
3,9 trEEADO trON SUs, ?51
5.? TÍTNTRTTLESi FRAtrTItrBS. I¡"' 25S
4. ESTAFILIZADtrRE5 DE VOLTAJE ?'É.2
4. T EEHERALIDADES. ?h7
4.2 TIPO$ DE ESTAEILIZADORES,. ?'h4
4.?. I Electromecániccts trrrn Relevos.¡¡¡.. ?b4
+.2.2 Electro¡necánicos con Servomt¡tor ?64
4.2.3 Nrlcleo Saturado, .¡¡.¡.¡ ?,h3
4.2.4 Electrónicos de Húcleo Siaturado. ?'áh
4.2.3 ElectrÉnicos a Base de Triac . t... ?'Éé.
?'É74-2.h ElectrÉnicos con Varios Trietr's.
4.5 EETABILIZADOR DE VTTLTAJE DE 34O + IO'A
4.3. f Fuicionamiento-
+.3.2 tralibración iel estabilizador..
267
268
2a,3
vrr
5.
4.4 LISTA DE PARTES...
Páq
??3
FUEHTE REEULADA DE O A 125 UDtr. ?97
5.1 EENERALIDADES. ..... 2q7
5, ? FUNtrIONAFIIENTtr DE LA TARJETA DE COI{ANDtr. . . . . . 298
5.3 CONSIDERAtrIONES FARA EL DISE¡IO DEL trTlNTROL
DE VELOtrIDAD. 307
8.4 ESPEtrIFItrACIBNES 3t?
É. FUEHTE REEULADA DE O A 4É VDtr st3
é.1 EENERALIDADE5. 313
6. ? CIRtrUITtrS BASItrfTE¡ Y FUNtrIONAI'IIENTtr. 31+
h.7.1 trriterios para el Disefto de la Fuente
Regulada de O a 4E Voltios. ...... ¡.... 320
É.3 LISTA DE FARTES.-.
vrlr
3?É
Pág
7. trFERAtrION. I'IANTENIT{IENTO Y UStr DE LAS FUENTES
D.tr. .....
7. 1 FUENTE REG¡ULADA DE O - 1?5 VDtr 4 AFIPS 328
B. trBNtrLUSItrNES.
BIBLISERAFIA. 53ó
D(
LISTA DE FIEURAS
FIEURA 1. Bandas de energfa de un aislador
Pág
5
FIGURA 2. Estructura de las bandas de energfa
para el diamante (C)' silicio (Sil V
germanio (Eie). b
FIEURA 3. Resistividad de un conductort
semiconductor y aislador tlpicos' - lt
FIEURA 4. Estructura reticular para un meterial
semiconductor Furo. r.... 13
FIEURA 5. Estructura reticular del material tipottn".
' 15
FIEURA 6. Estructura reticular del material tipo
"Ptt.. ..... 17
FIGURA 7- Di{usión de portadores en la unión-.... 20
x
Fás
FIEURA A. Eradiente de potencial a travÉs de la
región de carga espacial 22
FIGURA 9. trirculaciÉn de la corriente de
electrones En las junturas "P-n"
polarizadas. =4
FIGURA 10. Descripción de elementos
semiconductores' 27
FIGURA 11. Folarización en junturas NPN y FNP---- 291
FIEURA 12. trirculaciÉn de portadores en lasjuntura= ttp-nrr de entrada y salida por
separado 3?
FIEURA 13. Circulación de portadores en la
estructura NFN y flujo de corriente en
toda la estructura respectivamente... - 34
FIEURA 14. trirculación de portadores en la
estructura PNP. 37
FIGURA 15. Sentido de corriente en los
transistE¡rErs NPN y PNP
XI
3q
FIEURA 1ó. Circuito equivalente del UJT-
Pás
4?
FIEURA 17. Analogla estructural del StrR 45
FIEURA 18. Analogfa estructural del TRIAtr- 4E
FIEURA 19. trompuertas AND de 2, 3 y 4 entradas- - - áT
FIEUEA ?O. trompuertas trR de 2 y 4 entradasI
ó3
FIEURA 21. Eompuertas negadoras. h4
FIGURA ??. Eompuertas EtrUI Y OR-EX á5
FIEURA 23. Eompuertas NAND Y NtrR. b7
FIEURA 24. Eompuertas TRE-STATE. 68
FIEURA 25. Diagrama en bloques de una
recombi natori a. . . 70
FIE1JRA 26- Diagrama en bloques de un núltiple XtrR
xrr
7l
Pág
FIGURA ?7. Diagrama en bloquEr de un demúltiple
xtrR- 75
FIEURA ?8, Rectificador de media onda y sus formas
de onda. 7A
FIEURA ?9, Rectificador de media onda con el diodo
invertido y sus {ormas de onda. 7E
FIEURA 30, Rectificador de onda completa y. sus
forrnas de onda. BO
FIEURA 31. Rectificador de onda completa con los
diodos invertidos y sus formas de onda 82
FIEURA 32. Rectificador fuente de I'lien y *orrnas
de onda. BS
FIEURA 53- Seflales recti{icadas de media y onda
completa. E7
FIEURA 34. Filtraje Fara media y onda completa.
Forrna= de onda despuÉs de filtrar.
Formas de onda para la carga de
capacitor. 90
XITI
Fág
FIGURA 35. Efecto de la capacidad sobre laa
corriente en el diodo y la tensión de
salida-. 95
FIEURA 3ó. AproximaciÉn triangular para facilitar
el estudio... qA
FIEURA 37. Filtro inductivo Para media onda y
efects de la inductancia. r... r ¡. ¡ ¡. - - - l0s
FIGURA 38- Filtro inductivo Para rectificador de
onda completan reFrErsentación
equivalente, formas de onda t05
FIEURA 39. Fittro capacitivo activc¡.. lOE
FIEURA 40. Filtro capacitivo activE trrrrl DarlingtÉn llO
FIEURA 41. Regulador Zener simpler recta de cargat
efecta de regulación trasos I Y 2,
esquErtna equivalente Fera variaciones.. 115
FIEURA 42. Regulador Ecln carqlar circuito
transformador Thevenin... llEl
xrv
Pág
FIEURA 43. Regulador serie, visto de otra forma
circuital, regulador comPensado
térmicamente para el diodo base emisor 122
FIEURA 44. Esquemas Para transistor hfbrido
simplificado y de giacoletto
simplificado. r..r-i¡¡-¡ t?4
FIGURA +5. Determinación de Rs y Sv. i ¡ -. ¡ 127
FIEURA 46, Regulador paralelo, Zener equivalente- l5.z
FIEURA 47. Earacterfstica de salida en emisor
conuln y base coruln. .......-- 137
FIEURA 4E|. Regulador de corriente... ¡ '. 139
FIEURA 49. Regulador serie de tensiónr obtención
de Ie trte, regulador de corrientt..... 1+1
FIEURA 50. l'lontaje teórico en bage tromtlnt
reprErsentaciÉn equivalentet circuito
prácticoU = V YV =Ue-Vz'... 142
xv
Fás
FIEURA 51. Recta de carga y punto. de polarización,
efecto de un aumento de R (caso 1l t de
Ve (casa 2).. ¡. ¡ r ' 143
FIGURA 5?. Regulador de corriente con polo
negativo comrln..... 145
FIEURA 53. Eompensación tÉrmira de la juntura
base - emie¡orr caso del montaje PNP- - - l4q
FIGURA 54. Regulador Zener mejorador aFlicación
al regulador seriEr compensado.. ¡.... ¡ - 151
FIEURA 55. !'lontaje tipo DarligtÉn,..... 153
FIGURA 56. Regulador serie cctn Darligtónt
regulador mejorado con Darligtón NPN -
FNP, regulador paralelo por Darligtón. 154
FIEURA 57. Reguladores Zener variebles. 157
FIGURA 58. Reguladores de voltaje variable. ' 15El
FIEURA 59. Reguladores variables de corriente.... 160
ryI
Pág
FIEURA áO. Diagrama en bLoques de un sistema de
control con realimentaciÉn.. - - -.. - lhb
FIEURA É1. l'láquina de contf nua elemental 169
FIEURA 6?. Densidad de flujo en eI entrehierrro
de una máquina D.E elemental y forma
onda entre escobillas. - l7O
FIEURA 63. Representaciún esquemática de una
máquina de contlnua. 174
FIEURA É4, Tensiones de bobinas rectificadas y
tensiÉn resultante entre escobillas de
una nráquina de D.C'.......r¡. l7h
FIEURA ó5. Eurvas de magnetización de una máquina
de contfnua, - lEO
FIEURA áé. Sistema magnÉtico rotatorio con dos
{uentes de escitación. ' lCll
FIEURA É7. l.lotor D.tr. de campo controlado. 185
FIGURA 68. Flotor D.C. de ar¡nadura contro1ada..... lB7
)TWI
Fág
FIEURA É9. Flotor derivación D-tr- ¡notor compuesto
D.tr. motor serie Dtr- I97
FIEURA 70. trircuitos equivalentes para operación
en estado estable pare motor derivación
nrotor compuesto, ¡Rotor serie- 19El
FIEURA 71. Earacterfsticas de par Vs corriente de
armadura para los motores DCr tD
derivación, conpuesto y serie--- . 2Ol
FIEURA 72. Earacterfsticas de par Vs velocidadt
velocidad angular de los motoreg DE-
derivación, serie (valores pequeFtos de
Ia), serie (valores grandes de Ia) t
=erie (curva conrbinadal . 2O4
FIEURA 73. Earacterfstica velocidad angular Vs
corriente de arrnadura de los motores
Dtr- en derivación, serie y trctmFuesto- - ?OE
FIEURA 74. Eurva caracterlstica de corriente
contra voltaje en un EiER
rwilr
?11
Pás
FIEURA 75. Diferentes curvas carestertsticas
.o..i=nte - voltaje Eln un EitrRr Pera
varias tensionels de Puerta- - - "13
FIEURA 7á. Efecto del disparo del StrR con dos
ángulos de abertura dif erentes.,..... . ?th
FIEURA 77. UbicaciÉn del bloque de disparo en el
$trR (media onda) ?lE
FIEURA 7El. Fotencia transferida a la carga con
ángulo de abertura de O grados (media
onda) ... ¡... ¡.. ?.?.O
FIEURA 79. Potencia transferida a la caFga tron
ángulo de abertura de 9O grados (media
snda) ¡. ¡..... ?,2l
FIEURA BO. Ubicación del bloque de disparo en un
SCR (onda comPleta) 2?2
FIEURA g1- Disparo del SCR con voltaje directo- - - 224
FIEURA 92. Cebado del SCR alimentado con CA- r FEr
medio de resistencia fija- - - 22&
xxr
Pág
FIEURA 83. trebado del EitrR alimentado con EA. r Ftrr
medio de resistencia variable... ¡.. ¡. . 2?'B
FIEURA 94. Eiistema de cebado Pera obtener ángulo
de abertura entre O y lBO grados-..... ??q
FIEURA Els. Eurva caracterlstice de los
dispositivos de disParo StrR'5 Y
diagrama en bloquErs Fera lograr de
abertura de O a lElO gradoE- - 233
FIEURA AÉ. Oscilador de relajación con UJT ?55
FIEURA El7. Formas de onda del oscilador de
relajación.. ¡r-¡-- "37
FIEURA EB. Diferente5 zonas de trabajo en la
trurva Ve contra Ie en un UJT 238
FIEURA B?. Regulación de motores Dtr. con UJTr ED
media onda y onda completa ?+L
FIEURA 90. trircuito de control básitro trEn UJTr
utitizando sel¡al retroalimentada - 245
nr
Pág
FIEURA ?1. Adición del Zener estebilizador para
los transi=tores en el circuito de la
{igura. - 244
FIEURA 92. Resultado Eln puerta al comparar las
seFtales de referencia Y
retroalimentaciÉn... ¡. ¡.... r ¡ 24b
FIEURA 93. PUT slmbolo rePresGrntaciÉn interna y
circuito de cebado con el ¡nismo- . 24É
FIEURA 94, Slmbolo y trurva caracterlstica del
diat 25CI
FIGURA 95. Disparo con Dial.. ?5?
FIEURA 9é. Eiimbolos y trurvas caracterfsticas del
SUS. ?s4
FIEURA 97. Disparo con SUEi. 255
FIEURA 98. Eontrol Pare motor universal... 25É
FIEURA ?9. Eontrol para motor DC. con excitación
independiente- ?58
xxr
Pág
FIEURA 1OO. Diagrama en bloquEls de un
estabilizador de Atr. ?bs
FIEURA lO1. Diagrama general del regulador....... ?71
FIEURA 1O2. Temporizador¡.... r,.. r ..... 774
FIGURA fOS. Shmit Trigger.... r. r ¡ . 277
FIEURA 1O4. Decodif icaciÉn conf iguraciÉn driver
para el rango de los relÉs TAPS 285
FIEURA fOS. Eircuito impreso de fa tar¡eta de
control del estabilizador ?AE
FIGURA 106. Diagrama de conexiones de un integrado
4011 uB,. ?89
FIGURA lO7. Diagrarna esquemático. . ?9O
FIEURA tOE. Diagrama lÉgico. . ?91
FIGURA 1O9. Diagrama en bloquErs de los comandos
para motores DE
)OTII
2q9
Pág
FIGURA 110- Diagrama circuital de la tarjeta de
nando, para ct¡ntrolar un ¡notor DC. . .. 3OO
FIEURA flt. Equivalencia entre circuitos Eln
configuraciÉn de emisor comün 309
FIEURA ll2. Fuente regulada de O - 24 VDC. trcln
integrado 515
FIEURA 113, Eorrientes en eI integrado regulador. 31El
FIEURA 114. Diagrama interno del integrado LF|517K S19
FIEURA 115, Diagrama en bloques de Ia fuente
regulada variable de O - 4BVDC 3?l
FIEURA lt6. Esquema circuital completo de la
{uente regulada de O - 4EVDtr.... ¡ ¡... 32?
FIGURA Il7. Vista externa de la *uente regulada
de0-1?5VDtr-4Al.lP. 329
FIEURA 118, Vista externa de la fuente regulada
deO-4AVDtr-SAl.lP
xxrlr
s53
LISTA DE TABLAS
TABLA 1. A, B, E, Dr E salida de 5 comparadores-.
Pág
2go
nilf
RESUIIEH
Este proyecto es el estudio de di=eftlo y construcción de
cuatrs {uentes reguladas y variables de vtrltaje de estado
sólido, tron capacidad de suministrar una potencia máxima
de 5OO wattio= cada unar para poder alimentar el mismo
nrlmero de motores ¡nonofásicos de D.tr. t de | | 3 H.P. t
voltaje de 125 VDtr y un trc¡rrsumo de 4.O amperios trE¡rt¡c¡
caracterlstica.
Ademá= se disefiÉ y construyó ur¡a fuente regulada y
variable de D.tr. de estado sÉlido con una potencia máxima
de l+4 wattios, para poder alir¡entar dispositivos
electrónicos.
Eon Éste proyecto Ia Universidad adquiere dispositivos
propios para prácticas en el laboratorio de máquina=.
)ow
INTRODUCCItrN
El prtrpósito de Éste proyecto es suministrar
adecuada alimentaciÉn Dtrt regulada y variable
motores DE, para el laboratorio de máquinas.
forma
cuatro
de control
logrando asf
lo= altibajos en la redr anteponiendo
potencia de 5 KVA.
ert
a
Se implementaron cuatro subsistemas
independientes, L¡no para cada motort
versatibilidad en el nuevct sistema.
5e desplazó asi 1a antigua fuente de alimentaciónt la
cual adotecla de serias insuficiencias, que conllevaban a
dificultades en las prácticas del laboratorio. Sie
proyecto independizar lss subsistemas de control de la=
variaciones en la cargar regulando s;u modo de
funcionamiento y
un estabilizador
de
de
trada subsiste¡na de control para motor DEr puede entregar
una tensión entre O - 1?5 VDtrr tron una corriente nominal
de 4 amps, logrando asl variar la velocidad Dtrt desde un
mfnimo hasta un valor máximo y viceversa.
Las proteccione=; de entrada y salida en Éstos controles,
se efectúan por medio de fusibles adecuados.
El estabilieador puede entregar una tensiÉn de 34O VAC,
tron una corriente nominal de 1É amps, su protecciÉn sEt
efectúa mediante interruptores adecuados, dispuestos en
la entrada y salida del mismo.
La frecuencia de trabajo son óO He.
Se construyó también una fuente
con una entrega de O - 4B VDtr y
con un rizado de O.OIZ para
dispositi vos el ectrÉni cos.
regulada y variable Dtr,
ur¡e coFriente de 3 arnps,
alimentar especialmente
trada sistema {uÉ implementado con dispositivos de estads
sól ido, tales trctrrio diodos, transistrrres, i ntegrados,
tiristores, triac, etc,, según la necesidad pere obtener
asf gren confiabilidad en los circuitos diseFlados-
7
1. SEI'IItrANDUCTORES
1. I EENERALIDADES
Las bandas de energfa asociadas con las capas completas
internas de los átomos originarios, tienen Las cuotas
exactas de electrones que! le permite el principio de
exclusiÉn de Pauli, que dice "Eada nivel puede acomodar
dos electronesr y una banda de energla trorresFondiente a
un estado atómico dado, puede acomodar un máxino de ?n
electrones, É dos electrone=i por ión, donde n es el
nrlmero de nivel ". En Éstas bandas los electrones están
más ct rnrncls locsl i eados. Sin embargo, la banda
trorre=podiente a la traFa atómica ¡nás externa, ocupada por
los electrones de Valencia es la más interesante en lo
gue se refiere a las propiedades de los sÉlidos. Si ésta
banda nE¡ está completamente llena, se llama banda de
conducciÉn, pero si está llena se llama banda de Valencia
PHTLTPS, trutl er. Análisis de circuitssEd. l'lc Eran Hill. p. 14
3
semiconductores.
V Ia banda vacfa que queda justamente enci¡na de Ésta
última recibe el nombre de banda de conducción. Entre las
bandas de conducciÉn y dt Valenciat hay una regiÉn
energÉtica de transiciÉn, a la cual ge le denomina banda
prohlbida.
Sie considera, el traso de una sustancia en la cual la
banda más baja está completamente llena y no sct suPerPctne
con la siguiente que está completamente vacfar como se vÉ
en Ia Figura l.
Eon¡o todos los estados de la banda de Valencia están
ocupados, la energfa del electrón está congeladar ésto
ESr los electrones no pueden cambiar eiu estado dentro de
la bandar sin violar el principio de exclusiÉn de Pauli-
La única posibilidad para excitsr utr eleetrón es
transferirlo a la banda de csnducción vacfar percr Ésto
requiere una energta de algunos electrón-voltios. En
trclr¡secuGrnci a r u[ tr;rrnpE elÉctri co apl icado no puede
acelerar los electrones en la banda de Valencia, y por lo
tanto no producir una rorriente elÉctrica.
Esta sustancia es entonces un aislante. La mayorfa de los
sólidos covalentes los cuales están conrpuestos de átomos
que tienen un númertr Far de electroncls de Valencia, son
aisladores. La Figura 2 muestra un Ersquelm;r simplificado
4
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bttsocooga0!c0atgaEobt.F.'=b.F¡l¡l
o¡
É,
=IIL
de las bandas en el diamante (cl - Las bandas
correspondientes a lo= niveles atÉmicos 2s y ?9 de1
diamante, los cuales pueden acomodar hasta ocho
electrones. 5in embargo el átomo de carbono tiene
solamente cuatro electrones disponibles Fara éstos
niveles. A medida que los átomos están más cerca el uno
del otro, las bandas 2s y 2p comienzan a superponerser- A
rrenor distancia interatómica, =e desdoblan en dós bandas,
aco¡nodando cada una cuatro electrones por átomo. Entsnces
los cuatro electrones están normalmente en Ia banda más
baja {o de Valencia}, mientras que la banda superior está
vacla. A la distancia de equilibrio en el diamantet
alrededor de 1.5 x lO-to m, indieada con E en la Figura 2.
La discontinuidad que sErpare La banda más baja ó de
Valencia de la superior ó vacla Els treFtra de 5 eV.
Esta es una discontinuidad
grande, que explica porqué
aislador.
energfa relativamente
diamante es tan buen
de
el
El mismo esquema de bandas sEt aplica también al silicio y
al germanio (excepto que las bandas corresponden e
diferentes energfasl. TambiÉn se muestra en la Figura 2
la separaciÉn de equilibrio de los átomos en el estado
sól i do-
7
Sin embargor En Éste casct, el espatriamiento entre las
bandas de Valencia É de conducción a la distancia
interatómica de equilibriE EtB mucho menor (1,1 eV Silicio
y O.1 eV en el Eermanio) y Ésto hace más fácil excitar a
los electrones más altos de la banda de Valencia a la
banda de conducción. A medida de que la temperatura
trrecr, más electronEls Eon cepace=i de saltar a la banda
siguiente. Esto dá lugar a dos resultados:
Los pocos electroncrs de la banda superior ú de conducción
actúan tromo si estuvieran en un metal y los estados
vacfos É huecos que quedan en la banda in{erior ú de
Valencia actúan de modo similart pero trErr¡o si fueran
electrones positivos (además su masa efectiva puede str
diferente, ya que están en una banda diferente de
energfa.
De Éste modo hay conducciÉn elÉctrica proveniente de los
electrones excitados ein la banda de valenciei la
conductividad aumenta rápidamente con la temperatura
porque más electrones son excitados a' la banda de
conducciÉn. Por ejenrplo, en el Siliciot el número de
electrones excitados au¡nenta en un factor de 1O cuando Ia
temperatura se eleva de 25O"K hasta 4501(. Por tantor los
semiconductores son aisladores en los cuales la
discontinuidad de energfa entre la banda de Valencia y la
B
de conducción es de aprcl¡{imadamente I eV ó menos, de modo
que esi relativamente fáci1 excitar tÉrmicamente e los
electrones desde Ia banda de Valencia a la de conducción.
La conducción que se ha descrito es denominada
conductividad intrfns'etra. Resumiendo las notas anteriores
se puede decirr QUt en general, todos los materiales
pueden clasificarse en tres categortas principalest
conductoFes, semiconductores y aisladorest según Eiu
aptitud para conducir una corriente eléctrica. Eomo 5u
nombre lo lndicar uR material semiconductor tiene menor
conductividad que un conductor, pero mayor productividad
que un aislador.
Los materiales que se utilizan frecuentemente
dispositivos semiconductores scln el Eermanio
Siilicio.
en
v
los
el
El Germanio tiene rnayor conductividad elÉctrica (menor
resistencia a la conducciÉn de la corrientel que el
Silicio y sE! lo utiliza E¡n numclrctsos diodos Y
transistores de mediana y baja potencia' Una razón de
ello es que él puede emplearsEr a rnayor temperatura. En
general se prefiere el Silicio y el Eermanion porque las
técnicas de pFocesemiento del prioero proporcictnan
dispositivos ¡nás econÉmicos,
Unir¡ridrd rutonrmo d¡ 0ald¡nhS¡cción lfbltof¡o
El
La aptitud de un material para conducir corriente es
directamente proporcional aI nú¡nero de electronet libres
(unides dÉbilmentel del material- Los buenoE' trEnductores
taleg camo la plata, el cobre y el aluminior tienen gran
cantidad de electrones Iibres¡ sus resistividades son de
unas poca=i millonÉsimas de ohm Por centfnetro- Los
aisladores tales como el cauchor el vidrio y la mitret
tienen muy potros electrones unidos dÉbilmentet For Erscl
tienen resistividades que alcanzan varios millones de ohm
por centlmetro. Los materiales semiconductores =ie ubican
entre Égtog dos extremc¡E cE¡t¡to se muestra Er¡ la Figura 3-
El Eermanio puro tiene una resistividad de 6O ohm Por
centfmetro.
El silicio puro FosEe una resistividad considerablemente
mayclr, del orden de ÉüOO0 ohrn por centlmetro.
1.2 IT.IPUREZAS
Los materiales semiconductores usados Eln los dispositivos
de estado sólido contielnen cantidades cuidadosamente
controladas de ciertas impurezas que reducen 5u
resistividad aprclximadamente dos ohm por centtmetro a la
temperatura ambiente.
Los materiales semiconductores prtparados cuidadosarnente
10
aooaa-a-¡.o€.Eao
Lgot€co(tEo¡-so.Ft,€Co(,É=oEgIgta-oaoE
art
ÉD(,tr
l¡lF(J=
rt lÚJ(,= l¡¡3tÉ(,
oo
F(,=o-oo
o2.Éu¡I
l¡lF-l¡,(,l¡¡É,('ootF9!al¡¡É
.t,t-ao
11
tienen uria estructura cristalina- En Éste tipo de
estructura, los electrones perifÉricos o de Valencia de
cada átomo están lntirnamente unidoEi e los electrones de
los áttrmos adyacentes, en las ligaduras de Pares de
electrones
la Figura
electrones
ó ligaduras trclvalentes tal cotltct se observa en
4- Debido a que tal estrutrtura no tiene
unidos débilmente, los materi al es
semiconductoreS sr¡n malos conductores Elrl condiCiones
normalesn siendo necesario aplicar altas temperaturas É
campos el éctri cos intensos r Fara poder EiErpareF las
ligaduras trovalentes y proveer electrones libres Fara la
conducción eléctrica.
trtra trianera de obtener electrones librest es alternar La
estructura cristalina, agregando pequeftas cantidades de
otros elementos, con una estructura atómica diferentet
mediante el agregado de cantidades casi infinitesimales
de esos el ernentos , I I amados i mpurezas t Els posi bl e
modificar y controlar las propiedades elÉctricas básicas
de los meteriales semiconductores-
Euando el átoms de impureza tiene un electrÉn de Valencia
más que el átomo del semiconductorn este electrÉn
adicional no puede for¡nar una ligadura covalente debido a
que nct hay electrón de Valencia adyacente. Este electrón
adyacente es entonces atrafdo dÉbilmente por el átomon
12
ob=eLo-¡,tEC'oC'
Eoa-obo.FIEÉ=gLgeLEt('
'a) obgLt'.F(,=L.FI¡¡l
tf
É,D(9tr
¡¡¡JsoooÉeIJ
13
corfio E¡e vÉ en la Figura 5, y 5É1tr requiert una ligera
excitación para sePaFarsErr Eln tronsecuencia, la presencia
de tales elptrtranes extredtntes hace al material fnejor
conductor; es detrir su r6rsistencia a [a cirtrulación de la
corritnte disminuyEl.
Los elenrentos de impurezas, qut se agregan a los
cristales de germanio y silicio Para ProvGrErr electrones
excedente5, incluyen al {ósforo, arsénitro y el antimtrni¡3.
Euando se introducen Éstos elementtrsr el material
resultante se deno¡nina tipo n debido a que los electrones
libres excedentes tienen carga negativa.
Debe hacerse notarr QuE la trarga ntgativa de los
electrones se equilibra con la carga positiva equivalente
situada en el nrlcleo de los átomos de impureza- Por
consiguiente, 1a cárga elÉctrica neta del material
se¡niconductor no- varf a.
5ie produce un e{ecto diferente cuando en la estructura
cristalina, se incluye un áto¡no de imFureze gue tiene un
el.ectrón de Valencia mentts que el átomo del
semiconductor.
Aquf una de las ligaduras de la estrutrtura cri=talina no
14
I cIoe---E-La.FrE-I'
bo-=f,.-.FoL0L='¡o=b-al¡l
a
tat
<É,DIIL
ÉoFC'tozoI-l¡¡!,Jl¡¡c¡
zl¡¡JsoooeDoIJ
15
puede tromplemgntarte debids a que aI átomo de impureza Ie
falta un electrón de Valencia. Eomo tronsetruencia aparece!
un vacfo É hueco, corllo se clbserva en I'a Figura 6- Un
electrón de Ia ligadura covelente adyacente puede
absorver suficiente energfa com¡¡ para llenar el hueco. AI
igual que el caso de log electranes excedentest la
presencia de huecos favorece la circulación de electrtlneg
en el material semiconductor; en consetruGlncia 1a
conducti vi dad au¡nenta.
5e considera que el hueco en la estructura cristalina
tiene una carga elÉctrica positiva porgue representa Ia
ausencia de un electrÉn. Sin embargo, aqul tambiÉn la
carga neta del cristal perfnanetre invariable. El material
semiconductor que tiene Éstos huecos ó cargas positivas
se denomina tipo p.
Lss materiales tipo p Ee forman rnediante el agregado de
boro, aluminio, galio ó indio. Aunque existe pctca
diferencia eln la composiciÉn qufmica de los materiales
tipo p y tipo n, la diferencia de las caracterlsticas
elÉctricas de los dog tipos son sustanciales y resultan
rr¡uy importantes en el -funcionamiento de 1o= dispositivog
semi conductorts.
Aungue un =emiconductor tipo n conduce csn ¡nás facilidad
16
totoAa-
ILo
iF0E
o€Lgtc,
.FaLIb=-C'
=b¡]d
coF()tozo(,-¡¡¡oJ¡¡o
J
áIn
E)o.'f
d
É,DI-IL
L7
que unc' dEll tipo p, Ésto no significa que hay un yoltaje
dado, el +lujtr de corriente en el primera será mayor quEt
en el segundo. La cantidad de corriente que fluye en cada
uno depende de} número de portadoreg extrá que contengant
es decirn de las ifnFurezas que hayan sido inyectadag.
Los portadores estudiados, es decir los electrones libres
producidos por la inyección de impurezas en el tipo nt y
los huecos producidos de la migma manera en el titro pt 5e
llaman portadores extras de un tipo u otro, generados Por
inyectado.
Hay stros portadores que ee originan debido a la
agitación tÉrmica:
Los electrones de Valencia que al desprenderse dejan un
número igual de huecos. En el tipo n los electrones de
Valencia se convierten en portadores mayoritariosr PE¡rque
sEr agregan a los electrones libres extra que ya estaban
en eI semiconductor, debido al inyectado. For otra parte
los huecos que se mueven en dirección opuesta se
convierten en portadores minoritarios. En resumen cuando
s€r aplica un voltaje a un semiconductor tipo rlr 5e
obtiene una corriente mayoritaria de huecos quE! fluye en
direcciÉn opuesta a la anterior.
1E
Es un semiconductor del tipo p los huecgtg¡ que produce la
agitatriÉn térmica 5e unerl a los huecos extra producidos
por el inyectado y se csnvierten Etr¡ Portadt¡reg
mayoritarios. Los electrones liberados pc¡r la agitación
tÉrmica son Eln éste trasc portadort= minE¡Fitarios. Asf al
aplicar un voltaje en uri semitronductor del tipo Pr sE!
obtiene una corriente mayoritaria de huecos, y otra
minoritaria de electrones libres que f1uye! Eln dirección
contraria a la primera.
trtro modo de describir las dos clases de trE¡rrienter es
decir una está formada por electrones libres extra que sEr
de=plazan en la capa de Valencia, mientras que la otra 5e
{orma For electrones de Valenciat liberados de =;us
uniones covalentes que 5e desplazan hueco a huecs-
1.3 JUNTURAS PN
Euando sr unen los materiales tiPE.n y tiPo pr tromo 5e
muestra en 1a Figura 7r sEl produce un fenómeno
importantfsimo, en el lugar donde se porreln en contactot
llamado Juntura pn.
En las vecindades de la última se produtrEl una iteraciÉn
tromo resultado de los electrones y huecos excedentes elrt
uno y otro material.
Unir¡ridod Áuronomo ¿o Oa¡dclnScrción libllot¡o
tg
c.octgcoaoLo!0rFLoe
I'
c'9att-a
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ÉDglt
lDtÍzoGFol¡¡
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IFJscl¡lE-
lll¡lllllltrlt|\flll1.)))-l)
Jl¡l
GFsÉ,
I
ooooqOOOOO.oooooooooo
9ppp_p
20
Euando se #orma la Juntura Pn, alguncts de los electrones'
Iibres del material tipo n, certrano=i a la junturat 5e
difunden a través de la misf¡re y llenan los huecos libres
del ¡nateri al ti po n, rnás trercar¡Ets a uni ón. Esta
interacciÉn eE puesta en equi I ibrio PEr una PequElfila
regiÉn de carga espatrial. Asf el material tipo P adquiere
en la vecindad una ligera trarga negativa, rnientras que el
material tipo n adquiere una traFga Ptrsitiva en la
cercanfa a la uniÉn'
Debido. al protre=o descrito anteriormenter tE decir debido
:r Ésta circulación de portadores de trergar que sGl
denomina corriente de di{usión, se Frersenta en la juntura
una barrera de potencial, gue 5El puede presentar somo lo
fndica la Figura Ir mediante una baterfa imaginarfa
conectada a travÉs de la juntura Pnr Y Que impiden que sEl
sigan difundiendo los portadares de carga a travÉs de la
unión. En efecto los electrones tipo n que tienden a
pa=er, son repelidos Ftlr la ligera trarga negativat
ubicada sln la vecindad de la juntura, mientras que lss
huecos Eon repelidos por Ia ligera carga positiva ubicada
al otro lado. A la EEn:r de carga especial se le llama
Barrera de Potencial-
Euando se tronecta una baterla externer la cantidad de
corriente que circulará a travÉg de Ia junturat está
2l
Io0etoILgato€
.5ooL0oE
^aot¡.FoIoco.FoeoEa.Fcoggb('
d
É39tr
¿J
É"i9¡¡ 6
=Eg<J lu
Efsts)É-'r Éff é
-.i--T¡
-J-----
22
determinada por la polaridad de la tensión aplicada y pgr
su efetrto en la región de cBrga especial. En la Figura 9r
el borne positivo de la baterfa, egtá conectado al
material tipo n y el borne negativo al material tipo p.
En Ésta disposiciÉn los eletrtFones libres de1 material
tipo n son atraldos hacfa el borne positivo de Ia
baterla, alejándolos de la juntura. Al mis¡¡o tiempo lo
huec¡1s del material tipo p.5¡¡n atrafdo= hacia el bsrne
negativo de !a baterta separándolos de la juntura. Eomo
resultado de Ésto la región de trarga espacial en Ia
juntura se hace mayor y crsrtre Ia barrera de potencial. En
éstas condiciE¡n6ls 5,E! dice que la juntura pn está
polarizada inversamente.
Se ha analizado lo que ocurre con los portadores
mayoritarios en una y otra sección del msterial
se¡niconduCtor. Eie verá que crcurre! corl lss portadores
minoritarios, pués 5e puede originar una corriente
inversa aprovechands Éstos portadores. Ahora bienr la
secciÉn p {ué inyectada Para que tenga un extrtscl de
huecos pertr, comtlnmente hay alguncls electrones que 5e
liberan debido a la agitaciÉn tÉr¡nica. Además aunque la
secciÉn n {uÉ inyectada Para tener un exceso de
electrones libres, algunos electrones de Valencia 5e
liberaron y produjerctn huecos en ella. Al aplicarse la
polarizaciÉn inversa los potenciales de la beterfa
?3
aI€0J!bgoe
t cIo
I¡ItbECt.qagcaaocoL.F(,!oI'
o-C!bbo(tgoECroE.Eto:C'
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g,lr¡zocbl5Iillol6fEJt(,g(t
ou¡zoÉForlr-t
Tl¡¡ |olalC)
Jtoe,()
--t+l-J-Ttl
24
repp1len los portadores minoritarios hacla la junturar Eln
donde se combinan los electrones con los huecos. Entonces
otros elttrtrones pueden entrar a la setrtriÉn tipo P Y
salir por la sección tipo n. Sin embargo cctmo los
portadores minoritarioE 5on muy pocos 1a corriente
resul.tante es PequeFtisima.
En la Figura 9, el borne Positivo
está conectada al material tiPo P
material tipo n.
1a baterla externa
el borne negativo aI
de
Y
En Ésta disposiciÉn log electrones del material tipo P
cErcano=; al borne posÍtivo rolnpen sus ligaduras
covelente5, y entran en la baterla, creando nuevos huecos.
Al mismo tiempo los electrones del borne negativo de la
baterfa, entran en el material tipo n y 5e di{unden hacfa
la juntura. Asf la región de trarga espacial se estrecha y
la barrera de potenciat disminuye hasta un valor
insignificante.
Los electrones excedentes pueden entrar en la regiÉn de
trarga espacial, trirculer a trevés de 1a junturar y
dirigirse pcrr medio de los huecos del material tipo p
hacfa el borne positiva de la baterfa. Se tiene asf que
la juntura está polarizada directamente.
z3
En cuanto a los portadores ¡ninoritarios c' sea los
electrones en el segmento tipo p y los huecos en eI
segmento tipo n, ssn atraldos por los bornes de la
baterla y alejadss de la juntura, razÉn por la que en
Éste rnomento no contribuyen Para formar corriente.
1.4 DTODOS
Estos son ele¡nentos que trE¡n5tan de una uniÉn pn pueden
ser germanio É silicio. Tienen dos terminales denominados
cátodtrs (regiÉn de material tipo n) r y ánodo (regiÉn de
material tipa p).
5u principal caracterlstitra es permitir el Faso de la
corriente en un sÉls sentido, eE decir si están
directamente polarizados hay flujo de corriente Es
directamente proporcional al nivel de excitación¡ pero si
5¡e polariean inversamente no hay flujo de corriente
inversa de ánodo a cátodor c¡ue es tan pequeFla que 3e
puede despreciar.
El sfmbolo del diado, asl como su estructura interna y
curva de transferencia (V Vs I) r =e puede observar en
Figura 10.
{uncionErg
5|J
Ia
Algunas de
?6
recti'f icadorest
NOTBREESTRUCTURA
IT'ITERNA9mBOLO
CURI'A DE
TRANSFERElICIA
D¡ODOr-$rr
ID
E" PNP
Ei ilPN
EaPlxlrt{a -,ul¡r-f tc
""@-*..
E¡tÉss
CA¡IIAL II
AANAL P
"@:,.-*¡#**4_,
TRANSISTORLnh¡ultTuRA
u.J.T.
PUT
gcR
TRIAC Y
DlODro ZElilER
FlcuRA lo. Dcrcripcirín d¡ ¡rcmcnfor ¡¡miconduclorc¡
demoduladores, sujetadores, conformadores de onda. A los
dispositivos que sirven para realizar Éstas tareas se les
denomina diodos de uso cotnún.
Los diodos de referencia de tensión ó diodos Zener s¡r¡n
recti{icadores de silício en los cuales La corriente
inversa permanece pequeFta hasta gue se llega a la tensián
de rupturar aumentando rápidamente, mientras que la
tensiÉn aumenta ezcasamente- Euends a Éstos dispositivos
se les polariza directamente, trabajan de franera similar
a los diodos de uso común. $on rltiles, los diodE¡s ZErner
corno dispositivos estabi I izadores, y cctflio {uentes de
re{erencia capaces de suministrar trarg;rs de corriente muy
constantes.
Sus dos ter¡ninales se denominan cátodo Y ánodo-
rÉrpFEr=;entaciÉn f f sicar slmbolot y su trurva
transferencia se pueden observar en la Figura 10.
1.5 JUNTURAS NPN Y PNP
La Figura 11 muestra que una juntura pn polarizada en
sentido inverso es equivalente a un elemento de alta
resistencia (baja corriente para una determinada tensiÉn
aplicada! r y la otra juntura está polarizada en sentido
directo (alta corriente).
5u
de
2A
G-o.
=G-oEbt.Fc=.-¡coc'o'6I.!bgoo.
j
É,D(9IL
Univ¡nidod ¡utonúmo ds 0ccid¡nl¡Serción Bibtiotcco
2ct
En razÉn de quE Ia potencia desarrollada Por una
determinada corriente els mayor en un elemento de alta
resistencia que uno de baja resistencia (F = I Rl r tS
posible obtener ganancia de potencia-
En una estructura que contiene dos junturas pn
polarizadas eln gentidos opuestosr 5t puede lograr 1a
ganancia de potencia antes dicha.
Denominando
directamentet
polarizada
{uncionamiento
circuita de entrada a la uniÉn pn polarizada
y circuits de salida a 1a unión Pn
inversamente se puede explicar eI
de los dispositivos de uniÉn ntrn y FnF.
De acuerdo con lo estudiado atrerca de las uniones pnt la
corriente directa que atravie=a la juntuFa 5e forma Por
los portadores mayoritarios, debido a le interección de
electrones y huecosr psF tanto el segmento tipo n el
borne negativo de la baterla repele las electrones libres
que se desplazan hacla la junturar Y la cruzan llenando
los huecos En el material tipo tr. Sin embarga a
di'ferencia de los diodosr Eñ éste caso la región central
(tipo pl es más delgada y esta mucho menoti inyectada que
la región tipo r¡, razÉn por la cual contiene mEnos
portadores meyori tari os.
30
Eomo resultado los portadsres mayoritarios que van desde
!a región n (electrones) r sgn mayg¡re5 en cantidad que los
FortadEreE¡ maytrritariEs Fresentes Eln la región tipo P
(huesos). Debido a ello, fi¡utrhos de Éstos electrones no
pueden llenar huecos y se atrumulan en 1á región tipo P.
Lo anterior, se ilustra en la Figura 1?.
Si se csnecta sÉla la juntura Pn de galida y que está
polarizada inversamenter 5E tiene el caso del Figura l?.
La corriente inversa está formada por los portadores
minoritarios (huecos en la región tiPo n y electrctnes en
la región tipo pl y está constitufda por el nrlmero de
electrones que pasan de la reglon tipo P a la región tipo
n. Esta última E]s construlda de tal nenerat que tiene los
portadores minoritarios suficientes para dar ur¡a
corriente inversa útil. Sin embargo en Éste trasEl la
csrriente inversa circulante eE ,nuy Pctca-
Euando están, conetrtados los tres segmentos nFnr 1a
operaciÉn del dispositivo cambia considerabler¡ente. En el
trasc¡ anterigr la corriente en eI circuito de entrada se
mantuvo a un nivel bajo porque la región tipo pr no tenla
suficientes portadores mayoritariost gue interactuararl
tron los electrsnes lihreg de la regiÉn tipo n. Adenrást la
corriente inversa tuvo un valor bajor Pclrque en forma
análoga el segmento tipo P tenla pocEls portadores
3t
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G
32
minoritarios, que se csmbinar:rn trE¡l los huecos de Ia
regfon tipo n. Ahora bien, al tener conectado tsdo el
dispositivo trclmo Ée observa En la Figura 15t lss
electrones libres que llegan en extrElsio a la región tipo p
y nE entruentran huecos Fara llenar, fácil,mente pueden
paser a la otra regiÉn tipo n, para llenar huecos allf t
por otra parter rr Ia regiÉn tipo n a la entrada hay
muchos portadorErs mayoritarios (electronesl que pueden
Fasar For la juntura, difundirse en la región tipo p V
entrar en la región tipo n a la salida! allmentando de
Ésta manera el flujo de corriente directa en a la regiÉn
tipo tr de entrada. Además la región tipo p a la salida
aurnenta !a corriente, Porque tiene más huecos de los gue
pueden llenar los electrones libres, que llegan desde la
región tipo p.
Puesto que la polarización aplicada al circuito de salida
es inversan Ésta rlltima influye IigÉramente en Ia
cantidad de corriente gue {luye a travÉs de la juntura de
sal i da.
Esta, más bien, depende del nú¡nero de electrones libres
que suminigtra el excesp la regiÉn tipo n en el circuito
de entradar a la regfon tiPtr P. Por otrs parte eI
circuito de entrada está Polarizado directamenter de
fnanera que la corriente en Égta juntura au¡nenta É
33
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E
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I tttt I I| ¡ I llt I
tlr I llllr | | I
34
disminuyer según ls hace la polarizaciÉn aplicada.
Estas variacionels tambiÉn determinan 1a cantidad
corriente que rnana de la'secciÉn tipo n en el circuito
sa1 i da.
Una disposiciÉn pnp rlpera de for¡na semejente aI tipo ñpñr
excepto que tiene los portadores mayoritarios y
minoritarios opuestos. La polarizaciÉn directa Eln el
circuito de entrada, aleje los electrones de Valencia de
la uniÉn en un segmento tipo pn y hace que los huecos
(portadores mayoritarias del segmento tipo n electrones),
atraviErsrn la juntura para llenar huecos en el segmento
tipo p. Sin embargo la secciÉn tipo n es delgada y potrs
inyectada de impurezas, de manera que ordinariamente no
tiene su{icientes portadorels mayoritarios, Fara llenar
todos lss huecsg de la sección de la secciÉn tipo p¡
razón por la que la corriente en el circuits de entrada
de
de
es baja. Asf En la secciÉn tipo
extreso y Éstos se atrufnulan cerca
hay muchos huecos en
la uniÉn.
Pr
de
Eomo el circuito de salida está polarizado inversamente,
en Ia sección tipo p, el borne negativo de la baterla
empuja hacla la uniÉn los electrones libres (portadores
minoritarios) - E=tos cruzan la uniÉn para llenar los
huecos de la sección tipo n (portadores n¡inoritsriosl.
35
Sin embargo en ésta última secciÉn hay pocos huecos de
manera que Ia mayor parte de los electrones libres
procedentes del segmento tipo p tienden a atrurnularse en
ella.
Por otra parte Éstos electrones libres ahora sEl
convierten er¡ portadorEls Í¡ayoritarios, en la sección tipo
n y serán etrafdos a través de la unión en el circuito de
entrada para llenar los hueccls acumulados en el primer
segmento tipo p. Debido a Ésto habrá un gran flujo de
ccrrriente tanto en el segmento tr de entrada tromcl en la
sección p de salida.
La cantidad de corriente está determinada por el número
de huecos en el segmento p de entrada, en el tcual se
introducen los electrones que llegan desde el segmento pt
ubicado a la salida, y que se difunden a través de la
base. El nú¡nero de huecos a :;u vElz está determinado por
la polarización directa aplicads al circuito de entrada,
V se pueden obtener mayor ó rttenor corriente en el
circuito de salida, au¡nentando É disminuyendo el velor de
polarización, en el circuito de entrada respectivamente.
En la Figura 14 se observa el gráfico que explica lo
antes dicho.
3h
G-Go¡.E('tbBo.EGaaobo!C'-LoeoEC!toctgt.go
túc¡
JÉ<fE6
a
!f
É,3(ttr
++r-t t+++
I | | I I tl
37
1 - & TRAHSISTORES BIPCILARES
Estos dispositivos están formados por tres trapa=i
semiconductoras alternadasr lrFn ó PnPr y sion construldos
de silicio ó de germanio. Tienen tres terminales guel se
denominan e¡nisor base y colector. Recardando lo estudiado
en el numeral anterior, entsnces el circr¡ito de entrada
lo componen el emisor y la base, y el circuito de =alidala base y el colestor.
Las aplicaciones de los transistores san diversatr pueden
trabajar tron osciladores, amplificadoresr impulEiores
driverg, conmutadores, mezcladore=, etc.
En el traso tlpico de amplifiradorest
conf iguraciones bien def inidas:
For cada terminal, circula
éstas =;Er puede observar
presentan lss dos tipos
una trE¡rrienten y el
en la Figura 15,
de transistsr npn
3E
sEl troftocErn tres
sentido de
donde sie
y pnp en
Emisor comúnn colector común (seguidor de emisor) r base
común. Se usa cada una de ellas dependiendb de las
necesidades (gananciat adaptación de impedanciat
amplificación de voltajet amplificación
etc. l.
de potencia,
c=G
-o.-a)bI!acEL-to-coaoa-cobbooo€oP-eoeD
Ia{Gota.S
aIÉ=IE
Unircridod ¡utonomo dc 0cridcnlr
5orción liblioteco
39
tron+igurarión de emisor común.
Los transistores bipolares tienen dos zonas definidas:
Eorte y saturaciÉn (elegidas Para lo= circuitos de
conmutaciónl. En Éstas zonas el transistsr no conduce É
conduce completamente. Hay otra zona que es la de
trabajo, V en la cual se logra proyectar al transistor
trorno amplificador. Esta zona está comprendida entre las
de corte y saturación.
La forma flsica interna, su sfmbolo y las curvas de
transferencia cuando se utílizan los transistores tr¡
configuración de emisor común.
Se define para cada transistor la ganancia en base contln
oc cc¡mcl:
"C- Ic t Ie
De la misrna forma la ganancia en emisor común B es:
B-Ic I Ib
Y la ganancia en configuraciÉn del calector co¡nún serár
40
)3+1-Is / ro
L.7 TRANSISTORES UNIJUNTURA
El UJT es un transistor de una uniÉn pn y consta de tres
terminales; base lr base 2 y emisior. Eajo determinadas
condiciones presenta dos estados perfectamente definidost
bloqueo y conducción.
El valor trhmico entre las basest
R"e -Re, *R",
cuyo valor oscila entre 4 y 12 K-ohm depende del tipo
UJT que se utilice.
Et diodo que aparece en la Figura 1ó es equivalente a la
uniÉn de las bases (capa N) y el emisor tipo Pr siendo
V eI voltaje de umbral de dicho diador euEt puede estar
comprendido entre Or4 y Or7 voltios. Sobre el punto Ar
áparErcrl un voitaje dado por la expresión:
VA = (Re, tR", +Rsz ! Vo, tlv""
Y
de
Al aplicar un
cortado, hasta
voltaje en el emisc¡rr el
gue el voltaje aplicado
diodo apárPtrE
see igual al
41
F?D
-ogo.Fc!ItItoo-tc,b(,
o
9
GtI|l
42
voltaje de umbral más el vsltaje en A, asl:
Vp=Vo*Vl
Si el diodo entra en conducciónn fluye una corriente I t
la que hace que disminuya el valor de R., al aumentar
Ésta.
5e dá la curva de transferencia de V, , I, y en la cual
'podemos vrr las diferentes zonas de funcionamiento del
UJT:
RegiÉn de bloqueo, donde IE Es menor quel Ip y el diodo
está polarizado inversamente.
RegiÉn de resigtencia negativa que está comprendida entre
Ip e Iv , aqul haY conducción.
RegiÉn de saturaciÉnr Efi la cual Ia corriente es tan alta
que la resistencia presenta una pendiente positivat la
corriente está por encima de Iv
Et UJT es usado tromE¡ generador de pulses Para di=parar
StrR'5 y TRIACS.
45
1.8 REtrTTFrtrADOR TÍ]NTROLADB DE STLItrIO, StrR
EI SCR es un dispositivo unidireccionel pEr la unión de
dos capas tipo p y dos traPas nr alternadas-
Tiene tres terminales que srln:
Anodo, cátodo y compuerta (gatel.
Para comprender el funcionamiento del StrRt 5e puede
considerar constituldo por dos transistores npn V PnFr
interconectados entre sf , trtr¡no se ¡nuestra en la Figura 17
si entre ánodo y cátado =e polari¡a en sentido inverso
(positivo de la fuente al cátodo) r 5t observa que los
transistores Tt y Tz se hayan en estado de corter Y PE¡r
ésta razón no hay circulación de corriente entre ánodo y
cátodo.
Euando el StrR presenta estado de corte se dice que está
en bloqueo inverso. Al polarizar en sentido directo
(positivo de la fuente al ánodol r 5t puede hacer qus
Tt y Tz conduzcan si 5e polariza adecuada¡nente la
compuerta. Este estado se denomina de bloqueo directo.
Polarizado adecuadFmente la compuerta, estando el StrR en
el estado de blEquecl.directo, Tz entra en conducciÉn
originando la corriente de base T, haciendo que entre
44
ÉC'3n
E-ELE.'tLtogc.9Itt
É=IlL
ill
I]i
-
"ffi0
ill"ff(,
4-¿
en condutrtrión y a su v€lz originando la csrriente Icl r que
Ets; la rnisma trorriente de base T" i 5e establElEer Ict
entonces, una .malla trerrada Para Froducir realimentación
p65itiva, hasta que los transistores lleguen al estado de
saturación. En éste momento el SitrR entra en el estado de
condutrtrión y {luirá corriente desde el ánodo al cátsdo'
Eornúnmente, se diEt qut truanda el SCR pasa del estado de
blaqueo directo al estado de conducción se dispara.
Et disparo del StrR se puede lograr mediante sellales Dtr y
Atrn pulsos, etc. atrlicados a la compuerta.
Disminuir la
la corriente
corriente del ánodo
de sustentaciÉn.
Una vez disparado el StrR su estado
relr modi{icado por ninguna acciÉn
para desactivarlo es necesario
siguientes pracescs:
de conducciÉn no puede
sobre la compuerta, y
realizar uncl de los
por debajo del valsr de
Interrumpir la alimentación aI ánodo.
Folarizar inversanrente el StrR.
tales trctmoi
4É
El StrR tiene muchos ue;ctst control de fase y
potentria, interruptar electrÉnico, etc. Se puede usar
también trE¡fnct recti{icador ye que direcciona la corriente
en un sÉlo sentido y tromo amplificador de corrientet pués
la carriente de compuerta eE muy pequefta comparada con la
corriente que pasa del cátodo al ánodo-
1.9 TRIAtrS
Este elemento es tr¡uy parecido al StrRr tron la di{erencia
notable de qut puede conducir Etn los dos sentidos.
Internamente consta de uniones Fn alternadast Íl sear uh
pnpn y otro npnp. Tiene tres terminales:
Anodo I, Anado ? y trompuerta'
Las caracterlsticas del TRIAC son muy parecidadas a las
que presentan dss StrR colocados en antiparalelo trrtrncl ssr
vÉ en la Figura lEl.
Sin seFlal de compuerta no hay canducción entre A, Y Az t
y el TRIAtr puede considerarge circuito abiertor a Pesar
de polarizar los terminales A, y Az . Teniendo el TRIAC
polarizado adecuadamente. Positivo de 1a baterfa al
terminal Al y negativo de Ia misma al terminal A¿ r É aI
contrario y aplicando una polarización y asf t su
conducción.
47
(,fÉF-a€Ebta-(,2b-tO
€r9oc
aIGtC,¡L
48
Lo mismo que el SER una vez el TRIAtr se ha disparadot Ia
compuerta pierde control sobre é1, necesitándose cumplir
cualquiera de las candicione= necesarias para desactivar
el StrR, anteriormente descritas.
El TRIAtr puede dispararse aplicands en trc¡mPuerta seftales
AE, Dtr ó pulsos, y en cuatro cuedrantes diferentes a
saber:
Pri¡ner cuadrante:
Eon A" positiva y seFtal de compuerta positiva.
Segundo cuadrante:
Eon A, positiva y seftal de compuerta negativa.
Tercer cuadrante¡
Eon A" negativa y sef¡al de conpuerta negativa.
Euarto cuadrante:
tron A, negativa y sefial de compuerta positiva-
En mucho más sensible al disparo en el primer y tercer-.v,t.*....|¡l
Unircrid¡d rufonomo dc 0dünhSrción llblloho
.49
cuádrante.
Tal como eI
control de
StrR, el TRIAtr tiene
potencia y fase.
1- 10 ' PUT
El transistor de una sóla uniÉn Frograrnablet
pequeFlo tiristor compuerta de ánodo.
muchas aplicaciE¡r¡es trorns
e5 un
La razÉn de llamarlo UJT Frctgremable es el hecho de que
presenta las misraas caracterfstitraE que UJTr pero algunos
de sus parámetros pueden Prograrrarst mediante las
resistencias exteriares Rr y Rz
Frogramables sctn:
Estos parámetras
Io t Iv Y Ree
Si Ia compuerta se mantitnE! a un potencial constanten eI
digtroaitivo permanetrerá en estado de bloqueor ha=ta que
el voltaje de ánodo sea ligéramente superior al
de conpuerta en donde conduce.
voltaje
Una caracterlstica importante del PUTr gue 1o hace
particularmente útil para disparar tiristores de alta
corriente en su elevado pico de corriente de salida.
50
Debido a su naturaleza pnpn, la conductividad de sentido
directo Ers friuy elevada y el tiempo de subida rápido. La
resistencia dinámicá Érrl la regiÉn de saturación resulta
del orden de 3 ohmios.
I.11 IHTEERADOS
El avantre de Ia tecnologla del estado =Élido ha sido
trausa de que la electrÉnica sei aplique con más {recuencia
cada vez a diversos asPetrtos de nuestra vida diaria-
Eon Ia apariciÉn de los circuitos integradost los usos y
aplicaciEneE de la electrónica están creciendo a ritmo
considerable, incluss Eln áreas gue 5E consideraban
anteriormente pertenecientes a la ingenierla mecánica ó
industrial, más que a Ia electrÉnica.
Et circuito integrador uñ circuito funcional completot
fabricado en una minúscula placa de silicior permite
ahora al usuarior ya sea ingeniero electrónico É
industrial, Freotruparse tnencts de los detalles internos
del circuito que de un funcionamiento general t de{inido
por varios parámetros de entrad¡ y salida.
5e e=tá convirtiendo Eln una necesidad fundamental para
tado ingeniero el tener un cclncttrimiento general básico de
51
AI
5e
la tecnologla del estado
integrados en sus Productos.
sÉlido y de los circuitos
Tal vez el rnaytrr efecto recaerá sobre el
usuario de los circuitos integrados.
En Ia actualidad, tiene a =iu alcancer a uri
reducido por circuitor una serie de circuitos
pequeftos V de mejor calidadr Eon un
semejante, sino ¡nejorr tB muchas ocasiones.
precio más
que son más
rendimiento
anal.izar el gran impacto de los circuitos integradost
deben de tener en cuenta los siguientes asPElctos:
cliente ó
El fabricante de equipo electrónico, tradirionalmenter 58
presentaba los distintos cotttPonentes, y entoncest llevaba
a cabo el disefio del circuito y una fabricación del
prototipo antes de la construcción del equipo.
En eI circuito integrado monollticot todos los
EomFcrnentes, tanto activos trorntr pasivcrsr se for¡nan al
mis¡no tiempo dentro de una pequefta placa de silicit:t
normalmente entre 1ré y Ér45 mmz. De ésta {orma el
encapsulado puede ser de Sr?5 mm de ancho por 65 mm de
largo, lográndose Ia primera gran ventaja del circuito
integrado, o sea la reducciÉn de espacio.
52
Otro aspecto del tamaf{o reducido concierne a la operación
del circuito. El pequeffo volumen de los elementos
diversos y sus interconexiones dentro de la unidad reduce
la posibilidad de sef¡ales elÉctrícas expuestas, debidas a
1o= camFos magnÉtitrE¡s variables. Debido a que, los
circuitos integrado= pueden trabajar a niveles de seftal
más reducidos, permiten el uEitr de tensiotlEls de
alimentaciÉn frenore=, ccln la consiguiente reducción en los
requerimientss de potencia.
Los términos microelectrÉnico y circuito integrado =;cl
emplean en el mismo sentido, lo cual no es estrictamente
csrrecto. Flicroelectrónica es' la denominaciÉn general
dada a lss componentes electrÉnicos y montajes de
circuitos extremadamente pequeFlos, construldos con las
tÉcnicas de pelfcula delgada, pelfcula gruesa ó
semicsnductor. Un sircuito integrado Els un cesct
particular de la microelectrÉnican y se asigna Ésta
denominaciÉn a un circuito que ha sido fabricado cotl¡Et un
conjunto inseparable de trorfiFonentes elertrónitrosr en una
única estructura, la cual no puede ser dividida sin que
se destruyan Errs; Fropiedades electrÉnicas.
De éste modo, los circuitos integrados se hayan bajc¡ la
categorfa general de la microelectrÉnica, pero no todas
las unidades microelectrÉnicas tienen que ser
53
neltresariamente circuitos integradtrs-
Hay dos divisiones básicas en la microelectrÉnicat los
circuitos integrados monolfticos y los cicuitos
pel iÉulaFe=i.
En los prifrero=; todss los ele¡nento=r tanto activos ctrnro
pasivos, EGI forman simultáneamente srrbre una única Y
diminuta placa de silicio. Dichos elemento:i sEl conectan
entre sf, para construfr el requerido circuito
electrÉnico, por medio de tiras metálicas depositadas
sobre la super*icie oxidada de la placa de silicio
empleando tÉcnicas de evapclreción.
Los circuitos peliculares son circuitos eleetrónicos
microminiatura construfdos por la formación directa de
los componentes electrónicos pasivos y las
interconexiones metálicas sobre la superficie de un
=ubstrato aislanter tron'la subsiguiente adiciÉn de los
trornponentes semiconductores activosr generalmente bajo 1a
{orma de platras diferentes, Hay dos tipos de circuitos
peliculares; de pelfcula delgada y pelfcula gruesa. En
lo= primeFos, los tromponentes pasivos y el tronexionado se
forma sobre substratos cerámicos ó de vidrion empleando
técnica= de evaporación. Los componentes activos se
*abrican en placas semiconductoras EeFaradasn y 5e rnontan
54
en el circuito. Los de pellcula gruesa se Preparan de
forma anál¡¡gar excepto que los tr¡¡fitptrnentes pasivos ee
forman sobre substratos cerámicos Por tÉcnicas
serigráficas.
Its circuitos integrados hfbridos Eon formados FDr
combinaciones de las tÉcnicas monolftica y Pelicular.
Los circuitos integrados s'e dividen en dos grandes ramast
segrln su aplicación a saber:
Los digitales.
Los lineales.
Los circuito= integrados han encontrado 5u maytrr
utilizaciÉn hasta el momento en aplicaciones digitalest
especialmente en los computadEtres digitales los que
precisan gran número de circuitos lógicos idénticrrs-
Los {abricantes han adoptado diferentes métodos er¡ el
disefto de circuítos, habiendo aparecido en el mercads una
serie de familias de circuitos lógicos, espetrializándo=e
cada compaftfa en su disefio pre{erido.
Los diferentes tipos de familiares son=
55
Lógica de acoplo directo de transister DtrTL-
Lógica de resigtencia transistor RTL-
LÉgica de diodo transistor. Transistor TTL-
Lógica de acoplo por emisor EtrL-
LÉgitra trcln Fet Eanal P. PFIOS.
LÉgica con Fet Canal N. Nl'|trS.
Lógica con Fet's complementarios trl'185.
trada familia tiene sus cualidades V sus desventajas
frente a las otrasr y Éstas se miden en base a criterios
ccrmEt:
Eosto relativo por trorttpuerta.
Tiempo de propagación por compuerta.
Disipación de potencia por compuerta-
l'lárgen de ruido tlpico.
5É
Abanico de entrada tfPico.
l'táximo abanico de salida.
Las circuitog integrados digitales trabajan normalmente
con seHales que presentan bajo É al'to nivel (O y I
1ógico), sin embargo algurios tronvierten seftales análogas
en digitates ú viceversa. Las aplicaciones de Éstos 5ctn
muy variadas y asl podemos encontrar:
FlultiplExorersr trontadoresr Fegistros, flip-flopst
nemorias, compuertas andr EFr nor, nandn codificadorest
mi cropro.==-io.==,
Un circuito lineal es aquÉl en gue 5e trctnserva en todo
momento una relación proporcional entre las seffales de
entrada y salida.
{otoacopladoresr negadorErst
conversic¡res A-Dt D-Ar etc.
La {unción usualmente llevada a cabo por
linealeE es la amplificaciÉn.
lss circuits
Ltrs circuitos integrados linealeE se han popularizado en
la última dÉcada y ahora Ers rnuy comtln encontrarlos en
diversos aparatos de uso industrial y doméstico.
57
Entre las aplicacitrnes de éstos últimos se puede seflalar
las siguientes:
Bsciladores, mezcladorElst amplificadores de frecuencia
intermediat amplificadores de radiofrecuencian
amplificadoreg de audio, amplificadores de banda ancha y
videon amplificadores operacionales, amplificadores
comFarados diferencialesr trircuitos integrados Para
microondas, amplificadores de potencia, reguladores, etc.
Los traropos
vastos, asl
de
5E!
aplitración de los circuitos integrados son
disefia equipo como el siguiente:
Eomputadorts, calculadoras de mesa, control industrial t
equipo electrónico de aviaciÉn, misiles y vehfculos
espaciales, equipos electrónicos Pera automóvilest
instrumentos de medida electrÉnicosr telefonos Y
comunicaciones, usos recreativos, utensilios domÉsticos,
equipo electrónico mÉdicot etc.
1.12 LA LOEItrA Y COI{PUERTAS LOEItrAS
La lógitra es la ciencia del razonamiento guE! nos permite
hacer deducciones' En la electrÉnica, los circuitos
encargados de hacer deducciones lÉgicas son lbs circuitos
lógicos. La lÉgica electrónica sóltr tronotre dos
5B
posibilidades si y no (cierto y falstl). Egtos sfmbolos
elenentales sGr pueden relacionar tron dos niveles de
voltaje diterentEs o sE!a:
Verdadero = I = voltaje alto
Falss=0=voltajebajn
En la lÉgica se utilizan los conectivos binariost los
cuales relacionan a dos propo=iciones trclfnFtrnentes. PuÉs
el interés de la lógica apaFecer cuando se reúnen varias
proposiciones paF¡r demostrar en base a la veracidad E
falsedad de Éstas primeras, otras proposiciones {ormadas
por el agocio de el las. Los di'terentes tipos de
conectivctEi =¡c¡n!
Eonectivo AND¡
Relaciona prtrposicionts mediante la conjunciÉn Y.
Eonectivo 0R:
Ftelaciona dos proposiciones mediante la disyunción
Uniwnidod ¡'utonrog dc 0ctfd¡nt¡
S¡cci6n l¡blfot¡o
59
tr.
-- ,.-.9--¡{
Eonectivo trR-EX:
Relaciona dos propo=iciones mediante el operador BR-
exclusi vo.
Eonectivo NEEADOR:
Nos aclara quEl para cualquier proposiciÉn positiva hay
una prffposiciÉn negativa trEtFrespondiente, y viceveFse.
Eonectivo EtrUI:
Relaciona dos proposiciones mediante el operador
equivalente (Es la condición opuests al CIR-ex)-
Se denomina unidad 1ógica aquella que re¡liza una
actividad lógica especrfica. veamos algunas de É=tas
unidadeg de interés¡
Eompuerta ANDI
Sion di=positivE¡s tron dtrs ó mÉs entradas y una salida que
toma el valor lÉgico I si todas las entradas 1o tt:man-
En la Figura 19 se observa el esguErr¡a de dispositivos
HAND de dos, tres y cuatro entradas-
áo
tIIoL..F
5tt
lft-ñ¡
€c¡=aoObo=AEo(,
aIG3('-l¡.
Eoo€
9!
61
Eompuertas OR:
Son dispositivos con dos ó más entradas y una salida que
tonra el valor lógico I s,i al menos una de las entradas lo
toma.
Su gfmbolo se ¡nuestra en la Figura 2O-
Eompuerte NEGñDOR:
Es un dispositivo tron une entráda y uná salida que tama
el valor lógico I, si la entrada no la torna. Los slmbolos
de la trornpuEtrta se muestran en la Figura ?1-
Eompuerta EEUI=
' Es un dispositivo csn df]s entradag y una salida que toma
el valor lógico 1, sóto si las dos entradas son iguales-
5u slmbolo aparece en la Figura 22-
Eompuerta OR-EX:
Es un dispositivc¡ tron dos entrada y una salida que toma
el valor lógico I, si las dos entradasr son diferentes-
Siu sfmbolo aparetre en la Figura 23.
b2
ag€ob-cottrNO€Éoag-bo=eEoo
on|
EtIIL
9áo9
63
¡gLoggItoC3
a|'rFba=eEoC'
a
N
É3I]L
N
+
N
+
N
64
xl¡¡
a
Éf,ht{=olrlag-Lo=BEoC'
a
NN<É,
=IlL
O -O
9A
65
Eompuerta NAND:
Es una compuerta AND seguida de un negador.
aparE!trE! en la Figura ?5.
Eompuerta NtlR:
Es una compuerta trR seguida de un NEEADOR.
aFaretre en la Figura 23.
5u sfmbolo
5u sfmbols
Eompuerta TRE STATE¡
Eomo su nonrbre lo indica Éste tipo de compuertas, además
de las dos posibles salidas lÉgicasr euE tienen las
compuertas, tiene una tercer salida de alta impedancia
que ncl trarga. La salida de alta impedancia Ee ¡naneja
desde un pln adecional que tiene éstas compuertas. La
relpre:ientación simbólica se observa en la Figura ?4.
1.12.1 Buffers y Drivers
Este tipo de
tienen mucha
digitales.
compuertas,
apl icaci ón
que set encuentran integrada=
práctica Ern las técnicas
separadores que enLos Buffers =on
66
muchas circunstancias
Éo-
cl.--tE.Fb'o=oEoo
a
rft(\|
ÉDI¡L
g5
E|o
6?
l¡¡F
tI
1úGFaIlrto=cEo()
atNÉD(9E
68
se utilizan Fara trEmpensar retardss de compuerta.
Los Drivers son manejadores puesto que el nivel
corriente que pueden manejar es muchfsimo maycrr que
las compuertas generales.
L.LZ.? Flultiplexore=
Una red combinatoria es aquella en la cual el estado
salida depende únicar¡ente del estado (combinsciónl de
variables de entrada a la red. La Figura 25 nuestra
diagrama en blutqurs de una red combinatoria.
Los multiplexores son redes sombinatorias que constan de
¡n entradas de datos, n, lfneas de selecciÉn y una salida
7.. En bloques se observa un multiplexor en la Figura ?É.
Donde m = Eanales de datos
n = Llneag de selecciÉn
Z = Salida
5e debe cumplir la condición de que 2n = m- A cada canal
corresponde una direcciÉn dada por la combinaciÉn de las
lfneas de selección.
de
en
de
las
el
Unircsidod . uronomo da 0aidcnt¡
Sctción libliot¡o
áq
gLoa-0c-aEo('EoLItto!aOttEcooEItLIga
atoN
ÉDIIL
trao€
0IIo
70
ÉoxoA=-rtEctogao=EIáC'ooEgo.9a
roN
EtIIL
-NO t
7L
Al tener cuatro canales de datos 5e netresitan dos llneas
de selección pera direccionar. Et número de canales de
datos de un multiplexor colotra eri la salida el valor del
dato trorrels¡pondiente al canal seleccionado.
l. 12.S Decodificadores
Los decodificadores sc¡n redes combinatoriaE que generan
los productos canónicos de una combinación binaria
aplicada a sus entradas, dependiendo, de que sus salidas
puedan á no.
l. 12.4 Demultiplexoreg
Los demultiplexorEs Eon redes combinatorias con D datos
de entrada a multiplexarr n lfneas de selección Y Í¡
sal idas.
Sie debe cumplir la condiciÉn de que:
m=2n
En la Figr¡ra ?7 se observa un diagrama en bloques de un
demultiplExor.
7?
Gox.!o.ts¡tE€ct€aotIIatooEg0.9C¡
ñN
É3Ilt
E
ttlt
N
73
2. FUEHTES DE ALII.IENTAGION Ctr
2.I EENERfl.IDADES
La mayorfa de máquinas y aparatos que utilizan
dispositivos electrónicos, trabajan con corriente
contfnua¡ puÉs Ésta sirve para prrtveer la potencia para
su polarización.
Asf para asErgurer el funcionamiento correcto de los
transistores, integrados y nuchos otros dispositivos de
estado sólido, Els necesario aplicarles determinados
voltajes de operación. Por lo general dichos vsltajes se
obtienen de una *uente de alimentación trtr,
Tales fuentes convierten
corriente alterna, er¡ unct
contfnua. La función de
consi=te en¡
Rectificar la potencia de entrada
la potencia de entrada de
ó varios voltajes de corriente
una #uente de alimentaciÉn
CA
74
sinusoidal.
Ali=ar ó +iltrar la corriente fluctuante.
l'luchas fuentes de alirnentaciÉn utilizan un transformador
Fara elevar y/o reducir gl voltaje CA, anteg de que tenga
lugar la recti{icación y rl filtrado. Además, algunos
están provistos de circuitos reguladores pera evitar
fluctuaciones en los voltajes de trtr.
2.? RECTIFItrADOR DE I.IEDIA ONDA
La principal ventaja del diodo es siu facultad de
convertir la corriente alterna en contfnua pulsetoria.
En la Figura ZEl se observa el gráfico de un rectificador
tlpico de media onda- La seftal sinusoidal de trA, tomada
de la red es aisladar elevada 6 atenuada Ftrr el
transformador según la necesidad y aplicada al circuito
serie formado pE¡r la cargar y el diodo-
El diodo sÉlo conduce Eln una direcciÉn (cuando está
polarizado directamente) t y Ésto otrurre cuando la
alternancia positiva ataca al ánodo del mismo. Se produce
entonces una trtrrriente que parte desde el cátodo hacia eI
ánodo, y cierra el circuito a travÉs del secundario del
trans{ormador y le trerga.
73
to
iic
¡'6
t'g5ogaIELorFaaa
gEoggoEOEl-o€¡'-9l¡aFooÉ
aoG|
É=IIL
76
Dicha corriente tiene la misma forma del semiciclot puÉs
el diodo dejará pasiar mayor É menor corriente dependiendo
de Ia amplitud de la alternancia-
Euando llega la alternancia negativa al ánsdo el diodo se
polariza inversamente, razÉn por la cual no hay
circulación de corriente. Luego viene otra vrz 1a
alternancia positiva y se repite el ciclo.
Se logra obtener en la carga una cafda de tensión de
forma de onda, similar a la de la corriente, pués la
carga es pasiva.
En la Figura 2E| se pueden observar las formas de onda de
Éste tipo de rectificador.
se invierte el diodo, las condiciones antes aclaradas
invierten y asf se obtendrá el caso de la Figura 29.
2.5 RECTIFICADOR DE ONT}A trOI.IPLETA
Et rectificador de media onda toma potencia de la fuente
de alimentación Atr, sóIo durante la mitad del ciclo de
entrada, por tanto, es limitada la cantidad de corriente
que a su vErz puede suministrar a la trarga.
Si
5E!
77
0gcoI'
a|'Eso|Fata
og-bocoC'Eo5tIg5o.-EoEo€Lo€t'|'
=.FC,OG
a
ol(\|
E,tIIL
to
llPtlD'. l¡¡
78
Otra desventaja de dicho rectificador¡ ES euelr 'eI flujo
de electrones en el secundario del transformador siempre
sEr efectúa en la misma dirección, debido a ella se
produce una elevada saturación en el núcleo del mismo,
reduciendo la eficiencia de éste.
Las desventajas enu¡neradas se pueden e;upErraF utiLizando
un rectificador de onda completa. En Éste traso Ee
utilizan dos diodos, y un transformador trctn toln-
central, de tal forna que cada uno de ellos csnduzca
durante los semiciclos alternados de EA.
La Figura 30 muestra el circuito básico de un
rectificador de onda completa. Los ánodos de los diodos
están conectados a dos extremos opuestos del secundario
en el trans#ormadorn los cátodos están unidos entre sf V
cErn un extremo de la trarga.
La Figura 5O muestra las formas de onda del circuito
anterior. Se pueden observar gue las alternancias AC
presentes En los extremos del transformador, están
desfasadas tBCI una respecto a la otra.
Razón por la cual cuando la alternancia positiva ataca al
ánodo Dl pera hacerlo conducir, D2 está cortado, puÉs en
su ánodo está presente una alternancia negativa. Asf
Uniycrsidcd .u1un0m0 do 0ccld¡nt¡
S¡rción lib!iotco
7q
g!togaIEbot-a=a
r-o-eEoC,
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a
|r'
É3IIL
Fla
¡+
80
trirtrula corriente, partiendo desde el cátodo de Dlt hacfa
su ánodo y cerrado el circuito vfa el devanado superior
del transfornador y Ia cerga.
En 1a alternancia siguiente se invierten las condicionest
de tal manere que Dl se cortar Y D? conduce partiendo de
Eu cátodo hacia su ánodo y cerrando circuito a través de
devanado inferior en el secundario y la carga.
Luego viene le otra alternancia y se repite el ciclo.
puede observar que el sentido de la corriente a través
la carga, es el mismo en los dos semiciclos.
En la Figura 5O se presenta la forma de onda de la
corriente y del voltajer producido tn la carga. Euando se
invierten los diodosn cambia el sentido de la corriente y
se obtiene el resultadcr quEr se presenta en la Figura 51.
2.4 RECTIFICADOR EN PUENTE T}E TdIEN
La Figura 32 muestra un tipo especial de recti{icador de
onda completa, trr¡yo circuito incluya una red de cuatro
diodos, y necesita sólo un transformador con dos llneas
en su secundario.
Durante los semiperiodos en la entrada trAr que hacen
Se
de
B1
E€to
€aIELortsata
TgrFLoEao€o-!
!cE0-!eE8ogcooT'Lo€oc,Ea¡(,oÉ,
-:Ít
ÉDC,|¡.
Bx
PPD
;
\
¿t-
e-r|ts
+-F
fl 6r
82
-\/\/\/\-
:lrt€co€aoEbo|F-cg=€o-C'o=eLo€Ea-tooG
eoo¡l¡eo
aoIag
q¡
a
n¡tt
É,D(9tr
B3
positiva la parte superior del secundario del
transformador, la red funciona co¡no si el voltaje del
secundario 5E! aplicara dos divisEtres de voltaje
compuesto= por: Dr , R y Dg para el primero; Dz t R y D+
para el segundo. Se tiene asl que D" y D+ =ie cortant
mientras que D, y Da conducen , dando paso a Ia corriente
asf:
Partiends del cátodo de D, hacfa =u ánodo, luego pasando
Ia trarga para atravesar a Dz de cátodo a ánodo y
finalmente cerrar el circuito por medio del secundario
del transfor¡nador.
Durante los otros semiciclos en que eI transformadorr EE
positivo en el extremo inferior de su secundariot sEl
cortan Dr y D¡ y ahora conducen D¿ Y D+ dando pa=io a la
corriente de la siguiente manera:
Partiendo del cátodo de D4 hacla su ánodot siguiendo por
la cerga Fara atravesar D, de cátodo a ánodo y trerrar el
circuito por medio del secundario del transformador.
Las formas de onda asociada= a Éste circuito se observan
en la Figura 5?.
E4
2.5 FILTRADO DE SEIIALES RECTIFItrADAS
Eie ob=ervará en ésta sección los medios de que dispone en
electrónica, para filtrar una seFfal rectificadat con
elementos pasivos, Fara hacerla lo ¡nás constante posible.
Para justificar tromparacionesr sera necesario ErxPresar
matemáticamente las seFtales que se obtuvieron en los
recti{icadores de media y onda completa.
2.5.1 Valor l'ledio y Valor Eficáz de una Seltal Periódica
Euando se utiliza un dispositivo pera medir una seffalr se
debe saber quÉ representa exactamente la indicación del
aparato.
Dispositivos medidores de corriente alternat tales tromo
voltfmetros AC ó miliampe¡lmetros Atr indican el valor
eficáz de Ia señ¡al medida. En cambio aparatos medidores
de corriente contlnua, tales tromo voltfmetros DC É
miliamperfmetros Dtr indican el valor promedio de la sefilal
medida. Asf mismon un vatfmetro indica eI valor promedio
del producto de la corriente instantánee por la tensión
instantánea.
Para ilustrar las definiciones quE EEr darán
E5
continuatrión, se utilizarán las seftales rectificadoras de
la Figura 33, pare las cuales la ecuación de la seftal
original era Vp sen d r corl d, = trft.
El valor medio Vmed de una función periódica vlt)
representa el área algebralca Eln vuelta durante un
perlod.or por la función v(tlt dividida por el perlodo T'
o Eiea:
Imed =
T
Iv(tl dt =
zTld¿. tron {. = hlt
=O.52Vp
=0- 64Vp
rÑ'I vt*!
JoIPara un rectificador de media onda.
v 1 fu vP-m,ed = lVp sen'Éd&= -'---a4 , =T,
¿lluo
vlr¡med =
",| VO Een4.d&=
ZTí ro
Para rectÍficador de onda completa-
rfrvpl- co¡=& | = -----ltnL'O
vp l- lií zvp_f_ f cos.clo= _T__
Por definición el valor eficáz Vef de une funciÉn
periÉdica representa la rafz cuadrada del área envuelta
durante un perfodo, por la función Vz (t) dividida por el
pertodo T.
Bá
oa.ooÉütIIco-.9EoEo€o0EI.9lra-(tobagoGoo
a
tf,trt
É,DIIL
B?
Por medio de procedimientos matemáticos obtenermrs que:
n&, J21 Sent.c d 39 = t t 2í t <, - sen{. tros 6c i -t&tJ&r
Para el traso de un rectificadsr de media onda.
senz oc dc.J'h = vp I z = o.5 vp
Para eI tre=ct de un rectificador de onda completa.
ve+=ff-lÍl sen2oc d {, JYL vp t G = o. zt vp
2.3.2 Factor de Riple de una Sefial
Una sellal rectificada consta de una componente contfnuavmed, e la cual se Ie sume una ondulación É riple.
vef ri"=tlf2ÍVo
Ivo
z f'u3Jo
Et factor riple-r traduce
riple respecto e laprocedimientos matemáticos
trooto:
la importancia relativa del
componente contfnue. Por
se define el factor de riple
Para el caso de un rectificador de media onda.
gB
( r tz,[; f -l
Para el castr de un rectificador de cinda completa.
Rr = 0.48
En una fuente de cc se busca que las variaciones Eean
mfnimasr en otras palabras que el factor de riple sea lo
más pequeFlo posible, En los rectificadores estudiados el
factor de riple es amplio, lo que justi#ica el asocio de
#iltros, cuya función es reducir el factor de riple.
2.5.3 Filtro trapacitivo
La salida de un rectificador se caracteriza por su=;
ondulaciones, porque la energfa aplicada a la trarga
sEl suministra a Ésta en pulsos. Te1es ondulaciones s;El
podrlan atenuar considerablemente, si se alnacenara una
parte de la salida produci{a, por los pulsos, a fin de
liberarla y sumini=trarle a la cerga en los intervalos
que hay entre el pulso y pulso. Este principio se basa en
el funcionamiento de un tipo especial de condensador.
Según sEr apretria en la Figura 34, Éste circuito consta de
un condensador conectado en paralelo con la carga, Dicho
capacitor, despuÉs de unos cuantos ciclos alcanza ufl
Unircridod rur000m0 dc 0aid¡ntrScrci6n libliot¡o
E9
r:o.FEEe
dE¡. É=
EEgs€ E
5 3.9-Fe€€B!ogEgEoE5iesoa,.=o gtrEEEEñltl
I
úrt
ÉDI¡L
1,.ér'-r---- ll,-r-5+- -
e
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I
II
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I
a<
a
f-{,s--f,Hf'*rrT'-liFttrf-l
G
rTlt-l
l"l.l>l
-'[oJ
n
90
nivel de voltaje igual al voltaje de pico que entrega el
rectificador, cuando la salida de Éste se reduce a certt
en los intÉrvalos que separan los pulsos, el condensador
suministra a la trarge energla, trrtn lo cual comienza a
descargar=;tr-
Eiin embaFgor su ritmo de descarga es lento en ccrnparación
cttn Io que dura un intÉrvalo entre pulso y pulso, por
tantor Erl voltaje del condensador no se reduce a cerE¡,
después de cada intÉrvalo.
Además el rectificador le proporciona al condensador un
nuevo pulso, despuÉs de cada intÉrvalo, de nodo que
vuelve e cergarsEr, ál nivel de voltaje a la carga.
Observando la Figura 34, se puede analizar lo que cttrurre
en el circuito rectificador de media onda, cctn ó sin
trerga.
Euando no hay trarga, a partir del instante t = T f 4 el
condensador resulta cargado a Ia tensión Vs = Vp. Desde
entonces el condensador conserva su carge, pueito que el
diodo no puede servir troÍto medio de descargar ya que Fara
ello deberla conducir en forna inversa.
La tensiÉn soportada por el diodo en éste montaje es:
9l
UD = Vz - Vs - Vp sen hft - Vp Fara hft = S'Il I 2
Resulta
VD=-zvP
Es decir la tensión inversa máxima aplicada al diodo es:
(Vin! max = ZVb
Co¡no se sabe qutr cuando no hay condensador se tiene:
(Vinlmax=Vp
Cuando hay carga R * a V trolr tanto a partir del instante
To en el cual el diodo se bloquea, el condensador no
tronserva =;u trarge sino que tiende a evacuarla
ErxponErntrialmente a travÉs de la trarga Rr .Út una
constante de tiempo RE.
Si admitimos; que, al instante To
Vs = Vp, la ecuación de descarga del condensador es:
,.Yt -vp r- (t-t tRc l
92
Este FrotrElso exponencial de descarga que empieza
instante to , dura hasta guE nuevamente la tensión V"
vuelva mayEr que Vs.
E=to se produce en el instante t, En el instante T" el
diodo se bloquea y empieza urra nuelva descarga parcial del
condensador a travÉs de la resi=tencia de trarga.
al
5E!
Se vÉ euEr mientras el diodo conduce el
almacena una energfa que es igual a:
condensador
hf=E(vñ -Vzmax, fZ
Y la transmite a la carga cuando el diodo está bloqueado.
En la Figura 54 tambiÉn podemos observar que la corrientesuministrada por el rectificador al conjunto RC está
constitulda Fclr una serie de pulsos, que cclrr==p#d=r, tlos instantes de carga del condensador, (conducciÉn del
diodol.
La ecuaciÉn de Ésta corriente (válida sólamente cuando eI
diodo conduce) es!
/ tg-' ¡rRc I V.I
i=(1 /R+JrrclVz=t
93
Puesto que V tiene una tensiÉn de pico V resulta:
i-vp Sen (hft + Fl traln fr = tg-l wRc
Para que Ia descarga del condensador sea potra en la
ausencia de pulsos, =ie a=iume:
Rc >> I / w para fl = 'lt/ 2
Esta expresión muestra que al utilizar un condensador de
Ia capacidad elevada para ¡nejorar el filtrador Et au¡¡enta
Ia intensidad de los picos de corriente. Además en la
Figura 35, se nota que al aumentar E los pulsos de
corriente en cuestión se hacen más agudos y los tiempos
de conducción del diodo ¡nás cortos. Sie recuerda que scr
trata aqui de la corriente qutl cruza el rectificador y nó
la trarga. La corriente a través de la carga R tiene
evidentemente una forma similar a la de tvl , pués=
iR =Vs /R
Fara facilitar trornFaratrioneg la gráfica de la Figura 34
numerales I y II están a la misma escala y corresponden a
valores idénticos de R y tr, asf trctmct de Vp . De Ésto
resulta que los valores de Imed correspondientes son
sensiblemente idÉnticos tambiÉn, cctsa que gráficamente se
94
t'g=0aa€c
'.9oCio.F.9
oEog¡Coo-c.gbLoc,
.Eobao¡€o€ct0e0o.Eo€o.Foo|Fl¡¡
a
tolf,
É,D(DIL
Éot-oo()É(,
afl¡¡Fz¡¡l-fFJl¡¡e
ct6É(,
-oóJl¡¡
95
traduce por el hecho siguiente; el área delimitada por un
pulso de corriente en la Figura 54 II, es igual a la
mitad del pulso de Ia Figura 34 f, ya que los primeros
aparEtren con frecuencia doble.
Otra observación interesante es guer considerando
individual¡nente uno cualquiera de dos diodos de la Figura
54 I, Éste sÉlamente es atravesado por un pulso de
corriente cada dos, es decir que Ia corriente media en
cada diodo es igual a la mitad sólamente de la corriente
total.
L,EImedl2.L,mco
En los reeti#icadores de onda completa Ia tensión inversa
máxima aplicada a los diodos es, independiente de la
presencia del condensador.
Rectificador en puente de hfien (Vin) max = VF
Rectificador difásico (Vin) máx = 2 Vtr
2.5.4 Análisis sobre el Riple
Para Erscoger un { i I tro adecuadamente, Els importante
expresar el valor medio de la tensión filtradan asl trErno
th
el factor de riple en funciÉn de la capacidad tr. El
estudio se simplifica mucho, si asimilamss las seffales
reales de la Figura 36, a las de las señ¡ale=i aproximadast
aproximaciÉn justi f i cada.
Siempre que el riple nct sea demasiado grande RC
Para una seFlal rectificada de media onda, de la Figura 3é
se desprende la expresiÉn siguiente:
Vmed=Vp ¡V/2
El valor eficaz del riple sE! puede calcular
matemáticamente, a partir de la definición:
n=l'vref = t t f T 2 ['u. dt 7V2 con Vr =av / T tJo
vref =Ez(av'z/Tl t¡a f s{2 =o av/21;
La descarga siendo exponencial la ecuación de la porción
de curva es en -realidad:
J= = vmed Éoh"
De modo euer en el origen, la pendiente de la curva es:
97
o€=Eo-aLEa---oIt-oLIe¡.I=ttcrtL-tol'IE-tobg
2oC'
=xoÉG
J¡¡¡e
c(z¡¡lu,
,--F- --I
sÉDIE
9,Q
ds I dt = Vmed ./ RC
Entonces ¡¡uestra aproximaciÉn triangular conduce a:
AV = TV"€d ./ Rtr
Observando que la {recuencia es:
+ = | f T (5O É 6O Hz en general)
Resulta finalmente¡
Valor eficáz del ruido:
Vref = Vmed / zfRC tlr;
TensiÉn promedio:
Factor del ruido:
Vmed=Vp-VmedI?+Rtr,
Vmed=Vpf (1 f/4+Rtr)
r=Vref/Vmed=t/ZfRC/;
9q
Es interesante ver
salida en funciÉn del
trono varfa la tensiÉn pi-omedio
consumo promedio Imed.
de
Imed=VmedlRsEr tiene pués:
Umed = VF Imed f Z+tr
La resistencia de salida es:
Rsal = AVmed I Almed = t I Z+tr
Notamos euEr al aumentar la capacidad E se disminuyE Ie
resistencia de salida asf como el factor.de riple, ptrr
eEE se deben utilizar condensadores de capacidad elevada
(usualmente 20 l"l+ a ?OOO Fl+}.
Esto se logra con trapacitores electrolfticos.
Para un filtrado correcto, lo quEr en realidad debe ser
elevado es el producto RCn puesto guEr trclmercialmente la
capacidad de los condensadores disponibles no pasa de
unos mi I es de l'lf , vemos que Éste f i I tro resul ta
insuf iciente para circuitos de alto consuno (R pegueftlol .
Al hacer una anáIisis similar a un rectificador de onda
completa nos darfa:
100
Vmed=Vp ¿Vl2
Si tenemos en cuenta que:
Vref = bv t 2 rltr
V=TVmed/2Rtr
J=ll+
r=rt4+RtrG
Expresando Vmed en funciÉn de Imed:
Vmed = Vp Imed I 4+tr,
El valor eficáz del ruido Vref = Vmed / 4+RC V 3
Tensión promedio:
Vmed=Vp-Vnedf4+RC
,Vmed=Vpl (1 f/4+RtrUSl
Factor de ruido¡
101
La resistenria de salida será:
Rsal= AV./Imed =lf 4+tr
Vemos que la seftal rectificada de onda completa es más
fácil de filtrar que la de media onda, puesto que tron los
mi=¡nos valores de R y tr, se obtiene una resistencia de
salida y un valor de riple dos vecErs metnctr. Dicha razón
nos lleva a esitrogErr un rectificador de onda completa-
Para atenuar el riple hemos visto que se puede poner u¡l
condensador en paralelo con Ia carga. Intuitivamente EEI
adivina que por medio de una inductancia en serie tambiÉn
se podrá impedir parcialmente que el riple crlrce hacia la
carga.
2.5-5 Filtro Inductivo
El filtro inductivo, sin embargctr no se utiliza Fara
rectificadores de media onda. De acuerdo con la Figura 37
la ecuaciÉn del circuito es:
vz=vP sen ¡rt = L di tdL +Ri
Es necesario observar que la solución
ecuación es válida sólmente mientras que
i
el
(t! de Ésta
diodo conduce
t02
goE0e.o=€t
a-
ooEoa-oobo
0Eto.9€oEoboeo
a-.Fot9coLJ
IL
ñn
ÉD(,IL
tr
trlc|
o'o tNci ct ct
oC'
I
G
- A. A^'\.
¿El
TiJrfll
J
103
ti > ol .
En la Figura 57 se representa el efecto del filtro
inductivo, para diferentes valores de Lhf / R, sobre la
tensiÉn de salida Vs, (Vs = Rit.
La Figura 37 muestra que el filtro inductivo eE
inapropiado para extraer una comFonente contlnua a partir
de un recti{icador no alterno.
Una sefifal rectificada de doble alternancia se puede
expresar como una serie de Fourier. En Ésta expresiÉn
aparetre un termino constante y términos alternos de
pulsación 2w, 4r*.
Sabemos que una bobina en =erie con una resistencia
rnontados cErmo muestra Ia Figura SEI, constituyen un filtro
pasa bajon que idealmente sÉlo deja pasar la componente
contlnua, perFct que en realidad tambiÉn dejará paser
atenuadas componentes de pulsación ?u, 4wr... De Éstas la
menos atenuada será la de más baja pulsación 2w razÉn por
la que en Éste estudio sE! desprecia el efecto de los
demás cornponentes. Se nota que Ésta aproximación queda
justificada, porque la pulsación 4r¿ es sálamente el ?O7/.
de la pulsación 2w. Las siguientes pulsaciones Ew, 16w,
etc., serán mucho más pequeftas,
104
ja¡gA
óoi9€FCE'O
€€
gEEE
=:6roc!b!s-EItorooi:Eoo=El-l a-e,E-O aetÉ3
drt
¡E3Ilt
tJ
105
De éstas consideraciones resulta que:
V = Zvp ./Tf R - 4Vp t sl Eos (aut - ñl I
Eon É = tdl ZnL/R
Fara atenuar las ondulacitrnes mlnimas L / R
Esto justifica la gráfica de la Figura 58.
Las formas de onda de tensión se observan en la Figura
38.
Las expresiones establecidas son válidas, =iemprEr que no
impliquen une inversión de la corriente en Ia bobina,
trosa euGrr los diodos no permiten. Esta inversión
empezarfa a producirse cuando el valor de pico ( J; Irefl
de la corriente de riple se vuelve igual a Ia
promedia:
Imed=VmedlR
Vmed f R > 6 rref
corriente
10ó
2.3.h Filtro trapacitivo Activo
DespuÉs de una etapa de rectificación v filtración,
subsiste siempre en la.salida cierta ondulación residual.
Eliminar casi total¡nente Éste riple se podrfa hacer
utilizando trclmct filtros condensadores, y eventualmente
inductancias de muy altos valores¡ y con costos altos.
Una solución racional para eliminar más eficázmente el
riple consiste en utilizar, suponiendo que los niveles de
consumo nct sean prohibitivosi un filtro capacitivo activo
(Asociación transistor - condensadorl r rD un montaje como
el que se aprecia en la Figura 59.
Si l¡l es la pulsación del riple existente en la seFlal
Ee netresita para un buen filtrado Rtr
Ia resistencia efectiva vista por el condensador.
En la Figura 39 se puede ver que el valor de R es:
Ve
R
R=R, ll ""ll tF* 1l RL
Eii sEl guiere que la cualidad de la filtración
independiente de R r sE escogerta la relaciÉn:
r,/3* ll Rull"" <(Rl
t07
c
oioIot.Fo0oC'oo¡.a¡-l!
o;lf,
ÉDIIL
108
No obstante no se deberá tampoco Elscoger Rr y Rz muy
pequeñlas porque al disminuir R, disminuye eI producto
REe, ltre = capacitor de entradal y el filtrado pierde
calidad. Además el tronsumo aumenta intltilmente en eI
divisor R, , Re
Vemos qur para que Ésta condiciÉn se pueda cumplir
fácilmente, serfa bueno utilizar un transistor de
ganancia rnuy elevada, É uti I izar un montaje tipo
Darlington, como el de la Figura 4O.
El divisor Rr , R¿ es nEtresario para garantizar una
polarización correcta del transistorr eue siempre debe
estar funcionando en su Eona activa. (tensión de colestor
superior a la de la base en todo instantel.
Puesto que para el trensistor funcione correctamente hay
necesidad de perder uncl=; voltios entre su colector y su
e¡nisorr sr vGr que necesariamente la tensiÉn de salide
deberá (e todo instantel menor que el voltaje de entrada.
Se nota que se tiene Vs = Vb - Vbe es decir que latensión de salida es determinada por la tensión de base
Vb del transistor.
tlSuponiendo R, ll^"
{{ ( F+ 1) Rr-
ünircridod rslonomo ds 0aidcnh
Sctci6n libliotco
I
ii
109
co-rtc=bItocooo
-ooot-l,t'e0l,olt
=¡L
o$
ÉDIIL
FL-r"t,
110
El potentrial Vb resultante en Ia base es:
Vb¡¿ Rr / Rr Rz Vmed con Ven = Ve maz ^t 2
2. b REBULADTIRES ELEFIENTALES
En el estudio hecho anteriormente, hemos observado que
asociando un rectificador con un filtro se puede obtener
una tensión conttnua constante, pero Eln realidadr si
varfa la amplitud de la tensián sinusoidal de entrada, la
¡nisma variación relativa se hace sentir Eln la salida. Por
otra parte, si el tronsumo de corriente media no eEi
constante, la tensión de salida tampoco Io será debido a
que Eu resistencia de salida no es despreciable.
La funciÉn de los circuitos reguladorels, es atenuar esog
efectos manteniendo la salida casf constante, a pesar de
las pertubaciones que puedan actuar sobre el sistema.
Tres efectos principales pueden ceusar variaciones en la
tensión de salida ,f=, a saber:
Variación de voltaje de entrada.
Variación del trclnsumc¡ de corriente de salida.
111
Variaci6n de Ia temperatura.
Para caracterizar cada uno de Esct=; factores se pueden
introducir los tres parámetros respectivos:
Sv = troeficiente de regulación:
Sv= ¡.¡fsla¡Ye Is=O AT=O
Rs = Registencia de salida Fls:
Rs = -avs /¡Is ¡Ve = O ¡T = O
St = troeficiente de temperatura:
st = avs I aT ave = o alb = o
De acuerdo con Ias definiciones anteriores, suponiendo
variaciones T, Is, Ve, la variación resultante de salida
será:
AVs=Sv AVe-Rs Is+St AT
Una fuente perfectamente regulada deberla tener:
Sv = Rs = 5t = Q (caso ideall
112
Las variaciones
de riple É a
distribución.
del Ve pueden
variaciÉn del
ser debidas a
voltaje de
la presencia
la red de
2.h.1 Reguladores con Diodo Zener
La caracterlstica inversa de un diodo presenta una
ruptura, que como sabemos puede ser debida al efecto
Zener É de la avalancha.
Los diodos Zener ccrn troírponentes especialmente fabricados
para que trabajen en la zona de ruptura, y presentan err
eria zE¡na una resistencia dinámica rz particularmente
baja.
En la tensión de ruptura Vzr sr obtiene una tensiÉn
prácticamente constante, e independiente de la corriente.
Existen diodos Zener desde un voltio a varios centenares
de voltios, Eon potencia máxima entre O- 1 bf a 10 hf según
el tipo.
Estos trompclnErntes son muy utilizados tronro referencia de
tensión en fuentes reguladas de alimentación.
El diodo Zener tromo todo semiconductor¡ E5 termosensible,
113
en trierta propErción de la temperatura-
Para caracterizar ese efecto se utiliza un coeficiente
llamado coeficiente de temperatura relativo.
porcentaje se tiene:
R7.=lfVz AVZ I T*100
Las curvas de K, dicen gue para diodos menores de cinco
voltios, el coeficiente de temperatura es negativo, y que
para diodos de más de cinco voltios es posihle obtener un
coeficiente de temperatura K nulo escogiendo
convenientemente Ia corriente.
Dtro parámetro importante para el diodo Zener e=i
resistencia dinámica r; en la zona Zener.
Los diodos Zener que prrsentan r menEr son los de seis
ocho voltios cuando sEl les exige uno=i lO miliamperios.
El regulador Zener más sensible se encuentra en la Figura
41.
K,
En
Suponiendo que el regulador trabaje sin carga (Is
la recta trerga y su funcionamiento trorree;pctndiente
qur se halla en Ia Figura 41.
o)t
la
114
E.oog=rol-od€oco9?o3.95r-9-tIe0bL
EE€se5.F-at9ot:EE3EoEEaL=,2g-o-lY ^a.(N)
EXE \-/=tÉtEE
oeJsoOC
=l¡¡<z-w6N_{ü¡ E
=6t8f-o
:Nu¡<DJIo-t¡¡ u¡
tlFt
tt
;tt¡a
o!Cg,(,Fo-
ÉooJt0l¡¡G
a
-tÉ3IlL
oj¡ll¡allFa tsa
11s
Se observa en la Figura 41r gue una variación importante
de la tensión Ve, no produce casi variación en Vs. Se
tiene Vs = Vz.
Siempre que Ve sea maytrr a Vz (casos I y ?).
5i Ve es inferior a Vz, el punto de funcionamiento se
sale de la zona Zener y resulta Vs s Ve, no hay
regulación.
t'lás precisamente, Eomct 1o confirma el Ersguerna equivalente
dinámico de la Figura 41, válido En la zona Zener
(Ve ) Vz), se puede vErr que una variación Ve provoca la
variación Vs siguiente:
AVs=r= t lr= *Rr ) * ¡Ve
Eonro R, es mucho maycrr que rz, la ecuación antericrr =iGl
puede aproximar a:
AVs = r= f R, * AVe
La re=istencia de salida Rs, del regulador considerado
E!5:
ilRs=r= ll Rr gVz yaque Rr 7|r,II
11ó
Las caracterlsticas esenciales del regulador Zenert
estudiado se pueden resumir asl:
troef iciente de regulaciÉn¡
Sv = AVs ./ AVe = ?z f r. * Rr & rz / Rr
Resistecia de salida:
troef iciente de temperaturar
Sir = AVs / aT = KIZ) Vz f lOO (propio del diodo)
En la realidad el regulador debe servir para alimentar un
circuito, es decir, que la corriente Is de salida no será
nula trctmo se ha supuesto hasta aqut.
Et diseñlo debe hacerse, justamente, para que el regulador
funcione aún en el caso de cons'umo máximo,
Observando la Figura 42¡ sE puede asegurar que si (Is)
max es la corriente máxirna que debe suninistrar el
regulador, ésta corrErsponde a la resistencia de trarga
mfnimar
Rs = -¡vs / ars = r= llR,e F=
ll
tt7
t
tEooaFogIELo|tsa.E0bIF
o1u':¡l,to-Eobtrococ'l-oggteoG
ll
¿¿a
O
Nt
ÉDI¡t
.l
Irts
+1
118
Eomo se indica
puede cambiar
transformaciÉn
reemplazando Ve
Rmin = Vz I (Isl rnar(
en la Figura 42, el circuito
a un equivalente, For
TheveninaVthVRth,por Vth y R por Rth, asi:
VerRrRse
medio de
Ers decir,
Vth=R/R, +R *Ve y Rth=R, //n=n, R/R, +Ril
Fara aEegurar que el punto de funcionamiento está en la
zona Zener es necesario cumplir 1o siguiente:
Vth ) Vz o sea Ve ) Vz (Rr + Rmin) ./ Rmin É
Rf{(VeRminfVz}-Rmin
Esa mis¡ra condición
tensione=i =iEl puede
expresada
escribir¡
trctn trorriente, en lugar de
Iz>O esdecirlt fs >O Ir > (Isl rnax
For otra parte es r¡ecesario
eI diodo ntl :iea excesiva,
potencia máxima (Pz) max
siempre:
que Ia potencia disipada en
Ésta debe e;er mrnclr quE la
del diodo. 5e debe tener
UniY¡ridod rulonomo dc 0aid¡nhSccriún libliot¡o
119
Iz { (Iz} max con {Iz} max = Pz mex I Vz
5e nota que la corriente Iz en el diodo es máxima cuando
Is=O.
Iz=I, Is
Es decir en vacfo (R = 4 !.
En ese tra=¡o debemos tener:
Ve-Vz/R,
es decir,
Rl
Rr ncl sEl puede escoger ni demasiado grande, ni demasiado
pequefton puesto que debe satisfacer las condiciones A y B
a la vez.
En la práctica ErE razonable trabajar el diodo Zener a un
nivel de potencia igual a Pz roax f 3 aproximadamente.
120
2.b.2 RegulaciÉn Serie Simple de (Seguidor de Emisor)
El regulador por diodo Zener simplc! Gr:i eficiente Para
bajos niveles de corriente, perct es insu#iciente cuando
se quieren alcanzar consumos del orden del amperiot tron
buena constancia de tensión.
En esos ca=¡cl=¡ e¡e necErsita una resistencia de salida
inferior, a la que sEl puede obtener con un regulador
Zener simple. Por otra parte será necesario utilizar un
Zener de alta potencia (decenas de wattiosl muy costostt y
diffcil de conseguir.
Es preferible asociar el diodo Zener con un transistor
como lo muestra la Figura 43, en el cual =iEr ve que dicho
transistor está en serie en la carga. En éste traso las
funcisnes quedan repartidas, asf eL transistor será el
componente de potencia y el diodo el componente de
referencia.
Eonsiderando
observando que
gue se trata de
43.
la
la
un
tensiÉn del Zener comE¡ entrada y
trarga está en el enisor, podemos notar
montaje de emisor, observar la Figura
diodo Zener asociado con R,EI
t?1
constituye un regulador
il
qa5I
!+I¡s L
€¡tctEi5L¡O
EÉt!to-=€oo
b
¡'!E¡8sl-gt-oo
-€2€E-:-'.E€¡3o-E6gEiFEEE
t¿lo!IN
II
Jr,rf
É=IE
L22
elemental, que suministra a la base del transistor una
tensión tronstante y prácticamente igual a vz. si vbe es
la tensión del diodo base e¡nisor en esa juntura del
transistor, cuando Éste último conduce, la tensiÉn de
salida resulta igual:
Vs = Vz - Vbe con Vbe s: O.ó (para transistores de
silicio).
Eon el objetc¡ de adelantar el estudio de Éste reguladort
utilizaremos para el transistor la representación hfbrida
simplificada de la Figura 43, en la cual se desprecia el
parámetro de reacciÉn h,a tromParando Ésta con{iguración
tron el esqueroa simplificado de giacolettor Figura 44 se
pueden deducir Éstas relaciones:
h,, E = Fbb + rge (Il
tron rÉe = tl, I 16 = I/3+ 1) Vr f Ig
I I h',.,z t = Fce tron r@. = rc' f F + I
F=gmr6" tron gm= .Ft.6" =Ic f V,
(transcsnductancial .
Esos parámetros sGr definen asl:
123
o€gt'-|ts=eE-ao.Fa-'gol,Ia-('
€hogg.9rF.-oEa-t
EEbot'-Erb-oLIetgEotIta
. l¡¡
a
Ct
É,3IIL
z3.ooÉog!
=u¡
zt=óÉE-l¡¡
124
t'
f,s = Resistencia repartida de base.
= ResiEtencia inversa del diodo colector base. (l'l-G'.
Vr = TensiÉn termodinámica (V = ?6 mV a SOO Kl
La ecuación (I) es interesante porque relaciona á h,, e
tron r6e es decir, con el valor de Ia corriente de emisor
fE . Los parámetros dependen del punto de funcionamiento.
Recordarrt¡rE¡s gurr si la base de un transistor ve una
resistencia RB, la resistencia aperente que se vÉ desde
el emisor es¡
RB*h,,ef,P+1
Recfprocemente
resistencia que
el emisor ve une
ve desde la base
resistencia Re,
c!5:
5t
5E!
la
h,rEr+l,f¡3+tlRE
El efecto de reacción en el transistor es debido e la
variaciÉn del ancho efectivo de la base con la tensión
colector base. Este efecto se puede despreciar en el traso
de impedancias de carga bajas (ganancias de tensiÉn
moderadasl. Eon objeto de simplificación y claridad de
125
los resultados se ha adoptado e=quemes equivalentes que
no tiErncrn en cuenta ese efecto.
Vea¡nos las caracterfsticas esenciales del regulador.
Eon aVe = O ¡T = O
Si utilizamos el esguema de la Figura 45 vemos que la
resistencia vista e{ectivamente por la base del
transistor es:
RB = .. ya que Rr )) r"I
La resistencia aperente por emisor es:
Rs=Rz*h,,el /3+l=.= *rub'f F+ 1 +vr f rÉ
Eon 4 Is = O. AT = O (factor de regulación!
La tensión de salida es:
Vs = Vz - Vbe con Vbe cte (tensión del diodol base
emisor conduciendol.
RB =.. 11 R,
lt
t?b
oo-zodl¡¡
oEt(,Ga,
tohaGoEctoEo.EEbo-oc¡
a
--- I)lf
E3(,-E
fJ
==odu¡
oF)(,g(¡
a
L27
Sv = AVs I AVe s AVz I AVe
De acuerdo con el ee;quema de la Figura 45 y suponiendo:
tlp+ lt R + h' el |i r=
Sv= aVz./AVee?- /Rr +rze?= /R,
ya que R, |Í r,
Eon aUe = O. AIs = O (coeficiente de temperatura).
Un aumento de temperature prctvtlca una variación AVz de
la tensión Zener y une variación AVbe de la tensión de
conducción del diodo base emisor.
Puesto que se tiene:
Vs = Vz - Vbe resulta AVs = AVz AVbe
tron AVbe = K AT (K s - 2.5 mV / "E)
yAVz=K?(llOO*VzAT
Finalmente obtenElmc¡s:
t2a
EiT = AVs f a,T = H 7. f lOO * Vz - K
Se sbserva guEr para tener una registencia baja e=;
necesario r" y rbb' , sean pequeFtas¡ Y guEl sea grande.
Fara tener un buen coeficiente de regulaciÉn se debe
tener:
)Vz
Para tener un buen comportamiento tÉrmico es preferible
utilizar un diodo Zener de bajo coeficiente de
temperatura H. Se observa que si se tiene H Z Vz ./1OO =k
hay trompensación tÉrmica entre el diodo Zener y la
juntura base emisor del transistor (S, = g¡.
Sie puede neutralizar el efecto tÉrmico de variación de
Vbe conectando en serie con el. Zenerr un diodo del mismo
tipo que el transistor (Sii ó Ee), Entonces la tensiÉn
disponible a la salida queda prácticamente igual a Vz:
Vs=Vz+Vd-Vbe*Vs
Donde Vd es la tensiÉn de conducción del diodo en sentido
directo.
R,
Unir¡ridod ruloncmo d¡ llddmf¡Sóaión libliorco
t29
Bbservando que la configuración de la Figura 45, El=;
equivalente a la del regulador Zener simplen reemplazando
R por h,, e + l.l3+ l) R, podemos deducir que eI estudio y
Las condiciones de diseFlo serán similares.
Eie precisa pués que el regulador Zener simple, el diodo
Zener toda la corriente de salida Is, en el caso del
presente circuito el Zener suministra sÉlmente r¡na
pequefta fracción de Is, Io = Is I 1 ,/g + 11.
En transistor se entrarga de la multiplicación Folr F + 1.
Esta es la ventaja esencial del presente montaje con
respecto al anterior. Al hacer el disefto es necesario
tener en cuenta la pérdida de tensión en eI diodo base
emisor del transistor. Se recuerda que:
Para transistores de silicio Vbe vale de O.5 a 0.7 V.
Para transistores de germanio Vbe vale de O. I a O.2 V.
a
TambiÉn hay que tener en cuenta
lfmites del transistor que son:
Tensión colector e¡nisor
colector, potencia máxina,
las caracterfsticas
máxima, corriente náxima
etc. y asegurarse de que no
130
de
Eie
sctbrepasen. Se puede observar tambiÉn que si For algrln
motivo sEr coloca la salida del regulador en corto
circuito, la corriente en el transistor será muy elevadan
por lo que el resultado será Ia averfa del mismo.
2.b.3 Regulador Paralelo
trtra configuraciÉn posible de regulador .trEn transistor
único Ets la de la Figura 46, En la cual se vÉ que el
tran=istor está en paralelo con la carga-
En realidad, vista por los puntos A y B, la combinasiÉn
diodo-transistor presentada es equivalente a un diodo
Zener, comrr se observa en la Figura 4á.
Se observa que para quEr pueda haber conducción, es
necesario que la tensión V¡6 eiEra mayor que Vz más el
umbral de conducción del diodo emisor-base.
Uea¡nos ahora cuálEs s¡E¡n las caractertsticas del Zener
equivalente:
Tensión de ruptura:
Vrz = Vz + Vbe
131
GÉ
.¡¡¡ ti¡=s(r¡
=3o
.oa-Co0tttoLocoN
aoOoboAso€0tIoÉ
J'-}¡>Ll#¡aH
+Gt
J|l{
a|ott
É,3IIL
L32
Resistencia dinámica¡
r! -- rz * h,, e I ¡3+ I - lr= + roul.F+ l) * V" I Ie
Ya que Rt e = ( /l+ 1! * Vr f Ie
troeficiente térmico relativo¡
K',7.st1 T.+ 100*HlVz
tron V = Tensión termodinámica
Vr = KT / Gl = ló mvq para T = SOO.K
Ie = Eorriente de emisor
H = Eoeficiente tÉrmico de la juntura E-B para k 3! - 2.5
mv / "8.
Las caracterlstitres esenciales de éste regulador.' =ion las
mismas que las del regulador Zener simple, reemplazando
los parámetros Vz, rz , Kil por los del Zener equivalente
V'z , FL, K 11,
Expresando Éstas caracterfsticas en funciÉn de los
parámetros propios del transistolr v del diodo Zener
133
rE¡sul ta:
Resistencia de =alida:
Rs s rj =.. * hu e f ¡g+ I = (r. + rbb, f P+ 1) * Vr fle
Coef iciente de regulaciÉn:
Sv= rj f R, = (. * h,r e / R, lF+ 1) =f., * t"o, I RrlB+ 1l)
*Vr /R, Ie
Coeficiente de temperatura
Eir = K'7. Vz I lOO = KL r.lz t lOO + k
Vemos que para obtener una resistencia de salida pequeftla
es nc!trEls;ario tener r= y ru6 pequeñlos y 73 elevado. Además.,
para una buena regulaciÉn hace falta tener:
R, >> ri un buen comportamiento tÉrmico es reconrendable
que kZ sea lo más bajo posible. Hay que tener en cuenta
que la tensiÉn de salida es distinta de Vz, pués en Éste
ceso se tiene:
Vs=Vl =Vz+Vbe
154
Debemos de a=;egurarnos de quel ncl sEl sobrepasen las
caracterfsticas lfmites del transistor, tromo sc¡n:
Eorriente de colector máxima, voltaje colector emisor
máximo, potencia máxima del transistor etc.
5i por inadvertencia =;e coloca la salida en corto
circuito queda bloqueado el Zener equivalente, es decir
hay autoprotección para el transistor.
En Éste circuito la resistencia R soporta une tensiÉn
Ve - Vs con una trorriente I, =Is * r,z, ccrn l'z ='l.F+ lllz
Esto nos dice que R debe ser de alta potencia.
Esa condición queda automátisamente satisfecha
asegurándose euEr aún con el valor mfnimo de Ve, se tenga
I > Is ó ¡nejor dicho:
Ve-Vz lR,
es decir,
R¡
135
2.7 REEULACION SII.IPLE DE trORRIENTE
Para realizar una fuente tensiónr sE utiliza un
componente que idealmente puede suministrar una tensiÉn
constante e independiente de la corriente,
Zener-
el diodo
Para realizar una {uente de corriente se buscará utilizar
un componente que suministre una trE¡Friente constante Et
independiente de la tensión.
Observando, las caracterlsticas de salida de un
transistor, vernos guErr para cada valor de la corriente de
entrada la caracterfstica trorrespondiente de salida es
casf constante- Esto nos sugiere que el transistor se
puede utilizar tromct fuente de corriente. Eomparando las
caracterlsticas 'base común (Ib cte) y emisor común (Ie
cte) en la Figura 47, sEr vet que el montaje base común
permite obtener referencias de corriente de mejor calidad(caracterfsticas más horizontales) . E{ectivamente se sabe
que la resistencia de salida en una base común es iB + I
veces mayor a Ia misma en emisor común.
Idealmente la resisteneia de salida de una fuente de
corriente debe ser infinita (conductancia nula).
13á
.a
trtEoooaIa
.5Eo.,boaEoco|'go,a!ag.9a¡a-bo-c'0LI()
af-t
¡E3(,E
É,oFoo-É,F
Éob6zEF
!l(,
i
L37
Eeneralmente un regulador de corriente se presenta trorno
tn la Figura 4E y sus cualidades esenciales se puden
definir por los siguientes parámetrosn que tradutren la
amplitud de la corriente Is de salida a permanecer
constante cuando varfan.
La tensión de entrada Ve
La tensiÉn Vs aplicada en la salida
La temperatura T
SR = Eoeficiente de regulación (transconductancia):
Se=
E = Eonductancia de salida:
E= A I= ./ ¡Vs AVe=O aT=O
Sr = Coeficiente de temperatura:
sT= AIb./AT AVe = O AVs = O
coef icientes deberlan .ser todos nulos.
Ials./¡vel AVs=o AT=0I
Idealmente Éstos
lSB
oa-C!¡.boIt
€b€.9=ttoÉ
aolf
EDI¡¡
o!gttstH
Io!gtIg
Ia
Unircnidod rulGnomo dc 0ttidcnf¡
Sección Bibliotsto
139
Sabemos que el regulador gerie repFesentado en la Figura
4q perrnite tener entre emisor v masa, una tensión
constante. De Ésto re=ulta, que Fara obtener una
corriente de emisor constante, basta conectar una
resistencia pura R, ver la Figura 49. La corriente de
colector será:
Ic =oC fe + I"*
Esta corriente Ic se puede utilizar coi¡ectando la trarga
en serie, en el circuito colector, ver la Figura 49,
trtro modo de llegar al tnismo resultado
razonamiento de pa=os que se representan
e5
tn
por medio de
la Figura 5O.
Los esquemas trErresipondientes muestran que el transistor
está ef ectiva¡¡ente f uncionando en base co¡nún. (Esto
supone sin emabergo que s;el tenga R" )) r. , Si guerernos
representar el punto de {uncionamiento sobre las
caracterfsticas de salida del transistorr sr irá
observando gue la recta de carga está de{inida por la
siguiente ecuaciÉn:
Vcb - Vcc - RIc É tambiÉn Vcb = (Ve - Vzl - RIc
El resultadt se rnuestra en la Figura El. Esta nuestra que
140
aa¡to-sboo€bo€.EtItot-d.FtoFI
€
'.8c,coa¡áo-C3'o¡ca.F€!LoaboIg=ooÉ
aotÉ,DeIL
L4L
N
.Ei9r9|'EstLe_¡o>
'i 'iEE
3-Eac5€€E'E3ar .F
,r!g-3---I3g
oú)
EDIIL
142
jIoIÉo€IEoE=Ict€oa- a-3N!a-r!
i¡¡ (,.=vY'E=ñ-Est€o.Fc=e
gItb¡'to€I.Ft,oE
a
-Ít
¡/
143
si sE! aumenta R (caso 1) ó Ve tcaso 2), la corrienteresultante en el colector es prácticamente la ¡nisma. Es
importante que Vz no cambie, porque cambiarfa el valor Iey por consiguiente el de Ic.
En los circuitos de la= Figuras 4? y 5O, el punto en
común entre la salida y la entrada es el polo positivo.
5i se quisiera tener un punto común negativor sE lograrfautilizando un transistor PNP como lo muestra la Figura
52.
Se calcula los parámetros principales para el esquema gue
rerpresrnta la Figura 5O teniendo en cuenta la relación:
Is !:{ I"" + fcso
"C = Eanancia de corriente del transistor en base comün.
I""o= Eorriente de fuga (colector a base)
La transconductancia de regulaciÉn:
SR= AIs/aVE =¿( IRE/VE = {.f Rc *AVn¿ I AV,
Se observa que AVn= I AV= csnstituye el coeficiente de
144
r5Eo.,ot.5Iooc.9ttooo-E.!bboc,
€Lo€g=IoG
a
Nto
EDI|¡.
145
regulatriÉn ordinaria dE! un regulador sErrie de tensión y
aproximándolo resulta:
SRsl./RE*Fz /R,
Expresión válida si se tiene:
Rr i) r.
1/¿+ l) RE + h,r e )) r,
La conductancia de salida:
Es = - ars ./ avs g hrzb -- }rroe I (/3+ tt
5e nota que Éste resultado eE aproximado y suFone un
montaje en base comrln puro.
RE>>h'e*Fz
Para el coeficiente de temperatura, recctrdemos gue para
transistores de silicio l"ao es del orden de los mA
(general¡nente despreciable! y su valor se dobla cada seis
grados centfgrados.
Para transistores de germanio f""o es del trrden de los
t4é
rnicroamperic¡s y su val.or 5e dobla trada l0"tr-
Bbservando que AVne I tT constituye eI coeficiente de
temperatura ordinario de un regulador serie de tensiÉn
resulta finalmente:
Sr & | f Re tll<X, ¡ tOO)* Vz - l{l + alcso / aT
Se observa que si no Ee cumple la relación R. )) F= * h,l El
no rEr trata de un montaje de base común Puror y el
tÉrmino A Icso f AT se convierte en S ( a IcBo f AT) Eln
donde S es el factor de estabilidad tÉrmica propio del
transistor asf montado.
Recordemos que una exFresiÉn simple y válida Para es€l
siempre que se tenga lA+ 1l RE >> h' El + ?z
!i=[(h$e#rzlfR.+1]
o más generalmente
$i=E (h,,e *Rel lRr+ ll
La calidad de regulación aumenta con R es decir con Vzt
pués:
RE =V^" f I"r sVz f Is
L47
5e observa guErr al aumentar el valor de R= r aumenta Vz.
Para tron¡pren=iar las variaciones térmicas de la tensiÉn
base emisor del transistorr 5E puede colocar en serie
con el Zener un diodo co¡no se observe en la Figura 53-
Al hacer el disello debe asegurarse que el diodo trabaja
en la zona de ruptura (I, ) Ib ) es decir se debe tener:
(Ve-Vz)./R
Entonces,
R, ( 13 1Ve-Vzrl Is
La misma condición expresada en términos de Re sie
escribe:
(Ve-Vz'/Rr )Vzf (.P+ l)*Rr
Entonces,
R,
r48
G-o,o.qorFcoE
oEoaot-Lote,o!ot|'sl'bt.Ft=.-gogc.9E
.b.F
C:9a,oacoeEo(,
a
]ri)ro
É,t(,IL
Univcsidgd auronomtI de Occidcnt¡
Scrción Bibliotcco
149
2.7-l Regulbdores Simples l'lejorados
Se observa que la expresión de coeficiente de regulación
Zener simple, se vÉ que la regulación puede mejorar
aumentando R, pero si se quiere consgFvar la corriente
I, , Fn R,, sin cambio, ésto suFonEr que tambiÉn aunente
Ve.
Una soluciÉn consiste en reemplazar Ia resistencia R, Por
una fuente de corriente idÉntica a las que se acaben de
estudiar y que se puede observar en la Figura 54. Esta
solución permite obtener a la vez una corriente I,
deseada y una resistencia dinámica q elevada
(resistencia de salida de la fuente de corriente) r todo a
partir de un valor razonable de Ve.
En la Figura 54 se muestra que se puede aplicar la misma
solución al cascl del regulador serie de tensión
compensado.
7,7.2 Utilización de l'lontajes Tipo llarlington
Se sabE que pera obtener resistencias de salida bajas es
necesario utilizar transistores de ganancia /3 elevada.
trtra ventaja muy importante de tener gran valor de ,t¡ r ES
r50
a
lfto
É=(,tr
151
Qurr aún con fuertes trE¡nsumo de selida, el trong¡umo Ib en
la base es relativamente pequefftr v Égto permitirá
utilizar un diodo Zener de baja potencia. Una forma de
obtener ganancias .P elevadasr ES esociando dos
transistores ( o másl en montajes tipo Darlington-
Fecordar que el montaje Darlington de La Figura 55t eE
equivalente a r¡n transistor único cuye5, caracterfsticas
están indicadas Grn la misma figura.
Otras combinaciones tipo Darlington son posibles
asociando un transistor PNP con un HPN. La Figura 56
muestra por ejemplo tr6¡tr¡¡ se puede obtener un transistor
equivalente NPN cuya=i caracterlsticas se indican en la
misma figura.
Es importante anotar gue en éstos montajes la corriente
de fuga del transistor resultante, es igual a Ia primera
muttiplicar polrpZ + I del segundo PElr eso Els necesario
que el primer transistor tenga una fuga tÉrmica I
mlnima.
Se puede decir que el primer transistor (Tr l r determina
esencialmente la ealidad de transistor equivalente y el
segundo (T2), sus linitaciones en potencia.
1s2
iIl¡a
itligi El te¡ Él r*/----\
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153
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coEeo.gEb¡-o0ae-E¡E€-9l'=t=0tgdr)
754
La Figura 5É muestra como se puede aplicar Éstos montajes
el trastr del regulador serie, Y al regulador serla
mejorado respectivam.ente. En Ésta figura la {unción de
los diodos Grs trompensar térmicamente las junturas base
emisor de los transistores¡.
La Figura 5á muestra una aplicaciÉn al caso del regulador
paralelo simple.
Algunas veces para disminuir la inpedancia de salida a la
alta frecuencia del regulador de tensiónr se conecta en
paralelo con los puntos de salida. Un condensador EZt de
capacidad relativa¡nente baja. Este traso se observa en C2
de la Figura 56. Sii la capacidad de éste condensador
fuera excesivamente alta Ia fuerte corriente instantánea
de carga podrla dafilar el transistor serie T2.
A veces se desacopla el diodo Zener por medio de un
condensador, truya función principal es observar los
ruidos propios eventuales que ese! componente podrfa
producir.
2.8 REEULADORES SII'IPLES VARIABLES
En algunas aplicaciclnes es netresario tener a disposición
fuentes reguladas que varfen de un margen preestablecido.
155
Se habla en Ésta
{uentes y de sus
secciÉn de las formas
principios básicos.
de obtener dichas
2.8.1 Reguladores Variables de Tensión
Et más simple es el regulador Zener assciado trE¡n un
divisor de tensión variable, Io que =;e lagra tron un
potenciÉmetro. En la Figura 57 se ilustra su circuito.
Evidentemente ésta con{iguraciÉn ngl es muy ¿consejable
pg¡rque conduce a resistencias de salida demasiado altas.
Una solución más racionel consiste ern reemplazart el
circuito anteritlr pc¡r un transistor serie ccrÍl6r aFaretre en
Ia Figura 57, puÉs de Ersa naneFa 5e reduce
considerablemente la resistencia de salidar Ye gue
resulta dividida por el factor ¡ + I del transistor.
Fara obtener rrayor ganancia el transistor serie puede ser
reemplazado por un montaje Darlington. Ver Figura 57.
Fodemos conseguir un Zener variabler utilizando el
tircuito de la Figura SElt consiguiendo de esa manera un
regulador paralelo variable. Este Zener variable tambiÉn
se puede utilizar tromE referencia para un regulador serie
resultando asl, el regulador serie variable de la Figura
5E|. Una ventaja de Éste montaje es que las junturas base
15é
tIItIt{
¡xgEa
a-o¡EEt
oo.Eo.9¡.ILocoNOoLo!t.E=CIoÉ,
IIN
txEt-o¡EEt
t{
¡xgEtaa
o¡EEt
ñ¡o
É,Dc,|!
157
agá0Lg
o0a-o
oEooLoÍt.E=ooÉ,
I
@tf)
É,
=I¡t!o+frl
¡i¡
158
emisor de los transistores 5e trEfi¡pensan mutuamente, desde
el punto de vista térmico.
2.A-? Reguladores Variables de Eorriente
Toda caracterlstica en un transistor en bese comrlnt
corresponde a un valor particular de la corriente Ie-
Variar la corriente de salida suPctne cambiar de
caracterfstica, es decir, cambia Ie.
La variación fe se puede lograr por varios métodos:
Eolocando una resistencia de emi=or variable como en la
Figura 59. Aquf se tiene una resistencia de protecciónt
que cuando el potenciÉmetro está en su valor orlnimot
impide que la corriente supere el valor llmite de la
corriente emiEiclr.
Utilizando comc¡ re{erencia un Zener variable tal corttc sEt
definió. Observar la Figura 59.
Un'rvrrs¡¿oO ruf0n0m0 dc (kll¡nt¡
S¡ción liblioho
159
5l
flEo .slIt
EEta¡l ll
oOc.gbbo(toE
-agso
ogo€otC'oÉ,
a;to
É,DIl!
tar>|G?i€Tr!
J'hÍlt ?h5l slE
É"l.:
160
3. trONTROLES DE VELOCIDAD PARA FIOTORES IE
5, 1 EENERALII}ADEs
Eradualmente la industria, buscando mÉtsdog de producciÉn
más rápidos y =;eguros;r ha adoptado imnu¡nerables equipos
electrÉnicos Fara cubrir sus Propias necesidades-
Podemos decir que la electrónica industrial estudia
fundamental¡nente la aplicaciÉn de las técnica=
electrónicas al control autornátieo de esos equipos y
procElscts industriales.
Las dos razrlnes {undamentales PaFa utiliuar contrsles
automáticos son de tipo económico:
Insuficiente número de operarios para realizar una cierta
función É demasiado costoso el utilizar el número
su{iciente.
l{ayor eficiencia del contrsl auto¡¡ático.
16t
Los controles automáticos eliminan la necesidad de una
supervisión constante de un FrotrElso rutinario. En Égte
Easo, los controles no hacen nada gue [¡n operario de
aptitudes tralificadas no Pudiera hacerr Pelro existen
procEr5o5, que supongln tareas suFGrriores a la habilidad de
cualquier opErrarir¡, bien sEla pr¡rque el prEcEr=;Er implica
parámetros que rio =icln sensibleE' el operario (demasiedo
rápidos, poco visibles, etc. l, bien sea gue el Proceso
impl ica paráfnetro5 sensibles el opererior pElrctr Pera
obtener un control óptimo 5e utilizan tel número de
variables, que un sÉlo oPerario ó variosr aún no altranzan
a rEalizar.
Por trtra partE!, los operarig's pueden trabajar con una
eticientria óptima sólo durante perfodctEi de tiempo
rel.ativamente cortos Y en condiciones ambiEntales
adetruadas. En cambio, los controles automáticos núnca É
rara vez Eie cang,an y pueden s6lr disefiados Para trabajar
prácticamente en trualquier tipo de ambiente.
Las printripales ventajas de lo= equiPos de control
electrónico pueden reEiumirse ast:
Velocidad. Los dispositivos electrónicos opErrari
trráctitramente en forma instantánea.
162
Adaptabilided. Las unidades electrónicas básicas pueden
combinar=;e en un nú¡nero prácticamente ilimitado Ern
formas, de modo que pueda coriseguirse cualquier forma de
seffal ó amplif icación que se desee.
Ausencia de partes mÉviles. Esto suFone menor costo de
mantenirniento y mayor vida útil.
Posibilidad de transmisión a larga distancia. Usando
equipos electrónicos es posible transmitir a distancia
las seftales de control a sitios alejados del operador o
inaccesibles para Él' Esto se tronoce comE telemando'
Etrag ventajas generales, Los equipos electrónicos 5c¡n
silenciosos en su funcionamientot y en condiciones
normales no necegitan cuidados especiales. La energla
requerida es a menuds muy pelquefta y puede obtenerse de
baterfas, tn lugares donde haya red de suministro Atr.
Eeneralmente las ventajas de los equipos electrÉnicos
siuperan en buen grado los inconvenientesr Y comparados
con otrag tÉcnicas de control n ninguna de ellas pueden
mejorar lo que hacen Els;os equiFos.
En modo general
control:
pueden consideraFsEl dos sisten¡as de
1É3
El de bucle cerrado y el de bucle abierto-
El sistema de bucle abierto constituye la fr¡rma más
sencilla, e implica el hecho de que el equipo de control
clpeFa independientemente de la carga controlada.
Ejemplos sencillos pueden ser el control de volúmen de un
radio receptor É el control de voltaje en un generador.
Egte sistema pude opErrar en dos formas diferentes:
trontlnua É discsntfnua (ON/BFFl. Como ejemFlo de la
discontfnua puede considerarse el funcionamiento de un
calefactor, el cual Ee conErcta a la red de alimentaciÉn
por intermedio de un interruptor, cerrando y abriendo el
interruptor puede lograrse una temperatura proil¡edio tromo
resultads final. Por el contrario, si en lugar del
interruptor se utitiza un reÉstator 5E tiene un control
de bucle abierto de forma contfnua. El circuito
permanecerá cerrado, Fero la tenperatura dada al
calefactor dependerá de la posición del reóstatot
pudiendo variárse de mfnimo a máximo de una maneFa
contlr¡ua, Iográndose mayoF exactitud.
En el sistema de bucle cerrado, la salida ó cárga
controlada esta Ligada al equipo É unidad de control a
164
travÉs de un siste¡na adicitrnal de realimentaciÉn- Un
ejemplo =encillo es el del horno ca=iErrct que mantiene 5u
temperatura constante con ayuda de un termÉstato- El
funcionamiento del termóstato depende de la temperatura
del hornor y a su vErzr el termógtato oPera cctmo
interruptor para el circuito del horno, estableciéndose
asf el prc¡cGlso de realimentación.
Este sistema tambiÉn puede funcionar en forma contlnua ó
discontlnua. El ejemplo anterior esi un cascl de control en
forma discontlnua.
A partir de 1940 tomÉ irnportancia el sistema de control
de bucle cerrado en *orma contfnua. Especialotente
tratándose de cargas de tipo mecánico. Este sistema se
troncrcEl con el nombre de servo sistema ó servo¡necanismor y
el diagrama en bloques de Éste puede verE¡Gr en la Figura
áo-
La seFlal de realimentaciÉn proporcional a la trergar =Et
trÉropara contfnuamente con la seflal de referencia a travÉs
de un detector de error para tratar de mantener une
salida de carga constante.
1É5
E:9ooa-coE0oL
6(toL.FEooottC'Eoa-oac=o!t0o3II4¡ÉooEC'LCD.9o
ao(o
EDIl¡.
1C6
5.2 EL t'lOTtrR D.tr.
Los dispositivos rotatorios de conversiÉn de energfa
electromecánica =;on tronocidos popularmente comct máquinas
rstatorias. Están clasificadas tromo máquinas de
corriente directa É si la energla de entrada a las
máquinas trroviene de una fuente de corriente directa. Se
llaman máquinas de corriente alterna, sri sus salida= s,on
periódicas ó si la energla primaria de entrada proviene
de una fuente de corriente alterna'
Una máquina rotatoria es; un generador si convierte
energla mecánica tn energfa elÉctrica y se denomina motor
si convierte energla elÉctritra en mecánica.
Los generadores son usados Para proporcionar energfa
eléctrica a las trasas e industrias, y los motores Para
hacer girar dispositivos mecánicos tales trorno
ventiladores, bombas, aplicacionEls en el uso de máquinas
en sistemas de control, Fara transportar in{ormaciÉn de
una parte a otra dentro del complejo en que operErn.
3.2.1 l'láquinas de trorriente Eontfnua
El debanado inducido de un generador de corriente
conttnua está situado en el rotorr tomándose la corriente
tb7
de É1 á través de escobillas
inductor está en el estator Y
contlnua.
carbón. El debanado
excita tron corriente
de
5e
En la Figura ó1 sel representa esquemáticamente una dfnamo
muy elemental de dos polos. El debanado inducido Eie
reduce a una única bobina con N espira5 truyo5 laterales
representados pcrr ay-a están situados paralelamente
al eje sobre generatrices diametralmente opuestas al
rotor. Este rtltimo gira a velocidad uni{orme arrastrando
mecánicamente For su eje. El flujo en el entrehierro st
distribuye según una onda aproximadamente plana tromo 5e
puede ver en la Figura b2..
La rotación de Ia bobina induce Eln ella una tensiÉn eln
funciÉn del tiempor truya forma de una es semejante a la
distribución espacial de la densidad de flujo. Aún cuando
el fin perseguido Els el de engendrar una tensiÉn
contfnua, Ia tensión inducida en una bobina única E!5
siempre alterna, por lo que se requiere rectificarla
posteriormente, lo que en ocasioneei se realiza en el
exterisr ¡nediante recti{icadores semiconductorers. En los
dlnamos clásicos la rectificaciún se hace mecánicamente
por medio del colectorr euEt es un cilindro formado For
segmentos de cobre (Delgas) aislados entre sf con nrica y
montado el conjunto sobre el mismo eje del rotor aunque
168
oa-c.,Egoo=.E.Fco(,o!toctC'to
=
a
(o
É,3IIL
coF(,l¡¡
dl¡¡f¡,o
Jfr8Éc,l¡,FE('ouroglo
Ro=É,2elr¡o
zoolJ
ü¡oo|
JJ
Universi,j.r.t , ,,t,r,CfI10 dg oCCidCnl¡
Sccrión Eibliotato
'- --Y--'-
169
dcioct
.EE oE:-.-. -E-oügoo5eEEgoEo.E5o
3oo!tITttlJ=:IaÉ-F
9!tOJ'I<o
g€3EEg€-
EEpóocEg
a
Ntg
E3(9l¡.
¡
I
I
I
I
.o¡3ñJ-El¡-a-oo<6ea3
=!!¡oo
OGI
L70
elÉctricamente aislado de É1.
Unas escobillas fijas qt¡e se apoyan sobre la superficie
del colector conectan el debanado inducido trcln el
circuito exterior. Se procede a la conmutación porque en
las máquinas de corriente contfnua el inducido se sitúa
en el rotor. En un generador elemental el colector serla
de la forma indicada en la Figura 6l
Para obtener el sentido de rotación seftaladot Ell lado de
bobina que en cualquier momento sel haya bajo eI polo sur
queda siempre conectado a Ia escobilla positivat y el que
=e haya bajo el polo norte a la negativa. Ef connrutador
realiza una rectificación de snda completa, trans{ormando
la onda de tensiÉn entre escobillas a Ia forn¡a de la
Figura 62.
Si circula una intensidad Por el circuito exterior
derivado de las escobillas, nacerá un Par debido a la
interacciÉn entre los campos magnéticos del rotor y del
estator.
5i Ia máquina actúa tromcl generador éste par se opone al
movimiento t y si actúa tro¡no motorr PáF V movimiento
tendrán eI misnro sentido.
17l
Eon el colector elemental descrito anteriormente e¡El
consigue una rectificaciÉn mecánica, que en el tra5o de
una bobina rlnica trofno la de la Figura ál r e5 una
rectifisación de onda tromPleta. Sitrlan daftos bajo el
supuesto de una distribución senoidal del flujor la forma
de onda de tensión media É contfnua exPreseda
matemáticamente asi:
Ea=tlf Sen ¡rt d(¡*tl =2Ai. *trlN/.,t
I lrJNp
¿
En las máquinas de corriente
expresar la tensión Ea en
mecánica }fm.
contf nua cts
función de
conveniente
la velocidad
Eo¡nolA=Pl2 *lllm
Donde P es el nú¡nero de polos de la máquina-
Haciendo eI reemplazo trorrespondiente:
Ea = PN ./fí p * Utm = ?PHF * n I bO
El devanado de bobina única supuesto carece de realidad
prácticar sE hará necesario exanrinar luego con mayor
atenciÉn la acción del colector, sin embargon Ios
resultados de la ecuaciÉn anterior son suficienter¡ente
172
correltrtc¡s para la rrayor parte de los devanados
distribufdos para corriente contfnuer siempre que N scl
tsme como número total de espiras en s'erie comprendidas
entre los terminales de inducido. Normal¡nentet la tensión
sEt er(pFesa en función del númertr total de condutrtores
activos Za y del ntlmero a de ramales paralelos en el
devanador ya que dos laterales de bobina forman una
espiran V I I a de Éstas están conectades en serie, el
número total de espiras Eln serie será N = Za / ?ar Por lo
tanto la ecuación anterior nos dá:
Ea=PZaf?'aií g lrfm=PZaf a I nlbO
La Figura É3, reFFtsenta esquemátisamente una máquina de
corriente contlnua. El estator es de polos salientes
exitado por una É mág bobinas truyo flujo se distribuye en
el entrehierFr¡ simétricamente alrededor del eje de los
polos inductores ó eje principal del carfipo. Las
escobillas están situadas de {orma que la .conmutacióntiene lugar cuando lss laterales de la bobina
trorrEr=lpclndiente están en la zona neutra media entre los
polos. El eje de la onda de fuerza magnetomotriz (F.m.m) n
del inducido queda situada alrededor de la lfnea de
escobillas. (La posición geomÉtrica de las escobillas en
una máquina real difiere uno=; 90 grados elÉctricos de Ia
posición indicada en el dibujot debido a la forma de las
173¡
0=carEoc,o!toÉE-ctEEÉ='oÍtC'.g€
Eo=¡too
:E(,oa-EoooLÉLoÉ,
tÍt(o
É,:tI|¡.
-.r}-Yog)2>\
¿''l :-5l5,3íE
L74
tronsrxiones del colector, Fara mayor sencillez normalmente
5e represEntan los circuitos como Puede verse en la
Figura É3.
Arln cuando tanto el Par magnÉtico tromo la tensiÉn
inducida son independientes de Ia forma de onda de
distribuciÉn de flujo, continuarcilnos g;uPoniendo que la
distrihuciÉn de ta densidad de flujo en eI entrehierro es
senoidal. El par puede determinar5e partiendo de lss
caroFE E¡ magnéticos, e¡(presandose en f unciónr de la
interacción del flujo de excitación por polo en el
entrehierro fr d y !a trg¡npon6rnte espacial fundamental r Fa
de la onda de F.t'l.l'1. del inducido,
Eon las escobillas en cuadratura, el ángulo formado por
Éstos trampos es 9O grados elÉctricos asl el par está dado
por:
J=itz (Pf2f frd*r
El valor punta
inducido y de su
vercEls Éste valort
de la onda
conponente
entonces¡
triangular de
fundamental Fo,
la F.l'1,l'l de1
e=deA¡¡Í
2iia f,r ia=f= PZa f
175
Ka * ñd i" (3. 1)
()cio
-cE.i:ot.--gr--¡'-E3=€=o-C'OE€
3É-41EgEotEgE
It(o
É,DIl!
i€6g'a=F5FL
176
Siendo Ia
inducido Za
inducido á
mismo, y
la intensidad en el circuito exterior del
el número total de conductores en el devanado
eI nú¡nero de circuitos en paralelo en eI
Ka = PZa f Z'if a
Una constante que depende del disefio del devanado.
El etecto de distribuir el devanado en varias Fanuras
puede verse en la Figura é4, en la que cada una de las
senoides rectificadas cctrresPonde a la tensión inducida
en cada una de las bobinasr siempre que la conmutación
tenga lugar en el momento en que sus laterales pasen pur
la rona neutra visto desde el colector la tensión
inducida no eE más que la suma de las tensione=i
ractificadas inducidas tn cada una de las bobinast
conectadas en serie entre escobillas y en Ia Figura É4t
está rErpresentada por e . Eon unos doce segmentos É del
gas por polo en el colectorn .las ondulaciones se hacen
muy pequeFfas. La tensión media inducidat observada desde
las escobillas, se obtiene de la ecuación:
ea = Pflbob fn gd * Ufm
número de espiras
t77
Siendo Nbob el de una bobina. EI
devanado distribufdo con E
paralelos entre escobillast
bobinas conectadas a circuitos
Ia tensión en Éstas es:
ea =E/a* e&bob = PHbobtr /.i| a *gd *l¡'fm
2 siendo 7a el número total
en el devanador Por tantol
Fero lt tr
conductores
=7-al
activos
de
ta = ( FZa f 211 a, * Od lrfm = l{a * ld * hfm
Comparando !a ecuasión (3.1' EEn la anterior se obtiene:
ea*i" = Thfm
Esta sencilla ecuación nos dice que la potencia elÉctrica
instantánea relacionda con el Par magnÉticor fluyendo
dicha potencia en unct u otro sentido segrln la máquina
actrle coflro generador ó como motor.
El flujo en el eje magnÉtico principal es debido a la
F.t'l.tl. combinada {l{e if de los devanados inductorest
y la relación f lujo F.l.l.l.l. Para la geometrf a particular
del hierro de una máquina viene dada por la
trorrerspodiente trurva de magnetizaciónr de I'as que la
Figura 65 es un ejemPlo en el que'scl ha puesto que la
F.l'l.l'|. del inducido no tiene efecto sobre el f lujo en el
178
Eje printriFal r ya que tug ejeg
perpendiculares entre sf .
respectivos
Eiiendo ta F.Fl.l'1. inducida proporcional a la velocidad de
variación del flujor ES más conveniente trazar la curva
de magnetización en función de la F.e.m. inducida e a
la velocidad uniforme hlmo. trofi¡o se observa en la Figura
45.
Eon un f lujo dado, la F'E-ltl. inducida e a cualquier otra
velocidad bla es; proporcional a Éstar es decir:
=a / l¡fm = Ka frd = .ao / ldmo
=a=hfm/l{mo eAo
La Figura É5 cctrrErspclnde a la curva de magnetización tron
sólo un devanado inductor excitado.
En el sistema mostrado en la Figura éár supEnga¡nos que
los lineamientos de construcción de la estructura
magnÉtica son tales que la reluctancia de la trayectorfa
magnÉtica no varfa conforme el rotor cambia su posición.
Esto significa que las inductancias propias L, Y Lz de
los dos embabinadosr [D varfan respecto a {, (supongamos
ó
Uninnid¡d luloneno dt llGddülr
Sación libl¡oico
179
_._._.v.--.q
C'=c-g0(to!to.5=-ct-E'Eoc=oEc-o6C'Na-c'cC'C'Eo!toC'L
=()
a
ro(o
É,3I|¡.
=a$-z,1r,l
ra-*zl^l
ottT-Iat--I
180
c'o'6C'a-C'xoo9ooa-co.t ||-¡o!tcoC'
.9¡¡o.FC'.FoS
oC'{-rocIC'EC'Eo66
a(o(o
É,
=I¡r
181
que eI rot6r gira a una velocidad angular constante lrlt de
mod que 4 = Ht). La inductancia mutrla de los embobinados,
l'f variará trsn & | PErque la orientaciÉn de los dos
embobinados entre sl, cambia conforne cambia .Í r Y
trctnsecurnternente cambia el acaplamiento magnÉtico entre
ellos. La magnitud de la inductancia mutrla l'l (J ! es
máxima cuando los dos embobinados están magnéticamente
alineados a lo largo del ¡nis¡no eje. Euando los ejes de
los dos embobinados Bcrn perpendicularnrente entre sf r Fl(¿)
ErE; trero.
El valor de l'l(¿ ) en otras posiciones depende de la
distribución espacial del trampo magnético en el
entrehierro. En la mayorla de los traductores prácticos
ésta distribución puede considerarse senoidal- Si Éste se
suponÉr que es el traE¡o de la Figura ÉÉ La variaciÉn de Ia
inductancia mutrla con respecto a está dada For:
l.l (¿l = l.lmax Eos "C
JEe mide a partir del eje del embobinado estacionario.
El valor de ¿ = O implica que los dos embobinados
están alineados a lo largo del mismo ejer y gue 5u
orientaciÉn es tal que los flujos devidos a i, (t), El
i2 (t) se suman en la trayectorla magnÉtica mediante
TE?
procedimientos n¡atemáticos llegando a la ecuación:
t V I = t E R I + P t Lz I + t L*l bf ] E I l
Donde t L"cl es la matriz de inductancia en srovimientot y
tiene valor rnáxims cuando los ejes magnéticos de los dos
embobinados están formando ángulo recto entre sl- En
otras palabras, la inductancia en rnovimiento es máxima
cuando ta inductancia mutúa E=; cero. EI término P E Lzl
E I 3 representa los voltajes inducidos, puesto que eI
tÉrmino t L< I hf E I J represente los voltajes inducidos
y en movimiento, no alcanzan al mismo tiempo su náximo y
mlnimo.
Los motores usados comEt dispositivos de posiciÉn pueden
considerarse trctmo dispositivos linealest puesto que el
diseffador hace todos los es{uerzos que permiten esegurer
gue opclrarán en el rango lineal de sus caracterfsticas de
magnetización, de suerte que el cernpo magnÉtico es
directamente proporcional a la corriente de excitaciÉn y
no hay histÉresis.
El control de los motores D,tr.
dos formes diferentes:
se realiza usualmente en
La armadura se conecta a una fuente de corriente
rBs
tronstante,
tronstante.
de suerte que su corriente Ia eEi también
La excitación del campo en derivaciÉn se varfa. Tal motor
D.C. es llamado motor Dtr de camFcl controlado.
La corriente en el embobinado de carnpo en derivación sr
mantiene constante, de suerte que el campo magnÉtico clti
constante. La armadura =¡c! conecta a una fuente de voltaje
variable. Tal motor DC es llamado motor DC de armadura
controlada-
La Figura 67 muestra un motor Dtr de campo controlado
acoplado mecánicamente a una carga. En Éste cestr la carga
está directamente acoplada al motor. Eiin embargo,
generalmente se usan trenes de engranaje entre el motor y
la carga. La entrada al embobinado de campo del motor es
vp (tt. La velocidad angular del motor y de la cerga,
lrfm = Hu se considera cc¡mc¡ la salida. Los términos R, y
LF son la resistencia y la inductancia respectivamente,
del embobinado de campo ; if (t) es la corriente, ig (tt =
Ia es la corriente de armadura cor¡stante, Jm y f- , scrn
el momento de inercia y le fricción viscosa asociada al
motori v Jr_ y Fr. son los parámetros eorrespondientes de
la carga.
184
oEge.FcotoÉLEoC'
oIt
ctc¡so
Jo
=
tEo¡5'(,0
a
¡-@
É,D(tl!
tB5
En la Figura 68 se repFeselnta un motor DE de armadura
controlada. La trarga está acoplada mecánica¡nente a la
armadurar va Eea diretrtamete É a través de engranes-
El voltaje aplicado ala arrnadura es Va (tl; Rat es la
resistencia de armadura; La, la inductancia de armadura;
ia (tl, la corriente de arr¡adura y el voltaje generado en
la armadura eb (tl.
3.2.2 Regulación de la Velocidad del Flotor Electrico
La industria requiere frecuentemente motores elÉctricos
Eln los que sea posible varier cotl continuidad el número
de revoluciónes; otras veces interesa mentener constante
la velocidad, ante variaciones de la trerga.
Et motsr casl exclusivemente usado, es el de corriente
contfnua dada la gran facilidad tron que se puede obtener
dicho control, actuando sobre el circuito de armadurat É
bien sobre eI de excitación.
La velocidad rotórica de un ¡notor asincrónico (ca) r viene
dada por Ia expresión:
rl = (éO * f ) f p
1BÉ
o!tC'ob.Fco3t
oL=!tC'Eboo!t(tc¡Lo.Fo=
I
@(o
É,
=IlL
LB?
Siendon=F.p.mi+-Hz; P - pares de polos.
Por lo tanto para lograr una variaciÉn de velocidad
deberá actuar sobre:
5€!
Variando el nú¡nero de polos. Esto obliga a contrufr
nrotores vsluminosos y pesados; además Ia variaciÉn de
velocidades no puede hacerse gradualmente¡ sino a saltos
bruscos (5OOOt l5OOr 75Or óOOr lOO r'p'm).
Este procedimiehto se denomina Dahlander y suele hacerse
mediante cc¡ntactoreg.
Varianda Ia frecuencia de la red: Éste mÉtodo precisa
disponer de una fuente de alimentación de potencia
separada, cuya frecuencia y tensión puedan regularse a la
velz y en razÉn directa una de otra. Una instalación de
Éste tipo resulta muy cara.
Variando las registencias retóricas. Eonsiste en conectar
en los anillos colectores del rotsrr y en serie a log
bobinados rotóricos, unas resistencias variables.
Cuanda se emplea Éste mÉtodo, la velocidad puede variarse
de forma contfnua sin saltos brustrosr y dentro de un
márgen amplio.
lBB
Sin embergo debe tenerse en cuenta la pÉrdida de potencia
sobre las resistencias aFtadidas, que eln ningún trasE Els
despreciabler por Éste motivo el rendimiento de éste tipo
de instalaciones es muy bajo.
Por los motivc¡=i que acabamos de exponelr y Pclr la gran
{acilidad que hoy en dia es posible obtener corriente
contfnua regulable (mediante los modernos EitrR'Sl r 5t
prefieren lo= mstores de Ec. t Para regular la velocidad
de giro.
El rnotor ctr, , EI=i una máquina que trcrnvierte una potencÍa
elÉctrica, en una potencia mecánica al eje de rotación.
El principio de funcionamiento 5e basa en los fenÉnrenos
electromagnéticEsl Ésto tsr en el hecho quGr una espira
libre al girar alrededor de su ejer Y recorrida por une
corriente contfnua, sumerja en un caítpo magnético normal
al eje se traslada de forma que tiende a abrazar en todo
¡nomento el flujo ¡náximo. El Far resulta máxino cuando la
espira ns abraza el flujot y nulo cuando corta el tlujo
máximo. Disponiendo muchas espiras iguales y radiales aI
eje de rotaciÉn común, con el artificio de alimentar
únicamente la espira gue no csrte el flujo de llneas de
fuerza (mediante eI colector de pacinotli l t s;e logra
tener en el eje un Far tronstante en el tiempo.
Uninridod aulooomo dc ocid¡nhS¡rci6n libliol¡o
tE9
Las espiras rotóricas, trc¡rl su movimiento cortan un flujo
de Ifneas de *uerza, induciéndose a ellas una tensión
alternar eue por e+E!trto det trolectorr 5t manifiesta en
los extremos de Ia máquina, trrtrno una tensión
unidireccional que sEr ctFone a la tensión de alimentación;
recibe el nombre de fuerza contraelectromotrlz (E!.
Finatmer¡te, debe tenerse en cuenta La cafda de tensión en
los bobinados rotóricos.
Las ecuacione5 gue. regulan el comportamiento del motsr
Ec. , sori en general I
V=E+Ra Ia
E = K.hf.Oe
Em = Ki.O.Ia.
Pm = K .hf.trm
Donde V = tensión aplicada en los bornes del ¡nstor.
E = FuerEa trEntraelectromotrl¡.
Ia = Corriente de armadura.
Ra = Resistencia de armadura.
(5.21
(s.3)
(3- 4)
(5.5)
190
Oe = Flujo de excitaciÉn.
lrl = Velocidad angular.
Em = Par mator.
Fm = Potencia mecánica.
Una de las traratrterfsticas mas estimables del rnotor
Ec., EIei su capacidad para sfrecer un amplio márgen
velocidad con sencilla regulación.
Es importante el hecho de que eln generalt pueden
emplearse en tales apticaciclnesi con buen rendimiento los
motores serie, Shunt Y Compound de trtr. pctrque las
variacione= de tensión de ar¡nadura y de f lujo de
excitación, cuands se efectúan adecuadarnenter in{luyen en
alto grado en el comportamiento de Éstos motores'
De las ecuaciones (S.?) y (3.31 expresadas arriba siEl
deduce:
l¡l = E I H.Oe = V - Ra. la f K.Oe (5. ót
Esta rlltima ecuación inditra que la velocidad de un motor
elÉctrico de cE. r puede regularse haciendo variar la
tensión de armadura (V) É bien el flujo de excitaciÉn
de
de
191
(ñel .
El motor pre{erencialr¡ente usado es aquÉl de excitación
idependiente, ya que ofrece la posibilidad de realizar
separadamente tanto el cantrol de armadura tromo el de
excitación.
Para pequeFfas potencia5, s6l e=tán difundiendo con engrffle
éxito 1o= controles elctrÉnicos de velocidad de ¡notores
univer=ales, es decir motore5 trori excitación serier Que
en tantas aplicacionel=i industriales y domÉsticas sEl
encuentran.
El control de armadura y el control de excitación deben
proyectarse teniendo c¡¡ttto referencia valoFglg¡ de placa
facilitados por la casa constructora; especial la tensiÉn
de armadura (Vbl euEr no debe ser superada, Ptrr motivEs
de aiElamiento, la corriente de excitaciÉn (Ieb) r la
corriente de armadura (Iab! PEr motivos de
calentamientos.
Estudiaremtrs ahora el nrotor cc. r tron excitaciÉn
independiente en condiciones de trsbajo Ilmitest ésto est
tron par máximo y tron potencia máxima.
El motor está parado, dispuesto al arranquErr B[ éstas
19?
trEnditrione5 sEt le exige el par máximo. Por lo tanto
deberán ser máximos el ftujo de excitaciÉn y la corriente
de armadurar mientras deberá deducirse !a tensi$n de
armadura ya que la fuerza contraelectromotrlz es nula en
el momento de arranquel.
El r¡otor girado a uná velocidad comprendida entre trero y
velocided norninal (nb), debe mantenElrse trabajando a par
trEnstante (par máxima) r para quE! ello =ea posible, el
flujo de excitaciÉn y la tr¡¡rriente de ermadura deberán
5er máximos. Pero aI girar eI rotor la Fcem. (E) ha
aumentado, y por csnsiguiente deberá incrementarse la
tensiÉn de armadura (Vl a {in de mantener la corriente Ia
constante al valor máximo (Iab); trclnstcuenter¡ente 1a
potenci:r trFece! linealmente.
Ei_pm=Ks*EIao (5.7)
Si Ahora deseamos superar el nú¡nero de r-p-m (nb) de
placan nE¡ se debera increotentar la tensiÉn de armadura
(Vbl a -tin de garantizar el aislamiento de los bobinados.
Ebservando la ecuaciÉn (3.é) anotadat st llega a Ia
conclusión que el único modo de aumentar todavfa la
velocidad del ¡nstor es reduciendo el flujo de excitación
(Oel, mientras que los demás valores Vht Ebt Ibr de placa
193
deben Ferr[anetrer constantes. El
ley hiperbÉlica:
Far ¡notor disminuye según
Pm=K¿*Em*l¡l (5.8!
Para velocidades inferiores a la velocided nominal r o
velocidad de placa (nbl t el par sEr mantiene constante y
el control debe e{ectuarse sobre el sircuito de armadura-
Por lo tanto el control de arnadura es Far tronstante-
Para velocidades superiores a Ia nominal., Ia potencia
rltil permanece constante y el control debe efectuarse en
el circuito de excitación. Por lo tanto, el control t de
excitación es una potencia constante.
Respecto al mÉtodo de control de velocidad mediante el
cambio de la tensión de inducidor 5E ha de hacer notar
euer perá trarga= sumamente elevadas, es decirr para las
que elevan la catda de tensiÉn ¡i¡ * Ral hasta el valor
de una parte apreciable del numerador de Ia ecuación
(3.É' demostrada anteriormenter Que facilita el valor de
la velocidad angular del eje del motor, los eambios de
tensiÉn producen un efecto de disminución en el márgen en
que puede ejecutarse la velocidad rotórica. Para
cornFensar Ésta pequefla disninución del número de
194
revc'luciE¡ne5 5e
trofitrarElactri oneS t
trcrrriente.
r¡.relen introducir otras
contrarreacción de tensión Y
dos
de
Las contrarreaccioneg
(real imentacisnesl sirven
tensión y de corriente
sÉlo para la estabilidad del
de
no
número de revoluciones, sino coftlo protección ante
sobretensiones y sobreintensidades transitorfas.
3.2.3 Earacterfsticas de Trabajo en Estado Estable de
Diferentes Tipos de }lotores Il.E.
Los métodos analizados en la secciÉn anterior D sea los
de ar¡¡adura y trafnPo cantrolados, los embobinados están
conectados a fuentes di{erentes, de suerte que la
corriente en cada embobinado, puede controlarse
independientemente.
Estos mÉtodos son usadcts en siste¡¡as de control y lss
motores pueden considerarse trctfntr dispositivss lineales.
Eie considera otra aplicación de los motores DEt o selat
para usarlos en el ¡novimiento de cargas de tamaFfos
diferentes. En Éste método de operación el embobinado de
trarnpo y el de Ia ar¡radura están conectados en paralelo á
en serie a travÉs de la ¡nisma fuente Dtr.
195
Si el bobinado de campo está conectado erl paralelo con la
armadura, el fnotc¡r se denomine ¡notsr derivaciÉn (motor
shuntl r si está trrrnetrtado Grn serie, es llamado mErtor
Seri t.
Algunas vgtceE se utiliza más de un embobinado de cafnpot
ur¡o de ellos se tronetrta en paraleltr a la armadura y el
otro en serie con el la. Estos motEres¡ s,c'rl llamados
mg¡tore5 cofiipue5,t¡¡5 (motor campound). Los diagramas
esquemáticos de los motores Dtr en derivaciónr comPue5to y
serie se ilustran Erfi la Figura &9, y los circuitos
equivalentes Fara oPeraciÉn en estsdo estable sEl muestran
en la Figure 70.
Las traratrterfsticas de trabejo de éstos mEtorest
especialmente Ei 5e trata de motores de gran tamafifot
e5tán in{Iuenci¡das Eln gran magnitud, por la presencia de
saturaciÉn en sus estructuras magnÉtitras.
Eonsecuentemente, los análisis que de5precien Éstos y
otros e+etrtgs no linealesr ñE explican comPletamente el
comportaniento de éstos dispo=itivosr 5E analizan las
caractertsticas de estado establer a saber:
Par Vs corriente de armaduFá.
Par Vs velocidad angular.
19É
qtqcio.6 €q'6 goE Ée€ 8SSL¡.o oo+.Fa-o oo= ==
Io@
É,
=(9LL
19?
C'¡¡oCL
:.e€sOt- o9EÉ=E trco0
.F
-ú,'69'6ÉEECL(,oLe9Egú,O-{-cco'oE'g'= .=sg8b.F TF'-oe=(5
of-
É,fI|¡.
198
Velocidad angular Vs corriente de armadura.
Par Vs corriente de armadura.
El para desarrollado en una máquina Dtrr está dado Por!
Ktp = K? KF
Donde H depende de los parámetros de la máquinan y Ke eg
una constante que relaciona a 1a corriente en el
embobinado de campo y el campcl magnÉtico establecido por
elle en un medio magnético lineal r cl see!
Flt, = KF i(t'
Para un motor D.C.
i, (t) = ia (tt
Usando un sublndice tnr el Far de desarrollo puede
escribirg;e como!
Tm(tl = K¡ Kp if (tl i. (t)
Para un motor D.tr. r linesl. Esta ecuaciÉn puede
escribirse Ern una forma más generaL ccrmcr:
Unlrusldod auronomo dc ttaid¡nt¡S¡ción liüliofco
199
Tm(tl = K? 0 (t) io (t)
La ecuaciÉn anterior puede u=;erse aún cuando estÉ
presente la saturaciÉn (Ia histÉresis y Ia reacciÉn de
armadura deben despreciarse). Eajo condiciones en estado
estable, el par desarrollads por un motor D.E. está dado
pEr:
T¡n=Y2F Ia (3.9!
El motor derivaciÉn D.C. F es constante
constante asl la ecuación anterior queda:
si Vt es
Tm=ryF ra=Kr Ia
El par varfa linealmente crtn Ia. La corriente de armadura
Ia se incrementa confor¡¡e la carga mecánica del ¡aotor sEl
incrementa.
La variación se muestra en Figura 71. Para el
compuesto D.C.
motor
Eompue=to acu¡nul ati vo.
El flujo F se incrementa con{orme fa incremente, o sea:
200
eC'CL
o¡.=EiEbE(,,O¡tro{-s3c=oÉL.EE
EC',-E:E;g-.1EAoÍt
C'ÉoC'á8b9toÉEE-g
J
o-I3ILo
ttJ3táoa
3aat¿¡lC¡
-IoIr|3
CaeaIo29,
aI¡É
t
t-
É,f(9IL
20L
fr-fra*Ia
Et increr¡ento está limitado par la saturasiÉn y la
ecuaciÉn (3.91 nos queda:
Tn = R7 í la = K7 ñ"rt * KI Rz ra
Eompuesto di f erencial :
FlujoF=fra-KzIa
Tm = *? I ra = K7 fro ra - K2 *y r"t
El par puede invertirse y llegar a seF negativo Para
grandes valores de Ia.
En el motor serie trtr., el flujo fl es directamente
proporcional a Ia para valores pequeFlos de Ia y una vez
que los pol.os se saturan fr permanece constante. Por
consiguiente, pará valores pequeftos de Ia.
Para valores grandes de Ia:
Tm=RfF Ia=Kg ri
Tm=KgflIa=K+ Ia
20?
Earacterlsticas par Vs velocidad angular:
De La ecuaciÉn (3.9) se obtienE que!
Vt = IaRa + Eg = IeRe + Kg Ohl
De la cual obtene¡nos:
Ia = (Vt - KXQWI ./ Ra
Sustituyendo la ecucación anterior en la ecuación (S.?l
se obtendrá:
Tnr = rH7 * vt) / Re f, - ffif ñ2) / Ra hl
Para el motor derivación D.tr. r donde el flujo es
constante la ecuación anterior ncrs queda:
T¡n=A-Bhl
DsndeA=(K7*Vtl/Ra P yB=lr*í ñ21 /Ra
Son constantes. La curva Tm Vs l¡f se muestra en Ia Figura
72.
En el motor serie D.tr. r el f lujo varfa lineal¡nente trtln
?o3
t€cc)ooB$s9b=oE>
9.3|'to;i;=EÉtHEg
E,E
É E€'A a É
:g E
e;e€HE
€,t;E9:3'E SEo €
€'
Eá9E
5lJ¡É
";F
IEt(9IL
tLgtoc0
204
Ia, para vaLores pequeftos de Ia pernranetre esencialmente
constante, Fara valores grandes de Ia los polos sE!
saturan.
Asf pare valores pequeflos:
fl=HF Ia (3. lo)
Vt = Ia (Ra + Rse) + Eg = Ia (Ra + Rse) + K Ohl
Sea Ra + REe = Ra entonces:
Ia=Vt/Ra*KtKfhf
Siubstituyendo la ecuaciÉn anterior y la ecuación (3.10'
en la ecuaciÉn (3-9) se obtienE!:
Tm = Kg KF Vtzf tRa + K? K¡ Hf
Para valores grandes de Ia, O es esencialmente constante
asf:
Tm=K, Ia
l(4 =KYF
Donde,
?05
v
Asl se tiene!
VT = Ia Rra + lC l^l
Ia=(Vt-K+Nl/R'a
Tm = ( H4 vt / R'a ) - ( Hi./ R'a l hf
En ls Figura 7? se presentan las caracterfsticas de Tm Vs
¡rf para valores pequeffos y valores grandes de Ia
respectivamente p:rra D.tr. serie.
Las caracterfsticas par Vs velocidad de los motores
compuestos pueden obteners;e er¡ for¡na similar.
Uelocidad en estado estable Vs corriente de armadura-
La fuerza electromotrlz Eb es:
Eb=vt-IaRa=HgÉhf
Donde Rá = Ra en el notor serie y Rá = Ra + Rse en un
motor serie ó compuestos, asl puÉs:
ld=Vt-IaRá tt<tfi
?o6
Vt, Rá y K7 son constantes.
En el motor en derivaciÉn D,E el flujo es constantet si
el efecto nregnetizante de fa no eE significativo. La
ecuaciÉn anterior puede escribirse asl:
b¡-(vtlwXg l - (Rálj2í]- *Ia=1,1,,"-RátR19 la
Donde üf Els la velocidad sin carga. La variaciÉn de ld
respecte a Ia se muestra en la Figura 73.
En el motor serie D.tr. el 'f1ujo varla linealmente con la
corriente Fara pequeFlos valores de Ia, y es esencialmente
constante paFa grandes valores de Ia.
Fara valores pequeffos de fe donde O = H Ia tenemos:
$f =(vt-I¿Rál |\ K¡ra=(vttKlK¡Ia)-RáIK7 l<.p
Fara valores grandes de fa:
hf =Vt IaRá trcarV =Vttt<?F -RálR7F* Ia
La variación de l¡f con rErspecto se muestra Eln Figura 73.
Fara el motor compuesto acumulativo:
2D7
Et.9=EtoI o
btggELtr9
-oa€3oe?E=o+C'-b9-'-al¡-to¿a,o
t-5EE=t'=>9sasÉloErqtc¡
a00rrb-o=a-.=O5EEo-o3e
dF
E3IIL
oH
0=?IEbo€oco
g
c
''
208
fr=fro+K Ia
Donde O está limitado por la saturación asf:
hf =Vt-IaRá f Kq lfra+Ez Ia)I
La velocidad sin carga:
Hnr- = Vt | ]9 Fo
Eonforme se incre¡nenta Ia la disminución en el nun¡erador
Els rrtenor gue el increnrento Eln el denominador.
Eonsecuenter¡ente La trurva de velocidades Vs corriente
decae trEfrE¡ se muestra en la Figura 73.
Para el ¡nstsr compuesto diferencial tenemos:
l¡f =Vt-IaRá ,R?(Fo- K2 Ia)
La disminuciÉn Eln el f lujo rs más rápida que la
disminuciÉn en el numerador, poF consiguiente, hf se
incre¡nenta conf orme Ia se incremente (ver Figura 73r. .La
velocidad sin carga es Ia misma que el ¡notor compuesto
acumul ativo.
Unir¡ridod lülonomo d¡ 0aii¡nhScrción l¡blioho
209
3.3 FUNtrIONAT.IIE]IITTT DEL StrR
En condiciones normales de funcionamiento, el StrR sólo
conduce cuando el ánodo es positivo con respecto al
cátodo, o sea cuando presenta eI estado de bloqueo
inverstr. 5in embargo, está conducciÉn no tiene lugar
i nmedi atamente. La Fi gura 74, ¡nuestra I e trurva
caracterfstica de la corriente en función de Ia tensión
de polarización Fára un StrR con el gate libre. Se observa
que la aplicaciÉn de una poolarización directa entre
cátodo y ánodo, sólo permite al principio la circulaciÉn
de una dÉbil corriente, llamada corriente de bloqueo
directa. Esta corriente perÍnanetre sensiblemente constante
a medida que se incrementa la polarización pero aumenta
súbita y rápidamente cuando ésta alcanza un valor llamado
tensión disruptiva directa. A partir de Éste momento el
StrR se dispara y FermanetrEr en estado de conducción
mientras que la corriente no descienda por debajo de un
valor mfnimo, llamado corriente de ¡nantenimiento, ó no se
invierte de sentido, comct =ucede automática¡nente si Ee
trata de corriente alterna. Cuando la corriente anódica
Ers inferior al valor de mantenimiento, el tiristor vuelve
al estado de bloqueo.
Si se aplica al tiristor una polarizaciÉn inversa, entre
ánodo y cátodo, también circulará inicialmente por é1 una
21ü
I
T!coE7!(,
É,()U'
E=googJotoLrF
fJC'
'oa-c.g¡-¡'o(,ottC'.9a.oLo-c,C'¡-E'C'
os=o
ooaE.9o€oEgt6FO=LOo
.Eto¡.5EEFg6-9(r!
To
f:€EaoETÉ€
rff-
É,DItr
2T1:
dÉbil corriente que se distingue por el
corriente de bloqueo inversa.
nornbre de
Sin embaFgor si la polarizaciÉn aplicada llega a rebosar
un llmite llamado tensión de descarga inversar 1a
corriente aumenta súbita y vertiginossmente destruyendo
la estructura interna del tiristor por calentamiento
local excesivo de sus cristales.
El tiristor puede tambiÉn dispararse PEr medio de
polari¡acionts directas in{eriores a la tensiÉn
disruptiva, si se aplica al gate cierta tensión positiva
respecto al cátodo. La Figura 75 muestra diversas trurvas
caracterfsticas de un tiristor para varia= tensiElnes de
gate. Se observa quE la tensión disruptiva es tanto menor
cuanto mayor es la tensión de puerta. Si ésta e=l
=uficientemente elevada sE! llega a suprimir prácticamente
toda la zona de bloqueo, y el StrR se comporta tronto un
rectificador normal. En condiciones prácticas de
funcionamiento, el StrR s¡Er hace trabajar con una
polarización directa muy in{ericlr a la tensión di=ruptiva
máxima (con el gate librel.
Basta entonces aplicara
de su{iciente amplitud,
en el punto deseado de
a la puerta un impulso positivo
para que el tiristor se dispare
la curva. Resumiendo lo antes
?rl
gEOC
3eE:EEío€r.E.E
EE
og
=o;oEE!:oetEAb9oYtt
É¡=6g'-btoo.F-(,ctab.9;F3etss6*-É,ñc)-U'E9cba
Es
0Etoa
ItaEoI
€€aCO
oLIo.:cas!€€IÉÉ
o|,o€c.oota€Eo
I!oE
oe!EEE.o,5¡
t
EEEoc!EcoEIE
€ac!LLoo
rOF
IT
=IIL
2L3
dicho, un EitrRr :;e dispara, sin necesidad de la
polarización de gobieFno en 5u gate, si la tensión
directa aplicada Es =uficientemente elevada- Sii 1a
tensión de polarización es inferior al valor disruptivo y
no varfa, el StrR se dispara en cuanto scl aplica a 5u
puerta un impulso de tensiÉn positiva la su#icientemente
alto. Recfprocarnente, el StrR tambiÉn se dispara 5i r
pErrnanetriendo constante la tensiÉn aplicada a 5u gater La
tensión de polarizaciÉn alcanza determinado valor. En
condiciones prácticas de {uncionanriento, el SCR sÉlo
entra en estado de conducciÉn cuando 5u gate recibe un
pequelnllo impulso positivo de tensiÉn. Dicho impulso debe
tener su{iciente duraciÉn para dar tiempo a que 5e
estableztra la corriente anÉdica V lo cual requiere
normalmente pocos microsegundos' Una vez en estado de
conduccién, el StrR permanecerá en Él hasta que la
corriente anódica descienda tror debajo del valor de
mantenirniento, que ts muy pequeffo, ó hasta que la tensiÉn
anódica se anule
consiguienter si
convierta de polaridad. Por
aplica al StrR una tensión de
polarizaciÉn alternar €E evidente que sólo será capáz de
conducir durante los semiperiódos positivosr durante los
semiperiÉdos negativos la polarización será inversa y la
conducción cesará automática¡nente. Ahora bienr 5i P¡¡r
medio de un circuito especial de cebado puede conseguirse
que el StrR se dispare en un instante determinado de cada
É
5e
2t4
sefnionda positiva de tensión, se habrá obtenido sin duda
un sistema excelente Pera gobernar ó ajustar !a velocidad
de un motor de corriente contlnua.
Basta en e{ecto, un Fequefio impulso de tensíón aplicado a
la puerta del StrRr elgo despuÉs de haber iniciado una
=emionda positiva de tensión, para modular una potensia
de centenares de vatios a través del StrR.
El intÉrvalo de tiempo que tran=;trurre entre el origen de
la semionda positivar Y tl instante de aplicación del
impulso se llama ángulo de abertura se msdifica el tramo
sombreado de cada semionda positivan 1o cual hace variar
a su vez Ia potencia que recibe el motorr Y Por tantor su
velocidad. De Ésta manera se consigue ajustar la
velocidad de Éste prácticamente a cualquier valor
comprendido entre la gama posible. Euando el ángulo de
abertura sea 45 eI motor girará más a prisa que cuando
sea 9O . Figura 76,
3.3.1 trebado del StrR
De las explicacione= precedentes se deduce que la
facultad que posee un StrR de psara del estado de nÉ
conducciÉn al de conducciÉn (o sea del estado abierto a
cerrsdol, depende la simple aplicación de ur¡ pequefto
215
oo-col-o=€C'Lt.FboaC'
o€o.9=C'Eooo€cIE()U'
o€e.oC\t!€o!to¡F(torhl¡J
a
(oF
E3IIL
9o
$E
ü
!Elr¡E¿EEt€!
-oE
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ÉIoE
EIoCo
IFIoIF
ea5L-
aI
Eoo
tEIL2I
Ioa
.t\ctE
I\Ele,-E
216
impulso de tensión al tera¡inal de puerta. Este pequelto
impulso, llamado sefrlal de gobiElrno ó seftal de disparor es
el que ceba al StrR al estado de conducciónt siempre y
cuando el ánodo reciba polarización positiva resPecto al
cátodo. si se conecta el EicR en serie cEn una Éarga
cualquieFa, y entre los extremos de Éste circuito 5t
aplica una tensión alterna, el strR sÉlo podrá cebarse
durante los semiFelriódos en que el ánodo El=; positivo.
Frovocando en cada semiperiódo positivo, el disparo del
strR con un determinado ángulo de abertura (por ejemPlo ?o
e!Éctricos) se conseguirá transmitir a la trarga una
potencia que sólo trorreponde a une {racción definida de
la total,
Eii la carga eE ur¡ motor de corriente contfnua 1a
variación de la potencia transmitida se traducirá eln una
variación trEn:;Ertruente de velotrided. Existen circuitos que
permiten ajustar a voluntad el rnomento de la aplicaciÉn
del impulso y por trtlnsiguiente proporcionan una amplia
gama de gobierno de la velocidad.
Supongamos que se aplica una tensión alterna al circuito
serie motor $trR de la Figura 77 si de dispara el tiristor
justo en el instante de iniciarge cada senionda positiva
circulará corriente a través del EiCR y motor durante cada
semionda entera. Puesto que el StrR no conduce durante las
717
g€coE€o=É,(JU'
oÉooLoCL.2€o€o=C'oA6EE
:eC'oC'
,8,
=
do'
€bo-
ñF
ED'9|¡.
ru-
g¡emic¡nda5 negativa:;, el motor retribirá la mitad de Ia
potencia tota.l I comEl 5e Ebserva en ta Figura 79. si el
disparo del tiristor se provotra en el ingtante tn que
cada semionda positiva pasa por 5u valor máximo de la
Figura 79n sólo circulará corriente a través del strR y el
motor durante [a mitad de cada semionda positiva. Asf el
motor sÉlo recibirá ls cuarta parte de la potencia
aplicada no e5 diffcil obgervar que la Potentria
transmitida al motor puede modular=iel a voluntad variando
el ángulo de abertura entre o y rBo elÉctricos. Esta
clase de gobierno se llama de faser porque tron Él sEl
modifica el ángulo de fase existente entre el origen de
cada semionda po=itiva y el ángulo de disparo.
La Figura BO muestra un circuito para nodular la
velocidad de un motor de corriente contfnuar Por medio de
un SCR, percl ejerciendo el gobierr¡o sobre la onda
completa de tensiÉn alterna, Es análogo Éste circuito al
de la Figura 77. Sin e¡¡bargor truenta tron un rectificador
en puente suplenrentario, cuya misión es precisamente Ia
onds completa de tensión alternar Er dos semiondas
positivas, Eapaces de atravesar al $trR. Eon éste circuito
sEr puede variar la potencia entregada al ¡rotor de cero
hasta la máxima.
ünir¡sidcd rutonomo dc 0allcttl¡S¡tción libliot¡o
ztq
c€co.gÍto=IJ
o!toL
=JLEIo!tI=C'cC'
Eo[,0O¡.o(,gC'
opLo|FocoLa-
.9C'go.Foo.
a
@t-
É,fIE
\l
220
o!tco.EEo=(D
o!toL.
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C'PLorFoEoL.F
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EIgoEoto=Eao0L
oIg=oat5Lt!
eIA!€g
22L
oa-oCLEo(,oEoÉ,(toE=CooL.ECL¡!totto=I-94¡
o!tg
:9(,o(,t¡3
ao@
É,
=I|!
a|Fc.lLLoC)<F
222
3.4 trIRtrUITTlS DE CEEADtr
Eomo se ha discutido inicialmente, el protrElsEl normal de
disparo para un sitrR es pEtr medio de una señfal aplicada en
!a puerta. Para el tra5o especlfico que n6s atafte se puede
considerar tres clases de seFlal en la puerta:
Seftal Dtr
Sefilal Atr
Fulsos.
3.4.1 Disparo cctn Sefial Dg
Esta es la {or¡na más elemental y consiste en utilizar una
{uente de voltaje DE como seFral de puertat tal troÍtl¡¡ se
ilustra en ta Figura Ell. Básicamente el cirsuits de
disparo está dado por la {uente Vee Y la resistencia
limitadora Rn
EI StrR se dispara al cerrar el interruptor Sr siempre y
cuando la tensión de ánodo sea positiva respecto al
cátodo y ta lfnea de rarga del circuito de compuerta estÉ
dentro de la ztrna preferida de la caracterfstica estática
de disparo. Si el ánodo esta alimentado tron tensión
alterna, el StrR conducirá durante los semiciclos
positivos únicamente.
223
oeato¡-€o'aa-6co(,É,C'ootteC'aoct
6
IED9IL
224
Euando Ia tensión de ánodo eg contlnuar puede utilizarse
tambiÉn cclfno fuente de alimentación para la compuertat
tal corfio se ilustra en la Figura gt.
3.4.2 Disparo con Seflal AL
Una manera muy sencilla de conseguir eI cebado autamático
de un StrR alimentado con una red de trAt es la
represErntada Elr¡ la Figura A2. Una vErE cerrado el
interruptor S,, durante cada :;emiperfodo positivo el
a¡tsdo v la puerta del StrR serán positivos respecto aI
sátodo. La tensión de puerta hará cebar al SCRr V
circulará una corriente intensa de Ir a lz a travÉs del
EitrR y de la carga. Puesto que Ia calda de tensión en los
bornes del StrR di=minuye considerablemente miestras Éste
se haya en perfodo de conducciÉn, al potencial de puerta
se reducirá en éste intervalo a casi EElro.
Durante cada =emiperfodo negativo el ánods del SCR es
negativo y el cátodo positivo; en trrrne;Grcuencia el StrR no
conduce e interrumpe el peso de la corriente' El diodo D,
impide Ia aplicación de una polarización inversa entre
puerta y cátodo durante el transcurso de los seotiperfodos
negativcts. La resistencia R, limita la corriente máxima
de puerta a un valor admisible, y determina por tanto el
instante de disparo del StrR. Por lo tanto en Éste
?25
0b
.E(tco-|'oo¡.oE.9goEbEL
<()EoC'
o€oa-Eo.EgÉ,(,ooI
Ai@
É,fI]L
226
circuito, el ánguto de abertura ó fase será siempre el
mismo para todos los semipertodos positivos. Eon el fin
de variar el ángulo de fase sin modificar el esguErfna
básico det circuito se sustituye la re=istencia fija R
por atra variable cofao 5E! obEerva Eln la Figura E5' Eon
éste artificio 5e logra un ángulo de retraso en el
disparo comprendido entre O y 9Oo elÉctricos¡, según el
valor al cual se ajuste la resistencia- No es posible
incre¡¡entar Éste ángulo por encima de 9o" , puesto que la
tensión de alimentaciÉn y la tensiÉn de trompuerta 5e
hallan en fase. En resúmen, con éste cicuito, se consigue
un gobierno variable de Puerta e uEr determina el
disparo del scR desde el principio de las semiondas
positivas, cuando la resistencia 5e ajusta a un valor
mlnimo, hasta el punto medio de dichas semiondas, cuando
la resistencia se ajusta a su valor máximo-
El circuito de cebadcr en la Figura 84 está constituldo
For una resistencia variable y un condensador Er . AI
iniciarse cada semiperfodo positivo, el eondensador
empezará a trargár5e a travÉs de la resistencia variable y
su borne superior será por tantot cada vez más positivo.
ObsÉrvese qut el potencial positivs de Éste borne queda
precisanente aplicado a la Puerta del strR, Euando el
potencial de puerta sea su{iciente¡nente elevsdo Fara
ditparar al strR, Ésta pasará al estado de conducciÉn y
227
da.gü
gC'
6-o'eo¡-o!to€oE
bCI
()cooo!to.FcoE0É,oü,
o€o€o¡¡o()
a
lft@
É,fIl!
a
228
@
;boL.FEog=.>¡-o¡¡oo!t.9=C'
.ELocoa-¡¡oC'tt'CL
o!tC'¡to(,o!t
ao
É,fItt.:.
Univcrsidod ¡ufonomo de 0ccid¡nl¡'
Sctción liblio?co
229
dejará circular corriente a travÉs de la carga. El tiempo
que el tiristor tardará en ceber es Pretrisamente el
tiempo que el eondensador tarda en trargarse a la tensiÉn
de puerta, que Provotra el disparo, el cual depende sólo
de los valores de R, Y trl
El diodo Dl permite la rápida carga del trondensadEr
durante los semiperfodos negativost haciendo
innediatamente negativa 5u borne superior. Esto es
necesario, puesto que el condensador debe estar enseguida
a punto, para experinentar trtra trarga a travÉz de la
resistencia durante el próximo semiFerfodo positivo.
Este circuito permite un gobieFrlrt comPleto de las
semiondas positivas, es decir, permite ajustar el disparo
del StrR a un ángulo de abertura cualquiera comprendido
entre O y 1BO" elÉctricos.
3.4.3 Disparo tron Pulsos
Los circuitos de disparo con resistencia y condensador
estudiados an.tes dependen {uertemente de las
caracterlsticas especfficas de di=parct Para cade StrR-
Además, el nivel de potencia en el circuits de compuerta
Ez=- elevado, debido a que la corriente de disparo {luye
contlnuamente a través de Ia resistencia R, . Y por
230
rlltimo, Éstos circuitos no se
sistemas de control automático É
facilitan Fara realizar
de realimentación.
El di=paro tron pulsosr ED cambio, puede acomodarse
fácil.mente a Ltn amplio márgen de tolerancia Eln las
caractertsticas de disparo, sobreimpulsando la compuerta.
Et nivel de potencia requerido en. los circuitos de
control por pulsos es¡ además bastante bajor debido a guEl
1a energla de disparo requerida puede almacenarse
lentamente y luego descargarse rápidamente en el msr¡ento
del disparo.
Por otra parter el disparo con pulsos permite el usio de
conponentes y traductores pequeFfos y de baja potencia
para eontrolar StrR grandes y de alta potencia.
tlediante el disparot tron pulsos Ets posible tambiÉn
obtener control del ángulo de abertura entre O y lg0o
eléctricos v realizar además sincronizaciÉn. Por otra
parte, existen gran variedad de di=po=itivos y trircuitos
gue pueden producir pulsos adecuados para el disparo de
un StrR.
La mayorfa de los dispositivos utilizados Para producir
los pulso= de disparot tienen una carasterfstica de
?31
rElEistencia negativa tson dos É tres terminales) y DPeran
descargando un condensadsr en la compuerta del tiristtrr.
En la Figura ElS se muestra la caractertstica de Éstos
dispositivos disparadcrres ó gatillos. El condensador E se
trarga a través de R cctn una constante de tiempo R, Et
cuando eI voltaje del conderisador es igual al voltaje de
disparo del dispositivo, Éste entra en conducciÉnt
descargando eI condensador con una tronstante de tiempo
R2 E, produciÉndose asl un pulso de corrienter QUEr
desarrslla un pulgo de voltaje sobre la resistencia R
(Rz incluye la impedancia de compuerta del SCR).
La magnitud de los pulsos de voltaje Ep y
dependerá de la trurva caracterfstica
disparador.
de
de
corriente Ip
dispositivo
Los dispositivos
funcionan según el
disparadores, más
principio anterior
utilizados y
son:
que
UJT = Transistor de una sóla unión.
PUT =
SUS =
EiBS =
Transistor de una sÉla uniÉn prrlgramable.
Switch unilateral de silicio.
S¡*itch bilateral de silicio.
232
>o(f,8k-O)g,bC'
i€oEEEsb€€€gg€=¡t'g.EÉ\so9€bo9o-o€EsgEgbEC'goooct(,EeP5g()€
rdo
É,fI|¡.
233
DIAtr = Diodt¡ Atr semiconductor switch-
t3.5 trSCILADOR DE RELAJAtrION
En la Figura BA se observa el circuito de un oscilador de
relajaciÉn compuesto pclr un UJT polarizado mediante los
resistores Rr y Rz Para las bases I Y 2 respectivamente.
Et emisor está conectado a un condensador tre llevado a
tierra V una resistencia Re derivada al positivo de la
fuente cc, y un potenciómetro F en serie.
Al aplicar la alinentaciÉn al circuitot Ee comienza a
trargarser con una constante de tiempo (P + Re' tre
Euando el voltaje en el condensador es igual a Vpr Er! UJT
entra en conducciÉn y el condensador se decargat a travÉs
del diodo formado por la uniÉn PN en el UJTr Y la
resistencia R, Eon una trclnstante de tier¡po Req. Ee.
Siendo Req. la suma de R más La resistencia interna del
diodo más R"", .
La constante de carga rrayor que la constante de descarga.
AI descargarse tre el UJT entra de nuevo Eln estado de
bloqueo, puÉs el voltaje de emisEr es menclr que Vpt
comenzando nuevarrtente la trarga de Ce, asf se repite el
protreso de carga y decarga.
?34
F?fcoC'
:EC'oIoL
o!tLo!tg(,6o
a, a?l
t¡,
G,
=Ilt
235
Ls Figura gT il.u=tra las respectivas formas de onda
presentes en terminales del UJT trabajando en el
oscilador de relajaciÉn.
Fuesto que el circuito anterior es un oscilador a base de
un dispositivs de resistencia negativar ES necesario
cumplir la condiciÉn general de Éste tipo de circuito¡ tr
Eea que la lfnea de trarga intersecte la trurva
caracterlstica V, I en la zona de pendiente negativa.
Para {acilitar el entendimiento de proceso sEt considera
le llnea de trarga dada por la ecuaeión R'e = P + Re;
V = Ie R'e + Ve dependiendo del valsr de Re se puede
obtener tres diferentes clases de lfneas de carga.
Si R'e e=; muy grande (Rel ! la lfnea de trarga queda
sélamentsl En la región de bloqueo.
5i R'e es muy pequefta (Re, ) la llnea de carga queda
sólamente en la región de conducción.
Si R'e tiene un valor intermedio (Res l la lfnea de carga
atraviega 1a EEna de pendiente negativa.
Esto queda ilustrado en la Figura BB.
?3É
.5c,C'goLoIt¡.o€gctooo€IEcooEooEsolttss
af-o
É,3Ilt
231
F?:)c3Eool{I¡.{-co(to
C'¡'2(tgcooo
.C¡C's.F
ottgEoNooFcoL{'rt-c¡
a;@
É,fIl!
238
Fara obtener oscialciÉn tls netresario que la recta de
trarga inter=ecte Ia caracterfgtica en un punto sobre la
pendiente negativa.
Ello supone un valor RÉ tal que:
Re min ( Ré { Re máx
La resistencia Re máx es aquella que permite un valor de
corriente igual a Ip y queda definida Por:
Remáx=V-Vp I Ip
Similarmente la resistencia Re min es aquella que permite
un valor de corriente igual a Iv y queda definida por:
Remin=V-Vv f Iv
En la práctica, y debido a que. la variación de Ve en la
vecindad del punto (Vv, Iv) es rnuy pequeffar para as;egurar
el bloqueo del UJT se estroge un valor de Re igual a dos É
tres veces el valor de Re min.
Nor¡nalmente el valor de Re puede variar entre 5 HOHm y
SHohmn el valor de Ee, entre O.O1 r¡ + y O.= rl+.
Unir¡ridod ¡ufonomo dr
Soaión liblioho
?39
De flr;¡nera aproximada
igual a l0O Kohm,
puede expresarse por
asu¡niends un valor de
valor del perfodo de
relaciÉn:
R menor ó
osci I aci Én
v
el
la
TS:Re Ee Ln tlll-nl
5-5.1 trebado trori Transistor UJT
La Figura EF muestra dos circuitos elementales para el
gobierno de la velocidad de un motor de corriente
contlnua a base del cebado tron un UJT. El primero de
ellos rectifica sólo media onda; el =egundo rectifica la
onda completa. Por consiguiente, se utilizará uno de los
circuitos según la cantidad de potencia máxima que desee
entregar al motor de Ia red de A.tr-
En uno u stro el condensador E, se trarga a travÉg de la
resistencia variable R, Euando la tensión positiva en
la placa superior de1 condensador es suficiente para
ventrer la de umbral del UJT, la resistencia entre E y E,
se anula súbitamente, Ct se descarga sobre Rz y cFea una
diferencia de potencial entre lss extre¡nos de ésta
ú1tima. Eomo 1a tensión gue eparErce Eill el extremo
superior de Ra unido a la puerta del StrR, es positiva,
Éste recibe un impulstr y se ceba. En los circuitos más
per{eccionadosn precistos para funciones de regulación,
se substituye la resistencia variable por un transistor
?+0
.ct-gCLEo(,0EEo
oIco.9EoEÉo-FaDco(,octooLo.FoEo!t
€C'ggCIo.G,
aoo
E,
=(9l¡-
z L
Figura 9É.
Eie sabe que basta que una Pequefla corriente en baset Para
gobernar una corriente mucho fi¡ayor entre el e¡¡issr y
colectorr y gue Ésta corriente es proporcional e la
primera. Por consiguiente no hay duda que la corriente de
trarga del condensador E, , puede gobernarse ajustando
convenientemente la corriente entre emisor y base del
transistor PHP, en vez de hacerlo por ajuste de una
resistencia variable.
En el circuito de la Figura 91 se utliza además de un
diodo Zener Dt Fara estabilizar la tensión existente
entre los bornes de amboE transistores. De éste modo =¡el
obtiene una respuesta más exacta de a¡nbos a Ia seftlal de
entrada de Gl,
Fara regular la velocidad
todo momento el valor
compararlo con otro valor
de un motor es preciso saber
instantáneo de la misma
a
v
preestablecido de referencia-
Esta comparaciÉn =iel efectúa cómodamente convirtiendo
ambos valores en tensiones elÉctricasr llamada seftal de
retroalinentaciÉn V seFlal de referencia. La seFtal de
referencia se ajusta pE¡r medio de un potenciómetror la
seftal de retroalimentación puede ser la propia fuerza
?4?
c'ÍtC'a-goEE'ob+oLErEoo
.
]EtEoN't=-F?3co(,o(,oc'¡oscoC'
o!to.==(tLC'
aoo
Elz|¡.
il¿nÍ-HH3,>É5sñ
frfi=
243
os3.9rFC'
oE'o
=o.=()
ocoooLo.9ocEL
69C'¡-oCL
so!toN
5C'ooLocoN
ctÍtc
:e(,!t
a
ol
É,f(t]L
244
trctntraeletrtrsrnotrlz desarrollada por el moterr E hien la
tensiÉn generada por un dlnamo tacomÉtrico montado sobre
el mismo árbol del motor ya que una y otra sE¡n
proporcionales a la velocidad de Éste último; a¡nbss
seFtales sEl cornpaFan mutua¡¡ente eonectándolas en seriet o
b.i en en paral el o, pero siempre en oposi sión de
polaridades. En el primer caso la seftal resultante en la
referencia entre las dos tensioncts (en magnitud y signo);
en el segunda cásr¡ la di{erencia entre las dos
corrientes.
En el circuito de la Figura 92 se observa que la puerta
de StrR, recibe una tensión contlnua positiva Vref
procedente de un potenciÉmetror euEt se ajusta al valor de
2O voltios. Por otra parte el ¡notor de corriente contfnua
alimentado a travÉs de1 SitrR desarrolla una fuerza
cantraelectro¡notrfz Vcem que la velocidad a la cual gira
Ee Eiupone sea de 15 voltios, puestEr que amba= seffales
están en oposición sobre la puerta del StrR actuará una
tensión resultante positiva.
V6 = Vref - Vcem = 2O - 15 = 5 voltios
Esta tensiÉn resultante es la que
de disparo del StrR durante cada
csrriente alterna.
determina el instante
semionda positiva de
243
cl9(toa-c!'.EC'oba-os
.9ItcoLorhoLoE,oo¡cooogLosC'CLEo('C'
o+Lo=CL
Eoo!tC'
==ooEa
NoEDI|¡.
246
Sii la velscidad del motor tiende a variar en cualquier
sentido, la tensión resultante varfa en sentido opuesto y
modifica la fase de disparo, de msda que Ia energla
transmitida al motor tienda a conservar
ajustada con el divisor.
1e velocidad
3.É trEBADO trON PUT
La Figura 93 ilustra un circuito de aplicación del PUT
para disparar un SitrR y controlar la velocidad de un motor
de C.tr.
5u funcionaniento te puede describir de
siguiente:
la manera
El divisor de tengión R, t R" proporciona en el punto A un
voltaje igual a!
VA=Rrl(R,+RZ)*V
Lógicamente Ésta tensión se presenta cuando ge cierra el
interruptor S. DespuÉs de ejecutada dicha acciÉn el
capacitor E, comienza a trargaFse trcln una constante de
tiernpo Rtr. La placa superior del capacitor tr se ve
haciendo más pa=itiva, al transcurrir el tiempo. Euando
la tensiÉn de la trarga se hace superior a V r el PUT
?47
a
oEoE
ocoooEoooC'
o!to.==c,L(t
ocLo.F
.E
:Ecto+EoooLC\oL.9o.c¡.E¡F-DG
I
1Úlo
G)IE
248
tronducr intÉrnamente produciendo una calda de potencial
en RO , la cual dispara al SitrR. Por medio de égte
circuito se puede variar el. ángulo de abertura desde O s
fg0 grados elÉctricoeir combinando la constante de tiempo
Rtr al variar el potenciómetro R entre sus valclres mfnimo
y máximo respectivamente.
3.7 CEBADtr trBN DIAC
El diac es Lrn dispositivo connutador que tiene
esencialmente la estructura de un transistor bipolar(tres capas) r y presenta una carasterfstica de
resistencia negativa, por encima de un cierto valor de
corriente de conmutación IsR.
En la Figura 94 se muestran los slnbolos utilizsdos para
representar aI diac, ast trEtmo =;u trurva caracterfstica Vt
I.
La caracterlstica del Diac es simÉtritra y puesto que Ia
zona de resistencia negativa se extiende a toda la regiÉn
de funcionamienton no GlE¡ aplicable aqut el concepto de
corriente de mantenimiento.
El voltaje de disparo tiene un rango de valores que puede
oscilar entre 20 y 40 voltios normalmente, por Eu
üniunidod lufonomo dr 0dd¡nhSerciún Eibliotoo
24q)
.9ttoEC'(,'t.9boa-3'C'LC'C'
C'b=(t
.9o¡¡E
3t
+¡Irfo
É,D9IL
250
traratrttr simÉtrico.
En la Figura 95 se muestra un circuito básico de disparo
del StrR utilizando tromo gatillo el diac.
Euando el voltaje en el condensador Er alcanza el valor
de disparo del diac, Éste conduce y eI condensador :ie
descarga a travÉs del circuito compuerta cátodo. El StrR
sE! dispara y queda en conducción For el resto del
semiciclo.
Durante la conducciÉn del StrR el voltaje entre ánodo y
cátodo es prácticanente nulo y el condensador permánetrera
descargado hasta la llegada del siguiente semiciclo para
iniciar nuevamente el prcttreso. El diodo incorporado evita
qur se dispare el diac durante log semiciclos negativos
en el que el EitrR está polarizado inversa¡nente y de esa
rnanera se logra la protecciÉn de la juntura gate cátodo.
3.8 CEBADO trOH SUS
El SUS es un dispositivo de voltaje controlads que tiene
una caracterlstica de resistencia negativat Y es
esencialmente un StrR en miniatura que tiene coílPuGlrta de
ánoda v diodo Zener de bajo voltaje entre compuerta V
cátodo.
?51
IJ.9!tCo(,oLoCLoc¡
I
||)o
É,=(t|¡-
252
En la Figura 9É se ¡nuestra tu sf mbolo, su circuito
equivalente y su curva caracterfstica V-I los valsr
tlpicos de voltaje de disFaro Vs varfan entre ó V 10
vol ti os.
La rnayor diferencia entre SUS y un UJT es que eI UJT 5e
dispara un voltaje fracción de otro ( V l y en cambio
el SUS se dispara para un voltaje fijo determinado por su
diodo Zener interno. Puede anotar=e tambiÉn que el SUS el
valor de corriente de disParo Is es rrayor que el UJT y
más cerca del valor de mantenimiento.
En la Figura 97 se observa el circuito básico de disparo
del StrR con el SUS; su funcionaa¡iento es idÉntico a los
vistos anteriormente.
5-9 CONTROLES PRACTItrtrS
El circuito representado en la Figura 9E es muy indicado
para pequeFlos motores É imán permanente ó para motores
SHUNT. El circuito tiene la ventaja de que ctrri un Énico
potenciómetro se puede regular la velocidad y el sentido
de rotaciÉn del motor universal. Et circuito de potencia
comprende dtrs puente rectificadores de media onda en
operación. El disparo de los StrR viene dado por el
transistor UJT sobre las alternancias positivas, É sobre
t
?53
C"
3n
oEg.9oLo(,oLgC'
oL=C'
ooo4¡.Eo
I
a
(oo
É,
=IIL
21,4
U'foCo(,ob0CLo
.c¡
ñoÉ,
=I-lL
25"r
0obo.=E=Lo.FoE
C'L¡¡6¡.-fJ(J
ooÉ,tI|¡.
256
las negativas! según st desequilibre el punte de
trfheastone formado por las resistencias Ra , R+ r Rr , Re,
el motsr girará por tanto Ern uno u otro sentidot según
sea Ia fase de la conronente alterna presente sobre el
emisor del UJT.
Et potenciómetro Rz Ee ajusta de forma que trctn la
resistencia R6 igual a Rs n el condensador C, se trargue
al pedestal de tensiórn insuficiente pera Prctvotrar el
disparo del UJT.
Si ahora sie aurnental el valor de la resigtencia R
accionando el potenciómetro, el puente de hfheastone se
desequilibra y aparetre una seftal alterna entre los puntos
a y b det circuito; Ésta tensiÉn queda aplicada en todo
mamento al condensador E, superpclniendose eI pedestal de
tensión recogido sobre el potenciómetro Rs t haciendo
posible el disparo del UJT. En Ésta= condiciEtnes el
motor girará por ejemplo en el sentido horario. Si por el
contrario se disminuye el valor de la resistencia R" r la
tensión alterna aplicada Et cambia de fase y se tendrá eI
disparo del otro StrR; en Éstas condiciones el motor
girará en sentido antihorario. La Figura 99 se presenta
un circuito que controla la velocidad de un motor tron
excitación independiente, el circuito de armadura es
alimentado For un puente conformado por dos diodos de
?57
oa-co€goCLo!t.E
c'o'6C'.FC'xoco(,
ociLoa-oE
C'boÉL
Iolo
É,3IE
258
potencia y dEE 5itrR.
El disparo de los tiristores Ee Logra mediante un
transistor de unijuntura. Es de notar que cuando los
tiristore= no =ion de gran potencia no es preciso
amplificar los pulscrs recclgidos en la base de uns B del
UJT. La sincronización de los impulsos de disparo en las
EtrR se obtienErn aplicando a Ia base dos 82 del UJT una
tensión rectificada y recortada rnediante un diodo Zener.
La seftal procedente de la dfnamo tacométrica IDT coaxial
al motor de cc.) es comparada trEn Ia seftlal de referencia
recogida en el potenciómetro fi de la regulación de la
velocidad de rotación.
Euando el motor está parado, el trangistor Tr, está
bloqueado puesto que e gu base llega sÉlo la tensión
negativa de referencie.
Eon el Trr bloqueado, Trz y Trr egtará en conducción y
por tanto la carga del condensador E, s;El efectuará Ern
brevfsimo tiempo, al que trtrrresponderá lógicamente un
elevado ángulo de conducción de los StrR que alimentan el
circuito de armadura. Apenas la tensiÉn precedente de la
DT (dfnamo tacomÉtrical igual a Ia tensiÉn de refencia T.,
se pondrá a conducir, mientras que los transistores T¡z y
Trl disminuirán su condiciÉn provotrandb un retardo en la
lfnir¡nidod ¡uionomo do (lcldcnt¡
S¡cción libliolro
23q
trarga del condensador E¡ r disminuyendo el ángulo de
conducción de los StrR. Los tiristores rectificarán sólo
la corriente necesaria para veneer el par motor ó per
resistencia del eje.
El diodo D, sobre el emisor del transistor T", tiene por
objeto impedir la conducción inversa del diodo base
emisor, puÉs tratandose de un transistor planor la máxima
tensión inversa que puede soportarr €5 relativamente
baja. La resistencia de entrada a la DT se ha dividido en
dos partes Rt Y Rz al igual que la resistencia de Ia
tengión - re{erencia R" Y.R+ r con objeto de disponer de
dos filtros T. La emisiÉn de Éstos filtros es eliminar
posibles perturbaciones procedentes de 1a DT que podrlan
afecter al amplificador.
El transistor Tn+ forma parte del circuito que siEr podrla
denominar limitador de corriente. En efectot cuando la
corriente de armadura Ia supera un valor considerado
prudencial, la tensión recogida por el potenciómetro F
es tal , que lleva al transistor T¡4 a trabajar Eln
saturación. Euandtr Ésto clcurra los transistores Tez y
Tr¡ se bloquearán y el transistor UJTr dejará de mandar
los impulgos de disparo a los StrR; Ésta operacián dá por
resultado la disminución instantánea de la corriente de
armadura. El misnro circuito sirve de protección ante
?60
variatriones bruscas de
accidentalmente ó por
la csrriente de
quedar bloqueado
armadura motivadas
el eje del motor.
?'ál
4. ESTABILIZAI}ORES I}E VOLTAJE
4.1 EENERALIDADES
Un estabilizador de voltaje de A-tr. t tiene cotnc¡ función
¡nantener constante eI voltaje alterno a sr¡ salidat a
pesar que el voltaje de entrada (lfneal varie entre
Ltmites inferior y =uperior.
En la Figura lOO se presenta un diagrama general Eln
bloques de un estabilizador. La sección de potencia está
dada normalmente por un transformadorr al que e;e hace
variar de acuerdo a la .in'formación procedente desde la
sección de control. Asl la sección antes dicha recibe
seftal desde la entrada y la compara trEtrt una referenciat
para establecer diferensias y si las hay dá orden a la
sección de potencia para alternar los parámetros
necesarios y asl mantener la salida constante.
?,b2
q
oobogoJ!a0a--OEtoEaotI.9¡Eo0E¡'Logc¡
oo
G=Ilt
:fo-¡lFoc
263
4.? TIPOS DE ESTABILIZADtrRES
4-2. I Electromecánicos con Relevos
Estos estabilizadores tienen un transforrnador cuyo
primario está provisto de una entrada y el secundario de
varios taps. Acoplados a cada taps tenemos un relÉ que se
cierra dependiendo de las variaciones de voltaje de
entrada (Ifnea). Es lÉgico pen=iar que! si cambia el
voltaie de lfnea, la secciÉn de control escoge el relevo
adecuado y ltr enclava, desaccionando al mismo tiempo el
que estaba enclavado-
Las desventajas que presenta Éste sistema Eon!
Reacción lenta y forma de trabajo en bucle abierto o sea
que el voltaje de salida tiene un márgen de variaciónt
que depende del núr¡ero de taps en el secundario-
4.2.2 Electromecánicos con Servonotor
Su principio de funcionamiento radica en un
autotransformador, truyo punto medio es móvil y scl
encuentra manejado por un servomotort cuya posición
dependa del circuito de control (normalmente electrónicolque convierte las varieciones de voltaje de la lfnea en
?,É,4
una Eeffal que reposiciona al servonotor, pera ¡¡antener la
salida en el misn¡o nivel.
Eomo son de bucle cerrado, no hay márgen de variación en
la salida, su desventaja está en que si se presenta un
pico de voltaje rápido, el servomotor no alcanza a
reaccionar y dicho pico Pasa ser recortado, por otro lado
cuando hay cambios rápidos de tensión en la lfnear la
salida presenta variación hasta que el servomotor Eicl
reposi ci crne trorrectamente.
4.2.3 Nrlcleo Saturado
Eomo la inducción de voltaje en el secundario de un
tranfor¡nador depende de las reactancias que presentan sus
bobinasr sE consigue en Éste caso Por medio de
capacitoresr eue Ia reactaneia del primariot sea de un
valor tal que la inducción en el secundario eg máxima en
todo ¡nomento (se satura el nrlcleo Para que el voltaje en
el secundario no sEr suba) r o sea que el voltaje a la
salida es casl independiente del voltaje de entrade.
La gran desventaja de Éste sistema se encuentra en el
hecho, de que al estar saturado el nrlcleo el
transfor¡nador trabaja forzado y si el voltaje de lfnea
sube demasiado, todo el excElso de potencia se disipa en
?63
Él, provotrando la averla en eI mismo.
4.2.4 ElectrÉnicos de Núcleo Seturedo
Están compuestos de un transformador en cuyo primario hay
tres devanados, uno central donde se aplica el voltaje de
Lfnea V dos laterales que se usen pera variar el
coeficiente de inducciÉn.
Un circuito electrónico está haciendo variar el
coeficiente de inducción linealmente con las variaciones
de voltaje en la red-
Por ser de nrlcleo trerrado no hay márgen de variaciÉn a
salida y en cuanto al trctnsumcl de potencia es fl¡enor que
de nrlcleo saturado visto en el aparte anterior.
4.2.5 ElectrÉnicos a Base de Triac
En Éste tipo se tiElnEr un triac en serie con el primario
del transformadorr un circuito electrónico está haciendo
variar el ángulo de disparo del triacr de acuerdo a la
variación del voltaje en la red, pera cambiar la potencia
entregada al primario y asf lograr una salida constente.
Eiu problema consiste en la {orma de onda de salida, ye
la
el
?'áÉ
que el triac produce distorción por trruce de cero.
4.2.6 Electrónicos con Varios Triass
5e tiene un transfornador con varios taps en el primario
y a cada uno de éstos se tronecta un triac. Un circuito
electrÉnico toma una mue=¡tra del voltaje de entrada y en
ba=e a Ésta, se selecciona el triac a disparart tromct en
Éste Easo se dispara el triac durante todo el ciclot r¡cl
hay distorsiÉn en la forma de onda qutl Ee toma a la
sal ida.
4.3 ESTAETLTZAI'OR DE VOLTAJE 34O V t lOU
Especi f i caci trnes!
Voltaje de entrada f15 t 252 VAtr
Frecuencia
Voltaje de salida
RegulaciÉn
Potencia máxima
Temperatura
éO Hz
34O t 10 VAtr
sx.
5 t{vA
70c
2h7
4.3.1 Funcionamiento
Para la fabricación de Éste estabilizador se pensó en 1o
siguiente:
Sie nece=itaba un estabilizador para manejar un sistema de
motores trcln el propósito de garantizar el voltaje de
satida hacfa esos motores un voltaje en A.E. al rededor
de los 34O VAC, por consiguiente 5e necesita un
estabiLizador de 34O VAC t lOlC para el diseFlo.
Se pensó en las diferentes formas Fera diseftar eI
estahi I izador.
Hay estabitizadores magnÉticos donde el principio se hace
a travÉs de un transformador resonante, éste principio te
descartó pués básicamente eE un transformadorr Por
consiguiente ElE un sistema de mucha pÉrdida. La segunda
acción que existla era la {abricación de un regulador
absolutamente electrónico serfa el traso totalmente ideal
pero comercialmente muy costoso, pero pera nuestra
aplicación se ha pensado en no usarlo por dos razonErs:
Primero por los costos muy elevados para su fabricación
segundo teniendo en cuenta que las cargas que vamos
manejar son cergas absoluta¡nente inductivas¡, motores.
v
a
264
5e querfa obviar todos los problemas que un estabilizador
electrÉnico trae para Éste tipo de cargasr entonces sct
pen=ó siempre en una configuraciÉn electromecánica donde
hay parte electrónica que hace todo el manejo de la
información y el switcheo sobre el regulador de voltaje
se hace a travÉs de contacto de relÉsr y EE hace a travÉs
de contactos porquE en Éste ca=io pÉrdidas en milisegundos
de voltaje a travÉs de motores no tiene absoluta¡nente
ninguna influenciar sE dá el ceso de un computador donde
la conmutaciÉn tiene que hacerse en unrt ó dos
milisegundtrs porque de lo contrario se borra la ¡ne¡noria.
Entonces tromct sGl eligiÉ Éste estabilizador
electromecánico, sE! parte del hecho de hacer une
conmutaciÉn de taps en el secundario del transformador
permitiendo de Ésta rnenera que el voltaje estÉ oscilando
un lOZ del voltaje de salida desplazándose hacfs los taps
altos ó hacfa los taps bajos según sea quE el voltaje
baje ó el voltaje suba respectivamente, asf cuando el
voltaje baja el desplazamiento será hacla los taps hajos
del transformador.
Existe además un taps que está ubicado dentro del
secundario del transformador de potencia que Eln otras
trclsas Els un transformador de voltaje elevador tron
caracterfsticas de 12O VAtr de entrada áO Hz y salida de
Uninnidrd rulfnomr & lldd.otfS¡cci6n libli¡fuo
zhq
34O VAtr guE Ern trondiciones de carga serta los 3OO VAtr
estabilizados que se dan cbn los respectivos taps. El de
Éste transformador tiene un csntacto de un relé trR que
corresponde al relÉ de lfnea baja, cuyo propósito ElE
proteger eI sistema cuando el voltaje que está censado ha
caldo notablemente, Éste voltaje ha cafdo notablemente
por dos condiciones; una de ellas es extremado cofisu.no o
sEre mucha trarge se sobrepasa la especificación del
estabilizador y la otra condicién puede ser una condición
de corto cicuito ó que el voltaje de la entrada bien sea
que se cayÉ una fase, É que el trans{ormador que alimenta
Éste estabilizador sufrió un daffo, ese voltaje se hace
suprEmanente abajo donde no ts capáz de manejar la carga,
entonces es preferible desconectar y se hace
automáticamente censando esa lfnea baja.
Existe además otro contacto normalrnente cerrado conectado
a uno de los taps del secundario del transformador de
potencia que se ha denominado contacto del relÉ de
arrengue trRA Figura l0l truyo propósito tlsi arFantrar
temporizadamente todo el sistema, quiere decir Ésto que
cada vElE que el transformador se haya conectado nct
importa las condiciones de carga de llnea de voltaje de
entrada, el estabilizador siempre arrantrerá con la carga
e ese taps máximo; el tiempo de arranque se ha elegido
el rededor de unos 15 segundos y pasado ese tiempo el
270
üg.EtItabo€ELogortIEo¡.ttga
a
-o-ÉD(9-|l
ILLo=oc¡¡Íl¡¡Éo
271
taps se abrirá, pero simultáneamente un contacto
nor¡¡almente abierto del relÉ de arrangue se cerrará Fara
darle alimentación a los relÉs que obedecen a las Érdenes
de la tarjeta de control y cuyo propósito es manejar cada
uno de los taps del transformador.
Se tiene una tarjeta de control de los cuales sEl hizo
mensiÉn anteriormente, que tendrá su re=pectivo
transformadsr de control con su releción de 34O VAC y
salida del secundario l2 VACr cuyo propósito será
permitir la alimentación DC de toda la parte electrÉnica
del sistema y simultáneamente monitorear lo que Pasa corl
el voltaje de entrada u de Ésta manera alimentar cada uno
de los comparadoresr para que se establezcan las
condiciones de conmutación de taps.
La tarjeta de control r eue recibe la sefilal de 12 VAtr del
transtormador de control quE! nos permitet al tener el
transformador taps central, hacer una recti{icación de
onda completa con dos diodos y hacer uso de un filtro de
22OOe1 f por 35 VDC, con el propÉsito de filtrar la seftal
rectificada, que es al rededor de unos 15 VDC y trc¡mo toda
la electrónica se quiere pclner a trabajar + 5 VDtrt
hacemos uso de un regulador serie integrado con
referencia S4O f 5 que permite suministrar 5 VDtr
estabilizados tron regulación + O. li( a una corriente
772
máxima de I amperio, entonces Ésta es la fuente que
alimentará el sistema, voltaje regulado, para
conveniencia y facilidad de entendimiento será V¡ trorro se
observa en la Figura 102 cada vez guE se mencione.
Seguidamente se explicará el temporizador truyo propó=ito
es hacer el comando durante el arrenque y truyo perlodo de
trabajo es inicialmente de 15 seg. Se ha estahlecido que
une corriente de tiempo CR, a travÉs del condensador tr y
Ro de la Figura lO? que funciona de la siguiente maneFa!
Euando Ee Fone a cargar el condensador E a travÉs de la
resistencia Ro, haciendo uso de una cornpuerta integrada,
sino de un integrado 4O11 por especificaciones de la
misma cornpuerta, sEl sabe quE por arriba del ÉOil del
voltaje de alimentación, la compuerta interpreta el
voltaje de entrada cono un uncl y por debajo de un lOZ de
voltaje de fuente, Ia compuerta interpreta esa entrada
comct un trElro, entonces en base a ese principio se hace
los cálculos del tiempo y por consiguiente los valores de
tr y Ro que Ee deben usar.
Entonces en el ¡no¡nento en que ser energiza elestabilizador =T V, aparetrGr 5 VDC en un tiempo {(tao},la compuerta verá esa seffgl en el punto V2 , como uno.
273
o-¡l
et-J-
¡¡€oJ!L
8.EÉ
a
NIÉ,3I|l
fuT'1*i¡.
=>obNc|¡G|
()oI)3+
3
oREGuLADoR wta o
vNd
és*TÉF+f,-l
274
Al ver el Funto Vz est voltaje trE¡rItE¡ unttr en V3 existirá
un cero pcrrque es una compuerta negadorar V4 1o verá ccrmcr
un uno y al estar V, en V4 bloqueará la corriente de base
del transistor G¡r r por consiguiente G¡l
conducirr sr encuentra en un estado de corte.
no puede
Al Glr no poder conducir bloque la corriente de base del
transistor Az y at estar Gl bloqueado el relÉ R¡ estará
en estado pasivtr Gts decir de no funcionamientot PEr
consiguiente los contactos normalmente cerrados siguen
cerrados V los contactos normalmente abiertos seguirán
abiertos. Pasado ese tiempor V2 verá al voltaje de
entrada inferior al 1O?( det voltaje de alimentaciónt
porque el cc¡ndensador ha tomado su cargar por
con=iguiente la compuerta en V2 verá su entrada corno un
c€r-o, la salida V3 será un uno y la salida en V1 será la
negación de Va , o sea que tomará eI valor EElrE'r y al
valer la salida Va = O se establece la corriente de base
en Glr por lo tanto se encuentra Ern condiciones de
conducir, pernritiendo el pasio de la corriente de base del
transistor Glz entonces el relé R¡ se accionarát en ese
momento los contactos norn¡almente cerrados (H.tr. ) del
relÉ de arranque sEr abrirán y los contactos normalmente
abiertos (N.O.l se cerrerán, permitiendo le alimentación
a todos los relés de taps gue :;on controlados por la
tarjeta de control, lo anterisr son los peÉicts de
?75
füncionamiento del temporizador de arranque.
A continuaciÉn se analizará cada uno de los comparadores.
Se utilizó el comparador cttÍro se observa en la Figura fOS
que no EI=i más que un comparador Shmit Triggert formado
por los transistores El, y tr¿ y un for¡nador de pulsos gue
ha denominado tr3 , el comparador va e tener las
resistencias R, , Re, Ra y R+ y los transistores Glt Y trz ¡
Para facilidad de análisis se asunirá que el voltaje de
entrada es cercl y el voltaje de alimentación de + 5 DVC;
existe como es de suponer, al valer el voltaje de entrada
trero el transistor Glr no condutre por consiguiente un
diodo base-emi=;ctr nE pasará corriente a travÉs de él r For
lo tanto el transistor Gl¡ pErrmanecerá abierto¡ Ers decir
Grn estado de corte; pero en el instante eln que el
transistor Gl¡ estÉ abierto se establece una corriente a
travÉg de R, y R¿ a la base del transistar Gl¿
Al conducir Gl. su corriente de colector establece ur¡a
cafda de voltaje V¡ a travÉs de la resistencia Ro ,
quiere decir Ésto que pare que ese comparador cambie de
estado es requisito indespensable que el voltaje de
entrada supere al voltaje V¡ que está esteblecido; en el
mo¡nento que el voltaje de entrada sea superior a Va el
transistor E, polariza su baser por consiguiente entra en
27É,
Toe¿sjs 1vh^ts=ó=ó
Él¡¡(,IGF
==-oatt
9É':tI|¡.
o8J3o'
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rO
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t!r4'
277 b
E
É,
conductrión, en ese rrornento el divisor de voltaje quEr se
ha establecido R, y Fo es de tal forme que Gl2 debe quedar
en estado de corte.
Ahora cuando EZ conducer EE aPenas suponer que el
transistsr Rg puede establecer su corriente de base a
travÉs del colector de E¿ y Ptrr lo tanto la salida tr3 t=;
decir Vout voltaje de salida será altar mientras que
cuando Gls está en estado de corte la corriente de base de
tr3 se suspender For lo tants Vout a travÉs Gl3 será O
quiere ésto decir quGr para voltaje de entrada bajor la
salida será alta y para voltaje de entrada altar la
=alida del comparador será baja.
Eon Éste principio se partirá para hacer la descripción y
entrara a definir cada unos de los estadog posibles que
pueden existir en los comparadores. En base a 1o anterior
y teniendo en cuenta que cuando el vsltaje de entrada es
bajo, la salida del comparador será alta, y cuando el
voltaje de entrada sea alto, la salida del comparador
será bajo. Entonces se conformará la tabta de verdad
teniendo en cuenta que se va a tener cinco comparadores
de voltaje que se denominará comparador de lfnea baja,
cuyo propósito es única¡rente establecer la protección.
En orden ascendente el comparador RE el de más bajo
27fJ
voltaje aL más alto voltaje =e partirá de E o sea que
E es el menos significativo el de más bajo voltaje y
comparador de más alto voltaje es el Ar en Erse orden
trabajar trc¡rncl se observa en Ia Tabla 1.
AI hacer uso de la tabla de verdad se vÉ que 5e ha
establecido una primera condiciÉnr Que todos los estados
valen uno, en eset momento se dice que el voltaje de
entrada escasamente alcanza a sobrepá=;ar el punto de
protección, perE no sobrepasa todavfa en ninguno de los
voltajes del cocrparador.
La siguiente condiciÉn es cuands el voltaje de entrada
dentro de su astren=io ya sobrepa=a al comparador rnás bajo
que es el E, en eisel momento el estado de A vale cero y
EtrD permanecerán altos.
La siguiente condiciÉn eE cuando el voltaje siguiÉ
creciendo y no sólamente sobrepasa el comparador E sino
que tambien lo hace con el comparador Dr percr no siendo
todavla tan altos comparadores ABtr siguen altos.
La siguiente condición alcanza a sobrepasar los
comparadores E D tr, el siguiente estado sobrepasará B tr D
v E y la rlltima condición es decir cuando el voltaje es
rnuy alto todos los conrparadores perfl¡anecerán en estado
el
el
5E!
Unlnrsilod Autonomo dc llcid¡tl¡S¡cción l¡bliolro
279
TABLA l. A, Br Er Dr E 9ialida de 5 comparadores-
Voltaje alto Voltaje bajo
cuatro [-",
tap's {:,impl"r="-
I I,tadss L="
70
A
I
t
I
I
I
o
I
2'
B
I
I
I
I
o
o
I
?:z
tr
I
I
I
o
o
o
I
2e
D
I
I
o
o
o
o
I
E
1E
OE
oE
oÉ
OE
oÉ
I
O VLL más bajo
o
O Tap A-7
O Tap AS
O Tap A4
O Tap As
I FrotecciÉn
bajo voltaje
2BO
trero.
Eonviene aclarar que siendo Éste el estado de voltaje más
alto dentro del alambradD que se hace del tquiFor esEr
estado de codificación corresponderá al estado de voltaje
más bajo y El estado menos alto de codificar es decir
Enegado = O dentro del alambrado trorresPondera
condición más baja de voltaje decodificado-
ala
Ahora si se ob=erva la Tabla I se ha fraccionado en dos
grupos, unc¡ que se denomina funciÉn E ó Enegada según
cor¡responda E al estado I ó corresponda al estado trero y
otro segundo grupo que se ha llamado ABCD que
perfecta¡nente puede ter decodificado a travÉ= de un
decoditicador BtrD a decimal para finalmente obtener la
{unciÉn y que permita el n¡anejo de las drivers hacfa los
relÉs-
Entonceg sel dice que dentrtr de esa tabla de verdad
aparecr un estado decodificado que puede perfectamente
coFre=;ponder a una funciÉn Enegado.
Existe un estado decodi{icads que obedece tal trorno
aparece eln La Tabla 1 Enegadrr 7t' otra situación que
corresponde al estado Enegado I y otra condición que
trorresponde sl egtads Enegado cero.
?81
Ile donde salen los estados Ú, t, 31 7 ?-
En la tarjeta de control 5e encuentran los comparadc¡res
A, E, E, D las salidas de eso=i comparadE'reEi que se hacen
a travÉs de la re=istencia de to K, e5a5 salidas 5e
aplican directamente a las entradas del decodificador
integrado CD 4O?Br que de acuerdo e las posibles
combinacior¡es que tengan eisas entradasr vá ha suministrar
las salidas O, 11 3r 7 decodif icadas segrln el traso-
For ejempls si todas las entradas AECD coFrelsPonden al
estado O, (cerol, el pin cero decimal de ese integrado 5E
pondrá alto. Sii las entradas AFC y D obedecen al estado 3
es decir alta, B alta, tr y D bajas, Ia pata 3t ('salida 3l
decimal de ese decodificador se pondrá alta y todas las
demás bajas; ó si el estado decc¡di{icado ABCD obedece al
1110 que corresponde a la salida 7, la salida 7 decimal
se pondrá alta y todas las demás permariecerán baj¿sr ES
decir va subiendo la del estads respectivo gue eparecEr a
la entrada.
Eada una de egia5 salidas del integrado 4O?E combinadag
tal trornrr apaFece srn la tabla de verdad con la función
Enegado a travéz de una matrlz de ditrdog que se ha
implementado, cuyo propósito es hacer la funciént ts
desir forzar dos estaCosn que en el ¡:romento en quE: los
?El3
dos apareztran altos bloqueen tos diodos D, V Dz É De y D+
ó q v De ó D, y Dg cclúao se observa Ern la FiBura lo4 para
que er¡ el momento de bloquearlos se establezsa una
corriente hacia la base de1 transitor Gll que en esEl
monento entra en conducción estableciendo la corriente de
base al transistor que va a manejar el relÉ del taP
respectivo.
Vale Ia pena aclarar gue en la Figura 1O4 ese grupo de
transistores driver {ormado por Gl^ y trsi en el colector
de tr6 trae un diodo conectado a tierra inverso con el
propósito de desacoplar el pico inverso producido por la
bobina sobre el transistsr, obedeciendo al di I dl alto
de 1a conmutación del transistor.
4.S.2 tralibración del Estabilizado¡-
Se ha dicho que hay taps 11 2r 3r 41 5 cada untt menejado
por la decodificación dada Por la funciÉn E del
comparador de voltaje más bajo. Entonces sgl necesita
cuadrar, si =iet le ha dado unos márgenes que Para el
propósito inicial obedecieron a voltaje de g voltios
sobre la lfnea de 11O VACr al tap más bajo que se ha'
elegido Es eI de 7= VAtr en llnea de 11O VAC que
trErrGrspclnde aI comparador E, B VAC por arriba BS VAtr debe
estar calibrado al comparador D, g VAtr por arriba o sea
2gs
Bt VAtr ha de estar calibrada el comparador Et I VAtr por
srriba es decir 99 VAC debe estar calibrado el comparador
B y 1O7 VAC debe estar calibrado al comparador A.
Eie aclara que todas éstas calibraciones se hacen Ern un
márgen de 1O7 VAtr obedeciendo a que la carga va ha estar
chupando energta de un transfor¡nadorr Y un transformador
en rendimiento es relativan¡ente bajot hablando de bajo
rendimiento del orden del BS al 9O7.r entonces Éste
estabilizador núnca va ha ser lfnea de altar sino que
siempre será sometido a lfnea baja; para el Prtlceso de
calibración si el punto de mira va ha ser 75 VAtr en el
voltaje más bajo y lO7 en voltaje más alto y se aclara
que el comparadclr rnenos significativo el de voltaje nás
bajo va ha ser el E y el comparador de voltaje más elto
?44
cnGF
€-oÉ,
-o€ooBgo0b0eb
2b€
€to¡-aIrFgoo
:Eooctl¡
Etrfo
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s¡€e
3s
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o.
ÉtraÉ,
toNo
285
va ha seir el A. Se seguirá el siguiente procedimiento-
Eolocando el variac en 75 VAC e¡e fitueven todos los
potenciÉmetros desplazando el tester RT¡ hasta RT5 de tal
manErre que al mover el potencióinetro del respectivo
comparador todos Gl:ios puntos queden en un nivel elto de
voltajer ED ese mEmento estarán todos los comparadorEls en
estado de apagado, no hay ningún comparador conduciendot
a partir de ese instante se buscará la conducciÉnt
entonces se devuelve nuevamente al comparador E y tron el
tester RT, se ubica al transformador ya no en 75 VAtr sino
que sie dá un márgen de 76 VAtr para dar una calibración
más exactar v trctn un desplazamiento lento del
potenciÉmetro PÉ =;el lt¡ueve lenta¡¡ente muy despacio hasta
que el voltaje lefdo en R\ calga a cerork en ese msmento
EE! desconecta el tester de RT, y se pase a RTI trE¡mo el
punto anterior estaba en 76 VAtr se hace un desplezamiento
de B voltios o :;ea E|4 VAC se mueve el potenció¡netro
lentamente PT¿ hasta quEr ese voltaje lefdo en RT2 calga a
cero, sEl está en 84 VACr se ubica de nuevola punta del
tester en RT3 se desplaza eI variac B voltios es decir
hasta q? VAtr y trcrn elpotenciómetro PTs desplazando
lentamente Ee busca el voltaje en RT3 cafga a cero.
Seguidamente se coge la punta del tester hasta RT+ scl
sube el voltaje a lOO VAC y con el potenciómetro PT4 5e
rnueve hasta que eI voltaje lefdo en RT cafga a trero.
2Eé
Igual que en los casog anteriores se desplaza la punta
del tester hasta RT5 y moviendo el poteciómetro PT¡ se
fituEvel hasta que el voltaje en RT5 calga a cerE r antes
debe desplazarse el variac B voltioE rnáds adelanter o sea
tOB VAtr en Éste momento se ditre que el eparato ha quedado
cal ibrado.
Observe la Figura 1O5 igual procedimiento se ha Fara
calibrar el. sistema de protecciónr QuEl básicamente en un
comparador de bajo voltaje.
Este comparador se ha graduador cclr¡ voltajes de entrada
menor de 70 VAtr el dispare se hace cuando el voltaje
lefdo en RT5 calga á treror e inmediatamente el relÉ de
portecciÉn actrla sobre el sistema- A partir de Éste
momento, tron el aparato conectado y suPoniendo que el
decodificador que básicamente 1o forman la compuerta de
4011, el siste¡na está apto Pera etnFErEar a trabajar. En
las Figuras tOár lOTr lOE presenta lss diagramas de
conversión.
Eie aclara euEr realmente los e=tados que 5E! van a
decodi{icar son el tap de voltaje m¿s bajo que lo da la
función Enegado, pero finalmente el punto más hajo va ha
sGlr el relÉ de protección. Eii el decodificador E de la
compuerta del 4011 y =alida decodi+icada de la 4CI28 ella
?:87
boÍtoe.C¡C'a-ú,o
oT'
osa-cooo!too.t-0+0t
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Uniycrsitiod iüi0ncm0 de 0ccidcnt¡
Serrión libliofoo
289
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a;IEDI¡L
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E =7¡||l
29L
está respondiendo a aquelllas salidasr tn e=ie momento con
la seftalizaciÉn que existe en el tablero con los 5 let's
de conmutaciÉn y tron los respectivos relést entonces cada
variaciÉn de E VAC en el variac debe significar un cambio
de estado en los let's visualización del equipo.
Está pfrr demás decir que si se nota una averfat une
falla, pero ya =ie ha rechequeado la calibración en RT¡ r
RT¿ , RTg r RT+ t RTs r RTs y está en perfesto estado y
sin embargo 1a decodificación no obedece a lo que
realmente se busca, puÉs definitivamente exigte una
{alla, bien sela en el decodi{icador 4Ot1 gue e=; un
circuito integrado trl'ltrS ó en el decodificador integrado
CHOS 4028 gue es un decodificador BtrD a decimal.
Eomo una ayuda al chequeo ó funcionalidad del
estabilizador ó bien sea para el mantenimiento del equipo
y en la cual no sEr ha hecho mención, es la parte de
arrangu€!-
Eomo se sabe que Éste equipo va ha funcionar con un
temporizador de arranque truyo propósito es de que en el
momento que se conecte los lf5 VAC de la red es posible
que el aparato vra D nó carga¡ y normalmente el aparato
ha sido disel'tada para ver cargas inductivas.
292
Se ha .fijado un tiempo de 1O segundosr tiempo que scl
considera suficiente mientras que el aparato estabiliza
todos sus voltajes y arrangue en un tap fijt¡ de voltaje y
ese tap está comandado por el relÉ de arrangutr es decir
que el estabilizador siempre que Ee csnecte durante O
segundos deberá mantener accionadcl eEiEt relÉ y pasando
Elsr tiempo deberá abrir el contacto del taP respectivo;
Éste temporizador básicamente va ha estar acondicionado a
una corriente de tiempo trA y RA que trarga y descarga a
travÉs de la compuerta I del circuito integrado 4011 va
ha dar un estado trero É un estado I para que el
transistor tr PNP 39Oé maneje un transistt¡r de potencia
2N 49?l que es eI que directamente a travÉs de su
colector va a cornandar el relÉ RA.
4.4 LISTA DE ].IATERIALES
trapacitores:
l-l00uff35V
3-l0ouf/25V
1-2ZOOuff33V
1-220uf/35V
l-220uff25V
?93
Potención¡etros:
A - lKtlhm
É - ZKtrh¡n
I - Z?Ktrhm
3 - z-ZKtrhm
6 - 68OOhm
á - 9lK0hm
5 - 4.9KBhm
Diodos:
12 - ?N4148
7 - 1N4005
Transistores:
t7 - ?N22?,7
2 - ?N49?1
7 - 2N3?O6
7 - 2N492t
294
Integrados:
1 - 4028
I - 401r
Reguladores:
I - 7gO5
Trans{ormadoresr
llCI / 310 - 320 - SsO - 340 - 550 VAtr
310 / 12 VAtr
rlo/6-12vAc
Voltfmetros
O a 5OO VAtr
Breaker:
4-104
Fusibles:
1-204
2q3
Reles
1 - 12 Volt
b-12Vl304
Reset:
1-54
Led's¡
6 - 12 Volt
29&
5. FUENTE REEULADA DE O A 125 VDC
5.1 EEHERALIDAIIES
En éste aparte se habla de los patos que EE! sigue para
proveErr alimentaciÉn regulada a cuatro motores DC. r que
preseirtan las especificaciones de 1?5 voltios Dtr. r con
máximo de corriente en operación de 3.5 amperios cada
uno.
Para lograr mayor comodidad en el manejo de dichos
motore= y además versatibitidadt puÉs sel pueden
presentatr los casos que se neceeiita operar los motores
a velocidades diferentes, se optÉ por elaborar cuatro
circuitos de control idÉnticos, que a su vElz manejarán a
cada motor en forma independiente. Eomo ya e=i sabido la
velocidad de un motor Dtr puede variar si se cambia el
valor de la tensión de alimentación a la armadura, É aI
trampo, ó las dos a la vez. Este último es el casio
particular que se presenta en los motores DE., a tratar,
puÉ= Éstos se podrán conectar en las configuracione=i etn
serie, ghunt ó compuestos (Iargo y corto).
?q7
Se obtendrá una fuente de alimentaciÉn ñtr-, completamente
estabilizada, 1a cual proveerá la energla necesaria a
cada tarjeta de control trclmct se observa en la Figura lO9.
trada tarjeta de control está subdividida en dos
secciEnels!
SecciÉn de control.
SecciÉn de potencia.
5.2 FUNCITINAI.IIENTO DE LA TARJETA DE trOHANDO
La secciÉn de potencia en la tarjeta de comands Ee
observa con detalle en la Fi{ura 1lO, gue representa el
diagrama circuital de la tarjeta trorrErspondiente. Eie
tiene puÉs un puente rectificador de onda completa
formado por los diodos rectificadores 4z ,
StrR'Eir SRrr ¡ SR¡2 .
Dt3 y los
Este esquerrta garantiza el flujo de una corriente contfnua
a través de la trarga (motor Dtr) y ;a resistencia
limitadora formada por los resigtores R,g, Rrq , Reo ,
siempre y cuando los StrR'S se hayan disparadct en *orma
adecuada. El diodo D9 provele un camino a la corriente que
formará por la extensión del trampo magnético, presentes
en las partes inductivas del motor, cuando separa el
29E
oc¡aoLoa-9EgIctoEcIEo(,a.9
€ao=r.9aEoIEf,bo.Ec¡
ao'IE,
=I¡L
toeF
G
ofqF<-¡¡¡
?se
s(,2l¡¡t-
_L_eF6(,
IeNJoÉv,lr¡
Univctsidod lut0n0m0 de 0ccidanl¡
Sarción Bibliotom
acJa4o
H¡Er.
I3+aa+!¡ I
EDIl!
Ítlsf|lo, PDr
diodos y
inversas.
cualquier motivo,
SiCR'S de potencia
de esa forma se
contra voltajes y
protegen los
corriente=
En la sección de control =¡e tiene inicialmente aL
transformador TRr quien se alimenta csn Ia misma tensiÉn
AC., que se suple al circuito de potenciar Y Provee
tensiÉn de un devanado secundario con tap central t pere
alimentaciÉn en onda completa a los diodos D, r Dz . 5e
filtra Ésta onda por medio del capacitor E2r v de los
extremos del último se provee alimentaciÉn a todo el
circuito de control.
Se describe a continuación los elementos que tienen
influencia directa en la polarizaciÉn de los transistoresque conforman eL sistema de control.
colector del transistor Gl, (NPNI se polariza mediante
serie Rgr R+. La base recibe tensión por medio de R¿ y
se derivan a tierra, terminal negativo de E2
El terminal gate (compuerta) del put se polariza vIa
R+¡ el cátodo por medio del resistor R6 Ern paralelo
la mitad de R* y la unión gate compuerta del SCRI.
Se toma la mitad porquE! Ern Éste castr se ve eI paralelo de
E1
laD6
Rat
con
301
elementos idénticos {ormados For las series R"t r SRz y
Rzz , SR, . Sie polariza el ánodo del put vfa el divisor
{ormado por la serie Rgr Rs y las siguientes redes en
paralelo, comenzando ptrr la resistencia dinámica del
diodo D en conducciÉn que es común para las dos.
Serie I, Rro , porciÉn del potenciómetro P,
extremo in{erior y su brazo central R,a v Rrs ,colector emisor del transistor Gl5 . Serie 2¡
porción del potenciómetro VRr entre el extremo
y Eu brazo central.
entre eljuntura
RAt Rg
unido e Rg
El colectar del transistor Gh (NPN) se polariza vfa el
divisor de tensión formado por las series Rg, Rs, Rz ,
resistencoa dinámica en conducciÉn Rg V RS , porciÉn del
potenciÉmetro VR, conprendida entre su extremo superior y
el bra=o de tsma. El emisor es derivado directamente a
tierra. La base se polariza por nedio de otro divisor de
tensión formado por la serie Rg , porciÉn del
potenciómetro Pe entre extremo inferior y brazo central,
Rl,l potenciómetro VR2r Rr¿ i y los siguientes redes en
serie paralelo. Serie I, Rll y devanado del motor; serie
2, RlS, resistencia dinámica del diodo Dg en conducción y
resistor formado por el paralelo de Rtg , Rrg .' Rzo i serie
3, juntura colector emisor del transistor tr4.
302
El colector del transistor 8a (NPN) r 5E Poleriza de
manera idÉntitra a la base del transistor Gl"t puÉs están
unidos elÉctricemente al ¡nismo punto. La base de tr4 es;
polarizade vla R¡5 r y la resistencia compuesta Por los
resigtores R," , Rl9 , R2o en paralelo'
El emisor está derivado directamente a tierra.
Ef colector del transistor Gl5 tNPN) se polariza por medio
de la seriel trornpuErsta por; R3, potenciómetro P2r porción
entre extremo in{erior y brazo central t y RrE . Et enisor
e=tá drenado directamente a tierra y la base se polariza
por medio de R¡7 en serie con el resistor equivalente que
dan las resistencias RT,g , Rlq , R26en paralelo.
Por ¡nedio de las redes descritas se logra la polarización
Dtr., per:r darle el punto de trabajo a cada uno de los
elementos activos que componen la sección de control.
Se verá trorno funciona el circuito en Eu totalidad. For
medio de los rectificadores D3 , D+ r sE obtiene una
forma de ond¡ completa.
Esta sefial atraviesa el resistor limitador Rr y es
aplicada a la base del transistor Gl¡, quien a su vElz laamplifica y desfasa lBd , para entregarla aI terminal
303
gate de put. Se observa el cnndensador Es derivado a
tierra por un extremo y conectado al colector de tr por
el otro terminal, puÉs Éste condensador se trarge trEn
curva exponencial y una constante de tiempo dada For
Requi 1 por Ca. Donde Requi I es la resistencia pasiva
equivalente que observa el condensador hacla el positivo
de la fuente. La seF¡al que llega a éste colector tiene
una frecuencia de ÉO Hz puÉs viene directamente de la
red., atravesando los resistores y transistor indicados,
dichos ele¡nentos ntr producen ca¡rbios En la frecuencia de
la red.
Por tanto, despuÉs de algunos semiciclos tr3 se trarga y
alcanza una diferencia de potencial igual a la
establecida en ánodo del put. Se dispara Éste y a la vezr
engatilla al SitrR que está polarizado directamente entre
ánodo y cátodo. tr3 se descarga ccln una constante de
tiempo Requi 2 por E3, donde Requi 2 será la suma de la
resistencia directa quE! prErEienta el put en conducciÉn más
el resistor de gate, en paralelo con el resistor R5
Después se inicia nuevamente la carga de trg para disparar
luego al otro giCR, y asf sucesiva¡nente. l.lediante la
variaciÉn del potenciómetro, Pz se cambia el voltaje de
polarización al ánodo del putr y consetruentemente el
factor de programaciÉn del mismo, logrando de Ésta manera
cambiar eI mo¡nento de disparar del put. Se dispara Éste y
304
a la vez, engatilla al StrR qut está polari=ado
directamente entre ánodo y cátodo. trg se descarga cori una
constante de tiempo Requi 2 por Eg t donde Requi 2 será la
suma de la resistencia directa que presenta el Put en
conducciÉn más el resistor de gater en paralelo con el
resistor R". DespuÉs se inicia nuevamente la carga de tra
para disparar luego al otro SCRr y asl sucesivamente.
Hediante la variación del potenciómetro, Pz se cambia el
voltaje de polarización al ánodo del putr y
trctnsietruentemente el factor de programación del mismot
logrando de É=ta manera cambiar el ¡nomento de disparo en
Éste elementor y prrr tronsiguiente el engatillamiento de
los StrR, asf misn¡o la potencia entregada al motor Dtr.
l{ediante la variaciÉn del potenciómetro VR, r sE puede
camhiar el *actor de programaciÉn en el Futr percl la
variación es muy pequefta conparada trcln la del
potenciómetro P. .
Este resistor sirve pare fijar el punto de trabajo del
put. La realimentación que se efectúa desde el punto de
unión de los cátodos, Eln los StrR'S hacfa la base de tr3¡
vla Dg , R,a V las bases de tra , Es en forma directa con
Rr" , R' r Eirve para mantener fija la potencia que se
entrega al motor DG, ya establecida al fijar el
potenciÉmetro P" ; puÉs si hay variacíÉn en el vsltaje de
305
alimentaciÉn sumini=trado al puente de diodos y EitrR'Sr sEl
e#ectrla un cambio en las junturás colector e¡nisor de
dichos transistcrrGls, los cuales e Eu vtz cambian el punto
de trabajs del putr puÉs varlan =¡u #actor de
programación.
trtro tanto puede decirse de Ia realimentación, efectuada
a través del resistor Rll, que afecta a la base de tr3 y
el colector de tr4 , puÉs en la uniÉn de los diodos de
potenciá Dn r Drs se forma una =eflfal de onda completa que
tiene los valles hacfa abajo, y tienden a cortar a tr3
dependiendo de su amplitud. Esta seftal apirretre desfasada
en el colector de B9 y trarga ¿ E4r tron una polaridad
inversa a la de trg, efectuando un trabajo de contrapeso-
La juntura colector emisor de E5 afecta en forma directa
en funcionamiento del putr puÉs Ésta juntura, en forma
directa Ia polarización de su ánodo. La forma de onda
completa con valle hacfa arriba lo hacen conducir. El
potenciómetro VRz afecta la polarización de base en Glgr y
sGl puede cambiar en {orma fina el efecto de la
realimentación que =ie tiene vla Rl1. Et capacitor C6
sirve pare mantener un voltaje de colector en Gl6 lo más
constante posible, es decir si se cambia la posición del
brazo central en P" , cambia tronsetruenternente eI voltaje
En el punto 12. Sin embargo el capacitor E se cerga
306
rápidamente para sostener el nuevtt voltajet si Ers nayctr
al anterior, É se descarga rápidamente para efectuar la
misma operaciÉn; si el voltaje es menor al anterior. La
red C", R, filtra cualquier pico de voltaie que se genere
al variar la posición del potenciómetro F2 r Y de tsa
torma garantiear que los cambios en el ánodo del Put
serán consErtrucrncia única del cambio en el
resistivo del potenciÉmetro P".
valor
5.5 "ON='O=*CIONES
PARA EL I'ISEIIITI DEL CONTROL DE
VELOCIDAD
El diseflo de las etapas de control y potenciar Para
controlar V al imentar a un ¡notor Dtrr con las
caracterfsticas de l?5 VDtr y máxima corriente de 4
amperiosr sr dividió en varias fases a saber:
Disefto de los resistores pera polarización de los
elementos activcts, transistores y put en la etapa de
control. Se toma tromo principio de partida las
ecuaciones, que rigen la ubicaciÉn de punto de trabajo de
los elementos citados. Para los transistores eI punto Et
garantiza el que estÉn situados Ern Ia región de
ampli{icación, normalmente entre el punto medio, de las
zrtnas, que demartran los puntos de saturación de corte-
Eomo los transistores Gl, , tr3 rQa E5 están en configuración
307
de emi=or c¡r¡nrln Ee tiene las siguientes ecuacisnes:
Vg" =R"/R, *Rz
Eomo se observe en la Figura 111.
* Vcc
RB=R, *Rz /R, +R2
vea
Rb
(5. 1!
(5. ?'
(5.3)
(5.4)
Rr =Vcc Rb I
R2 =RbRr./Rr +
Vcc =Rc I¿ + Vce
Vee = Rb IB + Ver
Se tuvo en cuenta, además los voltajes de ruptuFe en las
junturas del transistori se disefiÉ ccln márgen de
seguridad mfnimo del 2O?¿, corriente máxima de potencia de
colector y disipación máxima de potencia en el
transistor, pera seguridad se trabaja con el ?37. trot¡tct
márgen mfnimo. Para el put se adoptan medidas análogas a
las descritas. Sie subdividen los valores totaleg de los
resistores de polari=aciÉn; para Ios casos netre=arios con
el fin de darle al circuito propiedades de estabilizaciÉn
pára cambios posibles debidos e envejecimiento de
elementos, asf se anexaron los diodos requeridos para tal
objetivo. Esta medida tambiÉn se adoptÉ para lograr las
variaciones adecuadas en los parámetros de programación
309
cEooL0aEooEC
:9atgb3o
rtst9
Éoao.==oL(,oLFca.E(tco0
=rl¡¡
-
É,
=IIL
lso F
\^Á-{Hlr
309Univcnidod autonorno dc 0aidcnl¡l
S¡rción libliotco
FÉrra el put.
5e toma en Éste cascl las consideraciones neltresarias para
máxima transferencia de potencia entre etapasn logrando
asf la mayor eficiencia del circuits.
Sie montÉ el circuito inicial r 5t sometiÉ a prueba y se le
hirieron algunos ca¡nbios Para adaptarlos al trabajo del
motor a controlar. Esta fase necesaria lleva e la
necesidad de elevar Ia tensión de entrada, Para adaptar
el circuito a las configuraciones serier compuestos
(largo y corto)r shunt.
En la lista siguiente se detalla los valores y
caracterlsticas de los elementost que trErnPonen una
tarjeta.
Dr , Dz , Dg , Dt , Dc, Dr r D8 = lN 4OO4t
rectificadores de 6OO V I 14.
D¡ = tN 4144 diodo de tOO V I O.5 A.
6l¡ Bg , B+ , Es = BE 547 transistor NPN.
R' = lOH; Rz=tSOK¡ Re=Re=5.3K¡R4=Rs=33OHi
310
Rz =Rg=2?H
Rg = 5á K¡ R,o = Rr4 = BZ Ki R¡¡ = 1; Rrz = 47 KiR,a = 27Ki
Rr. = I K; Rlo = Rrz = lOO¡ Re¡ = R""= 22 todas a l/4 hfatt.
Rg Rts = Rzo = O.33 ./ lO hlatt
Er =Ea=O.22 ,lF f lOOV; Ez= EB=23fF /SOV
cs = 10 yF I 30 4FV'
TR recibe en el primario 34O V y entrega tensionesr en
cada secciÉn con I amperio máximo.
VR, =VRz=2SOkl lhlatt
Pz=lOOl(/ll¡latt
q =55oV¡ 4amPerios
SU=54=5OOV/54
55=S+=5OOV./54
SR, = 5R", = StrR'5 de Potencia'
5tl
Se anota que la meyor dificultadr la encuentra en Ia
alimentaciÉn trara el motor cuando se ca¡nbie la forma cEal¡tr
eie conecta internamente; puÉs en la práctica se observat
qur cada sistema de conexiÉn (shunt, serier trolrlFuesta
Iarga, compuesta corta). Exige de la fuente externa una
alimentación diferente. Este problema se soluciona
dándole a La fuente de alimentaciÉn, una tensiÉn de 34O
voltios Atr. r va gue ElE la tensión que exige el sistema de
conexión compuesto corto, y a la vez es el máximo.
Los otros sistemas al trabajar con tensión menorr quedan
cobijados, puÉs For medio de1 potenciómetro Pz (para
variar externamente la velocidad se puede ajustar la
salida a la tensión necesarial.
5.4 ESPEtrIFItrAtrIONES
Voltaje de
Frecuencia
Voltaje de
entrada S4O VAtr + lO?¿
de ÉO Hz
sa1idaOal2SVDtr
Regulación LX,
Earga 4 amperios máximo
Temperatura 4O"E
312
ó. FUENTE REEULADA T}E O - 48 VDC
É.I EENERALIIIADES
Se diseF¡ó una fuente de O - 4El voltios Dtr regulada a su
salida, con entrega máxima de 5 amperios. Se utiliza lacombinación de dos {uentes con integrados reguladores
pare lograr dicho cometido-
Se tendrá asf el asocio fororadc por:
Una fuente regulada de O - 24 VDC fija V una fuente
regulada de O - 24 VDC. La única diferencia existente
entre las dos fuentes está en el potenciómetro de
variación de R , puÉs en la {uente regulada de 24 voltios
Dtr fija, éste sel reeí¡plazó por un resistor estático.
Especificaciones;
Voltaje de entrada ll5 VAtr
Frecuencia áO Hz
313
Voltaje de salida O - 4A VDC
Regulación O- lZ
Earga 3 amperios máxinos
Temperatura 4O tr.
6.? trIRtrUITOS BASICT]S Y FUHtrII]hIA}IIENTO
En la Figura 1l? se presenta el GrsquErrna bá=ico de une
{uente regulada o - 24 vDc. un transformador reductor
recibe la tensión de la red y alimenta e un puente de
diodos que eE filtredo por medios trapacitivosr EE rebaja
el rizado y estabiliza por medio de un integrado, además
en Ésta últi¡na sección se logra la variación del voltaje-
La forma tromcr trabaja una fuente no regulada fuÉ
estudiada en el capftulo dedicado a fuentes DC, razÉn por
lo que en Éste aparte se explicará entonces ctrmo trabajala sección de regulación, pués es totalmente diferente a
las analizadas.
se utiliza un integrado Ll.l sl7 K puÉs es E¡upremarnente
versátil, de fácil manejo, trEroFacto y de gran precisión,
obteniÉndose asl la regulación que se necesita, en Éste
trascr con grandes ventajas.
314
oÍtgsEo+.scoC'
C'cij$NIoo!tC'!tC'
=E'ob
oa-co=.|¡.
g
É,t(9¡!
3ts
EI Ll'l 317 H e= un reguladerr ajustable de tres terminalesvin, ADJ y vout, trabaja eficientemente regurándose desde
l-?v a 37 voltios de salida con s amperios nominales,
sólo requiere de dss resistores para fijar el voltaje de
sal ida.
Este integrado está previsto de un limitador de corrientey circuito para protecciÉn térmica. Además si el terr¡inalde ajuste es desconectado deja de funcionarr al activarotro sistema de protección interna.
El capacitor c, 5e usa para protecciÉn del integrado,contra transientes rápidos, el capacito? Ez te incrementala capacidad que tiene el integrado, para efectuar cc¡r¡o
firtro pasa bajo, y asf reduce el factor de Ripre de lasef|al a entregar.
En operación er Lr'r 3rz 11. desarror la un voltaje de
referencia nominal de l-zs voltios entre la salida y elterminal de ajuste. La referencia de voltaje es imprese através del resistor de programa R,. A partir de Éstevalor de voltaje, se puede lograr incrementos a rasalidat al cambiar el valor del potenciómetro R2 . La
ecuación para Éste integrado es:
vo* = u^.f (l+RzlRr )+Iro¡*Rz
31É
Vour = Voltaje de salida
YReF = Voltaje de referencia
I eo5. = Eorriente ajustable.
En la Figura rrs se representa los parámetros
tromFr-ometidos en la eeución anterior. Al variar el valordel potenciÉmetro R , cambia la intensidad de corriente,que circula a travÉs del misrno y de forma idÉntica elvoltaje de salida, pero siempre regulado.
La corriente rr será siempre constante lográndose aslindependizar el voltaje de referencia, de las varia,cionesque 5e presentan a la salida. El valor de rr seráaproximadamente de O_ Ol anperios segrln
especificaciones-
En la Figura 114 se presenta el diagrama de los circuitosinternos que conforman el LH SfZ K.
Fara obtener voltajes dentre o.24 voltios Dc., losstritchs s, , sz (conectados en tanden o sea que cambian depo=ición a la vez), estarán en la posición delpotenciÉrnetro hasta que el voltfmetro indique la medidanecesaria. En ésta operación la fuente fija está fuera deservicio y se trabaja con la fuente regulada variable,
las
s17
a
Lo.!tg=CIobo!tosEDo-Eocoaoc.9SLoC'
a
g
Ef(9lt
-5-Frt'I
tÉ,
t:'roz
318
-Frt-Jo€gItoa-cogocbolr.EgEgbIt.9c¡
jÉ,3(tIL
Uñiraa¡¿-oO *ronomo d¡ 0ctidc¡l¡(e::rión 8ibliofccd
319
trbsérvese la Figura tl5.
Para obtener voltajes entre 24 y 4a vDtr se pe=a erinterruptor a la posición I, se tiErne en Éste momento rasdos fuentes reguladas en serie y para rograr er voltajeDE necesarior ='€ ubicará el potenciÉ¡¡etro en ra posiciónqur =ie necesite verificando en el voltlmetro el voltajerequerido.
Figura 116 presenta er diagrama circuital completofuente regulada de O a 48 VDC.
É-2-l trriterios para el Disefilo
O a 48 Voltios DC.
de la Fuente Regulada de
En la
de la
El transformador de alimentaciÉn de Atr de
tiene dos devanado= independientesnominalmente lA VAtr tron una corrienteamperios.
la Figura 1lé,que entregan
máxima de 3.2
Fara el disefio se necesita s amperios FErro se deja 2oo mA
troroct márgen de seguridad para el transformador.
La potencia máxima entregada en el devanado secundarioSEtra:
320
ctc¡
otfIoogg3IbEDgE.Etttab
oFEotrtsgo€,o=roÁcol'EgLIt0o
a
3É=I|l
u¡oo-+- -J -->o
I
\-
N
II
N
{
)
aL
+lulJos\z\
+l
oÉ
É:-tr¡
321
:,3É
(,c¡
ot¡o
T'
0!gteoba-Cotrtsgogo.F!cEot,
E.F2(,Lct
oEo=I,l¡¡
(o
=GDIIL
322
Fmax, = V5, * fmax, = 1¡¡ * S.Z = SZ.á t¡fatts
Y la potencia totat (o =¡ea para los dos devanadosl será
el doblE! es decir:
Pmax . En el secundario = Z pmax, = ll5.? hlatts.
La corriente máxima en el devanado primario se calculapor medio de la expresión:
Vp/Ve=IstIp
I9 = tJs Is f Vp = tB.S ./ ll$ = 0.49 A.
Vp = Voltaje primario
Vs = Voltaje del secundario
Ig = Corriente en el secundario
Ip = Eorriente en el primario.
Por lo tanto el fusibre de protección para er primariotendrá un emperaje igual a la corriente máxima circulantepor el primario, p.'r seguridad anexamos el ?oia de ElsEr
valor.
3?3
rF, =
Valor comercial
Imax, (IOOZ + 2ü7.) = O.&l?5 Amps.
para el fusibl= FzO = I Amps.
Los diodos Dro ,
soportarán un
corriente máxima
D"t, Dezt D"zt D"q
voltaje inverso igual
de 3 Amps.
t
a
\s, D%
? voltiog
Dzz ,
una
El valor comercial pür;r dichos
Amps.
Los capacitores Cro
igual a¡
diodtrs será de ?OO V ./ s
y Ezt soportarán un voltaje inverso
V",nv = fB JE = ?S,4S voltios
Eomercialmente se obtuvo capacitores de ssoo 4f a ss vDc.
El valor de la capacidad se tomó ar riple requerido y laresistencia mlnima de carga.
El valor de los capacitores E"., E¿s se toma de losrecomendados por la re{erencia del integrado LFI slz K y
srJ valor será o- 1 ,qf r Eo vDc que coincide con el vararco¡nercial - El misrno criterit EEI tuvo pera estrclger elvalor de C2a y Ezs los cuales toman los valclres de O. I +
./ 50 vDtr.
324
El valor de los resistores fLo, Rr. se toma concl base lareferencia del que dice que deben circular lo mA por
dichos resistores, cuando. la diferencia de potencialentre los mismcls Ers 1.2 voltiosn lo cual da valores de
12ü ohmios.
El valor de potenciÉmetro p" será que s K puÉs de esa
tsrma se puede barrer el voltaje de salida entre I y ?,4
val ti ss.
Se cdlculÉ,
ohm.
el valor de R en {ornra práctica y diÉ 4-T
Los sr*itches S, , Sz , Sa que trabajan en tanden deben
aguantar una potencia máxima de 4g x s Amps = ll4 hfatts.Eomercialmente se encuElntra de IEO l¡fatts.
Finalmente el interruptor de entrada Ei debe tener una
potencia igual a la que st¡portará el primario en el traso
de máxima exigencia o sra s4 hfatts (comercialmente sEr
obtiene de 2OO l¡latts).
325
ó.3 LISTA IIE }IATERIALES
trapacitoFel=;=
E*rErt =22OOqt -25V
Ez* Eza = O-l q{ lOO V
Ez4, Ezs = O. l 4+ - 25 V
Potenciómetro:
Rzz=5.OK/Bhmios
Resistores:
Rro , Rza = 2ZO Ohmios
Re¡ =4.7Rf Ohmios
Diodos:
Dno, D"r, D"z, D"., D"+, \g t Dzc, Qz. = BYl27 - 3A
Transfornadorl
T =ll0V/S5rOr35VAtr-54
52É
Regulador de Voltaje:
Itr , Itr =24 VDC-SA
Vol tlmetro:
V=OaóOVDtr
Amperfmetro=
A = O a 7.5 A
Selector:
SrS =Drdosposiciones
Fusi bl es:
F =14
F =34
S¡oi tch:
Ei = 125 voltios
Piloto - 11O voltios
3?7
7- oPERAcroH' l'lANTENrt'lrENTo Y Usos DE LAs FUENTES D.c.
7.I FUENTE REEULAI}A DE O - 125 VDtr 4 AI.IPS
se debe verificar que ra fuente estÉ energizada apricandoa su entrada los s4o vAtr, estabilizados. Er poteneiÉmetrode ajuste de velocidad ge llevará a su po=ición demfnimo- se csnectan los ter¡¡inales de sarida ar motor DE,
respetando las polaridades (po=itivo rojor negativonegro).
Eie coloca el switche tsh¡) a ra posiciÉn trN, de É=ta {srmaErmpezÉrr ='u función de trabajo requerido por la ceFga,tales c.,r. notores Dtr¡ s=l co¡nenzará a incrementarlentamente el potenciónetro de ajuste para entregartensión er motor con Eus diferentes tipos de csnexionesshunt-gerie y rornpaund. Los aparatos de mediciÉn trom., s-tvé en ra Figura rl7 servirán para, ubicar la tensión y lacorriente requerida en cada traEict particular.
El mantenimiento Ee lograestructura interns en forma de
f áci lrnente el satrar I a
U, quE encaja en el prisma
338
¡¡,
Virfo cxtcrno dcdo O- 125 VDC -
lo f ucnfc rcAulodo4ATPERIOS.
tlniwrsidrd Autonono d¡ Oali¡¡lrS¡rción libli¡loo
FIGURA II7.
329
. ---.--¡¿ -. -..$--a
retrtangular, y en la cual van ubicado= los ele¡nentos
internos de1 sistema¡ guGl {acilitan las medidas
trorre=;pondientes pera su nanteni¡¡iento.
Esta fuente se usa en el laboratorio para realizar las
siguientes práctica=i:
En el laboratorio de conversiÉn de energia II.
PRAtrTItrA No. 6
Eonexiones y caracterfsticas de carga de un generador
compuesto.
PRAtrTItrA No. q
Earacterfstica de carga de un notor derivaciÉn.
PRAtrTItrft No. l0
Earacterfstica de cerga de un motor serie.
FRAtrTItrA No. 11
Earacterfstica de carga de un motor trompoud.
530
FRAtrTItrA No- 12
Eontrol de velocidad de los motores DE.
En eI laboratorio de conversión II.
PRAtrTItrA No. 2
En=ayo en vacfo y en corto de un alternador,
PRAtrTItrA No. 3
Ensayo del alternadtrr con trarga.
PRACTItrA No. 4
EonexiÉn de alternadores a paralelo.
FUENTE REEULADA DE O-4A VDC 3 AI.IPS,
Primeramente sE! debe veri{icar que la fuente estÉenerglzadar aFlicando a su entrada los llS VAtr.
El potenciÉmetro de ajuste se llevarÉ a la posición de
mfnino, sie conecta los terminales de salida a la trargaque 5e va a utilizar, respetando las polaridade=
531
ccrrrErEípondi entes.
Se coloca el s¡richt
ésta forma empiece su
por la carga.
(51tf) a la posiciÉn
funcionamiento de
0N para que de
trabajo requerido
Para obtener voltajes entre o - 24 vDtr, el selector sel
coloca en la posiciÉn sl. para obtener el voltaje deseado
eiE incre¡nentará tron el potenció¡netro de ajuste, verFigura 118.
Para obtener voltajes neyores de 24 VDtr se coloca elselector en la posiciÉn s? y se incrementará elpotenciómetro de ajuste, hasta 4a vDc que es la máxima
salida de voltaje.
Para lograr su fácil mantenimiento se debe =¡acar laestructura interna en forna de u, en la cuar van ubicados
e implementados los elementos del sistema.
Esta {uente f uÉ diseftada para al in¡entar dispositivoselectrónicos, ya comc¡ es sabido trabajan con niveles de
voltajes bajos.
se usa tambiÉn en er laboratorio de conversiÉn r-
352
FIGURA ll8. V¡sffi exlerno de lo fuente regulodo
dc O-48 VDC - 3 AMPERIOS.
PRAtrTItrA Ho- s
Prueba de polaridad de un transformador.
334
1. El prctyetrto que se
prácticas de laboratorioresultados.
B. trONCLUSIONES
realizÉ facilita hacer las
tron rnayor exactitud en los
7.- El estahilizador que se disefió para las fuentes,asegura un cE¡mpE'rtamiento eficiente pera las prácticas en
el laboratorio de máquinas.
3. La construcciÉn independiente de las fuentes para cada
mErsá, permite que las prácticas se rearicen en forma
rápidar ya qugl se pueden hacer ajustes de voltaje en elmismo banco de trabajo,
33=
BIBLIÍTERAFIA
crREUrrBS DE PBTENtrrA DE EsrADtr sf¡LrDtr. t'tanual para
proyectistas RCA. Arbo S.A.tr. e I. Buenos Aires.
trrRcurrtrS LBErcos. votúmen r y rr. Diviston de selecciÉny capacitación. centro Hacional de trapacitaciónr-T-E-tr- Bogotá. sección administrativa impresióngrupo producción didáctica_
curLER' Phillip. Anátisis de circuitos tron
semiconductores. l'lexico, Hc Eraw Hill.
EOURTSHANKAR, vembu- Eonversión de energtaelectromecánica. l.lexico, representación y serviciosde ingenierfa, S.A. r lg75.
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