www.iplacex.cl

ELECTRÓNICA ANALÓGICA Y DIGITAL UNIDAD Nº II

Amplificadores Operacionales y Circuitos Integrados analógicos

www.iplacex.cl

2

Introducción

Los circuitos integrados son dispositivos semiconductores altamente complejos

capaces de realizar diferentes tareas, en general, cada circuito integrado es diferente y

posee una función específica, pero también forman a su vez parte de familias según sea

la tarea o configuración que tengan. Los circuitos integrados se consiguen de miniaturizar

enormes circuitos con transistores y elementos pasivos y luego introducirlos todos en un

único chip, que, con la ayuda de algunos pocos componentes externos, puede desarrollar

complejas funciones en un mínimo espacio.

Un parámetro importante para los circuitos integrados y demás dispositivos

semiconductores es la disipación de potencia, puesto que esta define límites de operación

que de sobrepasarse destruirían el componente. La potencia disipada se manifiesta en

forma de calor y produce un aumento de la temperatura interna del dispositivo, es dicha

temperatura la causante de la destrucción de los dispositivos por excesiva disipación de

potencia. Para evitar que ello ocurra se empelan disipadores de calor y sistemas de

refrigeración que enfrían los dispositivos. En esta sesión se presentan los circuitos

térmicos, una herramienta para analizar el comportamiento térmico de un dispositivo que

disipa potencia y determinar las características que debe tener un disipador de calor.

Habiéndose ya presentado una serie de dispositivos electrónicos y componentes,

se presenta un procedimiento para diseñar fuentes de alimentación lineales funcionales a

partir de una especificación de diseño para una aplicación definida.

.

SEMANA 4

www.iplacex.cl

3

Ideas Fuerza

1. Los circuitos integrados son circuitos electrónicos que ha sido

miniaturizados e introducidos en un único paquete o chip.

El nombre de circuito integrado hace alusión a que en el interior de cada uno de ellos

existe un circuito conformado por elementos electrónicos diminutos, dicho circuito puede

realizar una función específica con la ayuda de pocos componentes externos.

2. Los circuitos integrados se clasifican según escalas de integración

Las escalas de integración indican cuantos transistores se alojan en un circuito

integrado, esto, debido a que básicamente todo circuito electrónico digital o analógico

capaz de controlar corrientes eléctricas está fabricado en base a transistores. Para los

circuitos integrados más complejos, este número puede superar los 100.000 transistores

en un único chip.

3. La temperatura es un factor crítico para la vida de un componente electrónico

semiconductor

Los dispositivos semiconductores sufren una elevación de su temperatura debido a la

potencia que estos deben disipar para poder operar, dicha potencia puede ser tal que

genere una temperatura excesiva que destruya el dispositivo, para evitarlo se emplean

elementos externos que permiten reducir la temperatura del dispositivo.

4. El diseño de una fuente de poder lineal es un proceso sencillo y útil

Las fuentes de alimentación lineales son las más básicas y su diseño se limita a

determinar las características que deben tener unos pocos componentes, tales como el

condensador filtro, puente rectificador y transformador de entrada. Poder diseñar una

fuente de poder funcional o al menos tener una noción de su funcionamiento es una

herramienta fundamental para todo electrónico.

www.iplacex.cl

4

Contenido 1. Circuitos integrados ...................................................................................................... 5

1.1. Circuito integrado 555 y sus aplicaciones ............................................................. 7

1.1.1. Oscilador Astable ............................................................................................. 8

1.1.2. Multivibrador monoestable ............................................................................... 9

1.2. Circuito integrado 556 ......................................................................................... 10

1.3. Circuitos integrados comparadores LM3914 y LM3915 ...................................... 11

1.4. Reguladores de voltaje fijos 78xx y 79xx ............................................................ 14

1.5. Reguladores de voltaje ajustables LM317 y LM337 ............................................ 16

2. Incidencia de la temperatura en componentes electrónicos: ...................................... 18

2.1. Circuitos térmicos ................................................................................................ 18

2.2. Derrateo de máxima potencia disipable .............................................................. 25

3. Fuentes de poder lineales .......................................................................................... 27

3.1. Procedimiento de diseño ..................................................................................... 29

3.1.1. Selección del regulador de voltaje ................................................................. 30

3.1.2. Selección del capacitor filtro .......................................................................... 31

3.1.3. Selección del Rectificador .............................................................................. 32

3.1.4. Selección del transformador y fusible de entrada .......................................... 33

www.iplacex.cl

5

Desarrollo

1. Circuitos integrados Los circuitos integrados son elementos fundamentales en la electrónica de hoy y reciben

dicho nombre porque son circuitos electrónicos que han sido miniaturizados e integrados en un

único componente que permite desarrollar una tara específica, requiriendo sólo algunos

componentes externos. Al igual que los componentes que ya se han revisado, los circuitos

integrados o CI poseen pines para conectarse a los demás elementos del circuito donde se

insertan y cada uno de ellos tiene una función específica.

El primer ejemplo de circuito integrado lo constituyen los amplificadores operacionales,

componentes que fueron revisados en la lección anterior del curso, sin embargo, hoy se puede

encontrar un circuito integrado para prácticamente cualquier función o al menos uno que

simplifique bastante el diseño de circuitos que logren dicho cometido.

Los circuitos integrados son componentes complejos que han sido optimizados para que su

uso simplifique el diseño de aplicaciones, reduzca su tamaño y costo e incremente su

confiabilidad. Sin embargo, al tratarse de circuitos completos incluidos en un único chip, las

características técnicas de cada circuito integrado son diferentes y deben interpretarse en el

contexto de la aplicación. Muchas veces la aplicación funcional requiere sólo de la interpretación

de las características técnicas básicas del circuito integrado y del conocimiento de su operación

desde el punto de vista cualitativo y cuantitativo, sin ser necesario un análisis extenso de la

operación interna del dispositivo.

Físicamente un circuito integrado puede verse de variadas formas, esto debido a la variedad

de encapsulados disponibles, la figura 1.1 muestra encapsulados de circuitos integrados más

comunes. Es importante destacar que para aplicaciones de electrónica discreta profesionales se

prefieren los encapsulados de montaje superficial al ser más pequeños y permitir una mayor

densidad de componentes en la tarjeta, sin embargo, para aplicaciones no profesionales se

prefieren los encapsulados de montaje de inserción o through-hole, al ser más grandes y fáciles

de montar con herramientas básicas.

La tecnología en cuanto a los CI avanza a pasos agigantados, así, se definen escalas de

integración, que indican el número de transistores que se albergan en un circuito integrado, así se

tienen:

SSI (Small Scale Integration) pequeño nivel: de 10 a 100 transistores

MSI (Medium Scale Integration) medio: 101 a 1 000 transistores

LSI (Large Scale Integration) grande: 1 001 a 10 000 transistores

VLSI (Very Large Scale Integration) muy grande: 10 001 a 100 000 transistores

www.iplacex.cl

6

ULSI (Ultra Large Scale Integration) ultra grande: 100 001 a 1 000 000 transistores

GLSI (Giga Large Scale Integration) giga grande: más de un millón de transistores

Si bien estas clasificaciones cobran más sentido en la electrónica digital, en la electrónica

analógica también se emplea como unidad básica el transistor, por lo que la clasificación sigue

siendo válida.

Como cada circuito integrado posee una función definida, no existe un único símbolo para

todos ellos, salvo para aquellos grupos que cumplen una misma función, como lo son los

reguladores de voltaje integrados y los amplificadores operacionales. Se acostumbra a dibujarlos

como un rectángulo con el modelo del circuito integrado en el centro y pines denotados por el

número en el encapsulado o por la abreviatura de su función, no debiendo necesariamente

dibujarse en el orden que posee el circuito físico, sino en uno que facilite la interpretación del

esquemático. La figura 1.2 muestra algunos ejemplos.

Fig. 1.1. Principales encapsulados de circuitos integrados

www.iplacex.cl

7

Fig. 1.2. Ejemplo de simbología para circuitos integrados

Existen muchos circuitos integrados, al igual que los demás dispositivos

semiconductores presentados, estos se identificación mediante un código alfanumérico

que entrega su fabricante y con el cual es posible encontrar su hoja de datos, donde se

exponen sus aplicaciones, características técnicas y funcionamiento interno.

Adicionalmente, los fabricantes proveen de documentos técnicos para facilitar el diseño

con circuitos integrados, así, muchos poseen Notas de Aplicación que simplifican el

desarrollo de circuitos.

Así como existen muchas familias de circuitos integrados, es imposible aprender

cada uno de ellos, por esto en este capítulo del curso, sólo se presentan algunos circuitos

integrados comunes en el ejercicio de la electrónica básica y educativa; ellos son:

NE555: Oscilador de onda cuadrada configurable

NE556: Oscilador de onda cuadrada dual configurable

LM391X: Comparador de 10 salidas con escala lineal y logarítmica.

78XX-79XX: Reguladores de voltaje fijos

LM3XX: Reguladores de voltaje ajustables

1.1. Circuito integrado 555 y sus aplicaciones

El circuito integrado 555 es un circuito integrado muy estable cuya función primordial

es la de producir pulsos de temporización con una gran precisión y que puede funcionar

como oscilador de onda cuadrada.

Su estructura interna permite la operación en diversas formas:

- Temporizador de tiempos desde microsegundos hasta horas

- Oscilador de onda cuadrada con ciclo de trabajo ajustable

www.iplacex.cl

8

- Divisor de frecuencia

- Generador de señales triangulares.

Las características técnicas del 555 y su aspecto físico se presentan en la siguiente tabla:

Especificaciones generales del 555

Voltaje de alimentación Vcc 5-Volt 10-Volt 15-Volt

Frecuencia máxima (Astable) 500-kHz a 2-MHz

Nivel de tensión de salida Voh 3.3V 7.5V 12.5V

Error de frecuencia (Astable) ~ 5% ~ 5% ~ 5%

Error de temporización (Monoestable)

~ 1% ~ 1% ~ 1%

Máximo valor de Ra + Rb 3.4-Meg

6.2-Meg

10-Meg

Valor mínimo de Ra 5-K 5-K 5-K

Valor mínimo de Rb 3-K 3-K 3-K

Reset VH/VL (pin-4) 0.4/<0.3 0.4/<0.3 0.4/<0.3

Corriente de salida (pin-3) ~200mA

1.1.1. Oscilador Astable

La aplicación más común y simple del 555 es la de oscilador o multivibrador

astable, que refiere a que el circuito es capaz de generar una forma de onda cuadrada de

valor positivo con una frecuencia determinada. El circuito y la forma de onda generada se

presentan en la figura siguiente:

www.iplacex.cl

9

Vo

Voh

0 T1

T2

Fig. 1.1.1. Oscilador astable con 555

La forma de onda de Vo posee el tiempo en estado alto T1, el tiempo en estado

bajo T2 y el periodo T=T1+T2, así la frecuencia es:

𝑓 =1

𝑇1 + 𝑇2

Y queda dada por los componentes Ra, Rb y C:

𝑓 =1,4427

(𝑅𝑎 + 2𝑅𝑏) ⋅ 𝐶

Los tiempos T1 y T2 quedan dados por:

𝑇1 = 0,693 ⋅ (𝑅𝑎 + 𝑅𝑏) ⋅ 𝐶

𝑇2 = 0,693 ⋅ 𝑅𝑏 ⋅ 𝐶

De esta forma, se peuden determinar los valores de Ra, Rb y C para cumplir con

una frecuencia y relación de tiempos dada.

1.1.2. Multivibrador monoestable

Corresponde a la segunda aplicación más común del 555, el circuito y forma de

onda de salida se muestran en la figura siguiente:

www.iplacex.cl

10

Fig. 1.1.2. Multivibrador monoestable

Cuando la señal de disparo (entre el pin 2 y GND) está a nivel alto (ej. 5V con Vcc

5V) la salida se mantiene a nivel bajo (0V), que es el estado de reposo.

Una vez se produce el flanco descendente de la señal de disparo, la salida se

mantiene a nivel alto (Vcc) hasta transcurrido el tiempo determinado por la ecuación:

𝑇 = 1,1 ⋅ 𝑅 ⋅ 𝐶

El circuito monoestable es adecuado para la activación de alarmas, temporizadores,

luces con sensor de presencia y en general de cualquier dispositivo que se quiere

mantener encendido durante un tiempo determinado luego de que ha ocurrido un evento.

1.2. Circuito integrado 556

El circuito integrado 556 es en esencia dos 555 en un mismo chip, por lo que posee

las mismas aplicaciones y configuraciones. El detalle de los pines y su aspecto físico se

muestran en la figura siguiente:

www.iplacex.cl

11

Fig. 1.2.1. Detalle de pines del NE556 y equivalencia a dos 555.

1.3. Circuitos integrados comparadores LM3914 y LM3915

Esta familia de circuitos corresponde a integrados que permiten desarrollar la misma

aplicación de los arreglos de comparadores para censar voltaje que se revisaron en la

sesión anterior, sin embargo, estos dispositivos incorporan las resistencias internamente y

sus valores son fijos, adicionalmente están optimizados para encender Leds en sus

salidas.

El LM3914 es un circuito integrado que censa el de voltaje presente en su entrada, y

controla 10 Leds en una escala lineal de 10 pasos. Dispone de un pin para cambiar el

modo de funcionamiento, permitiendo elegir si la representación será una barra de luz, o

un punto. No se necesitan resistencias individuales para cada uno de los Leds.

El integrado contiene su propia referencia de tensión, y un divisor de voltaje de 10

etapas, cuyas salidas son las encargadas de manejar los Leds.

La entrada está protegida contra sobre tensiones hasta los 35 volts.

Es posible encadenar varios LM3914 para obtener escalas de 20, 30 o hasta 100 leds.

Ambos extremos del divisor de voltaje son disponibles desde el exterior del chip.

La aplicación común es la de Vúmetro o de voltímetro luminoso. Un vúmetro es una

barra de Leds utilizada para indicar la potencia de una señal de audio.

El LM3914 dispone de 18 pines, dispuestos en dos filas de 9, tal como se muestra

en la figura siguiente:

www.iplacex.cl

12

Fig. 1.3.1. Circuitos integrados LM3914 y LM3915, detalle de pines.

Dos de ellos están destinados a la alimentación del integrado, por lo que el pin

numero 2 deberá conectarse al negativo de la fuente de alimentación, y el pin 3 al

positivo. La fuente debe entregar una tensión de corriente continua de entre 3 y 15V.

El pin 1 es el que controla el primer LED de la escala. Los demás LEDs deberán

conectarse a los pines 18 al 10 (LEDs 2 al 10 respectivamente). Al estar distribuidos de

esta manera, los LEDs se conectan a todos los pines de un mismo lado del integrado, con

la excepción del LED 1 que se conecta al pin 1.

El pin numero 9 es el encargado de seleccionar el modo de funcionamiento del

chip. En efecto, si conectamos este pin directamente a 0V, el display formado por los

LEDs funcionara en modo punto, mientras que si lo conectamos a +V funcionara en modo

barra.

La corriente que circula por el pin 7 es la que determina el brillo de los LEDs. Un brillo

adecuado se obtiene conectando una resistencia de unos 1200 ohm entre este pin y 0V.

El pin 8 es que se encarga de tomar la referencia de la escala. Mediante una

resistencia conectada entre este pin y 0V se puede correr la escala.

Los pines 4 y 6 son los extremos (bajo y alto respectivamente) del divisor.

El pin numero 5 es la entrada de la tensión a medir, la que será tratada internamente para

decidir que LEDs se encienden y cuales deben permanecer apagados.

El fabricante provee de ejemplos de utilización en el datasheet del circuito

integrado, así, el ejemplo de aplicación más utilizado es el siguiente:

www.iplacex.cl

13

VLED3V A 7V

V+5V A 20V

10uF

SEÑAL DE ENTRADA

+

BARRAPUNTO

LM3914LM3915

Fig. 1.3.2. aplicación típica del Circuito integrado LM3914

𝑉𝑅𝐸𝐹𝑂𝑈𝑇 = 1,25 (1 +𝑅2

𝑅1) = 𝑉𝐼𝑁𝑀𝐴𝑋

𝑉𝑃𝐴𝑆𝑂=𝑉𝑅𝐸𝐹𝑂𝑈𝑇/10

Así 𝑉𝑅𝐸𝐹𝑂𝑈𝑇 = 𝑉𝐼𝑁𝑀𝐴𝑋 corresponde a valor de voltje que al ingresar al pin 5

encenderá el último LED. 𝑉𝑃𝐴𝑆𝑂corresponde al paso en volts en que los LEDs se van

encendiendo.

Vled puede cualquiera entre 3V y 12V, la corriente por los LED se determina

mediante R1:

𝐼𝐿𝐸𝐷 =𝑉𝐿𝐸𝐷

𝑅1

Así mediante R1 se regula la corriente circulante por los LEDs.

El circuito integrado LM3915, comparte la mayoría de las características del

LM3914; con la diferencia que este tiene una respuesta logarítmica. Esto significa que la

escala de leds se activará inicialmente de forma casi lineal, pero en el fondo de la escala

describirá una curva semi ascendente.

www.iplacex.cl

14

Esta característica hace que el LM3915 pueda ser utilizado como vúmetro para

equipos de audio, debido a que simula la curva de respuesta auditiva del ser humano.

1.4. Reguladores de voltaje fijos 78xx y 79xx

Los reguladores lineales de tensión, también llamados reguladores de voltaje, son

circuitos integrados diseñados para entregar una tensión constante y estable. Constan de

sólo 3 terminales:

Fig. 1.4.1. Reguladores de voltaje 78xx y 79xx

Estos dispositivos están presentes en la gran mayoría de fuentes de alimentación,

pues proporcionan una estabilidad y protección necesitando muy pocos componentes

externos, haciendo que sean muy económicos.

La tensión y corriente que proporcionan es fija según el modelo y va desde 3.3v

hasta 24v con un corriente de 0.1A a 3A.

¿Cómo podrías lograr que la escala no parta en cero?

www.iplacex.cl

15

La identificación del modelo es muy sencilla. Las dos primeras cifras corresponden

a la familia:

78xx para reguladores de tensión positiva

79xx para reguladores de tensión negativa

Las dos últimas cifras siguientes corresponden al voltaje de salida:

xx05 para tensión de 5v

xx12 para 12v

xx24 para 24v

Etc., así, un circuito integrado 7805 será entonces un regulador de voltaje positivo

de salida 5V y un 7912 será un regulador de -12V.

Los modelos más comunes son:

Respecto a la corriente máxima (Imax) de salida, está indicada en el rotulado del

dispositivo. Por ejemplo, si entre la familia y el modelo aparece una L (78L05) indica que

la corriente máxima de salida es de 0.1A.

L = 0.1A

M = 0.5A

www.iplacex.cl

16

S = 2A

T = 3A

Sin letra = 1A

Los tres terminales corresponden a la Tensión de entrada (Vin), Tierra (gnd) y

Tensión de salida (Vout) y la tensión de entrada debe tener un valor mínimo para lograr

un buen funcionamiento, tal como se muestra en la tabla anterior.

Su aplicación es sencilla, sólo basta emplear el circuito de la figura siguiente para

cada regulador 78XX o 79XX que se utilice:

Fig. 1.4.2. Circuitos de aplicación de reguladores 78XX y 79XX

Como puede notarse, el valor del condensador a emplear entre el terminal de

entrada y GND no es crítico y puede estar entre los 100nF a 470nF. El ejemplo dual

mostrado para la pareja 7805 y 7905 es aplicable también para cualquier pareja d voltajes

positivos y negativos.

1.5. Reguladores de voltaje ajustables LM317 y LM337

Al igual que los circuitos integrados 78XX y 79XX los CI de la familia LM317 y LM337

son reguladores de voltaje de tres pines; sin embargo, son reguladores de tensión lineal

www.iplacex.cl

17

ajustables, capaces de suministrar a su salida un rango que va desde 1,25V hasta 37 V y

una intensidad máxima de 1,5 A. Sus pines son: ajuste (ADJ), entrada (In) y salida (Out).

El complemento al LM317, pero en tensión negativa es el circuito integrado LM337.

El circuito de aplicación es:

Fig. 1.5.1. Circuito de aplicación de reguladores ajustables LM317 y LM337

Considerando siempre una tensión de entrada mayor en al menos 2V a la que se

quiere obtener a la salida, el voltaje de salida del regulador se obtiene mediante la

relación:

𝑉𝑂𝑈𝑇 = 1,25 (1 +𝑅2

𝑅1)

R1 se acostumbra a utilizar de 240 Ohm, por lo que se acostumbra a variar el

voltaje de salida sólo modificando R2.

Si bien la figura sólo muestra el LM317, la configuración para el LM337 es

exactamente igual, considerando las diferencias entre los pines que se muestran a

continuación:

Fig. 1.5.2. Configuración de pines del LM317 y LM337

www.iplacex.cl

18

La familia completa de reguladores ajustables se compone por los siguientes

integrados:

LM105 LM305

Adjustable positive voltage regulator (4.5 V-40 V)

LM109 LM309

5-volt regulator (up to 1 A)

LM117 LM317

Adjustable 1.5 A positive voltage regulator (1.25 V-37 V)

LM120 LM320

Fixed 1.5 A negative voltage regulator (-5 V, -12 V, -15 V)

LM123 LM323

Fixed 3 A, 5-volt positive voltage regulator

LM330 5-volt positive voltage regulator, 0.6 V input-output difference

LM237 LM337

Adjustable 1.5 A negative voltage regulator (-1.2 V to -37 V)

LM138 LM338

Adjustable 5 A voltage regulator (1.2 V-32 V)

LM140 LM340

1 A positive voltage regulator (5 V, 12 V, 15 V), can be adjustable

LM341 0.5 A protected positive voltage regulators (5 V, 12 V, 15 V)

LM350 Adjustable 3 A, positive voltage regulator (1.2 V-33 V)

Con la introducción de los reguladores de voltaje es posible obtener fuentes de

alimentación con diferentes voltajes de salida positivos y negativos con corrientes

máximas cercanas a 1.5A por canal en forma muy estable. Además, los reguladores

ajustables permiten la operación en voltaje variable, es decir, se puede reemplazar R2 por

un potenciómetro y obtener cualquier voltaje que se desee sólo ajustando su valor.

Si bien existen muchos circuitos integrados, la mayoría escapa del enfoque de este

curso, por lo que a electrónica analógica refiere, sólo se revisan los circuitos integrados ya

mencionados.

2. Incidencia de la temperatura en componentes electrónicos:

2.1. Circuitos térmicos

Tal como se ha presentado en sesiones anteriores, los dispositivos semiconductores

como transistores y circuitos integrados poseen ratings que no deben excederse para que

no se destruyan; es simple no exceder las limitaciones de voltaje o corriente, sin embargo,

www.iplacex.cl

19

evitar exceder los límites térmicos o de disipación de potencia puede resultar en un grado

mayor de dificultad. Operar un dispositivo a las temperaturas máximas indicadas por el

fabricante o la máxima disipación de potencia es crucial para la vida de un dispositivo

semiconductor debido a que empeoran las características funcionales del dispositivo y la

vida media esperada disminuye al aumentar la temperatura. Para no llegar a estas

condiciones se debe conocer la potencia que el dispositivo debe disipar y mantenerlo a

una temperatura aceptable dentro de los parámetros que el fabricante provee, para ello se

emplean los mecanismos de refrigeración.

Los mecanismos de refrigeración buscan disminuir mediante elementos externos, la

temperatura de un componente electrónico para evitar que este se destruya por exceder

los ratings térmicos. Los ratings térmicos los provee el fabricante y generalmente son:

Temperatura máxima de la juntura: Refiere a la temperatura interna máxima a la que

puede llegar un dispositivo, esta temperatura no se puede medir al ser la del material

semiconductor en sí y encontrarse dentro del dispositivo. Exceder la temperatura máxima

de la juntura derivará en la destrucción del componente.

Temperatura máxima de la cápsula: Corresponde al valor máximo que puede tener el

cuerpo del componente sin que se destruya, al contrario del rating anterior, este si se

puede medir al ser la temperatura del cuerpo externo del dispositivo.

Independientemente del mecanismo de refrigeración que se emplee (convección

natural, convección forzada, water cooling, N2 cooling, etc.) todos involucran el uso de un

Disipador de calor en contacto con el cuerpo del dispositivo, siendo el disipador el

elemento primario de refrigeración para todo dispositivo semiconductor que pueda verse

afectado por la disipación de potencia (como BJT, MOSFET, diodos de potencia,

reguladores de voltaje, etc.).

El uso de disipadores es a menudo considerado como una tarea sencilla, sin

embargo, también existen modelos matemáticos asociados a ello, que de considerarse

permitirán un mejor rendimiento de la aplicación al proveer de los elementos necesarios

para determinar qué disipador usar y no dimensionarlo en forma errada. El modelo

matemático necesario para determinar el comportamiento térmico de los dispositivos

semiconductores se llama Circuito Térmico y corresponde a la representación como un

circuito eléctrico del componente que disipa potencia. Para revisar los circuitos térmicos

se deben primero definir algunos conceptos:

Potencia disipada: Corresponde a la potencia eléctrica que un dispositivo electrónico real

utiliza para realizar su operación y que se manifiesta en forma de calor, generalmente

corresponde a la suma de todas las potencias parciales que existen en el componente,

www.iplacex.cl

20

determinadas por los voltajes existentes entre dos pines del elemento y las corrientes que

por allí circulan. Para el caso de este curso, dichas potencias siempre serán provenientes

de tensiones y corrientes DC:

𝑃𝐷 = 𝑉𝐷𝐶 ⋅ 𝐼𝐷𝐶

Corresponde a la fuente de calor y se mide en Watts

Resistencia térmica: Corresponde a la facilidad o dificultad que ofrece una unión entre

dos materiales o piezas a que el flujo de calor las atraviese. La resistencia térmica

siempre está dada entre dos puntos de una estructura y gobierna la diferencia de

temperatura entre dichos puntos cuando la estructura disipa potencia. Se designa con 𝜃 y

se mide en °C/W o K/W (para resistencias térmicas, las unidades °C/W y K/W son

equivalentes, por lo que no se requiere transformar de °C a K o viceversa) Cada interface

presenta una resistencia térmica.

Temperatura ambiente: Corresponde a la temperatura del entorno donde se encuentra la

aplicación que disipa potencia. Generalmente se considera entre 25°C-30°C.

Una presentados estos conceptos, es posible visualizar el dispositivo refrigerado

como un circuito térmico. El modelo recibe el nombre de “Modelo estático multicapa”, así

para cada interface presente en el montaje, se tiene una resistencia térmica definida por

el componente, por el aislamiento o por el disipador.

El montaje de un dispositivo semiconductor con disipador posee tres elementos:

-El dispositivo, cuyo cuerpo físico se llama encapsulado o cápsula posee una resistencia

térmica entre la juntura y la cápsula, dicha resistencia térmica se provee en el datasheet y

se denota 𝜃JC.

-El aislamiento, permite reducir las diferencias de rugosidad entre las caras que entran en

contacto del dispositivo y el disipador. En escala microscópica, todos los materiales son

rugosos, el aislamiento provee un medio para rellenar parcialmente las diferencias y lograr

que la interface sea homogénea. El aislamiento puede ser de dos naturalezas: grasa

térmica o thermal Pad; la grasa térmica no provee aislamiento eléctrico per es un

excelente conductor térmico, mientras que los termal Pad generalmente proveen

aislamiento eléctrico, pero son peores conductores térmicos que la grasa térmica.

www.iplacex.cl

21

Fig. 2.1.1. Diferencia microscópica entre superficies de la cápsula y el disipador.

Fig. 2.1.2. Grasa térmica.

Fig. 2.1.3. Dispositivos utilizando thermal Pad.

Debido a la eficacia de la grasa térmica y del thermal Pad, la resistencia térmica

entre la cápsula y el disipador 𝜃𝐶𝑆 queda definida prácticamente por el aislamiento.

-El disipador, permite evacuar gran parte del calor generado por el dispositivo al ambiente,

reduciendo la temperatura en la cápsula del mismo y finalmente en la juntura. El disipador

posee una resistencia térmica entre su cuerpo y el ambiente (𝜃𝑆𝐴), que está dada por el

fabricante para disipadores conocidos o bien puede determinarse en forma aproximada de

catalogos para disipadores de los cuales no se conoce información. En el caso de que no

existan más elementos luego del disipador, se dice que la refrigeración es por convección

natural. Cuando se agrega un ventilador al disipador el sistema de refrigeración pasa a

llamarse de convección forzada y reduce el valor de 𝜃𝑆𝐴 de acuerdo al flujo de aire que

mueva el ventilador. Cabe mencionar que el ventilador debe montarse de forma que

www.iplacex.cl

22

ayude a evacuar el calor desde el disipador, es decir, sacando aire caliente y no soplando

aire frío.

Su funcionamiento se basa en la transferencia del calor de la parte caliente que se

desea disipar al aire. Este proceso se propicia aumentando la superficie de contacto con

el aire permitiendo una eliminación más rápida del calor excedente.

Un disipador extrae el calor del componente que refrigera y lo evacúa al exterior,

normalmente al aire. Para ello es necesaria una buena conducción de calor a través del

mismo, por lo que se suelen fabricar de aluminio por su ligereza, pero también de cobre,

mejor conductor del calor, cabe aclarar que el peso es importante ya que la tecnología

avanza y por lo tanto se requieren disipadores más ligeros y con eficiencia suficiente para

la transferencia de calor hacia el exterior. Existen así, infinidades de diseños de

disipadores para componentes electrónicos, la figura 2.1.4 muestra algunas formas más

comunes y valores aproximados de su resistencia térmica que pueden utilizarse como

referencia.

La figura 2.1.5 muestra el montaje y la transferencia de calor entre las capas. Cada

elemento (juntura, cápsula, disipador y ambiente) tendrá una temperatura en estado

estacionario.

Conocidas todas las resistencias térmicas, es posible modelar el sistema como un

circuito eléctrico, así, las fuentes de calor o elementos que disipan potencia se simbolizan

como fuentes de corriente continua de valor igual a la potencia disipada.

www.iplacex.cl

23

Fig. 2.1.4. Diversos tipos de disipadores.

Fig. 2.1.5. Transferencia de calor desde la juntura hasta el ambiente mediante el uso de disipador.

Las resistencias térmicas se simbolizan con resistencias eléctricas de valor igual a

𝜃 y las temperaturas son voltajes; la temperatura ambiente se simboliza con uan fuente de

tensión continua de valor igual a la temperatura ambiente en °C. El diagrama obtenido se

denomina “Circuito térmico”

El circuito equivalente para un único dispositivo montado en disipador se muestra a

continuación:

www.iplacex.cl

24

Fig. 2.1.6. Circuito térmico para un semiconductor montado en disipador

Para determinar la temperatura en cada elemento basta con resolver el circuito

para el voltaje que habría entre dicho punto y la referencia, así, las temperaturas de la

juntura 𝑇𝐽, de la cápsula 𝑇𝐶 y del disipador 𝑇𝑆, corresponden a los voltajes medidos en

donde se ubican las flechas:

𝑇𝐽 = 𝑇𝐴 + 𝑃𝐷(𝜃𝐽𝐶 + 𝜃𝐶𝑆 + 𝜃𝑆𝐴)

𝑇𝐶 = 𝑇𝐴 + 𝑃𝐷(𝜃𝐶𝑆 + 𝜃𝑆𝐴)

𝑇𝑆 = 𝑇𝐴 + 𝑃𝐷(𝜃𝑆𝐴)

Cuando se montan más de un dispositivo en el mismo disipador, el circuito térmico

cambia levemente considerando una fuente de disipación de potencia por dispositivo y

compartiendo la resistencia térmica 𝜃𝑆𝐴 ya que se trata del mismo disipador, así, cuando

se montan dos dispositivos el circuito térmico queda:

Fig. 2.1.7. Circuito térmico para dos componentes montados en un mismo disipador

Para este caso, por ejemplo, la temperatura de la juntura del segundo dispositivo

𝑇𝐽2 quedará dada por:

𝑇𝐽2 = 𝑃𝐷2(𝜃𝐽𝐶2 + 𝜃𝐶𝑆2) + (𝑃𝐷1 + 𝑃𝐷2)𝜃𝑆𝐴 + 𝑇𝐴

www.iplacex.cl

25

Conociendo como determinar el circuito térmico para dos dispositivos en un único

disipador ya es posible extrapolarlo a cualquier número de dispositivos

Fig. 2.1.8. Cuatro transistores en un mismo disipador

El circuito térmico puede utilizarse de dos formas, para determinar la temperatura

que alcanzaría la juntura con un disipador dado o bien para calcular la resistencia térmica

que debe tener el disipador para no sobrepasar una temperatura de juntura dada. En el

primer caso la incógnita es Tj y en el segundo caso se debe determinar 𝜃𝑆𝐴 imponiendo

un valor de Tj. Naturalmente que se puede calcular también la temperatura en cada

cápsula y en el propio disipador.

2.2. Derrateo de máxima potencia disipable

La temperatura de un componente que disipa potencia es un parámetro crítico

debido a que puede destruirse si se excede el rating de máxima temperatura de la juntura,

una consecuencia directa es que el dispositivo puede disipar menos potencia a medida

que la temperatura de la cápsula aumenta. Si se considera que existe también una

potencia máxima disipable 𝑃𝐷𝑚𝑎𝑥 y que el rating de temperatura de juntura es de 𝑇𝐽𝑚𝑎𝑥

entonces considerando una potencia disipada 𝑃𝐷 y que la temperatura de la cápsula es 𝑇𝐶

conocida entonces se tiene el circuito equivalente térmico:

¿Cómo sería el circuito térmico para cuatro dispositivos?

www.iplacex.cl

26

Fig. 2.2.1. Circuito equivalente térmico con Tc conocido

Si se supone que el dispositivo trabaja en el límite de su capacidad térmica

entonces la temperatura de la juntura 𝑇𝐽 = 𝑇𝐽𝑚𝑎𝑥, así, del circuito:

𝑇𝐽 = 𝑃𝐷 ⋅ 𝜃𝐽𝐶 + 𝑇𝐶

→ 𝑇𝐽𝑚𝑎𝑥 = 𝑃𝐷 ⋅ 𝜃𝐽𝐶 + 𝑇𝐶

Si se despeja 𝑃𝐷 se tiene:

𝑃𝐷 =𝑇𝐽𝑚𝑎𝑥

𝜃𝐽𝐶−

𝑇𝐶

𝜃𝐽𝐶

Si el dispositivo trabaja a la temperatura máxima posible entonces está disipando

una potencia máxima 𝑃𝐷𝑀 para la temperatura de cápsula actual, la ecuación se

transforma en:

𝑃𝐷𝑀 =𝑇𝐽𝑚𝑎𝑥

𝜃𝐽𝐶−

𝑇𝐶

𝜃𝐽𝐶

Por ejemplo, el transistor bipolar 2N3055 tiene una resistencia térmica 𝜃𝐽𝐶 =

1.52°𝐶/𝑊, la temperatura máxima de juntuira es de 200°C y la pótencia absoluta

máxuima que puede disipar es de 115W, así, para cada valor de temperatura de cápsula,

la maxima potencia que el dispositivo puede disipar sin dañarse queda dada por:

𝑃𝐷𝑀 =200

1.52−

𝑇𝐶

1.52

Si se iguala 𝑃𝐷𝑀 = 𝑃𝐷𝑚𝑎𝑥 = 115𝑊 se tiene que la temperatura máxima que puede

tener la cápsula para poder disipar dicha potencia es de:

115 =200

1.52−

𝑇𝐶

1.52

→ 𝑇𝐶 = 25.2°𝐶

www.iplacex.cl

27

Nótese que a temperaturas menores a 25,2°C el dispositivo no puede disipar más

de 115W, ya que este es el límite físico. Para temperaturas superiores la relación define

una recta descendiente hasta llegar a 0 en Tc=200°C. Estas condiciones se reúnen en

una gráfica llamada “Curva de derrateo de potencia” que indica la potencia máxima que el

dispositivo puede disipar a cada valor de temperatura de cápsula, sin importar el disipador

que se emplee y generalmente viene dada en el Datasheet del dispositivo:

Fig. 2.2.2. Curva de derrateo de potencia típica, en este caso corresponde al BJT 2N3055

La curva tiene la misma forma para todos los dispositivos, sólo cambian los valores.

La curva se lee buscando la temperatura de la capsula y viendo el valor de potencia

máxima que puede disipar, por ejemplo, de la figura se tiene que si la temperatura de la

juntura es de 175°C la máxima potencia disipable es de 20W.

El área bajo la curva se llama Zona de operación segura e indica que si la

temperatura de la juntura posee un cierto valor y la potencia que el dispositivo está

disipando es menor al valor de potencia entregado por la curva, entonces el dispositivo se

encuentra operando sin riesgo de destruirse. Por ejemplo, si la temperatura de la juntura

es de 75°C y el dispositivo está disipando 60W significa que no hay riesgo que se

destruya puesto que a esa temperatura puede disipar máximo aproximadamente 80W.

3. Fuentes de poder lineales

Cualquier circuito electrónico necesita energía para funcionar, esta energía se puede obtener desde una pila o batería o a través de la red eléctrica. La tensión que suministra la red eléctrica es alterna (AC) y habitualmente excede en mucho el voltaje que requieren los dispositivos, por lo que se debe insertar un circuito electrónico que transforme el voltaje y tipo de corriente de la red (220v AC en Chile) al voltaje y tipo de corriente (AC o DC) necesario para el circuito. Este circuito se denomina fuente de alimentación.

www.iplacex.cl

28

Básicamente existen dos tipos de fuentes de alimentación, las lineales, que utilizan un transformador para disminuir el nivel de tensión en la red eléctrica al nivel necesario en para el circuito que se desea alimentar y las fuentes conmutadas que utilizan circuitos basados en transistores y bobinas operando en conmutación para reducir la tensión. Las ventajas de la fuente de alimentación lineal son su simplicidad la generación de bajo ruido electromagnético, las desventajas son su mayor tamaño y su menor eficiencia (disipan más energía en forma de calor que las fuentes conmutadas).

Las fuentes de poder lineales poseen una estructura básica general que a menudo puede tener pequeñas variaciones, aquí se presenta la configuración general más común.

Transformador Rectificador FiltroRegulador de

voltaje

VoVs

Voltaje de salida regulado

Vo1

Voltaje de salida no regulado

Fusible

Rectificador de onda completa Capacitivo

Fig. 3.1. Esquema general de una fuente de alimentación lineal.

Cada uno de los bloques que constituyen la fuente de alimentación ha sido

revisado en el curso; en forma general el transformador reduce la tensión AC de la RED a

valores AC cercanos al DC que el circuito electrónico a alimentar o la aplicación requiere.

El rectificador de onda completa es el primer paso para convertir la tensión AC reducida

en DC. El filtro capacitivo permite aumentar el valor DC que entrega el rectificador de

onda completa mediante la reducción del voltaje de rizado a valores pequeños y filtra

componentes de alta frecuencia que pudiesen generarse mediante pequeños

condensadores cerámicos. El regulador de voltaje permite entregar una tensión DC de

salida regulada menor al voltaje mínimo presente luego del filtro, eliminando cualquier

rizado y proveyendo regulación automática ante cambios en la carga.

El voltaje de salida puede también obtenerse luego del filtro si este está bien

dimensionado, pero sin regular, dando opción a tener un voltaje mayor disponible a la

www.iplacex.cl

29

salida además del voltaje regulado. Cabe destacar que el voltaje de salida regulado puede

ser más de uno si se emplean varios reguladores diferentes.

La figura siguiente muestra el diagrama general completo para una fuente de poder

con una salida regulada y una sin regular.

Vs

Vo

Vo1

+

78xxVIN VOUT

REF

+

+100nF 100nF100uF

C

D1 D3

D4 D2

T1F1

Voltaje de salida regulado

Voltaje de salida no regulado

GND

100uF

V2V1

Fig. 3.2. Diagrama esquemático de una fuente de poder con una salida regulada y una sin regular

Como puede notarse en el diagrama esquemático, los condensadores no

polarizados (cerámicos) poseen un valor fijo de 100nF y los capacitores polarizados

diferentes de C poseen un valor fijo de 100uF. Estos valores se prefieren por razones

prácticas y son transversales a cualquier valor de voltaje de salida.

3.1. Procedimiento de diseño

El procedimiento de diseño se realiza mediante los requerimientos de la aplicación, así los

parámetros de la fuente que están dados son:

-Voltajes de Salida Vo1 y Vo.

-Corriente máxima por cada salida de voltaje

-Rizado de voltaje Vrpp

-Voltaje de entrada Vs

-Frecuencia de entrada f

Con ellos se deben determinar:

-Modelo del regulador de voltaje

-Valor C del capacitor filtro y su voltaje máximo

www.iplacex.cl

30

-Corriente DC por los diodos y su voltaje inverso máximo

-Voltaje AC necesario a la salida del transformador

-Corriente RMS máxima en el secundario del transformador

-Corriente máxima por el fusible

3.1.1. Selección del regulador de voltaje

El regulador de voltaje se debe seleccionar según dos criterios:

-Voltaje de Salida deseado (Vo)

-Corriente máxima por la salida (Iomax)

Si se desea un voltaje de salida fijo entonces se debe seleccionar un regulador de

la familia 78XX, estos reguladores se fabrican para corrientes de hasta 3A, así, si se

requiere una corriente máxima de salida de 1A se deberá utilizar el regulador 78XX, si se

requieren menos de 2A se deberá emplear el regulador cuyo rotulado sea 78SXX y se

requieren hasta 3A, se deberá utilizar el regulador con código 78TXX.

Fig. 3.1.1. Reguladores de voltaje de 5V de 1A, 2A y 3A.

www.iplacex.cl

31

Si se desea una salida de voltaje con corriente máxima posible mayor a 3A no es

posible emplear sólo un regulador de voltaje integrado, sino que deberán conectarse

varios en paralelo o bien optar por una salida no regulada.

Si se requiere un voltaje ajustable se deberá emplear un regulador LM317 si la

corriente máxima deseada es de 1.5A máximo. Y determinar los valores de resistencias

según la ecuación presentada en la sección 1.5.

Para voltajes ajustables con requerimiento de corriente mayor a 1.5A, se deberá

emplear el regulador de voltaje LM338, que opera de igual forma que el LM317, pero

soporta hasta 5A.

Una vez elegido el regulador de voltaje, se deberá considerar que el valor mínimo

de voltaje que debe haber en la entrada del regulador debe ser al menos:

El valor mínimo de voltaje en la entrada del regulador es el valor mínimo a la salida

del filtro capacitivo 𝑉𝐶𝑀𝐼𝑁.

3.1.2. Selección del capacitor filtro

Para la selección del capacitor filtro se debe considerar:

- Suma de todas las corrientes máximas de salida de cada canal

- Rizado de voltaje admisible Vrpp para la salida no regulada

www.iplacex.cl

32

- Voltaje DC de salida no regulada Vdc

- Voltaje mínimo necesario a la entrada del regulador

Primero se debe determinar el voltaje máximo en el condensador, para ello se debe sumar la mitad del voltaje de rizado máximo admisible al valor DC del voltaje de salida no regulado:

𝑉𝐶𝑀𝐴𝑋=

𝑉𝑅𝑃𝑃

2+ 𝑉𝐷𝐶

Donde 𝑉𝐷𝐶 corresponde al valor DC del voltaje de salida Vo1 no regulado. El valor mínimo del voltaje en el condensador filtro es:

𝑉𝐶𝑀𝐼𝑁= 𝑉𝐷𝐶 −

𝑉𝑅𝑃𝑃

2

Dicho voltaje mínimo debe ser mayor al mínimo necesario a la entrada del regulador, si esto se cumple se puede determinar el condensador filtro despejando C de la ecuación:

𝑉𝑅𝑃𝑃 =𝐼𝐿

2𝑓𝐶

Donde 𝐼𝐿 corresponde a la suma de las corrientes DC máximas necesarias a las salidas de la

fuente y 𝑓 es la frecuencia de la red eléctrica.

De no cumplirse la condición, se deberá reducir el rizado máximo admisible hasta que la condición se cumpla y emplear la ecuación para calcular C. El condensador deberá soportar un voltaje de al menos 1.2𝑉𝐶𝑀𝐴𝑋

3.1.3. Selección del Rectificador

El rectificador siempre será de onda completa, pudiendo este ser discreto (con

cuatro diodos) o integrado (una pastilla con 4 pines). La corriente que deberá soportar

cada diodo será:

𝐼𝐷𝐷𝐶=

𝐼𝐿

2

por lo que el rating de corriente directa máxima 𝐼𝐹 de cada diodo deberá ser al menos un

20% mayor es decir:

𝐼𝐹 = 1.2 ⋅𝐼𝐿

2

www.iplacex.cl

33

El voltaje inverso máximo que debe bloquear cada diodo es igual al valor máximo

de la tensión a la entrada del puente rectificador, así se sobredimensionan los diodos a un

valor mínimo de:

𝑉𝑅𝑅𝑀 = 2𝑉2𝑀𝐴𝑋

3.1.4. Selección del transformador y fusible de entrada

El cálculo del transformador necesario para la fuente de poder implica encontrar:

Voltaje RMS necesario en el Secundario 𝑉2𝑅𝑀𝑆

Voltaje RMS del primario 𝑉1𝑅𝑀𝑆

Corriente RMS máxima por el secundario 𝐼2𝑅𝑀𝑆

El Voltaje RMS necesario en el Secundario, 𝑉2𝑅𝑀𝑆, se calcula a partir del voltaje máximo

que debe haber en el condensador filtro y la caída de tensión de los diodos:

𝑉2𝑅𝑀𝑆=

𝑉𝐶𝑀𝐴𝑋+ 2 ⋅ 0.7

√2

El Voltaje RMS del primario, 𝑉1𝑅𝑀𝑆, debe ser igual al voltaje RMS de la red eléctrica

La Corriente RMS máxima por el secundario 𝐼2𝑅𝑀𝑆 se calcula según la potencia

máxima que puede suministrar la fuente, la cual queda definida por la corriente 𝐼𝐿 y el

voltaje DC en el condensador filtro, además de las pérdidas en los diodos:

𝑃𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝐼𝐿 ⋅ 𝑉𝐷𝐶 +1.4 ⋅ 𝐼𝐿

2

Así la corriente que debe poder suministrar el secundario es:

𝐼2𝑅𝑀𝑆= 1,5

𝑃𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙

𝑉2𝑅𝑀𝑆

El fusible se dimensiona según:

𝐼𝐹𝑈𝑆𝐸 = 1,2 ⋅ 𝐼2𝑅𝑀𝑆⋅

𝑉2𝑅𝑀𝑆

𝑉1𝑅𝑀𝑆

Una vez dimensionado el fusible, la fuente de poder está completamente diseñada.

www.iplacex.cl

34

Observa las últimas dos ecuaciones ¿por qué se dice que las fuentes conmutadas disipan mucha energía en forma de calor?

www.iplacex.cl

35

Conclusión En esta cuarta lección se ha introducido algunos circuitos integrados de uso común como lo son el común 555, su versión dual el 556, los controladores LM3914 y LM3915, los reguladores de voltaje fijos de las familias 78XX y 79XX y los reguladores de voltaje ajustables LM317, LM337 y LM338. Siendo estos últimos de vital importancia para el diseño de fuentes de poder y la obtención de diferentes voltajes a partir de uno dado. Para cada circuito integrado presentado se han expuesto las capacidades, aplicaciones y circuitos más típicos, además de las características técnicas básicas que se deben conocer para ponerlos en funcionamiento. La temperatura es un parámetro importante para los dispositivos semiconductores, en esta sesión se ha explicitado y desarrollado la importancia del uso de disipadores en aquellos componentes que disipan energía en forma de calor, además de entregar un procedimiento para dimensionarlos o en su defecto, determinar si un disipador dado es suficiente para una aplicación sencilla dada; esto ha sido posible gracias a la presentación y desarrollo del modelo de circuitos térmicos para componentes electrónicos. Las fuentes de alimentación son los elementos que entregan energía a los circuitos electrónicos y se encargan de transformar los valores y tipo de voltajes disponibles en dispositivos estándar como pilas, baterías y la red eléctrica en los que el circuito electrónico necesita. En la presente sesión se ha detallado el procedimiento de diseño de una fuente de poder lineal funcional según los requerimientos de una aplicación específica.

www.iplacex.cl

36

Bibliografía Boylestad, R. L. (2009). Electrónica: Teoría de circuitos y dispositivos electrónicos.

Prentice Hall.

Malvino, A. P. (1999). Principios de electrónica. Madrid: McGraw-Hill.

Petrucci, Herring, & Harwood. (1995). Curso de Electrónica básica CEKIT. CEKIT.

Rashid, M. (1985). Circuitos Microelectrónicos. THOMSON EDITORES.

Texas Instruments. (Diciembre de 2016). LM138 and LM338 5-Amp Adjustable

Regulators.

Texas Instruments. (Marzo de 2013). LM3914, LM3915, LM3916 Dot/Bar Display

Drivers.

www.iplacex.cl

37