Fuentes de alimentacinBreve recorrido por distintos tipos de fuentes de alimentacin y sus caractersticas generales y usos.Albert Thomas La PlataAo 2007 Ing. Norberto Rosendo.

ELECTRONES EN ACCIONV.

En las pginas precedentes hemos hablado de la imposibilidad de transmitir CC a grandes distancias y la necesidad de introducir la CA y las redes polifsicas para subsanar este inconveniente.Sin embargo y como tambin decamos antes , la mayor parte de los dispositivos electrnicos y aun los elctricos de potencia como trenes, tranvas o procesos electroqumicos necesitan la CC para poder trabajar.Es por ello que es necesario contar con medios para poder convertir facilmente la Corriente Alterna en Corriente Continua.De los desarrollos desde la vlvula de vaco y las vlvulas gaseosas hasta llegar a los modernos semiconductores y de los autores de esta gesta tecnolgica nos ocuparemos en las siguientes diapositivas..

Edisson descubre en una lmpara en la que accidentalmente un trozo de filamento quedo incrustado en el vidrio de la ampolla que ese trozo de metal conduca en cierta forma la electricidad sin tener ningn contacto metlico con el filamento.Cuando la lmpara estaba apagada no circulaba corriente.Pero ni bien el filamento se pona incadescente comenzaba a fluir corriente por ese electrodo accidentalEdisson tomo nota del fenmeno y public sus descubrimientos..

|----+Como consecuencia del calentamiento aparece sobre el filamento una nube de electrones. Como consecuencia del potencial + del electrodo accidental que Edison llamo ANODO los electrodos se acercan a l.Y como consecuencia de esta atraccin se establece una corriente elctrica que es registrada por el ampermetro..

John Ambrose FLEMING trabajando para la firma MARCONI y en base a las observaciones que antes haba realizado Thomas Alva EDISON en el ao 1904 desarrolla un dispositivo similar a una lmpara incandecente que permita que la corriente fluyera en un solo sentido.Habia nacido la vlvula termoinica.

FLEMING, comprobo las observaciones de Edison que al ponerse incandecente una superficie emite electrones.Se di cuenta adems que no todos los materiales emiten la misma cantidad de electrones y observo que el xido de bario y algunas tierras raras tenan una emisin mucho mayor que el tunsteno del cual estaba construdo el filamento incandescente.Rodeo entonces el filamento con un tubo metlico recubierto con esos xidos al que llamo ctodo.Agrego luego un segundo tubo metlico que cubra al anterior que al igual que Edison llamo nodo. Todo el conjunto se cubria luego con una ampolla de vidrio dentro de la cual se hacia el vaco..

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

El siguiente paso lo dio Lee De Forest, este inventor Estadounidense buscaba poder controlar el volumen del sonido.Para ello agrega un delgado tejido de alambre de platino entre el ctodo y nodo del dodo de Fleming.Este tercer electrodo toma el nombre de regilla de controlEsto ocurria en 1906La importancia de este descubrimiento fue excepcional, tanto que el trodo se lo considera dentro de los 20 inventos mas importantes de la humanidad..

La importancia del trodo radica en que por primera vez era posible amplificar una seal.La posibilidad de la amplificacin de seales da lugar a toda una nueva rama de la ciencia elctrica que se ha dado en llamar electrnica.Otros inventores despues de Lee De Forest agregan otro electrodo de control mas con lo que se crean los tubos tetrodo.Un tercer electrodo de control da lugar a la familia de vlvulas denominada pentodo, grupo este que junto con los diodos y triodos llego a constituir toda una poca de la industria electrnica..

La industria construyo miles de tipos de vlvulas de vaco, diodos triodos, pentodos al vaco y con diversos gases como relleno de las cpsulas de vidrio.En general cuando las corrientes eran bajas se utilizaban elementos al vaco y cuando las corrientes eran altas se utilizaban elementos con gas.La misma tecnologa de las vlvulas de vaco dio origen a otro tipo de vlvulas, en las cuales en vaco lo ocupaba el gas de mercurio, estas vlvulas de las cuales se construyeron inumerables tipos se utilizaban escencialmente para rectificacin.Los rectificadores de mercurio como se los llamaba en la poca se construan de vidrio y con cpsulas metlicas y llegaron a manejar corrientes del orden de los miles de mperes..

La gran ventaja de las vlvulas era que podan admitir fuertes sobrecargas sin destruirse, la desventaja mayor de esta tecnologa fue que requeran de potencia para calentar el filamento, ademas que su envoltura de vidrio las hacia frgiles y su forma no se prestaba ni para la miniaturizacin ni para la integracin en grandes grupos.Los soviticos avanzaron mucho en el camino de la miniaturizacin aplicados a la industria aero espacial, llegando a poner en rbita satelites que utilizaban vlvulas en sus transmisores.Otro de los inconvenientes de estos dispositivos era que tenan una vida til limitada porque los materiales que se usaban para recubrir el ctodo se agotaban por efecto del calor .En la imagen se ven dos pentodos que se usaban a bordo de un MIG 29.

Mientras se descubra y desarrollaba la electrnica del vaco, otros investigadores exploraban el estado slido, tomemos algunos hechos relevantes y algunas fechas:Michael Faraday (1791-1867) descubri que el sulfuro de plata tiene un coeficiente negativo de resistencia.En 1839 A. E. Becquerel observ un fotovoltaje al alumbrar un electrodo de un electrolito.W. Smith, en 1873, advirti que la resistencia del selenio disminuye al iluminarloEn 1874, F. Braun descubri que la resistencia de los contactos entre metales y pirirtas de galena depende de la tensin aplicada sobre ellos; A. Schuster observ algo similar en superficies pulidas y no pulidas en cables de cobre.

.

En 1876, W. G. Adams y R. E. Day construyen la primer fotoclula, y C. E. Fritts presenta el primer rectificador con selenio

Estos primeros rectificadores de estado slido darian lugar luego a la aparicin de las famosas radio a galena.

En la dcada de 1930, E. H. Hall descubre que la cantidad de portadores de carga elctrica en los semiconductores es mucho menor que en los metales, aunque a diferencia de stos, aumentan rpidamente con la temperatura, y tambin que en los semiconductores tienen mucha mayor movilidad. Tambin observ que en algunos casos los portadores eran negativos y en otros positivos.DIODO DE SELENIOTodos estos investigadores buscaban de una u otra manera la forma de conseguir materiales en estado slido que pudieran ser tiles como rectificadores..

Todas estas investigaciones conducan hacia una serie de materiales que no eran ni conductores ni aislantes, y que por ello se los llamo semiconductores.Estos materiales, en su mayora formaciones cristalinas, presentaban este particular comportamiento debido a que la banda que efectivamente conduce es la que est casi vaca o casi llena, la poca densidad de los portadores de carga en el seno del cristal hace que se comporten como un gas clsico o maxweliano, desde el punto de vista elctrico.Si pudieramos ver el interior de un cristal de silicio veriamos una estructura semejante a la que se muestra en la figura adjunta.

Antes de continuar debemos explicitar que es un cristal y como se forma, en contraposicin con una sustancia amorfa.Silicio amorfo con hidrogenoHidrogenoLa sustancia cristalina mantiene sus atomos ordenadados dentro de una estructura regular, en el caso del silicio cbica.Un material amorfo mantiene sus tomos unidos en una estructura que presenta multiples dislocaciones e irregularidades..

En un cristal de silicio cada atomo dispone de 4 enlaces con sus vecinosCada tomo comparte entonces sus electrones exteriores con sus vecinos de modo de disponer 8 electrones en la banda de valenciaEl tener 8 electrones en la banda de valencia, convierte al Silicio en un material estable, pero el hecho de que estos electrones esten compartidos le da la caracterstica de semiconductor.Es decir un material que no tiene tan aferrados sus electrones de valencia como para impedir su movimiento y ser un aislante, ni los tiene tan libres como para permitir que sea un buen conductor..

En este otro dibujo de la red cristalina del silicio se observa claramente la estructura cbica del mismo.A los efectos de simplificar introduciremos un modelo esquemtico de la red tridimensional ahora volcada en un nico planoEn el dibujo vemos a cada uno de los tomos de silicio rodeados de los 4 electrones de valencia propios y los de sus vecinos.

En el dibujo vemos una representacion de una estructura tridimensional de un cristal de silicio reducida a un plano.Los crculos rojos representan los ncleos atmicos (positivos) del silicio y los circulos negros los electrones (negativos) de valencia, suceptibles de movilidad..

Supongamos ahora calentar nuestra oblea de silicio de modo que algunos electrones abandonen su rbita+Nuestro electrn sali de su rbita y dejo de tras de si un hueco o laguna.La carga total del cristal sigue estando equilibrada, hay tantas cargas positivas en los ncleos tomicos como electrones, sin embargo han aparecido dos portadores libres, un electrn y una laguna..-

Si ahora sometemos a nuestro cristal a un campo elctrico.Observamos que el electrn libre se dirige hacia el electrodo positvo, mientras que la laguna lo hace hacia el negativo.Existen en el cristal dos corrientes una de lagunas y una de electronesFinalmente el electron aportado por el electrodo negativo cubre la laguna y el electrn libre es adsorbido por el electrodo positivo..

Si nuestro semiconductor tiene el mismo nmero de portadores n (electrones)que de portadores p(lagunas) se dice que es un semiconductor intrinseco.Realmente el nmero de portadores que pueden conseguirse en un semiconduc-tor puro son extremadamente escasos. El modelo nos muestra tambin que es necesario vencer la fuerza de atraccin de cada uno de los tomos para arrancar el electrn que da lugar a la conduccin.Es por ello que la corriente que fluye a traves de ellos es muy baja o dicho de otra forma su resistencia ohmnica es relativamente alta.En el ejemplo usamos calor para generar este portador pero tambin podramos usar tensin para lograrlo, esa tensin mnima, sin la cual no hay conduccin se llama barrera de potencial..

Los electrones se agrupan entorno al nucleo atmico y estan adheridos a el mas o menos fuertemente dependiendo de varios factores entre otros el tamao del radio atmicoEntre mas pequeo sea el atomo mas firmemente seran atraidos.Nivel de energaLos electrones que se encuentran cerca del atomo, y determinan las caracteristicas quimicas de este, se llaman electrones de valenciaElectrones de valenciaEstos electrones pueden asumir distintos niveles de energa muy bien determinados, que segn el modelo de PAULI definen la orbita donde se encuentran..

Pauli en lo que se conoce como principio de exclucin definio que dos electrones no pueden simultaneamente tener los mismos nmeros cuanticos.Esto en otras palabras significa que los electrones se ordenaran en orbitas bien establecidas en cada una de las cuales solo podra haber un determinado nmero de electrones.La energa de un electron en particular dependera de la distancia al nucleo atmico, entre mayor sea esta distancia, mayor sera la energa que tenga el electron.Si aumenta mucho la energa de un electron este practicamente se desprende del atomo y se transforma en un electron de conduccin.La energa que requerira un electrn en particular para transformarse en un electron de conduccin dependera fundamentalmente del tamao del atomo y del nmero de capas de electrones que posea..

Nivel de energaElectrones de valenciaElectrones de conduccinBanda prohibdaExisten sustancias que los electrones mas externos de valencia se encuentran lejos, energeticamente hablando, de los de conduccin. Aparece entonces una zona que se llama banda prohibida donde ese nivel energetico no puede ser asumido por ningn electrn..

valenciaconduccin

valenciaconduccin

valenciaconduccin

Una sustancia que tiene solapada la banda de valencia con la de conduccin es un conductor.ConductorUna sustancia que tiene la banda de valencia proxima a la de conduccin es un semiconductorUna sustancia que tiene la banda de valencia alejada de la de conduccin es un aislante.SemiConductorAislanteBandaprohibda.

Un semiconductor es una sustancia que se comporta como conductor o como aislante dependiendo del campo elctrico en el que se encuentre. Los elementos qumicos semiconductores de la tabla peridica se indican en la tabla siguiente.

ElementoGrupoNmero de electrones en la ltima capa.Cd (Cadmio)II A2Al(aluminio) Ga (galio) B(boro) In(indio)III A3Si (silicio) Ge(germanio) IV A4P (fosforo) As (arsenico) Sb (antimonio)V A5.Se (selenio) Te (Teluro) S (azufre)VI A6

Los elementos semiconductores ms usados son el silicio y el germanio, aunque idntico comportamiento presentan las combinaciones de elementos de los grupos II y III con los de los grupos VI y V respectivamente AsGa (arsenuro de galio), PIn, AsGaAl, TeCd, SeCd y SCd). De un tiempo a esta parte se ha comenzado a emplear tambin el azufre. Si y Ge poseen cuatro electrones en su ultima orbita y cualidades similares, el germanio presenta una menor barrera de potencial que el silicio, pero ese ultimo se prefiere muchas veces por tener un mayor punto de fusin y ser mucho mas abundante en la naturaleza.En los siguientes cuadros describiremos las caracteristicas generales de estos elementos..

El elemento fue en realidad descubierto en el ao 1866 en yacimientos de argirodita (mineral de sulfuro de plata) por el qumico alemn Clemens Alexander Winkler.El germanio pertenece a la misma familia qumica que el carbono, el silicio y el plomo; se parece a estos elementos en que todos ellos forman derivados orgnicos como el tetraetilo de germanio y el tetrafenilo de germanio. El germanio forma hidruros germanometano o germano (GeH4), germanoetano (Ge2H6) y germanopropano (Ge3H8) anlogos a los formados por el carbono en la serie alcanos (vase Qumica orgnica). Sus compuestos ms importantes son el xido germnico (GeO2) y los haluros. El germanio se separa de otros metales por destilacin de su tetracloruro.Ocupa el lugar 54 en abundancia entre los elementos de la corteza terrestre. Tiene un punto de fusin de 937C, un punto de ebullicin de 2.830 C, y una densidad relativa de 5,3; su masa atmica es 72,59.Se encuentra en pequeas cantidades en yacimientos de plata, cobre y cinc, as como en el mineral germanita, que contiene un 8% de germanio. El elemento y sus compuestos tienen numerosas aplicaciones. Los cristales de germanio convenientemente tratados tienen la propiedad de rectificar o permitir el paso de la corriente elctrica en un solo sentido, por lo que fueron empleados masivamente durante y despus de la IIGuerra Mundial como detectores de UHF y seales de radar. Los cristales de germanio tambin tienen otras aplicaciones electrnicas. Fue el primer metal utilizado en los transistores, dispositivos electrnicos que requieren mucha menos corriente que los tubos de vaco. El xido de germanio se emplea en la fabricacin de lentes pticas y en el tratamiento de la anemia.

Es un elemento semimetlico cristalino, duro, brillante, de color blanco grisceo. Su nmero atmico es 32, y pertenece al grupo 14 (o IVA) de la tabla peridica.El qumico ruso Dmitri Mendeliev predijo la existencia y propiedades qumicas del germanio en 1871; debido a su posicin en la tabla peridica, detrs del silicio, lo llam ekasilicio..

Es un elemento semimetlico, el segundo elemento ms comn en la Tierra despus del oxgeno. Su nmero atmico es 14 y pertenece al grupo 14 (o IVA) de la tabla peridica. Fue aislado por primera vez de sus compuestos en 1823 por el qumico sueco Jns Jakob barn de Berzelius.

El silicio constituye un 28% de la corteza terrestre. No existe en estado libre elemental, sino que se encuentra en forma de dixido de silicio y de silicatos complejos. Los minerales que contienen silicio constituyen cerca del 40% de todos los minerales comunes, incluyendo ms del 90% de los minerales que forman rocas volcnicas. El mineral cuarzo, las variedades del cuarzo (cornalina, crisoprasa, nice, pedernal y jaspe) y los minerales cristobalita y tridimita son las formas cristalinas del silicio existentes en la naturaleza. El dixido de silicio es el componente principal de la arena. Los silicatos (en concreto los de aluminio, calcio y magnesio) son los componentes principales de las arcillas, el suelo y las rocas, en forma de feldespatos, anfiboles, piroxenos, micas y ceolitas, y de piedras semipreciosas como el olivino, granate, zircn, topacio y turmalina..

Los semiconductores en estado puro son entonces malos conductores de la electricidad.A los efectos de aumentar su conductividad se le agregan impurezas que pueden aportar o sustraer electrones libres.Si contaminamos una oblea de silicio con un atomo que tenga cinco (5) electrones en su ltima capa estaremos agregando electrones libres al cristal (ej. fsforo (P), arsnico (As) o antimonio (Sb))Atomo de fosforoQuinto electrnAtomo de silicio.

La carga elctrica neta de nuestro cristal se mantendra en cero, ya que agregamos un atomo que tiene 5 electrones pero tambien tiene 5 protones, es decir queda equilibrado el nmero de cargas netas.Quinto electron(-)5 protones(+)El proceso de agregar estas impurezas, en este caso donoras, se denomina dopar el cristal, y en numeros puede decirce que se agrega un atomo de fosforo por cada millon de atomos de silicio, por ejemplo..

NUn semiconductor que presenta este tipo de dopaje y que conduce en base al movimiento de electrones se denomina semiconductor tipo NEs posible dopar a los semiconductores con otros elementos que en lugar de cinco electrones en su capa exterior tengan solo 3, en este caso en lugar de cargas libres negativas generariamos un carga libre positiva o laguna.En la siguiente diapositiva vemos un ejemplo de un dopaje con aluminio..Nuestro semiconductor al que se lo ha dopado con una impureza donora se comporta ahora como un simple conductor.

Falta de electron o lagunaAtomo de aluminioSi ahora dopamos con un contaminante aceptor, tal como el Al que tiene tres electrones en su capa mas externa tendremos un semiconductor que tendra portadores positivos o lagunas.Este tipo de semiconductor toma el nombre de P.P.

Observe que la laguna (en color azul) se desplaza como si se tratara de una carga, cuando en realidad es una falta de ella, es decir un hueco.PEn este tipo de semiconductor el desplazamiento de las cargas es como si las mismas fueran positivas..

El dopage de los semiconductores se realiza por un proceso que se llama difusin.El proceso consiste en introducir la oblea semiconductora en un horno con vapores de la sustancia contaminante.Es posible entonces cubrir un rea y contaminar con una sustancia donora.Luego se cubre la regin expuesta y se expone a otra sustancia contaminante la regin que se encontraba cubierta.Con ello conseguimos en un mismo cristal una zona N y una zona P..

Semiconductor puro

Cubierta aislante

Horno

Vapor de fosforo

Material a difundir

Nuestra oblea de silicio quedara asi dividida en dos zonas bien diferenciadas.Una N donde predominan los electrones libres (contaminacin donora)Y una zona P donde faltan electrones por haber sido contaminada con una sustancia aceptora y donde los portadores son lagunas.Conectaremos nuestra oblea a una FEM y observaremos el resultado a nivel atmico..

N

P

Si conectamos nuestro cristal tal como se muestra en la figuraEs decir al lado N el positivo y al lado P el negativo observamos que:Las lagunas se desplazan hacia la derecha, es decir hacia el borne negativoLos electrones en cambio se desplazan hacia la izquierda, es decir hacia el borne positivo.Tanto electrones como lagunas no salen del cristal ni mantiene una corriente, por lo tanto el cristal despues de haber evacuado a sus electrones libres deja de conducir.En conclusin, una juntura polarizada en forma inversa no conduce corriente..

Conectamos ahora nuestro cristal haciendo coincidir el extremo N con el polo negativo y el extremo P con el polo positivoObservamos ahora que se establece una corriente por el cristal.Al llegar a la juntura de ambos tipos de cristal ahora las lagunas se reconbinan con los electrones permitiendo la circulacin de la corriente.En conclusin, una juntura polarizada en forma directa conduce corriente.

Nuestra humilde juntura semiconductora , fruto del desarrollo de mas de 2000 aos de civilizacin se ha transformado as en un diodo de estado slido, pieza basal de la moderna electrnica..

N

P

.Esta serie de imgenes fue realizada para ser utilizada en el dictado de clases de la ESCUELA de EDUCACION TECNICA Nro 6 ALBERT THOMAS de La PlataSe ha hecho el deposito que marca la ley y los derechos de autor sobre los contenidos se hallan resguardadosA pesar de ello estas imgenes son de libre utilizacin en todas las escuelas pblicas y solo se requiere que se mencione a sus autores.Para la utilizacin de estas imgenes en escuelas privadas comunicarse previamente con cflp@amc.com.ar a los efectos de tramitar las respectivas autorizaciones.