TX-TIP-0002 MP Electrónica Básica

Electrnica BsicaManual del Participante

rea Temtica: Tcnicos / TecnolgicosDiseado por: Capacitacin Tcnica

Cdigo: TX-TIP-0002Fecha de Edicin: 04/2007

Revisado Por: Ingeniera de MantenimientoFecha:04/2007

Aprobado por: Ingeniera de MantenimientoFecha:04/2007

Revisin N 0Fecha:04/2007

ndice Introduccin 3Semiconductores 4Diodo 6Rectificadores 16Transistor 26Amplificador operacional 51Otros dispositivos semiconductores 56Glosario 71

Ternium | Electrnica Bsica 3/73

IntroduccinLa Electrnica es el campo de la ingeniera y de la fsica aplicada al diseo y aplicacin de dispositivos, por lo general circuitos electrnicos, cuyo funcionamiento depende del flujo de electrones para la generacin, transmisin, recepcin y almacenamiento de informacin.

La introduccin de los tubos de vaco a comienzos del siglo XX propici el rpido crecimiento de la electrnica moderna. Con estos dispositivos se hizo posible la manipulacin de seales, algo que no poda realizarse en los antiguos circuitos telegrficos y telefnicos, ni con los primeros transmisores que utilizaban chispas de alta tensin para generar ondas de radio. Por ejemplo, con los tubos de vaco pudieron amplificarse las seales de radio y de sonido dbiles, y adems podan superponerse seales de sonido a las ondas de radio. El desarrollo de una amplia variedad de tubos, diseados para funciones especializadas, posibilit el rpido avance de la tecnologa de comunicacin radial antes de la II Guerra Mundial, y el desarrollo de las primeras computadoras, durante la guerra y poco despus de ella.

Hoy da, el transistor, inventado en 1948, ha reemplazado casi completamente al tubo de vaco en la mayora de sus aplicaciones. Al incorporar un conjunto de materiales semiconductores y contactos elctricos, el transistor permite las mismas funciones que el tubo de vaco, pero con un coste, peso y potencia ms bajos, y una mayor fiabilidad. Los progresos subsiguientes en la tecnologa de semiconductores, atribuible en parte a la intensidad de las investigaciones asociadas con la iniciativa de exploracin del espacio, llev al desarrollo, en la dcada de 1970, del circuito integrado. Estos dispositivos pueden contener centenares de miles de transistores en un pequeo trozo de material, permitiendo la construccin de circuitos electrnicos complejos, como los de los microordenadores o microcomputadoras, equipos de sonido y vdeo, y satlites de comunicaciones.


SemiconductoresAntes de comenzar a describir el funcionamiento de los dispositivos electrnicos, se necesita conocer una serie de conceptos bsicos sobre conductores elctricos.

Un aislante es un elemento que prcticamente no conduce la corriente elctrica. El aislante ideal no existe.

Un conductor ideal es aquel que no ofrece resistencia al paso de la corriente. En la realidad no existe.

Un semiconductor es un material (slido o lquido) capaz de conducir la electricidad mejor que un aislante, pero no mejor que un conductor. La conductividad elctrica, que es la capacidad de conducir la corriente elctrica cuando se aplica una diferencia de potencial, es una de las propiedades fsicas ms importantes. Ciertos metales, como el cobre, la plata y el aluminio son excelentes conductores. Por otro lado, ciertos aislantes como el diamante o el vidrio son muy malos conductores. A temperaturas muy bajas, los semiconductores puros se comportan como aislantes. Sometidos a altas temperaturas, mezclados con impurezas o en presencia de luz, la conductividad de los semiconductores puede aumentar de forma extraordinaria y llegar a alcanzar niveles cercanos a los de los conductores.

Los materiales semiconductores estn compuestos por dos tipos de impurezas denominadas:

Cristal o elemento P (positivo): material semiconductor combinado con impurezas positivas. Su composicin se forma con los elementos semiconductores Germanio o Silicio y con elementos de impurezas como lo son el Aluminio, Galio o Indio.

Cristal o elemento N (negativo): material semiconductor combinado con impurezas negativas. Su composicin se forma con los elementos semiconductores Germanio o Silicio y con elementos de impurezas como lo son el Arsnico, Antimonio o Fsforo.

El diodo es el dispositivo semiconductor ms simple y debido a sus caractersticas de conduccin y bloqueo son ampliamente utilizados en la conversin de corriente alterna en corriente directa. Este dispositivo est formado por 2 secciones de material semiconductor, compuestas por cristales de Silicio dopado o contaminado con Boro en su lado positivo o nodo y con Fsforo en su lado negativo o ctodo.

Otros dispositivos son los transistores, stos regulan el flujo de electrones o corriente elctrica, permitiendo un control intermedio entre la conduccin y el bloqueo total. Los transistores ms conocidos son los llamados bipolares (NPN y PNP), llamados as porque la conduccin es causada por el desplazamiento de portadores de dos polaridades (huecos positivos y electrones negativos), y son de gran utilidad en un gran nmero de aplicaciones, pero tienen ciertos inconvenientes, entre los que se encuentra su impedancia de entrada bastante baja.


Existe un dispositivo que elimina este inconveniente en particular y que pertenece a la familia de dispositivos en los que existe un solo tipo de portador de cargas, y por tanto, son unipolares, se llama transistor de efecto campo o FET (de su nombre en ingls Field Efect Transistor), se utilizan en un amplio rango de aplicaciones tanto de baja seal como de potencia.

Gracias a la tecnologa de semiconductores, se disearon los tiristores, estos estn compuestos por 4 porciones o capas de material semiconductor (PNPN) utilizados para controlar grandes cantidades de corriente mediante circuitos electrnicos de bajo consumo de potencia.

El SCR (Rectificador Controlado de Silicio) y el TRIAC (Tiristor Triodo Bidireccional) son los dos tipos ms comunes de tiristores los cuales se describirn mas adelante en el manual.

Otros dispositivos semiconductores son el UJT (Transistor Monounin) y DIAC (Diodo Interruptor de Corriente Alterna) utilizados para provocar el disparo de los dispositivos de control.


DiodoEl material base en la construccin del diodo es el cristal de silicio, este es el semiconductor ms utilizado, pero el Germanio y otros materiales semiconductores operan bajo los mismos principios generales.

Cuando el silicio est en forma lquida (fundido), se mezclan ciertas impurezas intencionalmente, este proceso de contaminacin es llamado dopaje (doping). Si se mezcla, por ejemplo, el elemento fsforo con el silicio, se obtendr un material tipo-N que conduce electricidad por medio de electrones libres y si se utiliza el elemento boro, se obtiene material tipo-P y ste, a diferencia del material tipo-N, conduce electricidad slo por medio de hueco (situacin que aparece cuando un tomo, en vez de agregar un electrn libre al momento de ser dopado, genera la deficiencia de un electrn en la estructura). Este semiconductor, junto con el Germanio, dopados con impurezas, se comportan como conductores bajo ciertas condiciones, pero bajo otras se comportan como aislantes.

La figura 1 muestra como est construido un diodo, en ella se observa que est compuesto por un cuerpo de cristal de silicio dopado, el cual fue procesado para ser de material tipo-P en un lado y material tipo-N en el otro. En los extremos se conectan los alambres que son las terminales de conexin del diodo, en esta figura se han colocado cuatro electrones libres en el material tipo-N y cuatro huecos en el material tipo-P.

La lnea divisoria entre los dos tipos de material se conoce como unin PN.

FIGURA 1. ESTADO DE CONDUCCIN DEL DIODO

ELECTRONES LIBRES (N)

UNIN PN

HUECOS (P)

NODOCTODO

CORRIENTE CONVENCIONAL


FIGURA 2. DIODO RECTIFICADOR

Caractersticas y operacin del diodo

Caractersticas externas

Un diodo es un dispositivo con dos terminales o alambres y la nica caracterstica externa significativa del diodo es su pequeo tamao.

A los diodos grandes generalmente se les conoce con el trmino de rectificador, estos tienen un tamao grande debido a que, al operar con altos niveles de potencia, requieren mayor capacidad de disipacin de calor. En la figura 2 se muestra un diodo rectificador.

En baja potencia, los diodos tienen una forma cilndrica y para facilitar la identificacin de sus terminales se marca una banda alrededor del cuerpo del diodo, cercana a la terminal del ctodo, como muestra la figura 3.

Caractersticas internas

El diodo es un elemento electrnico que conduce energa en una sola direccin actuando como un switchy si se polariza directamente conduce energa elctrica y si se polariza inversamente acta como un aislante. La polarizacin directa en la electrnica se debe a que por el lado donde hay material P (+) se le suministra energa elctrica positiva y la polarizacin indirecta es cuando la energa con carga negativa pasa por el cristal P (+) originando que el elemento electrnico se comporte como un aislante.

En la figura 4 se puede visualizar como est compuesto internamente el diodo as como su smbolo electrnico.

FIGURA 3. MARCA PARA IDENTIFICAR AL CTODO

CTODO

(NEGATIVO -)NODO

(POSITIVO +)

BANDA CIRCULAR


Un diodo esta polarizado directamente cuando el lado P (nodo) es ms positivo que el lado N (ctodo) y se comporta como una llave cerrada. La figura 5 muestra la forma en la que el diodo esta directamente polarizado (en estado de conduccin). El voltaje requerido para poder romper la barrera de potencial en un diodo y que con esto pueda conducir es de 0.7 V en un diodo de Silicio y 0.2 V para un diodo de Germanio.

Un diodo esta polarizado inversamente si el lado P (nodo) es ms negativo que el lado N (ctodo) y se comporta como una llave abierta. En la figura 6 se muestra la forma en la que el diodo esta inversamente polarizado (en estado de no conduccin) entonces el diodo no conduce (la corriente es igual a cero) y su voltaje seria el mismo de la fuente de voltaje.

La resistencia limita la corriente que pasa por el diodo, si sta no existiera, el diodo podra destruirse, ya que cuando est en estado de conduccin, la resistencia del mismo es muy pequea y se rompera su aislamiento.

FIGURA 4. COMPOSICIN INTERNA Y SMBOLO ELECTRNICO DEL DIODO

P N

NODO (A) CTODO (K)

----

------

--

--

CTODO

(NEGATIVO -)NODO

(POSITIVO +)

FIGURA 5. POLARIZACIN DIRECTA DEL DIODO

+

-VOLTAJE

RESISTENCIA

DIODOCORRIENTE

-

++

-VOLTAJE

RESISTENCIA

DIODOCORRIENTE

-

+

+

-VOLTAJE

RESISTENCIA

DIODO

CORRIENTE+

-

+

-VOLTAJE

RESISTENCIA

DIODO

CORRIENTE+

-

FIGURA 6. POLARIZACIN INDIRECTA DEL DIODO


Operacin del diodoEl diodo bsicamente es un dispositivo interruptor o de switcheo que permite o evita totalmente el flujo de corriente elctrica.

La figura 7 muestra el smbolo esquemtico del diodo, donde se observa que la corriente (en su sentido convencional, es decir de positivo a negativo) fluye libremente en la direccin de la flecha del mismo y los electrones, por lo tanto, fluyen en sentido opuesto, es decir, de ctodo a nodo (negativo a positivo).

En las descripciones fsicas de dispositivos generalmente se utiliza el flujo de electrones, en tanto que en las descripciones de circuitos generalmente se utiliza el sentido convencional de la corriente elctrica.

En trminos de la corriente convencional, se puede resumir el comportamiento del diodo en los siguientes puntos:

El flujo de corriente convencional es posible slo en la direccin de la flecha del smbolo del diodo.

El diodo bloquea el flujo de corriente en sentido opuesto al sentido de la flecha de su smbolo. La corriente en sentido opuesto (reversa) es tan pequea que puede ser considerada despreciable.

Cuando la corriente convencional fluye en el sentido de la flecha del diodo (hacia delante), el voltaje en el ctodo es el mismo (estrictamente es ligeramente menos positivo) que el voltaje en el nodo.

Comportamiento del diodoEl comportamiento del diodo est definido por la relacin entre el voltaje (V) en sus terminales y la corriente (I) a travs de l (Figura 8). El voltaje hacia adelante o en polarizacin directa (VF) se define como la cantidad de voltaje que el nodo excede al ctodo; en la figura 8, el voltaje hacia adelante es de 1 V, pues el voltaje en el nodo (+6) excede al voltaje del ctodo (+5) en 1 V. La corriente hacia delante (IF) es simplemente la magnitud de la corriente a un cierto voltaje hacia adelante o en polarizacin directa.

NODOCTODO

FLUJO DE ELECTRONES


NODOCTODO

FLUJO DE ELECTRONES


FIGURA 7. FLUJO DE CORRIENTE A TRAVS DEL DIODO


El diodo no es un dispositivo perfecto, as, no hay un total bloqueo de corriente en reversa. Cuando se aplica un voltaje en reversa (VR), se establece un pequeo flujo de corriente en reversa (IR). Voltaje en reversa (Reverse Voltage) es la magnitud de voltaje que el ctodo excede al nodo y corriente en reversa (Reverse Current) es la magnitud de la corriente a un cierto voltaje en reversa.

Grfica de comportamientoLa grfica mostrada en la figura 9 presenta el comportamiento de la relacin voltaje-corriente en un diodo.

El eje vertical est etiquetado hacia arriba como IF (corriente hacia adelante, en polarizacin directa o forward current), en tanto que hacia abajo se etiqueta como IR (corriente en reversa, en polarizacin inversa o reverse current); en el eje horizontal se tiene, hacia la derecha el voltaje VF (voltaje hacia adelante o forward voltage), en tanto que hacia la izquierda se etiqueta como VR (voltaje en reversa, en polarizacin inversa o reverse voltage).

Los ejes de la grfica dividen el rea en cuatro cuadrantes. El cuadrante superior derecho o primer cuadrante muestra el comportamiento del diodo hacia adelante. Se puede apreciar que a cero voltaje hay cero corriente y que al incrementar el voltaje hacia adelante se incrementa la corriente, primero gradualmente y despus rpidamente.

CTODONODO

VF (VOLTAJE HACIA DELANTE)

IF (CORRIENTE HACIA DELANTE)

VR (VOLTAJE EN REVERSA)IR (CORRIENTE EN REVERSA)

+6 V +5 V

FIGURA 8. VARIABLES RELACIONADAS CON EL COMPORTAMIENTO DEL DIODO

FIGURA 9. CURVA CARACTERSTICA DEL DIODO

-25

-50

-75

-10

0

+0

.6

X

X

0

VOLTAJE Y CORRIENTE EN REVERSA

VOLTAJE Y CORRIENTE HACIA ADELANTE

FIFI

RIRI

VRVR VFVF+1


En el primer cuadrante se puede observar un quiebre o curva conocida como rodilla en la proximidad de un cierto voltaje (0.6 V para diodos de Silicio); y es en ese voltaje donde la corriente empieza a incrementarse rpidamente y la curva se torna ms vertical. Este punto, tambin conocido como voltaje de rodilla (knee voltage VK) puede ser considerado un punto de transicin donde el diodo realmente empieza a conducir (en diodos de Germanio este punto es cercano a 0.3 V). De este punto en adelante, un pequeo incremento de voltaje causa un gran incremento de corriente.

La curva que asciende termina abruptamente en el lmite donde el diodo se quema debido a la disipacin de calor.

El cuadrante de la seccin inferior izquierda o tercer cuadrante muestra la curva de comportamiento del diodo en condiciones de voltaje en reversa o en polarizacin inversa, ah se presenta el comportamiento de la corriente en reversa cuando se incrementa el voltaje en reversa.

El diodo no es perfecto y no es capaz de bloquear toda la corriente en reversa, as, existe una pequea corriente denominada corriente de fuga, la cual se incrementa cuando se incrementa el voltaje en reversa.

En la condicin de voltaje en reversa, si se sigue aumentando el voltaje se alcanza un punto donde la capacidad de bloqueo del diodo se deteriora. En este punto, conocido como voltaje de ruptura en polarizacin inversa o VBR (reverse breakdown voltage), el diodo no puede mantener la pequea corriente en reversa, la corriente se incrementa rpidamente y el diodo se quema. Esto ocurre rpidamente debido a que a este voltaje relativamente alto, an con poca corriente, genera una alta disipacin de potencia que destruye al diodo por excesivo calor.

El diodo se puede aplicar como:

Rectificador: convierte la corriente alterna en corriente directa.

Detector: es una aplicacin en baja-seal y baja-potencia. En micrfonos modula la seal debido a que modifica la amplitud de las ondas de alta frecuencia generadas por el oscilador.

Limitador (clamping): previene que el voltaje en un punto exceda al voltaje presente en un segundo punto. Como ejemplo de esto es una vlvula de seguridad que protege al transistor del dao que le causara un transitorio de alto voltaje.

Las aplicaciones del diodo que se han presentado cubren ms del 95% de los usos del diodo en circuitos industriales y todas ellas hacen uso de su propiedad de permitir slo el flujo de corriente elctrica en un solo sentido.


Diodos especialesDiodos de referencia de voltajeEstos diodos, llamados comnmente diodos Zener, basan su funcionamiento en operar en la zona de ruptura (breakdown) y reciben el nombre de diodos de disrupcin (Figura 10). Son dispositivos que polarizados inversamente mantienen un determinado voltaje y por lo tanto trabajan como reguladores de voltaje y cuando estn polarizados directamente trabajan como rectificadores.

La figura 11 muestra el smbolo del diodo zener, en ella se presenta el sentido de la corriente convencional y del flujo de electrones cuando est operando en la zona de ruptura.

Los diodos zener estn disponibles en un amplio rango de potencias y voltajes de ruptura que van desde 1.4 V hasta varios cientos de volts.

La figura 12 muestra la grfica caracterstica de voltaje-corriente de un diodo zener.

FIGURA 10. DIODO ZENER

CTODO NODO


CTODO NODO


FIGURA 11. SMBOLO DEL DIODO ZENER OPERANDO EN LA ZONA DE RUPTURA


En el cuadrante superior derecho (primer cuadrante o de operacin en polarizacin directa), el diodo zener se comporta como un diodo normal y tiene caractersticas idnticas a las de un diodo rectificador de silicio.

En el cuadrante inferior izquierdo (tercer cuadrante, de reversa o de polarizacin inversa) el diodo zener presenta una muy alta resistencia hasta alcanzar la rodilla (del ingls knee) del punto de ruptura o voltaje zener. En el punto de ruptura la caracterstica del diodo cambia abruptamente, presentando un voltaje prcticamente constante en un amplio rango de corriente en reversa.

As, la caracterstica en reversa o polarizacin inversa del diodo zener sugiere su aplicacin como generador de referencia de voltaje o como regulador en casos donde se requiere un voltaje constante.

Las caractersticas ms importantes de un diodo zener son aquellas relacionadas con su operacin en reversa polarizacin inversa.

Entre los parmetros ms importantes de la operacin en reversa del diodo zener se tienen:

Voltaje zener (VZ): indica el voltaje de ruptura del diodo o el voltaje normal de operacin del diodo zener.

Corriente zener (IZ): presenta la corriente en reversa o corriente de fuga a la cual se especifica el voltaje zener.

FIGURA 12. GRFICA CARACTERSTICA DE VOLTAJE - CORRIENTE DE UN DIODO ZENER

VZ

-2-4-6-8 +1

0

-10

-7.6 mACUADRANTE NORMAL

DE OPERACIN

IF

IR

VZ=8.2 V

VR VF

IZ

-26 mA

IMPEDANCIAZENER IZ

VZZZ

=

RODILLA

VZ

-2-4-6-8 +1

0

-10


DE OPERACIN

IF

IR

VZ=8.2 V

VR VF

IZ

-26 mA

IMPEDANCIAZENER IZ

VZZZ

=

VZ

-2-4-6-8 +1

0

-10


DE OPERACIN

IF

IR

VZ=8.2 V

VR VF

IZ

-26 mA

IMPEDANCIAZENER IZ

VZZZ

=

-2-4-6-8 +1

0

-10


DE OPERACINCUADRANTE NORMAL

DE OPERACIN

IF

IR

VZ=8.2 V

VR VF

IZ

-26 mA

IMPEDANCIAZENER IZ

VZZZ

=IZVZ

ZZ

=

RODILLA


Impedancia zener (ZZ): muestra como vara el voltaje en terminales del diodo ante el incremento de la corriente en reversa.

En algunas ocasiones tambin se presenta el coeficiente de temperatura del voltaje zener (SZ), el cual indica como vara el voltaje zener cuando cambia la temperatura del diodo. SZ se expresa en mV/C y puede ser positivo o negativo. Generalmente los diodos cuyo voltaje zener es menor a 6 V presentan coeficientes de temperatura negativos. Los diodos con voltaje zener mayor a 6 V muestran un coeficiente de temperatura positivo.

En trminos de la corriente convencional, el comportamiento del diodo zener se puede resumir en los siguientes puntos:

En polarizacin directa, es decir, con el nodo ms positivo que el ctodo, se comporta como cualquier diodo. Conduce presentando una cada prcticamente constante y de aproximadamente 0.7 V.

En polarizacin inversa, con el nodo ms negativo que el ctodo, pero con un voltaje aplicado menor a su voltaje de diseo o voltaje zener, bloquea el flujo de corriente presentando solo una pequea corriente de fuga en reversa.

En polarizacin inversa, con el nodo ms negativo que el ctodo, pero con un voltaje aplicado mayor a su voltaje de diseo o voltaje zener, incrementa tanto como sea necesario su corriente en reversa de tal forma que su voltaje en terminales se mantenga constante en su voltaje zener.

Diodos emisor de luz (LED)

Las transiciones entre estados de los electrones dentro de una unin polarizada dan lugar a fenmenos de emisin de radiacin. En ciertos tipos de diodos se producen emisiones dentro del espectro visible (rojo, verde, amarillo, etc.). Su aplicacin fundamental es la sealizacin y la ms conocida quizs sea la de 7 segmentos utilizados en las calculadoras de bolsillo. Estos diodos reciben el nombre de LED (Light Emiting Diode).

En la figura 13 se muestra el smbolo del LED y la forma fsica.

FIGURA 13. SMBOLO Y FORMA FSICA DEL LED

SMBOLO FORMA FSICA

FIGURA 13. SMBOLO Y FORMA FSICA DEL LED

SMBOLO FORMA FSICA


FotodiodosEn una unin polarizada inversamente, al incidir energa luminosa sobre ella se generan portadores libres que son acelerados por la juntura creando una corriente que es proporcional al flujo luminoso incidente sobre el fotodiodo, o sea "conduce cuando es iluminado" propiedad que, utilizada apropiadamente, da un campo de aplicacin extenso. Su smbolo se muestra en la figura 14.

La figura 15 muestra un ejemplo de un fotodiodo.

FIGURA 14. SMBOLO DEL FOTODIODO

FIGURA 15. FOTODIODO


RectificadoresUn rectificador es un dispositivo compuesto por diodos (conectados en diversas formas) que permite convertir una seal alterna en una seal continua.

La aplicacin ms comn de los circuitos rectificadores est en fuentes de poder de corriente directa, pues es por mucho el mtodo ms confiable para obtener energa de corriente directa. En la figura 16 se muestra ejemplos de la forma fsica de los rectificadores.

Rectificadores monofsicosRectificador de media ondaCuando se aplica una fuente de voltaje de corriente alterna a un diodo y una resistencia en serie, se obtiene el circuito de rectificacin ms simple: el rectificador de media onda. En el caso de una fuente de voltaje de corriente alterna conectado a una resistencia, el voltaje en las terminales de la resistencia ser igual al de la fuente, presentndose flujo de corriente en ambos sentidos. Esto se muestra en la figura 17. Es necesario hacer notar que en la resistencia aparecen tanto voltajes positivos como negativos.

FIGURA 16. RECTIFICADORES

Vs VsVsVs VsVs

FIGURA 17. RESISTENCIA CONECTADA A UNA FUENTE DE VOLTAJE DE CORRIENTE ALTERNA


Ahora se agrega un diodo entre la fuente de corriente alterna y la resistencia tal y como se muestra en la figura 18. En este caso, cuando el voltaje de la fuente es positivo el diodo entra en su estado de conduccin permitiendo el paso del voltaje hacia la resistencia.

Cuando el voltaje instantneo de la fuente es negativo, el diodo entra en su estado de bloqueo y por lo tanto no conduce, impidiendo el flujo de corriente hacia la resistencia.

Hemos obtenido pues una rectificacin, aunque el voltaje en R1 no es continuo sino pulsante. Las semiondas senoidales que aparecen se llaman pulsos de tensin. Como conclusin, el diodo hace que el flujo de corriente a la carga siempre tenga el mismo sentido, produciendo un voltaje positivo en terminales de la resistencia.

En la figura 19 se muestra el mismo tipo de configuracin del circuito anterior, pero con el diodo conectado en forma invertida. En este caso, cuando el voltaje de la fuente es positivo, el diodo se encuentra en su estado de bloqueo y por lo tanto no conduce, impidiendo el flujo de corriente hacia la resistencia.

Por otra parte, cuando el voltaje de la fuente es negativo, el diodo entra en su estado de conduccin, permitiendo el paso del voltaje hacia la resistencia. Como conclusin, el diodo hace que el flujo de corriente a la carga siempre tenga el mismo sentido, produciendo un voltaje negativo en terminales de la resistencia.

VR1VS R1

FIGURA 18. RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA PARA OBTENER UN VOLTAJE POSITIVO

VR1VS R1 VR1VR1VSVS R1

FIGURA 18. RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA PARA OBTENER UN VOLTAJE POSITIVO

VR2VS R2 VR2VR2VSVS R2

FIGURA 19. RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA PARA OBTENER UN VOLTAJE NEGATIVO


El rectificador de media onda es el circuito ms simple de rectificacin, sin embargo es muy poco utilizado como fuente de voltaje de corriente directa debido a su alto rango de variacin del voltaje a su salida, lo cual genera la necesidad de un filtrado muy robusto. Por otra parte, el rectificador de media onda es un circuito deficiente como fuente de voltaje constante, esto se debe a que la corriente slo fluye hacia la carga en ciertos instantes, en los cuales el diodo est en estado de conduccin.

El rectificador de media onda, con filtrado y alisado adecuado, se utiliza frecuentemente como fuente de voltaje de corriente directa en circuitos de comunicaciones, cargadores de bateras y algunos instrumentos electrnicos en donde los requerimientos de corriente son muy pequeos.

Rectificador de onda completaEn aplicaciones donde se requieran cantidades mayores de corriente se puede utilizar el rectificador de onda completa el cual suministra a su salida una tensin algo menos discontinua que el de media onda.

Existen 2 versiones de este tipo de rectificador:

Rectificador monofsico de onda completa con transformador con derivacin central (o punto medio).

Rectificador monofsico de onda completa en configuracin puente.

Rectificador monofsico de onda completa con transformador con derivacin central (o punto medio)En este tipo de rectificador, se precisa un transformador con toma central, que suministra a su salida dos tensiones iguales, y dos diodos rectificadores que forman las dos ramas del circuito rectificador, tal como se muestra en la figura 20.

FIGURA 20. RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA UTILIZANDO UN TRANSFORMADOR CON DERIVACIN CENTRAL

i1 VRi2

Vs R

i1

i2

VRVs


Con ayuda de la figura anterior se puede explicar el funcionamiento del rectificador monofsico de media onda.

Cuando un extremo del transformador es positivo, el diodo conectado a ese extremo presentar un estado de conduccin produciendo un flujo de corriente a la resistencia (i1). En ese mismo instante, el otro extremo del transformador tendr un voltaje negativo y su diodo presentar el estado de bloqueo comportndose como un interruptor abierto.

En el siguiente medio ciclo o semiciclo, la situacin se invierte, el diodo que se encontraba conduciendo, ahora se encuentra a un voltaje negativo mostrando estado de bloqueo, en tanto que el diodo que estaba inversamente polarizado ahora tiene un voltaje positivo y conduce (i2).

Como ambos diodos alimentan el mismo extremo de la resistencia, el voltaje resultante que aparece en sus terminales siempre es positivo. Esto representa un gran adelanto respecto al de media onda, an cuando para ser utilizado como fuente de voltaje de corriente directa, sigue requiriendo de un buen filtrado.

A diferencia del rectificador de media onda, ahora aparece voltaje en ambos semiciclos. Debido a esto, se reduce significativamente el tamao del filtro (condensador), pues ahora no hay espacios sin voltaje en la forma de onda de salida.

Una observacin importante en esta configuracin es hacer notar que los devanados del secundario del transformador slo conducen corriente durante medio ciclo. Al conducir cada seccin del devanado del transformador nicamente la mitad del tiempo, se dice que se tiene una pobre utilizacin del transformador.

Rectificador monofsico de onda completa tipo puenteEste rectificador produce en su salida la misma forma de onda que el rectificador de onda completa con transformador de derivacin central, solo que emplea dos diodos adicionales o sea cuatro en total, con la ventaja que el transformador es ms pequeo, ya que requiere un solo secundario. La figura 21 muestra el circuito del rectificador de onda completa tipo puente.

FIGURA 21. RECTIFICADOR TIPO PUENTE

VOLTAJE DE

ENTRADA

VOLTAJE EN LA CARGA

SIN CAPACITOR

VOLTAJE EN LA CARGA

CON CAPACITOR

VCA

DIODOS TIPO PUENTE

CAPACITOR

CARGA

+

-VOLTAJE

DE ENTRADA

VOLTAJE EN LA CARGA

SIN CAPACITOR

VOLTAJE EN LA CARGA

CON CAPACITOR

VCA

DIODOS TIPO PUENTE

CAPACITOR

CARGA

+

-


En este tipo de circuitos, se aprovechan los 2 semiciclos de la corriente alterna ya que, en el tiempo en que est transcurriendo el semiciclo negativo de la corriente alterna, el arreglo tipo puente genera que en la carga se tenga otro semiciclo positivo y si, a esto le agregamos un capacitor que hace que la seal no decaiga o lo que es lo mismo que se filtre, estaremos muy prximos a conseguir una seal de corriente directa.

Ahora se proceder con los rectificadores ms utilizados en el medio industrial, con altas capacidades de potencia: los rectificadores trifsicos.

Rectificadores trifsicosLos rectificadores monofsicos se utilizan en aplicaciones hasta un nivel de potencia de 15 kW. Para salidas de potencia mayores, en aplicaciones con altos requerimientos de corriente, se utilizan los rectificadores polifsicos.

Cuando se requiere ms potencia elctrica, como por ejemplo, para energizar motores de ms de 1 HP (horse power, caballos de fuerza) o para producir ms de 1 kW (kilowatt) de corriente directa rectificada, se utiliza como suministro la energa elctrica de corriente alterna trifsica.

Los rectificadores trifsicos tienen tres o seis diodos y ofrecen una forma de onda en corriente directa ms lisa que en el caso de los monofsicos.

La mayora de los rectificadores trifsicos son utilizados en aplicaciones con altos requerimientos de corriente.

La fuente de poder trifsica se presenta como tres voltajes monofsicos que se encuentran 120 fuera de fase en el tiempo. Con esta referencia ahora es posible describir al rectificador trifsico ms simple: El rectificador de media onda trifsico.

Rectificador de media onda trifsicoEl rectificador trifsico de media onda requiere de un suministro trifsico con neutro as como se muestra en la figura 22.

FIGURA 22. RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA TRIFSICO

A

C

NEUTROB

CARGA

D1

D2

D3+

-

A

C

NEUTROB

CARGA

D1

D2

D3+

-

A B C A

0

A B C A

0


As, los devanados A, B y C suministran el voltaje trifsico formado por ondas senoidales desfasadas 120. Cada extremo de los devanados del secundario estrella del transformador se encuentra conectado al nodo de un diodo rectificador.

En esta configuracin, la fase que tiene el voltaje ms positivo hace que su diodo entre en estado de conduccin, aplicando durante un cierto tiempo el voltaje positivo presente en esa fase. En la figura anterior se muestra el voltaje de cada una de las fases con respecto al neutro. Se considera que el voltaje trifsico presenta una secuencia de fases ABC.

As, primeramente se presenta el voltaje ms positivo en la fase A, entrando en conduccin el diodo 1.Como el voltaje es de corriente alterna, al paso del tiempo el voltaje de la fase A disminuye en tanto que aumenta el de la fase B.

Cuando el voltaje de la fase B alcanza al de la fase A, el diodo 2 entra en conduccin produciendo un estado de bloqueo en el diodo 1 que primeramente estaba conduciendo.

Esto mismo ocurre cuando el voltaje de la fase B disminuye y el de la fase C lo alcanza. El diodo entra en conduccin aplicando el voltaje ms positivo de las 3 fases a la carga.

En esta forma el flujo de energa elctrica inicia en el devanado del transformador con voltaje ms positivo, a travs de la carga y retornando al neutro de la estrella del transformador.

En este caso, tambin se percibe que el voltaje en la carga nunca cae a cero volts (como en el caso de los rectificadores monofsicos), esto hace que el suministro a la carga sea ms uniforme y los requerimientos de filtrado sean menores que para el caso del monofsico de onda completa.

La figura 23 muestra la forma del voltaje de salida y los perodos de conduccin de cada uno de las fases y sus respectivos diodos.

D1 D2 D3

B C A

CICLO

A

CORRIENTE A TRAVS DE LOS

DIODOS

VOLTAJE A TRAVS DE LA

CARGA

120

D1

FIGURA 23. VOLTAJE DE SALIDA Y SECUENCIA DE CONDUCCIN DE LOS DIODOS EN UN RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA TRIFSICO

D1 D2 D3

B C A

CICLO

A

CORRIENTE A TRAVS DE LOS

DIODOS

VOLTAJE A TRAVS DE LA

CARGA

120

D1

FIGURA 23. VOLTAJE DE SALIDA Y SECUENCIA DE CONDUCCIN DE LOS DIODOS EN UN RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA TRIFSICO


Cada fase y diodo opera 120 , esto es, una tercera parte del ciclo. En la conexin de los diodos unidos por sus ctodos, el voltaje de salida ser el voltaje de la fase ms positiva, resultando un voltaje de salida positivo.

En caso de conectar los diodos al revs, esto es, con sus nodos unidos y a la carga, el voltaje de salida sera el voltaje de la fase ms negativa, resultando un voltaje de salida negativo. Ver figura 24.

Un ltimo punto importante es mencionar que en el rectificador trifsico de media onda los devanados del transformador se encuentran operando solo una tercera parte del tiempo, lo que hace que su factor de utilizacin sea bajo en relacin al rectificador trifsico ms utilizado: El rectificador trifsico tipo puente.

Rectificador trifsico de onda completa tipo puenteEl rectificador trifsico de onda completa tipo puente cuenta con 6 diodos, generalmente se encuentra operando conectado al secundario (delta o estrella) de un transformador trifsico. No se requiere que el secundario sea estrella, como en el caso del rectificador trifsico de media onda.

Si el suministro de voltaje de corriente alterna trifsica al rectificador es de 440 V, la salida rectificada resultante es de 600 V de corriente directa (VCD).

A

C

NEUTROB

CARGA

+

-A

C

NEUTROB

CARGA

+

-

FIGURA 24. RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA TRIFSICO CON DIODOS CONECTADOS PARA OBTENER UN VOLTAJE DE SALIDA NEGATIVO


En realidad, un rectificador de onda completa trifsico est compuesto por 2 rectificadores trifsicos de media onda, como muestra la figura 25, donde el rectificador est conectado al secundario de un transformador.

Los diodos 1, 2 y 3 forman el primer rectificador de media onda y tienen como funcin aplicar el voltaje ms positivo entre las fases a la terminal superior de la carga.

Los diodos 4, 5 y 6 forman el segundo rectificador de media onda y tienen como funcin aplicar el voltaje ms negativo de entre las fases a la terminal inferior de la carga.

El rectificador trifsico de onda completa generalmente se representa en la forma mostrada en la figura 26.

FIGURA 25. RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA TRIFSICO

NEUTRO

D1 D2 D3

CARGA

D4 D5 D6

A

B

C+

-

NEUTRO

D1 D2 D3

CARGA

D4 D5 D6

A

B

C+

-

NEUTROPOTENCIA DECA TRIFSICA

TRANSFORMADOR

PRIMARIO

SECUNDARIO

D1 D2 D3

CARGA

D4 D5 D6

A

B

C

FIGURA 26. CONFIGURACIN ESTNDAR DE UN RECTIFICADOR TRIFSICO TIPO PUENTE

NEUTROPOTENCIA DECA TRIFSICAPOTENCIA DECA TRIFSICA

TRANSFORMADOR

PRIMARIO

SECUNDARIO

D1 D2 D3

CARGA

D4 D5 D6

A

B

C

FIGURA 26. CONFIGURACIN ESTNDAR DE UN RECTIFICADOR TRIFSICO TIPO PUENTE

+

-


Aqu se considera un transformador delta estrella, donde el secundario estrella suministra el voltaje trifsico de corriente alterna al rectificador puente. Ahora no se requiere la conexin al neutro, pues el flujo de corriente se establece siempre entre las fases.

En el secundario del transformador que alimenta al rectificador puente trifsico la corriente fluye alternadamente en ambas direcciones dentro de cada devanado.

As, el factor de utilizacin del transformador es mejor que en el caso del rectificador de media onda trifsico.

Como se mencion, los diodos 1, 2 y 3 aplican el voltaje ms positivo de las fases a la terminal superior de la carga. Los diodos 4, 5 y 6, por otra parte, aplican el voltaje ms negativo a la terminal inferior de la carga.

En esta forma, constantemente se est aplicando el mximo voltaje de lnea a lnea del transformador, como se muestra en la figura 27.

En la figura anterior se muestra cmo constantemente se aplica el voltaje de la fase ms positiva a una de las terminales de la carga y el voltaje de la fase ms negativa a la otra terminal.

Esto hace que se tenga una alta relacin entre el voltaje de lnea aplicado al rectificador y el voltaje de corriente directa aplicado a la carga.

El voltaje de corriente directa aplicado a la carga ser igual a 1.35 veces el voltaje de corriente alterna de lnea que alimenta al rectificador. As, para 440 VCA se obtendran aproximadamente 600 V de corriente directa y para 220 VCA se tendra aproximadamente 300 VCD.

D1 D2 D3 D1

D4D5 D5D6 D6

0 0VOLTAJE A TRAVS DE

CARGA

FASE A FASE B FASE C

D1 D2 D3 D1

D4D5 D5D6 D6

0 0VOLTAJE A TRAVS DE

CARGA

FASE A FASE B FASE C

FIGURA 27. VOLTAJE APLICADO A LA CARGA Y SECUENCIA DE CONDUCCIN DE LOS DIODOS EN EL RECTIFICADOR TRIFSICO TIPO PUENTE


El voltaje de salida de un rectificador trifsico tipo puente es bastante uniforme, hacindolo una excelente opcin para obtener corriente directa en aplicaciones de media y alta potencia. La figura 28 muestra laforma del voltaje a la salida del rectificador trifsico puente.

La curva de voltaje de salida de este rectificador trifsico tiene seis picos o rizos en cada ciclo completo de la fuente de CA.

El conocimiento de los circuitos rectificadores es fundamental para entender otros tipos de circuitos industriales de amplia aplicacin tales como los convertidores y los inversores para el control de motores de corriente directa y corriente alterna.

VOLTAJE PROMEDIO DE CD = 1.35 VL

FIGURA 28. FORMA DEL VOLTAJE DE SALIDA DE UN RECTIFICADOR TRIFSICO DE ONDA COMPLETA TIPO PUENTE

VOLTAJE PROMEDIO DE CD = 1.35 VL

FIGURA 28. FORMA DEL VOLTAJE DE SALIDA DE UN RECTIFICADOR TRIFSICO DE ONDA COMPLETA TIPO PUENTE


TransistorTransistor bipolar(BJT)Caractersticas externas e internasAl agregar otra porcin de material P N a un diodo se construye otro dispositivo semiconductor conocido como transistor bipolar o BJT (de su nombre en ingls Bipolar Junction Transistor). As, el transistor bipolar est compuesto por tres porciones de material semiconductor: dos tipo P y una tipo N dos tipo N y una tipo P.

Hay 2 grandes tipos de transistores en la electrnica como lo son los monopolares y los bipolares, en general, stos ltimo La funcin primordial que nos genera un transistor es la de amplificar una seal elctrica.

El transistor tiene tres terminales, cuyo nombre depende de la funcin que desempean, y son:

Emisor: es el cristal que proporciona los portadores mayoritarios de la corriente, ya sean stos los electrones libres en el caso que sea un cristal N, o huecos en el caso que sea un cristal P.

Colector: es el encargado de recoger la corriente para la operacin del circuito.

Base: es el cristal comn que asegura una interaccin adecuada entre el emisor y el colector.

El emisor y el colector son del mismo tipo de material semiconductor (P o N), y la base, que ocupa la seccin central del transistor siempre es del otro tipo (si el emisor y colector son P la base ser N y viceversa).

De acuerdo al tipo de cristal, existen dos tipos de transistores:

Transistor NPN.

Transistor PNP.

En la figura 29 de la siguiente pgina se representa la estructura, el smbolo y las formas fsicas del transistor NPN y del transistor PNP.


Funcionamiento del transistor NPN La figura 30 de la siguiente pgina muestra la seccin transversal de un transistor en donde el material semiconductor tipo N conduce electricidad por medio del suministro de electrones libres y que el tipo P conduce mediante el suministro de huecos positivos.

ESTRUCTURA SMBOLO

COLECTOR

BASE

EMISOR

BARRERAS DE POTENCIAL

P

N

P

COLECTOR

BASE

EMISOR

COLECTOR

BASE

EMISOR


N

P

N

COLECTOR

BASE

EMISOR

ESTRUCTURA SMBOLO

COLECTOR

BASE

EMISOR


P

N

P

COLECTOR

BASE

EMISOR

COLECTOR

BASE

EMISOR


N

P

N

COLECTOR

BASE

EMISOR

FIGURA 29. TRANSISTORES NPN Y PNP


Observe que la regin P del transistor es mucho ms estrecha y que tambin est mucho menos dopada (tiene una menor concentracin de contaminantes) que las regiones N es decir, los huecos son menos y estn ms apartados en comparacin con los electrones libres en las regiones N. Suponga que se bombean electrones libres desde el emisor hacia el colector, asumiendo que la base est abierta para que los electrones no puedan fluir a travs de sta.

De esta manera, los electrones libres siguen su camino desde la regin N del emisor, a travs de la regin P de la base, dentro de la regin N del colector y siguen adelante por el cable. Este proceso contina slo por un pequeo instante y se requiere comprenderlo para poder entender como funciona un transistor.

La clave es que el transistor est hecho con una regin de base muy estrecha y muy ligeramente dopada, en esta forma los huecos estn escasamente esparcidos, as la mayora de los electrones emitidos, tpicamente el 98%, pueden cruzar sin caer en los huecos.

Sin embargo, los pocos electrones que caen en los huecos se acumulan en la regin de la base generando una carga negativa en ella, esto hace que el transistor impida el flujo de corriente de emisor a colector (recuerde que cargas iguales se repelen).

El exceso de electrones en la regin de base repele a los electrones libres que tratan de cruzar del emisor al colector, haciendo ms difcil su paso. Ahora consideremos la naturaleza de esta barrera, la cual detiene el flujo de corriente, el emisor y la base forman una unin PN equivalente a un diodo y para obtener una corriente de conduccin directa significativa a travs de esta unin (como cualquier diodo) el voltaje en la base debe ser por lo menos 0.6 V ms positivo que el del emisor.

FIGURA 30. SECCIN TRANSVERSAL DE UN TRANSISTOR NPN

N P N

EMISOR BASE COLECTOR

EXTRACCIN DE ELECTRONES

ELECTRONES LIBRESFLUJO DE

N P N

EMISOR BASE COLECTOR

EXTRACCIN DE ELECTRONES

ELECTRONES LIBRESFLUJO DE


Cuando se aplica este voltaje los electrones en el material P son extrados, creando huecos que se mueven hacia la unin para la conduccin. Sin este voltaje, para extraer los electrones, se acumulara un exceso de electrones en la base, repeliendo a los electrones que son bombeados dentro del material del emisor N y en esta forma, cortando el flujo de electrones a travs de la unin.

La nica manera de volver a tener corriente de trabajo es extrayendo el exceso de electrones de la base, esto se logra aplicando un voltaje positivo en esta terminal (base) y succionando los electrones del circuito de control base - emisor. Este proceso crea nuevos huecos en la base, que tienden a reemplazar a los huecos llenados por electrones en el material P y reduciendo el rechazo al flujo de electrones.

Este proceso crea nuevos huecos en la base, que tienden a reemplazar a los huecos llenados por electrones en el material P y reduciendo el rechazo al flujo de electrones. Al reducirse el rechazo, la corriente de electrones contina fluyendo de emisor a colector.

En esta forma, la pequea corriente de base controla en forma proporcional la corriente emisor-colector, tambin conocida como corriente de trabajo y que es significativamente ms grande.

Hasta ahora se ha tratado exclusivamente del transistor tipo NPN. A continuacin se ver el tipo PNP, cmo difieren y cmo los dos tipos con frecuencia son utilizados para complementarse el uno al otro.

A pesar del hecho de que la mayora de los transistores PNP son ligeramente ms lentos y caros que los NPN, son productos tiles e importantes.

Funcionamiento del transistor PNPLo ms significativo de sus diferencias es el hecho de que los dos tipos son exactamente opuestos en su operacin. Recuerde que en el caso del transistor NPN, cuando se extraen electrones de la base tipo P, los electrones podan fluir de emisor a colector y seguir por el circuito de trabajo. Por el contrario, en el transistor PNP se tienen que introducir electrones en la base (la regin N) para que los electrones fluyan desde el colector hacia el emisor a travs del circuito.

Esta diferencia en cuanto a la operacin, se hace ms clara cuando comparamos los dos smbolos esquemticos de la figura 31.

TRANSISTOR NPN TRANSISTOR PNP

LAS LINEAS PUNTEADAS INDICAN EL FLUJO DE CORRIENTE CONVENCIONAL

FIGURA 31. FLUJO DE CORRIENTE A TRAVS DE LOS TRANSISTORES NPN Y PNP

TRANSISTOR NPN TRANSISTOR PNP

LAS LINEAS PUNTEADAS INDICAN EL FLUJO DE CORRIENTE CONVENCIONAL

FIGURA 31. FLUJO DE CORRIENTE A TRAVS DE LOS TRANSISTORES NPN Y PNP


Ahora es mejor pensar en trminos de corriente convencional que de corriente de electrones. Observando primero el transistor NPN, vemos que es controlado por una pequea corriente inyectada o bombeada hacia adentro de la base (mientras los electrones son extrados). El resultado es una gran corriente que fluye de colector a emisor.

Note que la punta de flecha es una caracterstica en este smbolo, ya que nos recuerda la direccin tanto de la corriente de control como la de trabajo. La flecha seala hacia afuera de la base y del colector sealando que la corriente convencional debe fluir hacia adentro de la base y del colector, pero hacia afuera del emisor.

Cuando aparece una flecha en cualquier smbolo de un dispositivo semiconductor, se hace referencia a una unin PN y apunta del material P al material N. Recuerde que la regla de las uniones PN establece que a la corriente convencional se le permite pasar de P a N y que es bloqueada cuando intenta pasar en direccin contraria. Debido a esto, la corriente fluye hacia afuera del emisor en un transistor NPN.

El smbolo del transistor PNP. La punta de flecha en la terminal del emisor apunta hacia la base en vez de apuntar hacia afuera de ella. Esto es apropiado porque el emisor es tipo P y la base tipo N, la flecha tambin nos indica como fluye la corriente.

En un transistor PNP la corriente de control fluye del emisor hacia la base, en la direccin que muestra la flecha y la corriente de trabajo fluye del emisor hacia el colector.

Ahora se puede ver porqu se dice que los dos tipos de transistores son exactamente equivalentes pero opuestos en su operacin. Como regla, los transistores NPN pueden operar ms rpido que los tipo PNP (pueden encenderse y apagarse ms rpido). Adems, los transistores NPN generalmente cuestan un poco menos en su manufactura. Como resultado de estos dos factores, los de tipo NPN son mucho ms usados que los PNP.

La figura 32 es un diagrama de un transistor PNP, tal como en el de tipo NPN, la regin de la base del PNP es extremadamente estrecha (aproximadamente diez milsimas de pulgada) y tambin est ligeramente dopada.

FIGURA 32. SECCIN TRANSVERSAL DE UN TRANSISTOR PNP

NPEMISOR BASE COLECTOR

ELECTRONES

FLUJO DE HUECOS

P

ELECTRONES

ELECTRONES

NPEMISOR BASE COLECTOR

ELECTRONES

FLUJO DE HUECOS

P

ELECTRONES

ELECTRONES


Como la base es de material tipo N, se encontrarn unos cuantos electrones libres en esta regin. En la figura 32, los electrones libres se representan con signos negativos y los huecos positivos en las regiones P se representan con crculos. Los huecos en el transistor PNP realizan la misma funcin que los electrones libres en el NPN.

Por una fraccin de segundo el emisor tipo P emite huecos positivos a travs de la base. Esto ocurre de la misma manera en que los electrones libres fueron emitidos a travs de la base en el transistor NPN.

Como la base es estrecha y ligeramente dopada, una gran cantidad de huecos logran atravesarla, pero slo por un instante, ya que durante este tiempo algunos de los huecos se detienen en la regin de base al encontrarse con los electrones libres. Cada hueco positivo que se queda atrapado en la regin de base, elevar la carga positiva en ella.

Finalmente, la carga positiva creada en la regin N ejerce la suficiente fuerza repulsora para detener la migracin posterior de huecos. Una vez que no haya ms huecos que puedan entrar a la regin N, la conduccin se detiene.

Para obtener de nuevo conduccin, el circuito de control debe restaurar la fuente vaca de electrones libres, bombeando hacia dentro algunos ms a travs de la terminal de base. Cuando esto sucede, la presencia de nuevos electrones libres contrarresta el incremento de carga positiva. Esto disminuye la fuerza repulsora y los huecos positivos empiezan a moverse de nuevo.

Los huecos no pueden generar ninguna clase de electricidad ya que slo se mueven a travs del material semiconductor adems existe slo una clase de electricidad: electrones en movimiento.

Aplicaciones del transistorComo interruptor o switchLa figura 33 muestra una aplicacin bastante familiar del transistor como interruptor o switch: un sistema de transmisin y recepcin de telgrafo.

FIGURA 33. TRANSISTOR UTILIZADO COMO INTERRUPTOR O SWITCH

CORRIENTECONVENCIONAL

EMISOR

N

P

N

BASE

COLECTORINTERRUPTORTIMBRE

+ -

+

-




EMISOR

N

P

N

BASE

COLECTORINTERRUPTORTIMBRE

+ -

+

-



Como amplificadorComo se mencion, un transistor puede ser utilizado como amplificador o como interruptor o switch. La figura 34 muestra una aplicacin tpica del transistor como amplificador.

Aplicacin del transistor PNPLa figura 35 muestra el sistema de amplificacin micrfono - bocina que se utiliz en el apartado anterior, pero ahora se ha mejorado utilizando un transistor PNP. Para ver como un transistor PNP mejora la operacin, debemos repasar la operacin del sistema original de un solo transistor.

FIGURA 34. EL TRANSISTOR UTILIZADO COMO AMPLIFICADOR

EMISOR

N

P

N

BASE

COLECTOR

MICRFONOBOCINA

FLUJO DE ELECTRONES

+ +- -

FLUJO DE ELECTRONES

FIGURA 34. EL TRANSISTOR UTILIZADO COMO AMPLIFICADOR

EMISOR

N

P

N

BASE

COLECTOR

MICRFONOBOCINA

FLUJO DE ELECTRONES

+ +- -

FLUJO DE ELECTRONES

FIGURA 35. CIRCUITO AMPLIFICADOR CON TRANSISTORES NPN Y PNP

+12 V

-12 V

NPN

PNP

MICRFONOBOCINA

CORRIENTEDE ENTRADA

+12 V

-12 V

NPN

PNP

MICRFONOBOCINA

CORRIENTEDE ENTRADA


Especificaciones bsicasYa se ha cubierto lo esencial en cuanto al comportamiento de los transistores, ya se describi como la corriente de control switchea y regula la corriente de trabajo.

Las hojas de datos del transistor contienen una gran cantidad de informacin, pero las ms importantes se presentan en siete especificaciones.

Ganancia de corriente (Current Gain)La ganancia de corriente (hFE, hfe o beta) probablemente es la especificacin ms conocida del transistor. Indica el nmero de veces que el transistor multiplica la corriente de control para producir la corriente de trabajo.

Por ejemplo, si se tiene que una corriente de control de 1 mA entrando a la base del transistor genera 100 mA en el circuito de trabajo, la ganancia de corriente sera de 100.

Los sinnimos para ganancia de corriente son beta () y razn de transferencia de corriente hacia adelante de emisor - comn (common - emitter forward current transfer ratio). El smbolo para ganancia de corriente se muestra en dos formas:

Cuando se presenta como hfe se refiere a la ganancia de corriente en pequea seal (small signal) e indica la amplificacin de ondas a una cierta frecuencia.

Por otra parte, si la corriente es constante pudiera ser amplificada a una razn diferente. Debido a esto, puede ser que se presenten en la misma hoja de datos tanto la ganancia esttica como la ganancia de pequea seal.

Figura de ruido (Noise Figure)La figura de ruido (NF) es la segunda especificacin bsica del transistor. El ruido es una seal no deseada en un circuito elctrico.

El ruido se hace audible en circuitos electrnicos que producen sonido, as el sonido que en ocasiones escuchamos por la radio es ruido hecho audible. Todos los dispositivos elctricos producen ruido en cierto grado, el cual es ocasionado por situaciones aleatorias indeseables en la corriente y el voltaje.

La corriente de salida de un transistor no es una copia perfectamente amplificada de la corriente de entrada, est ligeramente distorsionada. La figura de ruido del transistor es una indicacin de que tan desigual e imperfecta es la corriente de trabajo.

Disipacin mxima de potencia (Maximum Power Disipation)La disipacin mxima de potencia (PD), medida en watts, es la potencia consumida por conversin a calor.


Se requiere saber cuanto calor puede tolerar el transistor antes de que empiece a fallar o de que se queme. Tambin puede estar especificada en trminos de la corriente de colector Ic. Si la corriente del colector se excede de este lmite, se presentarn altas temperaturas que en un cierto tiempo destruirn al transistor.

Conductividad (Conductivity)La conductividad es una indicacin de la facilidad con que la corriente fluye cuando se enciende el transistor. Una gran llave tiene alta conductividad (el agua puede fluir libremente). A medida que la conductividad es ms elevada, es menor la cada de voltaje requerida para una cierta cantidad de corriente.

Corriente de fuga (Leakage Current)La corriente de fuga es el flujo indeseable de corriente que fluye cuando se supone que hay un bloqueo. Imagine una llave que gotea an estando completamente cerrada.

Voltaje de ruptura (Breakdown Voltage)El voltaje de ruptura es el voltaje ms alto que el dispositivo puede retener cuando es apagado. Si se excede de este lmite, el dispositivo se daa (ponindose en cortocircuito) dejando pasar una gran cantidad de corriente.

El voltaje de ruptura es el voltaje en reversa ms elevado que la unin PN de un transistor o diodo puede tolerar sin daarse.

Velocidad de operacin (Operating Speed)La velocidad de operacin se refiere a que tan rpido el transistor se puede prender y apagar (velocidad de switcheo) o cambiar de un nivel de corriente de trabajo a otro (velocidad de regulacin o amplificacin). En relacin a la llave de agua, esto sera el tiempo requerido para abrirla o cerrarla.

Tipos de configuracin de los transistoresConfiguracin DarlingtonLa figura 36 muestra el smbolo de la configuracin Darlington. sta configuracin generalmente consiste de 2 transistores (pudieran ser ms de 2), donde el primero alimenta la base del segundo.

C

B

E

hFE D= hFE1 x hFE2hFE1hFE2

FIGURA 36. CONFIGURACIN DARLINGTON


Esta configuracin puede armarse conectando 2 transistores independientes, an cuando puede obtenerse como una unidad y que al igual que el transistor presenta 3 terminales.La principal caracterstica de esta configuracin es su muy alta ganancia de amplificacin. La ganancia en corriente de la configuracin total es aproximadamente igual al producto de las ganancias en corriente de los transistores que integran la configuracin.

Configuracin cascadaCuando se requiere una seal que excede los limites de un amplificador de un solo transistor, dos o ms transistores individuales pueden ser conectados en cascada.

Esto quiere decir que una porcin de la seal de salida de la primera etapa es usada como la entrada de la segunda etapa, ste ltimo amplifica la seal, y de esta forma la seal final es mucho mayor que la seal de entrada. La figura 37 muestra la conexin de dos transistores en configuracin cascada.

Esta configuracin es especialmente til en aplicaciones donde se requiere una alta ganancia de voltaje.

Transistor de efecto de campo (FET)Caractersticas de los FETLos transistores bipolares (NPN y PNP) tienen ciertos inconvenientes, entre los que se encuentra su impedancia de entrada bastante baja. Pero existe un dispositivo que elimina este inconveniente en particular y que pertenece a la familia de dispositivos en los que existe un solo tipo de portador de cargas, y por tanto, son unipolares, se llama transistor de efecto campo o FET (de su nombre en ingls Field Efect Transistor), se utilizan en un amplio rango de aplicaciones tanto de baja seal como de potencia.

FIGURA 37. CONFIGURACIN CASCADA

RB1

RE1

VO

+ VCC

RE2

RL2RL1

VI

RB1

RE1

VO

+ VCC

RE2

RL2RL1

VI


La figura 38 muestra ejemplos de transistores de efecto de campo.

Hay dos familias de transistores de efecto de campo: los transistores de efecto de campo de juntura o de unin (TECJ o JFET por sus siglas en ingls Junction Field Efect Transistor) y los Metal xido Semiconductor (MOSFET).

En el FET (formado por materiales P y N en cierta configuracin) la unin PN se polariza inversamente para que no pueda fluir ninguna corriente. La corriente principal o de potencia del FET es regulada mediante el efecto de campo elctrico producido por el voltaje aplicado entre dos de sus terminales. El FET funciona en forma diferente al transistor bipolar, an cuando opera bajo algunos de los mismos principios. El transistor de unin es llamado transistor bipolar debido a que utiliza dos portadores de corriente: huecos y electrones. El FET utiliza slo un portador de corriente, ya sean huecos o electrones (dependiendo de si es tipo P o tipo N) por lo cual es un dispositivo unipolar, este dispositivo es sensible al voltaje, mientras que el transistor bipolar lo es a la corriente.

Las principales ventajas del FET son impedancia de entrada elevada, buen aislamiento entre entrada y salida, buena sensibilidad a voltaje de bajo nivel y ganancia elevada.

Terminales del FETEl FET tiene 3 terminales:

El surtidor o fuente (source).

La compuerta (gate).

El drenador o drenaje (drain).

La fuente (source) y el drenador (drain) son contactos en los extremos opuestos del cuerpo principal, el cual puede ser material tipo P o N. Entre la compuerta (gate) y el canal se forma una unin PN, este tipo de FET se denomina FET de unin o JFET.

FIGURA 38. TRANSISTOR DE EFECTO DE CAMPO (FET)


Se muestra en la figura 39 la composicin y el smbolo del FET.

Entrada y salida del FETEl transistor FET amplifica en forma parecida al transistor bipolar. En un circuito, ste est compuesto por dos circuitos: un circuito de entrada y uno de salida.

El voltaje aplicado al circuito de entrada controla la corriente que fluye en el circuito de salida, por lo tanto, cuando se aplica una seal al circuito de entrada, se produce una variacin correspondiente en la corriente de salida. Esto es debido a que la seal de voltaje aplicado a la compuerta (gate) controla la resistencia del cuerpo principal.

La resistencia entre la fuente (source) y el drenador (drain) depende del voltaje aplicado a la compuerta(gate), como se muestra en la figura 40 de la siguiente pgina.

FIGURA 39. COMPOSICIN Y SMBOLO DEL FET

N P

CUERPO PRINCIPALP O N

N P

CUANDO EL CUERPO PRINCIPAL ES DE TIPO P,

LA COMPUERTA ( GATE ) ES DE TIPO N Y VICEVERSA

EN EL SMBOLO, LA FLECHA SEALA HACIA ADENTRO CUANDO LA COMPUERTA

( GATE ) ES DE TIPO P

COMPUERTA( GATE )

DRENADOR( DRAIN )

SURTIDOR( SOURCE )

DRENADOR( DRAIN )

FUENTE( SOURCE )

COMPUERTA ( GATE )

COMPUERTA ( GATE )

N P



N P

CUANDO EL CUERPO PRINCIPAL ES DE TIPO P,

LA COMPUERTA ( GATE ) ES DE TIPO N Y VICEVERSA

EN EL SMBOLO, LA FLECHA SEALA HACIA ADENTRO CUANDO LA COMPUERTA

( GATE ) ES DE TIPO P

COMPUERTA( GATE )

DRENADOR( DRAIN )

SURTIDOR( SOURCE )

DRENADOR( DRAIN )

FUENTE( SOURCE )

COMPUERTA ( GATE )

COMPUERTA ( GATE )


En el primer circuito, el FET tiene un circuito de entrada que interacta y controla al circuito de salida para proporcionar amplificacin. En el segundo, el circuito equivalente muestra como reacciona la entrada con la salida. El voltaje de entrada aplicado a la compuerta (gate) controla la resistencia del cuerpo principal para producir un cambio de corriente de salida. Las resistencias de la fuente (source) y drenador (drain) indican resistencias de contacto.

Cuerpo principal y compuerta del FETEl cuerpo principal del FET es un bloque semiconductor dopado (para obtener portadores, ya sean electrones o huecos) que permite el flujo de corriente elctrica. Fsicamente este bloque es grande en relacin al tamao de la compuerta (gate) y est suficientemente dopado para proporcionar el nmero de portadores necesarios para un cierto flujo de corriente (Figura 41).

FUENTE DRENADOR

SUSTRATO

COMPUERTA

CANAL

FUENTE DRENADOR

SUSTRATO

COMPUERTA

CANAL

FIGURA 41. CUERPO PRINCIPAL DE UN FET

FIGURA 40. CIRCUITOS DE ENTRADA Y SALIDA Y CIRCUITO EQUIVALENTE DEL FET

SEAL DE VOLTAJE

CORRIENTE

DRAIN

CUERPOPRINCIPAL

SOURCE

GATECIRCUITO DE SALIDA

CIRCUITODE ENTRADA

VOLTAJE CORRIENTE

SEAL DE ENTRADA

SEAL DE SALIDA

CUERPOPRINCIPAL

GATE DRAIN

SOURCE

FIGURA 40. CIRCUITOS DE ENTRADA Y SALIDA Y CIRCUITO EQUIVALENTE DEL FET

SEAL DE VOLTAJE

CORRIENTE

DRAIN

CUERPOPRINCIPAL

SOURCE

GATECIRCUITO DE SALIDA

CIRCUITODE ENTRADA

VOLTAJE CORRIENTE

SEAL DE ENTRADA

SEAL DE SALIDA

CUERPOPRINCIPAL

GATE DRAIN

SOURCE


El cuerpo principal es en realidad una resistencia hecha con material semiconductor, donde la magnitud de la resistencia est determinada por el nmero de portadores disponibles. Las terminales del drenador(drain) y la fuente (source) son los extremos opuestos del cuerpo principal, en esta forma el flujo de la corriente de trabajo o corriente principal no se hace a travs de una unin PN. As, cuando se aplica un voltaje entre las terminales de la fuente (source) y del drenador (drain), se establece un flujo de corriente a travs del cuerpo principal.

Si el cuerpo principal es simtrico, cualquier extremo puede ser la fuente (source) o el drenador (drain), en caso contrario, la fuente (source) y el drenador (drain) no pueden intercambiarse.

Debido al paso de la corriente a travs del cuerpo principal, ste tambin recibe el nombre de canal. El flujo de corriente en el FET a travs del canal genera cadas de voltaje en cada seccin del canal.

Esto produce un gradiente de voltaje (razn de cambio del voltaje a travs del cuerpo del FET) a travs del canal, como se muestra en la figura 42. Este efecto ocurre en todas las resistencias, pero en el FET es importante debido a la interaccin con la compuerta (gate).

- - -

+

-

+ +

+++

+ + +

-

- -

-- -

-

- -

--

CUERPO PRINCIPAL

SOURCE DRAIN

FET CANAL N

EL CUERPO PRINCIPAL ES RELATIVAMENTEGRANDE Y EST DOPADO PARA PRODUCIR

UN GRAN NMERO DE PORTADORES

2V 4V 6V 8V10V

GRADIENTEDE VOLTAJE

10 VOLTSLA CORRIENTE QUE FLUYE A TRAVS DE

CUALQUIER SEMICONDUCTOR O CONDUCTORPRODUCE UN GRADIENTE DE VOLTAJE, UNA

CADA DE VOLTAJE GRADUAL A TRAVS DEL DISPOSITIVO

CUERPO PRINCIPAL

FIGURA 42. CUERPO PRINCIPAL DEL FET Y GRADIENTE DE VOLTAJE EN L

SOURCE DRAIN

- - -

+

-

+ +

+++

+ + +

-

- -

-- -

-

- -

--

++

-

++ ++

++++++

++ ++ ++

-

- -

-- -

-

- -

--

CUERPO PRINCIPAL

SOURCE DRAIN

FET CANAL N





2V 4V 6V 8V10V

GRADIENTEDE VOLTAJEGRADIENTEDE VOLTAJE

10 VOLTSLA CORRIENTE QUE FLUYE A TRAVS DE

CUALQUIER SEMICONDUCTOR O CONDUCTORPRODUCE UN GRADIENTE DE VOLTAJE, UNA

CADA DE VOLTAJE GRADUAL A TRAVS DEL DISPOSITIVO

CUERPO PRINCIPAL

FIGURA 42. CUERPO PRINCIPAL DEL FET Y GRADIENTE DE VOLTAJE EN L

SOURCE DRAIN


La compuerta (gate) del FET se utiliza para controlar el flujo de corriente a travs del canal, la compuerta (gate) y el cuerpo principal forman una unin PN. La compuerta (gate) puede estar hecha envolviendo completamente al cuerpo principal o puede estar solamente en 2 lados opuestos del cuerpo (Figura 43).

La compuerta (gate) recorre una longitud considerable del cuerpo principal y si es simtrica y est centrada a lo largo, sus caractersticas de control de corriente sern las mismas si las conexiones de la fuente (source) y drenador (drain) se invierten.

La compuerta (gate) est formada por una capa muy delgada y por lo tanto contiene pocos portadores, al aplicar un voltaje de polarizacin a la unin PN, los portadores en cada lado de la unin son atrados (alejndose de la unin), generando una regin vaca de portadores. Esta regin vaca y la forma en que se controla, son la base de la operacin del FET.

rea vaca o reduccinEl FET controla la corriente a travs del canal variando el rea vaca o reducida en un nmero de portadores (electrones y huecos) dentro del canal.

La figura 44 de la siguiente pgina muestra la generacin del rea vaca o reducida de portadores en el FET.

FIGURA 43. CONFIGURACIN DEL GATE DEL FET

GATE DE DOS UNIONES

GATE CONTINUA


La regin cercana a la unin PN se describe como el rea de vaco en portadores cuando la unin tiene una polarizacin inversa. Esta misma figura muestra que el ancho de esta rea se incrementa cuando aumenta el voltaje en la polarizacin inversa.

Sin polarizacin, algunos electrones (-) aparecen entre los numerosos huecos (+) presentes en el material tipo P. Cuando se aplica una pequea polarizacin inversa, los huecos son atrados hacia el extremo de P y los electrones hacia el de N, dejando al rea central vaca (libre de cargas) y por lo tanto, menos capaz de conducir corriente.

Cuando la polarizacin inversa se incrementa, en forma transitoria y breve, los electrones fluyen desde N hasta la terminal positiva de la batera y los electrones de la terminal negativa entran en la regin P y se combinan con los huecos. As, quedan menos cargas totales y el ancho del rea de vaco (reducida en portadores o porcin no conductora) se incrementa.

FIGURA 44. GENERACIN DEL REA VACA O REDUCIDA DE PORTADORES EN EL FET

EN EQUILIBRIO

BREVE FLUJODE ELECTRONES

REA DE VACO O DE

+- +POLARIZACIN INVERSA

PEQUEAPOLARIZACIN INVERSA

GRANDE

REDUCCIN DE PORTADORES

-

+ +++++

+ --

---

---

+++

+

+

+++ +

+

+++

--

-- --

---- -

--

---

-

--

--

-

-+

EN EQUILIBRIO

BREVE FLUJODE ELECTRONESBREVE FLUJO

DE ELECTRONES

REA DE VACO O DE

+- +POLARIZACIN INVERSA

PEQUEAPOLARIZACIN INVERSA

GRANDE

REDUCCIN DE PORTADORES

-

+ +++++

+ --

---

---

+++

+

+

+++ +

+

+++

--

-- --

---- -

--

---

-

--

--

-

-+


En la figura 45 se muestra un FET cuya compuerta (gate) est formada por 2 segmentos, formando dos uniones PN en los lados opuestos del cuerpo principal N, que a su vez forman un FET canal N, en este caso, ambas regiones P se conectan para que acten como una compuerta.

La figura 45 muestra una batera que aplica un voltaje VGS (voltaje de gate a source) de polaridad inversa; este voltaje produce el campo elctrico que ocasiona el rea vaca o de reduccin de portadores.

En la figura 46 se muestran los dos extremos del canal N (drain y source) y se conecta una segunda batera, VSD, entre estos extremos, de esta forma se establece un flujo de electrones a travs del canal N.

Si se incrementa mucho el voltaje de polarizacin VGS, el rea vaca o reducida en portadores se extiende, reduciendo el canal N e incrementando considerablemente la resistencia elctrica del FET, debido a esto disminuye el flujo de electrones.

FIGURA 45. FET DE CANAL N

+

VGS

SOURCE DRAIN

CANAL N

GATE P

-+

VGS

SOURCE DRAIN

CANAL N

GATE P

-

FIGURA 46. LA CORRIENTE A TRAVS DEL CANAL N ES CONTROLADA POR VGS

+

VGS

SOURCE DRAIN

GATE

P

VSD

+

CANAL N

FIGURA 46. LA CORRIENTE A TRAVS DEL CANAL N ES CONTROLADA POR VGS

+

VGS

SOURCE DRAIN

GATE

P

VSD

+

CANAL N


Como la unin PN est polarizada inversamente, el flujo de corriente (corriente de fuga) a compuerta (gate) es mnimo. Debido a esto, la resistencia de compuerta (gate) o resistencia de entrada al FET es muy elevada. El FET es unipolar, an cuando ambos portadores estn presentes, el flujo principal o corriente de trabajo est formado slo por un tipo de portadores (electrones en el caso de canal o material tipo N).

Voltaje en el canalCuando se mantiene constante el voltaje de polarizacin inversa a la compuerta (gate), el voltaje aplicado entre la fuente (source) y el drenador (drain) fija la corriente a travs del canal. La corriente se eleva a medida de que el voltaje fuente-drenador (source-drain) se incrementa. sto ocurre hasta que, en cierto voltaje, la corriente de canal ya no se incrementa. ste es el voltaje de estrangulamiento y es similar a la corriente de saturacin en un transistor bipolar, esto ocurre debido a que el gradiente de voltaje producido a travs del cuerpo principal, afecta a la regin reducida o vaca de portadores. Con cero polarizacin en compuerta (gate) y un voltaje entre la fuente (source) y el drenador (drain), la corriente fluye a travs del canal y se genera un gradiente de voltaje. Este gradiente de voltaje existe en la compuerta (gate) a lo largo de la unin PN.

Con el FET tipo N mostrado, el gradiente positivo en el cuerpo principal da como resultado un gradiente negativo de polarizacin inversa a lo largo de la compuerta (gate). La polarizacin negativa atrae a los huecos en la regin del cuerpo principal cerca de la compuerta (gate), ocasionando una acumulacin de portadores en proporcin al gradiente de voltaje, como se muestra en la figura 47. Estos huecos son llenados por electrones, vaciando o reduciendo esa regin de portadores y haciendo ms estrecho al canal de conduccin. Debido a esto, la forma del canal deja de ser simtrica y por lo tanto su resistencia y gradiente de voltaje tambin.

FIGURA 47. REGIN DE REDUCCIN O VACO DEBIDA A GRADIENTE

SOURCE

DRAIN

GATE

----

-

---

-

--

-- -----

--

- -- -- --

--

---

-

--

-

----

---

-

-

--

-

---

- ---

----

--

----

------

-------

- --

-

-

10 VOLTS

REGIN DE VACO O REDUCCIN

CANAL DE CONDUCCIN

-1V -3V -5V -9V-10V

GRADIENTE DE VOLTAJE DE POLARIZACIN INVERSA

-7V

+ +

+

+ +

+

SOURCE

DRAIN

GATE

----

-

---

-

--

-- -----

--

- -- -- --

--

---

-

--

-

----

---

-

-

-----

-

--

-- -----

--

- -- -- --

--

---

-

--

-

----

---

-

-

-

-- -----

--

- -- -- --

--

---

-

--

-

----

---

-

-

--

-

---

- ---

----

--

----

------

-------

- --

-

-

10 VOLTS

REGIN DE VACO O REDUCCIN

CANAL DE CONDUCCIN

-1V -3V -5V -9V-10V


-7V

++ ++

++

++ ++

++


A medida que el voltaje source-drain se incrementa, habiendo suficientes portadores, se incrementa la corriente del canal. Si se sigue incrementando, los gradientes de voltaje ms cercanos a la fuente (source)se elevan, incrementando el rea de vaco o reduccin hasta alcanzar el estrangulamiento, en donde la corriente no se incrementa ms, esto se muestra en la figura 48.

Un incremento en la polarizacin inversa agranda la regin de vaco, generando la reduccin de la corriente en el canal. El canal de conduccin es el rea con portadores que permiten el flujo de corriente.

A medida que la polarizacin inversa se incrementa, se presenta una reduccin del canal de conduccin, hasta llegar al punto donde al no existir portadores disponibles, el canal se cierra y ocurre el corte. Este proceso se muestra en la figura 49.

FIGURA 48. EL AUMENTO EN GRADIENTE FINALMENTE GENERA EL ESTRANGULAMIENTO

SOURCE DRAIN

GATE

---

-

-

--

-- -- ---

--

- -- -- -

--

---

-

-

-

-

----

----

- ---

--

- ---- --

-- -- --

-

--

--

-

- --

- --

--

--

20 VOLTS

-2V -6V -10V -18V -20V


-14V

++

++

++

++

++

++

++

++

++++

++

++

++

++

FIGURA 49. EFECTO DE INCREMENTO EN POLARIZACIN INVERSA A COMPUERTA

SOURCE

DRAIN

GATE P

NCANAL DE

CONDUCCIN N

INCREMENTO EN POLARIZACIN INVERSA

GATE P

GATE P

DRAIN

GATE PSOURCE

FIGURA 49. EFECTO DE INCREMENTO EN POLARIZACIN INVERSA A COMPUERTA

SOURCE

DRAIN

GATE P

NCANAL DE

CONDUCCINCANAL DE

CONDUCCIN N

INCREMENTO EN POLARIZACIN INVERSA

GATE P

GATE P

DRAIN

GATE PSOURCE


Si se aplica una seal de voltaje variable en serie con la polarizacin inversa, se vara la polarizacin total, lo cual ocasiona que la regin de reduccin vare, cambiando la corriente (Figura 50).

SEAL

SEAL

N

P

P CORRIENTEDE CANAL

NUEVAMANTE LA SEAL REGRESA A CERO, LA POLARIZACIN NEGATIVA SE VUELVE NORMAL,

REDUCIENDO LA REGIN DE VACO E INCREMENTANDO LA CORRIENTE DE CANAL

N

P

P CORRIENTEDE CANAL

A MEDIDA QUE LA SEAL REGRESA NUEVAMANTE A CERO, LA POLARIZACIN

INVERSA INCREMENTA LA REGIN DE VACO GENERANDO UNA DISMINUCIN EN LA

CORRIENTE DE CANAL

SEAL

N

P

P CORRIENTEDE CANAL

CON CERO NIVEL DE SEAL, LA POLARIZACIN NEGATIVA ESTABLECE UNA

REGIN DE VACO Y ESTABLECE CIERTO FLUJO DE CORRIENTE

CORRIENTEDE CANAL

A MEDIDA QUE LA SEAL CAMBIA HACIA EL PICO NEGATIVO, SE LE AADE A LA

POLARIZACIN NEGATIVA INCREMENTANDO LA REGIN DE VACO Y

REDUCIENDO LA CORRIENTE DE CANAL

N

P

P

SEAL

CORRIENTEDE CANAL

A MEDIDA QUE LA SEAL SE DIRIGE HACIA EL PICO POSITIVO, SE REDUCE LA POLARIZACIN

NEGATIVA Y REDUCE LA REGIN DE VACO. ESTO INCREMENTA LA CORRIENTE DE CANAL

N

P

P

SEAL

FIGURA 50. ALIMENTACIN DE UNA SEAL SENOIDAL A COMPUERTA


Compuerta (gate) N y compuerta (gate) PLos FETs que se han descrito son de compuerta (gate) P, utilizando, por lo tanto, un cuerpo principal o canal N con flujo de electrones libres. El FET de compuerta (gate) N utiliza un cuerpo principal o canal P, el cual suministra un flujo de huecos. En la figura 51 se muestran los smbolos de los FETs canal N y canal P.

Ambos tipos de FETs son similares en cuanto a su funcin; en los dos tipos, la seal de entrada modifica la polarizacin inversa con la finalidad de variar a la regin de vaco o reduccin de portadores y as controlar la corriente a travs del canal. Como las compuertas (gates) tipo P o tipo N utilizan polarizaciones inversas, la misma seal aplicada a las compuertas (gates) de ambos tipos de FETs tendrn efectos opuestos en sus corrientes del canal.

Cuando se agrega una resistencia en serie con la corriente de canal, se produce una seal de voltaje, en el caso de que se inyecte una seal en la compuerta (gate) P del FET canal N, se producir una salida a 180 fuera de fase con respecto a la entrada. An cuando el efecto de la misma seal en la compuerta (gate) N del FET canal P es opuesto, los efectos en fase son los mismos ya que la corriente en el canal P fluye en la direccin opuesta de la corriente del canal N debido a la polaridad opuesta de la fuente de poder. Una seal positiva en un FET canal P reducir la corriente de canal produciendo una salida menos positiva (Figura 52).

GATE

DRAIN

SOURCE

FET CANAL N

GATE

DRAIN

SOURCE

FET CANAL P

GATE

DRAIN

SOURCE

FET CANAL N

GATE

DRAIN

SOURCE

FET CANAL P

FIGURA 51. RELACIN ENTRE EL SMBOLO DEL FET Y SU TIPO

FIGURA 52. EFECTO DE ALIMENTACIN DE LA MISMA SEAL EN FETS CANAL N Y CANAL P

P

CANAL N

+

-

VOLTAJEDE SALIDA

CORRIENTEDE CANAL

VOLTAJEDE ENTRADA

FET CANAL NCOMPUERTA ( GATE ) P

N

CANAL P +

-

VOLTAJEDE SALIDA

CORRIENTEDE CANAL

VOLTAJEDE ENTRADA

FET CANAL PCOMPUERTA ( GATE ) N

FIGURA 52. EFECTO DE ALIMENTACIN DE LA MISMA SEAL EN FETS CANAL N Y CANAL P

P

CANAL N

+

-

VOLTAJEDE SALIDA

CORRIENTEDE CANAL

VOLTAJEDE ENTRADA


P

CANAL N

+

-

VOLTAJEDE SALIDAVOLTAJE

DE SALIDA

CORRIENTEDE CANALCORRIENTEDE CANAL

VOLTAJEDE ENTRADA

VOLTAJEDE ENTRADA


N

CANAL P +

-

VOLTAJEDE SALIDAVOLTAJE

DE SALIDA

CORRIENTEDE CANAL

VOLTAJEDE ENTRADA

VOLTAJEDE ENTRADA

FET CANAL PCOMPUERTA ( GATE ) N


Aplicacin de los FETSLos FETs son especialmente tiles en aplicaciones donde se requiere control por voltaje en lugar de corriente.

La figura 53 muestra un caso en el que se requieren transistores controlados por voltaje, en este caso sehan utilizado FETs de unin (JFETs), la finalidad es amplificar la seal de un micrfono de alta impedancia para producir sonido en un altavoz.

Los FETs requieren de muy poca corriente de entrada o de control. Las fluctuaciones de voltaje del micrfono permiten que los FETs produzcan fluctuaciones de corriente con suficiente potencia para activar el altavoz.

Existen muchas otras aplicaciones para los FETs, se utilizan cuando existe la necesidad de controlar una corriente de trabajo como respuesta a un voltaje en vez de a una seal de corriente.

CANAL N

CANAL P

+12V

-12V

ALTA IMPEDANCIA, EL MICRFONO PRODUCE UN ALTO

VOLTAJE PERO A CORRIENTE BAJA

LOS FETS PRESENTAN UNA ENTRADA CON ALTA

IMPEDANCIA LO CUAL ES REQUERIDO POR EL

MICRFONO. ( OPERAN CON VOLTAJE Y REQUIEREN DE MUY

POCA CORRIENTE )

LAS RESISTENCIAS SUMINISTRAN SUFICIENTE VOLTAJE PARA MANTENER A

LOS FETS APAGADOS Y AS LA SEAL DEL MICRFONO PUEDA ENCENDERLOS

ALTERNADAMENTE

CANAL N

CANAL P

+12V

-12V

CANAL N

CANAL P

+12V

-12V

ALTA IMPEDANCIA, EL MICRFONO PRODUCE UN ALTO

VOLTAJE PERO A CORRIENTE BAJA

LOS FETS PRESENTAN UNA ENTRADA CON ALTA

IMPEDANCIA LO CUAL ES REQUERIDO POR EL

MICRFONO. ( OPERAN CON VOLTAJE Y REQUIEREN DE MUY

POCA CORRIENTE )

LAS RESISTENCIAS SUMINISTRAN SUFICIENTE VOLTAJE PARA MANTENER A

LOS FETS APAGADOS Y AS LA SEAL DEL MICRFONO PUEDA ENCENDERLOS

ALTERNADAMENTE

FIGURA 53. AMPLIFICADOR DE AUDIO


MOSFET (Metal xido Semiconductor)Los MOSFETs en vez de operar en el modo de reduccin o vaci como los FETs, ellos utilizan una capa de aislante de dixido de silicio entre la compuerta (gate) y el canal; de esta forma no existe contacto en la unin (con sus desventajas de corriente de fuga y la necesidad de presentar siempre una polarizacin inversa).

Existen dos tipos bsicos de MOSFETs:

MOSFET de compuerta aislada (IGFET).

MOSFET de canal inducido.

La figura 54 muestra los smbolos ms utilizados del MOSFET

MOSFET de compuerta aislada (IGFET)En el IGFET (de su nombre en ingls Isolated Gate Field Efect Transistor), al proceso de colocar Metal en la parte superior del xido aislante sobre un Semiconductor se le conoce como MOS.

La compuerta aislada se polariza directamente sin generar un flujo de corriente a la compuerta (gate), permitiendo otro mtodo de operacin posible: el modo de incremento.

MOSFET CANAL N MOSFET CANAL P

FIGURA 54. SMBOLOS MS UTILIZADOS DEL MOSFET

GATESOURCEDRAIN

GATE

DRAIN

SOURCE

GATEDRAINSOURCE

DRAIN

SOURCE

GATE


En la figura 55 el canal de material N ha sido difundido en la parte superior de un bloque del semiconductor tipo P, los extremos del canal N forman la fuente (source) y el drenador (drain). La compuerta no es P ni N, sino una capa metlica y est aislada del canal mediante una capa de dixido de silicio.

Si la compuerta (gate) metlica se hace negativa, su voltaje produce un efecto electrosttico (induciendo cargas positivas en el canal) que incrementa la zona de reduccin o vaco, disminuyendo el flujo de electrones a travs del canal N. Pero si la compuerta (gate) se hace ms positiva, produce un campo elctrico que atrae a los electrones contenidos en el material P.

Estos electrones son atrados hacia adentro del canal N e incrementan el nmero total de portadores, as aumenta la corriente de conduccin del IGFET. Como se incrementan los portadores en el canal, ahora opera en el modo de incremento.

Generalmente el IGFET es simtrico y as las conexiones de la fuente (source) y el drenador (drain) pueden ser intercambiadas.

MOSFET de canal inducidoEste tipo de FET no tiene canal, como su nombre lo indica, el canal se induce.

Cuando no se aplica voltaje a su compuerta (gate), la resistencia entre la fuente (source) y el drenador (drain) puede ser de 500 K. Esta resistencia disminuye a unos cuantos kilohms cuando el voltaje de compuerta (gate) se eleva a +5v.

N+ N

P

N+

+++++++++++++++++++++

ELECTRODO DE COMPUERTA

SOURCE

DIOXIDO DE SILICIO

DRAIN

MOSFET DE COMPUERTA AISLADA

( CANAL N )

- - - - - - - - - - - - -

FIGURA 55. MEDIO DE CONTROL DEL MOSFET DE VACO

N+ N

P

N+

+++++++++++++++++++++


SOURCE

DIOXIDO DE SILICIO

DRAIN

MOSFET DE COMPUERTA AISLADA

( CANAL N )

- - - - - - - - - - - - -

FIGURA 55. MEDIO DE CONTROL DEL MOSFET DE VACO


El campo inducido por el voltaje positivo aplicado a la compuerta (gate) atrae electrones del material tipo P hacia la compuerta (gate), estos electrones actan como portadores en el nuevo canal inducido, como se muestra en la figura 56.

El MOSFET de canal inducido slo opera en el modo de incremento, ya que la compuerta (gate) nunca se polariza inversamente como para formar reas de reduccin. La resistencia de entrada o de compuerta (gate) es muy elevada (ms de 1013 ) en este tipo de MOSFET.

Aplicaciones del MOSFETAlgunas de las aplicaciones en donde se utilizan ste tipo de transistor son:

Para proteger los circuitos alimentados por una fuente de poder de una condicin de sobrevoltaje.

Para controlar el encendido de una lmpara.

Para control de velocidad de un motor.

Como interruptor elctrico que controla el flujo de radiofrecuencia.

N+

P

N+


SOURCE

DIOXIDO DE SILICIO

DRAIN

MOSFET DE CANAL INDUCIDO

( CANAL N )

+++ ++++++++

- - - - - - - - - - - - -- - - - - - - - - - - - -- - - - - - - -- -

CANALINDUCIDO

FIGURA 56. FET DE CANAL INDUCIDO

N+

P

N+

ELECTRODO DE COMPU

TX-TIP-0002 MP Electrónica Básica

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