Instituto Tecnológico de Cerro Azul

Materia:Principios eléctricos y aplicaciones digitales

Docente:************

Portafolio de evidenciasIntegrantes del equipo

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Carrera: Sistemas computacionales.

Semestre:IV

Grupo:*****

Periodo: Enero-Junio 2014

1.- DATOS DE LA ASIGNATURANombre de la asignatura:

Carrera:

Clave de la asignatura:

(Créditos) SATCA1

Principios eléctricos y aplicaciones digitales

Ingeniería en SistemasComputacionales

SCD-1018

2-3-5

2.- PRESENTACIÓN

Caracterización de la asignatura.

Principios eléctricos y aplicaciones digitales, es una materia que aporta al perfil delIngeniero en Sistemas Computacionales conocimientos y habilidades básicas para identificar y comprender las tecnologías de hardware así como proponer, desarrollar y mantener aplicaciones eficientes, diseñar e implementar interfaces hombre- máquina y máquina-máquina para la automatización de sistemas, integrar soluciones computacionales con diferentes tecnologías, plataformas o dispositivos.

Para integrarla se ha hecho un análisis de la materia de Física General, identificando los temas de Electrodinámica y electroestática, que tienen una mayor aplicación en el quehacer profesional del ingeniero en sistemas computacionales.

Puesto que esta materia dará soporte a otras, más específicamente a la de Arquitectura de computadoras, se inserta en la primera mitad de la trayectoria escolar, antes de cursar aquellas a las que dará soporte. De manera particular, lo trabajado en esta asignatura se aplicará a temas tales como: arquitecturas digitales de cómputo, y en la selección de componentes para el ensamble de equipos de cómputo.

Intención didáctica

El temario se organiza en cuatro unidades, agrupando los contenidos conceptuales en la primera y segunda unidad, así como el desarrollo de ejemplos prácticos. Para la tercera unidad se aplican los principios de conversión A/D y D/A.Para la cuarta unidad se trabaja con lenguajes HDL.

1 Sistema de asignación y transferencia de créditos académicos

En la primera unidad se aborda el tema de Electrónica analógica, cuyo contenido es necesario para conocer las características eléctricas de los principales elementos pasivos.

En la segunda unidad, Electrónica Digital, es necesario enfocarla al álgebra booleana, para aplicarla en el diseño e implementación de circuitos.

La tercera unidad se centra en los convertidores “Analógicos y Digitales”, donde el alumno realiza prácticas con estos circuitos integrados.

La cuarta unidad, Lenguajes HDL, exige una plataforma de desarrollo para microprocesadores, donde a través de un diseño previo, se proponen nuevos circuitos integrados; en esta parte el alumno necesitará contar con grabadores y probadores de circuitos programables.

El enfoque sugerido para la materia requiere que las actividades prácticas promuevan el desarrollo de habilidades en el alumno, para la experimentación, tales como: identificación y manejo de componentes de hardware y su funcionamiento; planteamiento de hipótesis; trabajo en equipo; así mismo, propicien procesos intelectuales como inducción-deducción y análisis-síntesis, con la intención de generar una actividad intelectual de análisis y aplicación interactiva.

En las actividades prácticas sugeridas, es conveniente que el profesor busque y sugiera además de guiar a sus alumnos para que ellos hagan la elección de los componentes a utilizar y controlar. Para que aprendan a planificar, que no planifique el profesor todo por ellos, sino involucrarlos en el proceso de planeación y desarrollo de actividades de aprendizaje.

Es importante ofrecer escenarios de trabajo y de problemática distintos, ya sean de construcción real o virtual.

En las actividades de aprendizaje sugeridas, generalmente se propone la formalización de los conceptos a partir de experiencias concretas; se busca que el alumno tenga el primer contacto con el concepto de manera concreta y sea a través de la observación, la reflexión y la discusión que se dé la formalización; la resolución de problemas se hará después de este proceso.

En el transcurso de las actividades programadas, es muy importante que el estudiante aprenda a valorar las actividades que lleva a cabo y entienda que está construyendo su hacer futuro y en consecuencia actúe de una manera profesional; de igual manera, aprecie la importancia del conocimiento y los hábitos de trabajo; desarrolle la precisión y la curiosidad, la puntualidad, el entusiasmo, el interés, la tenacidad, la flexibilidad y la autonomía.

Es necesario que el profesor ponga atención y cuidado en estos aspectos ya que el desarrollo de las actividades de aprendizaje de esta asignatura, enfocadas en laparte práctica, son de gran importancia

3.- COMPETENCIAS A DESARROLLARCompetencias específicas:

Desarrollar aplicaciones digitales que coadyuven a la solución de problemas computacionales.

Desarrollar habilidades para el diseño de circuitos digitales.

Manejar instrumentos de medición, implementando circuitos.

Competencias genéricas:

Competencias instrumentales:

• Capacidad de análisis y síntesis• Capacidad de organización y

planificación.• Comunicación oral y escrita en su

propia lengua.• Conocimiento de una segunda

lengua.• Habilidades básicas de manejo de la

computadora.• Capacidad de gestión de la

información (habilidad para buscar y analizar información proveniente de diversas fuentes).

• Resolución de problemas.• Toma de decisiones.• Habilidad para buscar y analizar

información proveniente de diversas fuentes.

Competencias interpersonales:• Razonamiento critico.• Trabajo en equipo.• Habilidades en las relaciones

interpersonales.• Capacidad de comunicarse con

profesionales de otras áreas.• Habilidad para trabajar en un

ambiente laboral.• Compromiso ético.

Competencias sistémicas:

• Aprendizaje autónomo.

• Capacidad de aplicar los conocimientos en la práctica.

• Adaptación a nuevas situaciones.• Capacidad de generar nuevas ideas

(creatividad).• Capacidad para diseñar y gestionar

proyectos.• Iniciativa y espíritu emprendedor.• Preocupación por la calidad.• Búsqueda de logros continuos.

4.- HISTORIA DEL PROGRAMA

Lugar y fecha de elaboración o revisión Participantes

Observaciones

(cambios y justificación)

Instituto TecnológicoSuperior de: Poza Rica del22 al 26 de febrero del 2010.

Representantes de losInstitutos Tecnológicos de: Cerro Azul, Nuevo Laredo, Alvarado, Colima, Tuxtepec, Zacatecas.

Análisis, enriquecimiento yelaboración del programa de estudio propuesto en la Reunión Nacional de Diseño Curricular de la Carrera en Ingeniería en Sistemas Computacionales.

5.- OBJETIVO(S) GENERAL(ES) DEL CURSO (competencias específicas a desarrollar en el curso)

• Desarrollar aplicaciones digitales que coadyuven a la solución de problemas computacionales.

• Desarrollar habilidades para el diseño de circuitos digitales.

• Manejar instrumentos de medición, implementando circuitos.

6.- COMPETENCIAS PREVIAS• Conocer la teoría de electricidad y magnetismo.

• Conocer la naturaleza y propagación de la luz.

• Conocer teoremas y postulados del Algebra de Boole.

• Implementar simplificaciones con algebra de Boole.

• Realizar conversiones entre los diferentes sistemas numéricos.

7.- TEMARIOUnidad Temas Subtemas

1 Electrónica analógica 1.1. Corriente alterna y corriente directa1.1.1. Características1.1.2. Generación de corriente en CA y CD

1.2. Dispositivos pasivos1.2.1. Características1.2.2. Técnicas de solución en circuitos RLC1.2.3. Aplicaciones

1.3. Dispositivos activos1.3.1. Características de semiconductores

1.3.1.1. Estructura eléctrica del Silicio1.3.1.2. Estructura eléctrica del

Germanio1.3.1.3. Materiales tipo N y tipo P

1.3.2. Dispositivos semiconductores1.3.2.1. Diodos

1.3.2.1.1. LED1.3.2.1.2. Rectificadores1.3.2.1.3. Zener

1.3.2.2. Transistores1.3.2.2.1. Bipolares1.3.2.2.2. FET1.3.2.2.3. MOSFET

1.3.2.3. Tiristores1.3.2.3.1. SCR1.3.2.3.2. SCS1.3.2.3.3. DIAC1.3.2.3.4. TRIAC

1.3.3. Técnicas de diseño con semiconductores

1.3.4. Aplicaciones con semiconductores1.3.4.1. Rectificadores1.3.4.2. Amplificadores1.3.4.3. Conmutadores1.3.4.4. Fuentes de voltaje

1.4. Amplificadores operacionales1.4.1. Configuraciones

1.4.1.1. Seguidor unitario1.4.1.2. Comparador1.4.1.3. Multiplicador1.4.1.4. Sumador1.4.1.5. Restador1.4.1.6. Integrador

1.4.2. Aplicaciones

2 Electrónica Digital 2.1 Tablas de verdad y compuertas lógicas2.1.1 NOT, OR y AND2.1.2 Otras (NOR, NAND, XOR, etc.)2.1.3 Expresiones booleanas2.2 Diseño de circuitos combinacionales2.2.1 Metodología de diseño2.2.2 Minitérminos y maxitérminos.2.2.3 Técnicas de simplificación2.2.3.1 Teoremas y postulados del algebra de Boole2.2.3.2 Mapas Karnaugh2.2.4 Implementación y aplicación de circuitos

combinacionales2.3 Lógica secuencial2.3.1 FLIP-FLOP con compuertas2.3.2 FLIP-FLOP JK, SR, D2.3.3 Diseño de circuitos secuenciales2.3.4 Aplicación de circuitos secuenciales2.4 Familias lógicas2.4.1 TTL2.4.2 ECL2.4.3 MOS2.4.4 CMOS2.4.5 Bajo voltaje (LVT, LV, LVC, ALVC)

3 Convertidores 3.1 Analógico / Digital A/D3.1.1 Tipos3.1.2 Aplicaciones3.2. Digital / Analógico D/A3.2.1. Tipos3.2.2. Aplicaciones

4 Lenguajes HDL 4.1. Dispositivos lógicos programables4.1.1. Tipos4.1.2. Características4.1.3. Fabricantes4.1.4. Pasos para el diseño con PLD’s4.2. Programación de circuitos combinacionales

con HDL4.2.1. Por captura esquemática4.2.2. Por tabla de verdad4.2.3. Por ecuaciones booleanas4.2.4. Por descripción de comportamiento4.3. Programación de circuitos secuenciales con

HDL4.3.1. Por captura esquemática4.3.2. Por tabla de verdad4.3.3. Por ecuaciones booleanas4.3.4. Por descripción de comportamiento4.3.5. Por tabla de estado4.3.6. Por diagrama de transición

8.- SUGERENCIAS DIDÁCTICAS (desarrollo de competencias genéricas)

El profesor debe:

Ser conocedor de la disciplina que está bajo su responsabilidad, conocer su origen y desarrollo histórico para considerar este conocimiento al abordar los temas. Desarrollar la capacidad para coordinar trabajos en equipo; orientar el trabajo del estudiante y potenciar en él la autonomía, el trabajo cooperativo y la oportuna toma de decisiones. Mostrar flexibilidad en el seguimiento del proceso formativo y fomentar una mejor interacción entre los estudiantes, tomar en cuenta el conocimiento de los mismos como punto de partida y como probable obstáculo para la construcción de nuevos conocimientos.

• Propiciar actividades de metacognición. Ante la ejecución de una actividad, señalar o identificar el tipo de proceso intelectual que se realizó: una identificación de patrones, un análisis, una síntesis, la creación de un heurístico, etc. Al principio lo hará el profesor, luego será el alumno quien lo identifique. Ejemplos: Identificar las características de la corriente alterna y directa, las técnicas de solución en circuitos RLC, técnicas de diseño al utilizar semiconductores y aplicaciones con amplificadores operacionales.

• Propiciar actividades de búsqueda, selección y análisis de información en distintas fuentes. Ejemplo: Buscar, identificar y seleccionar información de fuentes diversas, referente a las características de los dispositivos pasivos y activos, amplificadores operacionales, familias lógicas de circuitos, dispositivos lógicos programables, etc.

• Fomentar actividades grupales que propicien la comunicación, el intercambio argumentado de ideas, la reflexión, la integración y la colaboración de y entre los estudiantes. Ejemplo: Realizar y documentar las prácticas elaboradas dentro y fuera de clase.

• Observar y analizar fenómenos y problemáticas propias del campo de aplicación. Ejemplos: Proponer soluciones de aplicaciones digitales en una necesidad específica.

• Relacionar los contenidos de esta asignatura con las demás del plan de estudios a las que ésta da soporte para desarrollar una visión interdisciplinaria en el estudiante. Ejemplos: Identificar el funcionamiento y uso de diferentes componentes electrónicos, así como el uso de la corriente alterna y directa.

• Propiciar el desarrollo de las capacidades intelectuales relacionadas con la lectura, la escritura y la expresión oral. Ejemplos: trabajar las actividades prácticas a través de guías escritas, redactar informes de las prácticas y exponer los resultados y conclusiones obtenidas frente al grupo.

• Facilitar el contacto directo con materiales, herramientas e instrumentos, al llevar a cabo actividades prácticas, para contribuir a la formación de las competencias para el trabajo experimental, tales como: identificación, manejo de componentes y trabajo en equipo.

• Propiciar el desarrollo de las actividades intelectuales de inducción- deducción y análisis-síntesis, que encaminen hacia la investigación.

• Desarrollar actividades de aprendizaje que propicien la aplicación de los conceptos, modelos y metodologías que se van aprendiendo en el transcurso de la asignatura.

• Proponer problemas que permitan al estudiante la integración de los contenidos de la asignatura y entre distintas asignaturas, para su análisis y solución.

• Cuando los temas así lo requieran, utilizar medios audiovisuales para una mejor comprensión del estudiante.

• Propiciar el uso de las nuevas tecnologías en el desarrollo de la asignatura (procesador de texto, hoja de cálculo, base de datos, graficadores, internet, simuladores, etc.).

9.- SUGERENCIAS DE EVALUACIÓN

La evaluación debe ser continua y formativa por lo que se debe considerar el desempeño en cada una de las actividades de aprendizaje realizadas, haciendo un énfasis especial en:

• Reportes escritos de las prácticas realizadas durante la clase y las actividades inherentes, así como de las conclusiones obtenidas.

• Análisis de la información obtenida durante las investigaciones solicitadas plasmada en documentos escritos.

• Descripción de otras experiencias concretas que podrían realizarse adicionalmente

• Exámenes escritos para comprobar la comprensión de los aspectos teóricos y declarativos.

• Presentación y exposición de cada actividad de aprendizaje. Algunas se evaluarán por equipo.

10.- UNIDADES DE APRENDIZAJE

Unidad 1: Electrónica analógica.

Competencia específica a desarrollar Actividades de Aprendizaje

Manejar instrumentos y equipos de mediciones eléctricas y electrónicas

Analizar teorías y solucionar problemas que engloben escenarios de circuitos eléctricos, en base a leyes y teoremas.

• Exponer teorías acerca de la electrónica analógica.

• Realizar prácticas con instrumentos de medición.

• Elaborar prácticas de laboratorio.• Dar solución a los ejercicios de circuitos

eléctricos propuestos.• Realizar ensambles de prototipos-circuitos

comerciales, tales como radios AM/FM, sirenas, eliminadores de corriente, etc.

Unidad 2: Electrónica digital.

Competencia específica adesarrollar Actividades de Aprendizaje

Utilizar con precisión la terminología y simbología de circuitos digitales.

Analizar problemas teóricos implementando la solución con circuitos digitales.

Aplicar métodos de simplificación de funciones lógicas

• Realizar una introducción acerca de los sistemas digitales de manera audiovisual.

• Investigar acerca de las conversiones de los diferentes sistemas numéricos, enfocando al sistema binario y al sistema hexadecimal.

• Realizar ejercicios de conversiones entre los diferentes sistemas numéricos.

• Realizar de forma extra clase ejercicios propuestos para dominar el tema.

• Investigar las hojas técnicas de las diferentes compuertas lógicas existentes.

• Diseñar circuitos digitales utilizando las compuertas lógicas.

• Discutir el álgebra de Boole y aplicarla en soluciones a ejercicios propuestos.

• Asignar un proyecto integral de un circuito que involucre los temas vistos en esta unidad.

3.- Convertidores.

Competencia específica adesarrollar Actividades de Aprendizaje

Seleccionar y manipular dispositivos • Consultar las hojas técnicas acerca de los

analógicos y digitales para la implementación de circuitos.

convertidores A/D y D/A.• Diseñar circuitos y hacer su reducción

aplicando los convertidores.• Buscar los circuitos integrados que funcionan

cómo convertidores, de reciente creación y aplicarlos a sus proyectos.

• Realizar prácticas de laboratorio

Unidad 4: Lenguaje HDL

Competencia específica adesarrollar Actividades de Aprendizaje

Conocer un lenguaje HDL.

Implementar circuitos digitales utilizando un lenguaje HDL

Leer e interpretar diagramas de circuitos digitales.

Colaborar en equipo para deducir soluciones aplicadas a circuitos digitales.

• Conocer los referentes teóricos de los lenguajes HDL en PLD.

• Investigar acerca del uso de los lenguajesHDL.

• Simular y programar compuertas básicas con lenguaje HDL en PLD.

• Simular y programar sumadores con lenguajeHDL en PLD.

• Simular y programar restadores con lenguajeHDL en PLD.

• Solicitar para fin del curso un proyecto integrador.

11.- FUENTES DE INFORMACIÓN

1. TOCCI, RONALD J. Sistemas Digitales. Pearson Ed. 8ª Edición . ISBN: 97026029712. SERWAY, RAYMOND A., FAUGHN, JERRY S. FÍSICA, Ed. Pearson. 5a Edición.

ISBN: 97026001543. TIPPENS, P. Física, Conceptos y aplicaciones, Ed. Mc Graw-Hill, 7ª Edición.

ISBN: 97897010626094. WILSON, JERRY D. Física. Ed. Pearson. 5a Edición. ISBN: 97026042575. TIPLER, PAUL ALLEN. Física para la ciencia y la tecnología II, Ed. Reverté, S. A.

5ª Edición. ISBN: 97884291441236. SEARS and ZEMANSKY, HUGH D. YOUNG, FREEDMAN,ROGER A. Física

Universitaria con física moderna volumen 2. Pearson Ed.. 12ª Edición. ISBN: 9786074423044

7. BOYLESTAD, ROBERT L. NASHELSKY, LOUIS. Electrónica: teoría de circuitos y dispositivos electrónicos. Ed. Pearson. 8ª Edición ISBN: 9702604362

8. BOYLESTAD, ROBERT L. NASHELSKY, LOUIS., Fundamentos de Electrónica, Ed.Pearson 4ª Edición. ISBN: 9688809578

9. MORRIS MANO M. Diseño Digital. Ed. Pearson. 3a. Edición. ISBN: 9702604389

10. HILBURN, JOHN I. , JOHNSON, DAVID E. , JOHNSON,JOHNNY R., SCOTT PETER D. Análisis básico de Circuitos Electrónicos. Ed. Pearson. 5ª Edición. ISBN: 9688806382.

11. BROWN, STEPHEN. Fundamentos de lógica digital con diseño VHDL. Ed.McGraw Hill. 2ª Edición. ISBN: 9789701056097. Año 2006

12. PARDO CARPIO, FERNANDO. VHDL. Lenguaje para síntesis y modelado de circuitos. Ed. RA-MA 2ª Edición. ISBN: 9788478975952

12.- PRÁCTICAS PROPUESTAS (aquí sólo describen brevemente, queda pendiente la descripción con detalle).

1. Generación de corriente directa y corriente alterna.

2. Simulación y desarrollo de circuitos RLC de dos o más mallas.

3. Medición de voltaje, corriente, resistencia, inductancia, capacitancia en circuitos RLC.

4. Simulación y desarrollo de rectificadores.

5. Simulación y desarrollo de amplificadores e inversores.

6. Comprobación de tablas de verdad de compuertas básicas en circuitos integrados

de función fija.

7. Simulación y desarrollo de medios sumadores y sumadores completos.

8. Simulación y desarrollo de medios restadores y restadores completos.

9. Simular y programar codificadores y decodificadores con compuerta.

10. Simular y desarrollar contadores síncronos y asíncronos.

11. Simular y desarrollar registros.

12. Diseñar y construir circuitos convertidores.

13. Simular y programar compuertas básicas con lenguaje HDL en PLD.

14. Simular y programar sumadores y restadores con lenguaje HDL en PLD.

15. Simular y programar codificadores y decodificadores con lenguaje HDL en PLD.

Textos Electrónicos, bases de datos y programas informáticos:

1. http://193.146.57.132/depeca/repositorio/asignaturas/78008/traspas-baja- tens.PDF

2. http://server-die.alc.upv .es/asignaturas/LSED/2002- 03/bajoconsumo / bajoconsumo.pdf

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UNIDAD 1ELECTRÓNICA

ANALÓGICA

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1.1 Corriente alterna y corriente directa

La electricidad constituye una forma de energía que está presente en casi todas las actividades humanas de una sociedad desarrollada. Gran parte de los aparatos y máquinas que utilizamos funcionan gracias a ella.

Tipos de corriente:

Corriente continua o directa (DC): usada principalmente en circuitos electrónicos.

Corriente alterna (AC): usada como corriente domestica es de tipo sinusoidal.

Corriente alterna

La corriente alterna (CA) es un tipo de corriente eléctrica, en la que la dirección del flujo de electrones va y viene a intervalos regulares o en ciclos.

La corriente que fluye por las líneas eléctricas y la electricidad disponible normalmente en las casas procedente de los enchufes de la pared es corriente alterna.

Corriente directa

La corriente continua (CC) es la corriente eléctrica que fluye de forma constante en una dirección, como la que fluye en una linterna o en cualquier otro aparato con baterías es corriente continua.

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1.1.1 Características

La CD: Tiene un flujo continuo que se mueve en una sola dirección y son

constantes en el tiempo. Su aspecto es el de una línea recta que no varía.

Se produce a partir de fuentes de energía, las baterías, fuentes de alimentación y generadores de corriente continua.

Los dispositivos fotovoltaicos como las células solares también generan energía CD.

La CA: Cambian de dirección, fluyen primero hacia un lado y luego hacia el otro.

Son ondas sinusoidales, de manera que varían en el tiempo.

La CA está producida a partir de fuentes de alimentación y generadores de corriente alterna.

En América del Norte, la CA es de 120 voltios y 60 hertz o ciclos por segundo. Esto significa que cambia de dirección 60 veces por segundo. En Europa, generalmente es 50 hertz con 220 a 240 voltios.

1.1.2 Generación de corriente en CA y CD

Los alternadores generan electricidad en corriente alterna. El elemento inductor es el rotor y el inducido el estator.

Un ejemplo son los generadores de las centrales eléctricas, las cuales transforman la energía mecánica en eléctrica alterna.

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Las dinamos generan electricidad en corriente continua. El elemento inductor es el estator y el inducido el rotor. Un ejemplo lo encontraríamos en la luz que tiene una bicicleta, la cual funciona a través del pedaleo.

1.2 Dispositivos pasivos

Un elemento pasivo es aquel que no es capaz de entregar potencia al circuito en el cual está conectado. Los elementos pasivos son:

Resistencia o resistor Condensador o capacitor Bobina o inductor Entre otros

Resistencias

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Las resistencias, como su nombre indica ofrecen una resistencia al paso de la corriente.

El principio físico se basa en que los electrones no son capaces de atravesar la red sin chocar ocasionalmente con ellos. Esto los decelera y hace que su energía cinética se transforme en calor en el choque. 

Código de colores

Aunque la tendencia del mercado es eliminar los códigos de colores, actualmente todas las resistencias convencionales siguen este código.

El primer color indica el primer número (5xxx), el segundo color indica el segundo número (51xx), la tercer color indica la cantidad de ceros que hay que añadir (510.000) y por último, una banda (que debe estar más separada e indica el orden de lectura de las bandas) que nos indica la tolerancia (porcentaje de error máximo permitido).

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Bobinas

Las bobinas consisten en cable enrollado en un carrete. Así cuando circula corriente, crean un gran magnético que concentran en el interior del carrete. Cuando el sentido de esta corriente cambia en el tiempo, el campo también varía su dirección.

Esto es lo que hace una bobina: ofrece oposición al paso de corrientes que varían de sentido muy rápidamente. Para corrientes continuas, sólo se encuentra la resistencia del hilo de cobre, que es muy baja, pero para alterna puede haber una gran oposición al paso de corriente.

Condensadores

Un condensador consiste en dos planchas de metal (armaduras) enfrentadas entre sí, que no llegan a tocarse, por lo que existe una resistencia idealmente infinita entre ellas.

Pueden actuar de dos formas, según estén en serie o paralelo.

SERIEEn serie, como las armaduras no llegan a tocarse no puede circular la corriente, pero los cambios bruscos de tensión inducen carga en la otra armadura. O sea, que sirven para que pase la señal AC y bloquear la continua (DC)

PARALELO

En paralelo, cuando varía la tensión entre las armaduras, hay que restablecer el equilibrio de la carga en el interior, si el voltaje aumenta se admiten más electrones, y si disminuye, sobran y deben irse. Esta circulación es una corriente. Diremos que los condensadores en paralelo se oponen a las variaciones de tensión absorbiendo o cediendo carga. Esto hace la función de reserva de energía.

Transformadores

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Un transformador es un aparato que recoge estos campos magnéticos de una bobina llamada primario y los devuelve en forma de electricidad en otra bobina llamada secundario.

Relés

Un relé es un sistema mediante el cual se puede controlar una potencia mucho mayor con un consumo en potencia muy reducido ese le ayuda a permitir abrir o cerrar otros circuitos eléctricos independientes

En general, podemos distinguir en el esquema general de un relé los siguientes bloques:

Circuito de entrada, control o excitación. Circuito de acoplamiento. Circuito de salida, carga o maniobra, constituido por:

- dispositivo conmutador de frecuencia.- protecciones.

1.2.1 Características

Dentro de las características generales que tienen los elementos pasivos se encuentran:

Tienen un par de terminales. No pueden ser subdivididos en otros elementos simples. Tienen una relación única de voltaje y corriente en sus terminales la cual los

caracterizan. Son los elementos que absorben o consumen energía, La potencia es positiva.

Estos elementos son modelos matemáticos lineales e ideales de los elementos físicos del circuito que, individualmente, pueden presentar las siguientes propiedades:

Disipación de energía eléctrica Almacenamiento de energía en campos magnéticos Almacenamiento de energía en campos eléctricos

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1.2.2 Técnicas de solución en circuitos RLC

Existen diferentes técnicas de solución para los circuitos RLC, para darle solución a este tipo de circuitos, es necesario estudiar la ley de Ohm y las leyes de Kirchoff. La ley de Ohm, relaciona al voltaje con la corriente eléctrica y la resistencia, las leyes de Kirchoff son necesarias para analizar circuitos más complejos donde presentan n mallas y k nodos.

Ley de Ohm

George Simon Ohm, descubrió en 1827 que la corriente en un circuito de corriente continua varía directamente proporcional con la diferencia de potencial, e inversamente proporcional con la resistencia del circuito. La ley de Ohm, establece que la corriente eléctrica (I) en un conductor o circuito, es igual a la diferencia de potencial (V) sobre el conductor (o circuito), dividido por la resistencia (R) que opone al paso, él mismo.

La ley de Ohm se aplica a la totalidad de un circuito o a una parte o conductor del mismo.

Ley de corriente de Kirchoff (LCK)

Esta ley también es llamada ley de nodos o primera ley de Kirchoff y es común que se use la sigla LCK para referirse a esta ley. La ley de corrientes de Kirchoff nos dice que:

En cualquier nodo, y la suma de todos los nodos y la suma de las corrientes que entran en ese nodo es igual a la suma de las corrientes que salen.

De igual forma, la suma algebraica de todas las corrientes que pasan por el nodo es igual a cero.

Ley de voltaje de Kirchoff (LCV)

Esta ley es llamada también Segunda ley de Kirchoff, ley de lazos de Kirchoff o ley de mallas de Kirchoff y es común que se use la sigla LVK para referirse a esta ley.

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En toda malla la suma de todas las caídas de tensión es igual a la tensión total suministrada. De forma equivalente,

En toda malla la suma algebraica de las diferencias de ∑ potencial eléctrico es igual a cero.

Conexión Serie de Resistencias

Se llama así a la conexión de dos o más resistencias tal que una de las terminales de la primera resistencia se conecta a una de las terminales de la segunda resistencia y de la última resistencia se conectan a las terminales positivas y negativa de una batería.

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La corriente que pasa por un nodo es igual a la corriente que sale del mismo. i1 + i4 = i2 + i3

Ley de tensiones de Kirchoff, en este caso v4=v1+v2+v3. No se tiene en cuenta a v5 porque no hace parte de la malla que estamos analizando.

Conexión en Paralelo de Resistencias

Una conexión paralelo consiste simplemente en la conexión una de las terminales de todas las resistencias a la terminal positiva de la batería, y la conexión de todas las terminales restantes a la terminal negativa de la propia batería.

Conexión de Capacitores

Los capacitores en serie se comportan diferente a las resistencias es decir se calculan como resistencias en paralelo y cuando están en paralelo su capacitancia se suma. Así como se muestra en las siguientes formulas:

Conexión de Bobinas

Para calcular la inductancia equivalente de las bobinas en serie se realiza al sumar todas las inductancias. Para calcular la inductancia de bobinas en paralelo se realiza al igual que en las resistencias en paralelo, el inverso de la inductancia equivalente es igual al inverso de la suma de todas las inductancias.

1.2.3 Aplicaciones

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Dentro de las aplicaciones que se pueden realizar con los dispositivos pasivos, es la creación de filtros pasivos, estos serán los que atenuarán la señal en mayor o menor grado.

Se implementan con componentes pasivos como condensadores, bobinas y resistencias.

Cabe mencionar que todos los circuitos que se encuentran en el mercado, cuentan con estos componentes, los cuales son imprescindibles para el desarrollo de la tecnología que se tiene hasta el momento.

1.3 Dispositivos activos

Son los que suministran energía eléctrica a un circuito (pilas, baterías, etc) o bien modifican o amplían algún valor de la corriente eléctrica como su intensidad, su tensión, etc (transistores, diodos, etc). Son, en general, los generadores eléctricos y ciertos componentes semiconductores (estos tienen un comportamiento no lineal, o sea, la relación entre la tensión aplicada y la corriente demandada no es lineal).

Ejemplos de componentes activos: amplificadores, biestables, diodos, memorias, microprocesadores, pilas, puertas lógicas, transistores, tiristores, etc.

1.3.1 Características de los semiconductores

Dependiendo del grado en que los materiales conducen la corriente eléctrica estos se pueden clasificar en tres grandes grupos: Conductores, Semiconductores y Aislantes.

El término semiconductor revela por sí mismo una idea de sus características. El prefijo semi suele aplicarse a un rango de niveles situado a la mitad entre dos límites.

El término conductor se aplica a cualquier material que soporte un flujo generoso de carga, cuando una fuente de voltaje de magnitud limitada se aplica a través de sus terminales.

Un aislante es un material que ofrece un nivel muy bajo de conductividad bajo la presión de una fuente de voltaje aplicada.

Un semiconductor, por tanto, es un material que posee un nivel muy bajo de conductividad sobre algún punto entre los extremos de un aislante y un conductor.De manera inversa, y relacionada con la conductividad de un material, se encuentra su resistencia al flujo de la carga o corriente. Esto es, mientras más alto es el nivel de conductividad, menor es el nivel de resistencia.

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Los materiales semiconductores más utilizados son el Silicio y Germanio, a los que se añade pequeñas cantidades de impurezas de otros materiales para aumentar su conductividad eléctrica.

En la tabla se muestran los valores típicos de resistividad para tres categorías amplias de materiales. Aunque se pueda estar familiarizado con las propiedades eléctricas del cobre y la mica, las características de los materiales semiconductores, germanio (Ge) y silicio (Si), pueden ser relativamente nuevas. Ciertamente no son los únicos dos materiales semiconductores. 

Valores típicos de resistividad

Conductor Semiconductor Aislante

(germanio) 

(cobre)  (silicio) (mica)

Algunas de las cualidades únicas del Ge y el Si que se observaron antes se deben a su estructura atómica.

A un patrón completo se le llama cristal, y al arreglo periódico de los átomos, red cristalina. 

Para los materiales semiconductores de aplicación práctica en el campo de la electrónica, estas características de cristal único existente y, además, la periodicidad de la estructura no cambian en forma significativa con la adición de impurezas en el proceso de dopado. Los materiales intrínsecos son aquellos semiconductores que han sido cuidadosamente refinados para reducir las impurezas a un nivel muy bajo, esencialmente tan puro como se puede obtener a través de la tecnología moderna.

Un incremento en la temperatura de un semiconductor puede generar un incremento sustancial en el número de electrones libres en el material.

Se dice que los materiales semiconductores como el Ge y el Si, que muestran un reducción en resistencia con el incremento en la temperatura, tienen un coeficiente de temperatura negativo.

1.3.1.1 Estructura eléctrica del silicio/1.3.1.2 Estructura eléctrica del germanio

Son elementos, como el germanio y el silicio, que a bajas temperaturas son aislantes. Pero a medida que se eleva la temperatura o bien por la adicción de determinadas impurezas resulta posible su conducción.

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Su importancia en electrónica es inmensa en la fabricación de transistores, circuitos integrados, etc...

Los semiconductores tienen valencia 4, esto es 4 electrones en órbita exterior ó de valencia.

Los conductores tienen 1 electrón de valencia, los semiconductores 4 y los aislantes 8 electrones de valencia.

Los 2 semiconductores que veremos serán el Silicio y el Germanio:

Como vemos los semiconductores se caracterizan por tener una parte interna con carga + 4 y 4 electrones de valencia.

1.3.1.3 Materiales tipo N y tipo P

Semiconductores extrínsecos

Son los semiconductores que están dopados, esto es que tienen impurezas. Hay 2 tipos dependiendo de qué tipo de impurezas tengan:

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Semiconductor tipo n

Es el que está impurificado con impurezas "Donadoras", que son impurezas pentavalentes. Como los electrones superan a los huecos en un semiconductor tipo n, reciben el nombre de "portadores mayoritarios", mientras que a los huecos se les denomina "portadores minoritarios".

Al aplicar una tensión al semiconductor de la figura, los electrones libres dentro del semiconductor se mueven hacia la izquierda y los huecos lo hacen hacia la derecha. Cuando un hueco llega al extremo derecho del cristal, uno de los electrones del circuito externo entra al semiconductor y se recombina con el hueco.

Los electrones libres de la figura circulan hacia el extremo izquierdo del cristal, donde entran al conductor y fluyen hacia el positivo de la batería.

Semiconductor tipo p

Es el que está impurificado con impurezas "Aceptoras", que son impurezas trivalentes. Como el número de huecos supera el número de electrones libres, los huecos son los portadores mayoritarios y los electrones libres son los minoritarios.

Al aplicarse una tensión, los electrones libres se mueven hacia la izquierda y los huecos lo hacen hacia la derecha. En la figura, los huecos que llegan al extremo derecho del cristal se recombinan con los electrones libres del circuito externo.

En el circuito hay también un flujo de portadores minoritarios. Los electrones libres dentro del semiconductor circulan de derecha a izquierda.

Como hay muy pocos portadores minoritarios, su efecto es casi despreciable en este circuito.

1.3.2 Dispositivos semiconductores

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Los semiconductores tipo p y tipo n separados no tienen mucha utilidad, pero si un cristal se dopa de tal forma que una mitad sea tipo N y la otra mitad de tipo P, esa unión PN tiene unas propiedades muy útiles y entre otras cosas forman los "Diodos".

El átomo pentavalente en un cristal de silicio (Si) produce un electrón libre y se puede representar como un signo "+" encerrado en un circulo y con un punto relleno (que sería el electrón) al lado.

El átomo trivalente sería un signo "-" encerrado en un circulo y con un punto sin rellenar al lado (que simbolizaría un hueco).

La unión de las regiones p y n será como se observa en la figura 44. Al juntar las regiones tipo p y tipo n se crea un "Diodo de unión" o "Unión PN".

Unión PN polarizada en directo

Si se polariza la unión PN en sentido directo, es decir, el polo positivo de la pila a la región P y el polo negativo a la región N, la tensión U de la pila contrarresta la «barrera de potencial» creada por la distribución espacial de cargas en la unión, desbloqueándola, y apareciendo una circulación de electrones de la región N a la región P y una circulación de huecos en sentido contrario.

Tenemos así una corriente eléctrica de valor elevado, puesto que la unión PN se hace conductora, presentando una resistencia eléctrica muy pequeña.

El flujo de electrones se mantiene gracias a la pila que los traslada por el circuito exterior circulando con el sentido eléctrico real, que es contrario al convencional establecido para la corriente eléctrica.

Unión PN polarizada en inverso

Si se polariza la unión PN en sentido inverso, es decir, el polo positivo de la pila a la región N y el polo negativo a la región P, la tensión U de la pila ensancha la «barrera de potencial» creada por la distribución espacial de cargas en la unión, produciendo un aumento de iones negativos en la región P y de iones positivos en la región N, impidiendo la circulación de electrones y huecos a través de la unión.

La unión PN se comporta de una forma asimétrica respecto de la conducción eléctrica; dependiendo del sentido de la conexión, se comporta corno un buen conductor (polarizada en directo) o como un aislante (polarizada en inverso).

1.3.2.1 Diodos

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Los diodos constan de dos partes, una llamada N y la otra llamada P, separados por una juntura llamada barrera o unión.

Esta barrera o unión es de 0.3 voltios en el diodo de germanio y de 0.6 voltios aproximadamente en el diodo de silicio.

El diodo al no ser polarizado tiene las siguientes características:

a) Zona de deplexión

Al haber una repulsión mutua, los electrones libres en el lado n se dispersan en cualquier dirección. Algunos electrones libres se difunden y atraviesan la unión, cuando un electrón libre entra en la región p se convierte en un portador minoritario y el electrón cae en un hueco, el hueco desaparece y el electrón libre se convierte en electrón de valencia.

Cuando un electrón se difunde a través de la unión crea un par de iones, en el lado n con carga positiva y en el p con carga negativa.

Las parejas de iones positivo y negativo se llaman dipolos, al aumentar los dipolos la región cerca de la unión se vacía de portadores y se crea la llamada "Zona de deplexión".

b) Barrera de potencial

Los dipolos tienen un campo eléctrico entre los iones positivo y negativo, y al entrar los electrones libres en la zona de deplexión, el campo eléctrico trata de devolverlos a la zona n. La intensidad del campo eléctrico aumenta con cada electrón que cruza hasta llegar al equilibrio.

El campo eléctrico entre los iones es equivalente a una diferencia de potencial llamada "Barrera de Potencial" que a 25 0C tiene un valor de:- 0.3 V para diodos de Ge. - 0.7 V para diodos de Si.

1.3.2.1 LED

El LED es un tipo especial de diodo, que trabaja como un diodo común, pero que al ser atravesado por la corriente eléctrica, emite luz.

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Existen diodos LED de varios colores que dependen del material con el cual fueron construidos. Hay de color rojo, verde, amarillo, ámbar, infrarrojo, entre otros.

Símbolo del LED

Cuando un led se encuentra en polarización directa, los electrones pueden recombinarse con los huecos en el dispositivo, liberando energía en forma de fotones. Este efecto es llamado electroluminiscencia y el color de la luz (correspondiente a la energía del fotón) se determina a partir de la banda de energía del semiconductor.

Eléctricamente el diodo LED se comporta igual que un diodo de silicio o germanio. Debe de escogerse bien la corriente que atraviesa el LED para obtener una buena intensidad luminosa y evitar que este se pueda dañar.

El LED tiene un voltaje de operación que va de 1.5 V a 2.2 voltios aproximadamente y la gama de corrientes que debe circular por él está entre los 10 y 20 miliamperios (mA) en los diodos de color rojo y de entre los 20 y 40 miliamperios (mA) para los otros LEDs.

Estructura de un LED

Los diodos LED tienen enormes ventajas sobre las lámparas indicadoras comunes, como su bajo consumo de energía, su mantenimiento casi nulo y con una vida aproximada de 100,000 horas.

El diodo LED debe ser protegido. Una pequeña cantidad de corriente en sentido inverso no lo dañará, pero si hay picos inesperados puede dañarse. Una forma de protegerlo es colocar en paralelo con el diodo LED pero apuntando en sentido opuesto un diodo de silicio común.

1.3.2.1.2 Rectificadores

Un diodo rectificador es uno de los dispositivos de la familia de los diodos más sencillos. El nombre diodo rectificador” procede de su aplicación, la cual consiste en separar los ciclos positivos de una señal de corriente alterna.

Si se aplica al diodo una tensión de corriente alterna durante los medios ciclos positivos, se polariza en forma directa; de esta manera, permite el paso de la corriente eléctrica. Pero durante los medios ciclos negativos, el diodo se polariza de manera inversa; con ello, evita el paso de la corriente en tal sentido.

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Durante la fabricación de los diodos rectificadores, se consideran tres factores: la frecuencia máxima en que realizan correctamente su función, la corriente máxima en que pueden conducir en sentido directo y las tensiones directa e inversa máximas que soportarán.

Una de las aplicaciones clásicas de los diodos rectificadores, es en las fuentes de alimentación; aquí, convierten una señal de corriente alterna en otra de corriente directa.

Símbolo y forma física

Curva característica del diodo

1.3.2.1.3 Zener

El diodo zener es un tipo especial de diodo, que a diferencia del funcionamiento de los diodos comunes, como el diodo rectificador (en donde se aprovechan sus características de polarización directa y polarización inversa) siempre se utiliza polarizado inversamente.

Símbolo diodo Zener En este caso la corriente circula en contra de la flecha que representa el diodo. Si el diodo zener se polariza en sentido directo se comporta como un diodo rectificador común.

Cuando el diodo zener funciona polarizado inversamente mantiene entre sus terminales una tensión de valor constante.

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Teóricamente no se diferencia mucho del diodo ideal, aunque la filosofía de empleo es distinta: el diodo zener se utiliza para trabajar en la zona de ruptura, ya que mantiene constante la tensión entre sus terminales (tensión zener, VZ). Los parámetros comerciales del diodo zener son los mismos que los de un diodo normal, junto con los siguientes: VZ: Tensión de zener, IZM: Corriente máxima en inversa. El zener es un dispositivo de tres estados operativos:• Conducción en polarización directa: Como en un diodo normal.

• Corte en polarización inversa: Como en un diodo normal.

• Conducción en polarización inversa: Mantiene constante V (igual a VZ), con una corriente entre 0 y IZM.

1.3.2.2 Transistores

El desarrollo de la electrónica y de sus múltiples aplicaciones fue posible gracias a la invención del transistor, ya que este superó ampliamente las dificultades que presentaban sus antecesores, las válvulas. En efecto, las válvulas, inventadas a principios del siglo XX, habían sido aplicadas exitosamente en telefonía como amplificadores y posteriormente popularizadas en radios y televisores. Sin embargo, presentaban inconvenientes que tornaban impracticables algunas de las aplicaciones.

Los transistores, desarrollados en 1947 por los físicos W. Shockley, J. Bardeen y W. Brattain, resolvieron todos estos inconvenientes y abrieron el camino que, junto con otras invenciones como la de los circuitos integrados –potenciarían el desarrollo de las computadoras.

La palabra transistor es el resultado de la unión y contracción de dos expresiones del idioma inglés, “transference resistor” que de alguna forma hacen mención de las características de dicho componente. Su desempeño es fundamentalmente el de una resistencia de transferencia controlada por voltaje.

1.3.2.2.1 Bipolares

Los transistores están constituidos por tres partes esenciales; se trata de un arreglo de tres capas de material semiconductor: dos de un tipo de material a los lados de otra del material complementario. Existen dos versiones principales de transistores, por el material que los constituye: N P N, y P N P; cada una de las capas de material con características muy distintas a las otra dos. Las diferencias son en dopado, tamaño y forma.

Podemos visualizar a los transistores como dispositivos constituidos por dos diodos “encontrados”, o pudiéramos decir “opuestos”. Cabe aclarar que un transistor no se puede sustituir con dos diodos “encontrados” u “opuestos”; la razón es que el mejor desempeño de un transistor se logra cuando la base es

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muy delgada, y los efectos que se obtienen de esta manera no se logran con dos diodos “encontrados” que se comportan en forma independiente como diodos, y no como lo hace la doble unión del verdadero transistor.

Además, se descubrió que el tamaño idóneo de los bloques que formen al transistor deben tener dimensiones muy especiales, cosa que no permite tener el arreglo de dos diodos independientes, las dimensiones de los bloques emisor y colector son comparablemente más gruesos que el de la base, y el colector un poco más grande que el emisor.

Figura Los Transistores BJT, construcción, símbolo

A partir de este punto nos centramos en el estudio de los transistores bipolares NPN, siendo el comportamiento de los transistores PNP totalmente análogo.

El emisor en un transistor NPN es la zona semiconductora más fuertemente dopada con donadores de electrones, siendo su ancho intermedio entre el de la base y el colector. Su función es la de emitir electrones a la base. La base es la zona más estrecha y se encuentra débilmente dopada con aceptores de electrones. El colector es la zona más ancha, y se encuentra dopado con donadores de electrones en cantidad intermedia entre el emisor y la base.

Condiciones de funcionamiento

Las condiciones normales de funcionamiento de un transistor NPN se dan cuando el diodo B-E se encuentra polarizado en directa y el diodo B-C se encuentra polarizado en inversa. En esta situación gran parte de los electrones que fluyen del emisor a la base consiguen atravesar ésta, debido a su poco grosor y débil dopado, y llegar al colector.

El transistor posee tres zonas de funcionamiento: Zona de saturación: El diodo colector está polarizado directamente y es transistor se comporta como una pequeña resistencia. En esta zona un aumento adicionar

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de la corriente de base no provoca un aumento de la corriente de colector, ésta depende exclusivamente de la tensión entre emisor y colector. El transistor se asemeja en su circuito emisor-colector a un interruptor cerrado. Zona activa: En este intervalo el transistor se comporta como una fuente de corriente, determinada por la corriente de base. A pequeños aumentos de la corriente de base corresponden grandes aumentos de la corriente de colector, de forma casi independiente de la tensión entre emisor y colector. Para trabajar en esta zona el diodo B-E ha de estar polarizado en directa, mientras que el diodo B-C, ha de estar polarizado en inversa. Zona de corte: El hecho de hacer nula la corriente de base, es equivalente a mantener el circuito base emisor abierto, en estas circunstancias la corriente de colector es prácticamente nula y por ello se puede considerar el transistor en su circuito C-E como un interruptor abierto.

Los transistores se usan en su zona activa cuando se emplean como amplificadores de señales. Las zonas de corte y saturación son útiles en circuitos digitales.

1.3.2.2.2 FET

Los transistores más conocidos son los llamados bipolares (NPN y PNP), llamados así porque la conducción tiene lugar gracias al desplazamiento de portadores de dos polaridades (huecos positivos y electrones negativos), y son de gran utilidad en gran número de aplicaciones pero tienen ciertos inconvenientes, entre los que se encuentra su impedancia de entrada bastante baja. Existen unos dispositivos que eliminan 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.

Explicación de la combinación de portadores. Puesto que hay una tensión positiva entre el drenador y el surtidor, los electrones fluirán desde el surtidor al drenador (o viceversa según la configuración del mismo), aunque hay que notar que también fluye una corriente despreciable entre el surtidor (o drenador) y la puerta, ya que el diodo formado por la unión canal – puerta, esta polarizado inversamente.

En el caso de un diodo polarizado en sentido inverso, donde inicialmente los huecos fluyen hacia la terminal negativa de la batería y los electrones del material N, fluyen hacia el terminal positivo de la misma. Lo anteriormente dicho se puede aplicar al transistor FET, en donde, cuando se aumenta VDS aumenta una región con empobrecimiento de cargas libres.

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Figura Estructura del transistor FETCuando seleccionamos un transistor tendremos que conocer el tipo de encapsulado, así como el esquema de identificación de los terminales. También tendremos que conocer una serie de valores máximos de tensiones, corrientes y potencias que no debemos sobrepasar para no destruir el dispositivo.

El parámetro de la potencia disipada por el transistor es especialmente crítico con la temperatura, de modo que esta potencia decrece a medida que aumenta el valor de la temperatura, siendo a veces necesaria la instalación de un radiador o aleta refrigeradora.

Todos estos valores críticos los proporcionan los fabricantes en las hojas de características de los distintos dispositivos.

Explicación de sus elementos o terminales.

Un transistor de efecto campo (FET) típico está formado por una barrita de material p ó n, llamada canal, rodeada en parte de su longitud por un collar del otro tipo de material que forma con el canal una unión p-n.

En los extremos del canal se hacen sendas conexiones óhmicas llamadas respectivamente sumidero (d-drain) y fuente (s-source), más una conexión llamada puerta (g-gate) en el collar.

Figura Croquis de un FET con canal N

Fundamento de transistores de efecto de campo: Los transistores son tres zonas semiconductoras juntas dopadas alternativamente con purezas donadoras o aceptadoras de electrones. Su estructura y representación se muestran en la tabla.

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Modelo de Transistor FET canal n

Modelo detransistor FET canal p

Tabla Modelo del transistor FET canal P y N

Las uniones Puerta-Drenador y la Surtidor-Puerta están polarizadas en inversa de tal forma que no existe otra corriente que la inversa de saturación de la unión PN. La zona n (en el FET canal n) es pequeña y la amplitud de la zona de deplexión afecta a la longitud efectiva del canal. La longitud de la zona de deplexión y depende de la tensión inversa (tensión de puerta).

Zonas de funcionamiento del transistor de efecto de campo (FET):

ZONA ÓHMICA o LINEAL: En esta zona el transistor se comporta como una resistencia variable dependiente del valor de VGS. Un parámetro que aporta el fabricante es la resistencia que presenta el dispositivo para VDS=0 (rds on), y distintos valores de VGS.

ZONA DE SATURACIÓN: En esta zona es donde el transistor amplifica y se comporta como una fuente de corriente gobernada por VGS.

ZONA DE CORTE: La intensidad de drenador es nula (ID=0).

A diferencia del transistor BJT, los terminales drenador y surtidor del FET pueden intercambiar sus papeles sin que se altere apreciablemente la característica V-I (se trata de un dispositivo simétrico).

La operación de un FET de CANAL P es complementaria a la de un FET de CANAL N, lo que significa que todos los voltajes y corrientes son de sentido contrario.

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Figura Zonas de funcionamiento del JFET

Entre las principales aplicaciones de este dispositivo podemos destacar:

APLICACIÓN PRINCIPAL VENTAJA USOS

Aislador o separador

Impedancia de entrada alta y de

Uso general, equipo de medida,

(buffer) salida baja receptores

Amplificador de RF Bajo ruido

Sintonizadores de FM, equipo

para comunicaciones

MezcladorBaja distorsión de

Receptores de FM y TV, equipos

intermodulación para comunicaciones

Amplificador con CAG

Facilidad para controlar ganancia

Receptores, generadores de

señales

Amplificador cascada Baja capacidad de entrada

Instrumentos de medición,

equipos de prueba

Troceador Ausencia de deriva

Amplificadores de CC, sistemas

de control de dirección

Resistor variable por

Amplificadores operacionales,

Se controla por voltajeórganos electrónicos, controlas

voltajede tono

Amplificador de baja Capacidad pequeña de Audífonos para sordera,frecuencia acoplamiento transductores inductivos

Oscilador Mínima variación de frecuencia Generadores de frecuenciapatrón, receptores

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Circuito MOS digital Pequeño tamaño

Integración en gran escala,

computadores, memorias

Aplicaciones de los transistores FET

1.3.2.2.3 MOSFET

MOSFET son las siglas de “Metal Oxide Semiconductor Field Effect” Transistor. Consiste en un transistor de efecto de campo basado en la estructura MOS. Es el transistor más utilizado en la industria microelectrónica. Prácticamente la totalidad de los procesadores comerciales están basados en transistores MOSFET.

Un transistor MOSFET consiste en un sustrato de material semiconductor dopado en el que, mediante técnicas de difusión de dopantes, se crean dos islas de tipo opuesto separadas por un área sobre la cual se hace crecer una capa de dieléctrico culminada por una capa de conductor.

Los transistores MOSFET se dividen en dos tipos fundamentales dependiendo de cómo se haya realizado el dopaje:

Tipo nMOS: Sustrato de tipo p y difusiones de tipo n. Tipo pMOS: Sustrato de tipo n y difusiones de tipo p.

Las áreas de difusión se denominan fuente (source) y drenador (drain), y el conductor entre ellos es la puerta (gate).

El transistor MOSFET tiene tres estados de funcionamiento:

Estado de corte: Cuando la tensión de la puerta es idéntica a la del sustrato, el MOSFET está en estado de no conducción: ninguna corriente fluye entre fuente y drenador. También se llama MOSFET a los aislados por juntura de dos componentes.

Conducción lineal: Al polarizarse la puerta con una tensión negativa (pMOS) o positiva (nMOS), se crea una región de deplexión en la región que separa la fuente y el drenador. Si esta tensión crece lo suficiente, aparecerán portadores minoritarios (electrones en pMOS, huecos en nMOS) en la región de deplexión que darán lugar a un canal de conducción.

El transistor pasa entonces a estado de conducción, de modo que una diferencia de potencial entre fuente y drenador dará lugar a una corriente. El transistor se comporta como una resistencia controlada por la tensión de puerta.

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Saturación: Cuando la tensión entre drenador y fuente supera cierto límite, el canal de conducción bajo la puerta sufre un estrangulamiento en las cercanías del drenador y desaparece.

La corriente entre fuente y drenador no se interrumpe, ya que es debido al campo eléctrico entre ambos, pero se hace independiente de la diferencia de potencial entre ambos terminales.

Símbolo del transistor MOSFET

Las aplicaciones de MOSFET más comunes son:

La principal aplicación de los MOSFET está en los circuitos integrados, P-MOS, N-MOS Y C-MOS, debido a varias ventajas sobre los transistores bipolares: Consumo en modo estático muy bajo. Tamaño muy inferior al transistor bipolar (actualmente del orden de media micra). Gran capacidad de integración debido a su reducido tamaño. Funcionamiento por tensión, son controlados por voltaje por lo que tienen una impedancia de entrada muy alta. La intensidad que circula por la puerta es del orden de los nanos amperios. Los circuitos digitales realizados con MOSFET no necesitan resistencias, con el ahorro de superficie que conlleva. La velocidad de conmutación es muy alta, siendo del orden de los nanosegundos. Cada vez se encuentran más en aplicaciones en los convertidores de alta frecuencias y baja potencia.

A continuación, en la figura siguiente se observa un breve resumen de los símbolos de los transistores existentes hasta la actualidad.

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Transistor MOSFET de empobrecimiento canal N

Transistor MOSFET de empobrecimiento canal P.

Figura 70 Transistores símbolos: a - bipolar, b - FET, c - MOSFET, d - dual gate MOSFET,

Principales Empaquetamiento de semiconductores

1.3.2.3 Tiristores

Los tiristores son dispositivos especialmente populares en Electrónica de Potencia. Son sin duda los dispositivos electrónicos que permiten alcanzar potencias más altas, son dispositivos realmente robustos. En 1956 se desarrollo el primer Tiristor Bell Telephoned Laboratory. Inicialmente fue llamado Transistor PNPN (hoy conocido como SCR).

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El tiristor es un conmutador biestable, es decir, es el equivalente electrónico de los interruptores mecánicos; por tanto, es capaz de dejar pasar plenamente o bloquear por completo el paso de la corriente sin tener nivel intermedio alguno, aunque no son capaces de soportar grandes sobrecargas de corriente. Este principio básico puede observarse también en el diodo Shockley.

El diseño del tiristor permite que éste pase rápidamente a encendido al recibir un pulso momentáneo de corriente en su terminal de control, denominada puerta (o en inglés, gate) cuando hay una tensión positiva entre ánodo y cátodo, es decir la tensión en el ánodo es mayor que en el cátodo. Solo puede ser apagado con la interrupción de la fuente de voltaje, abriendo el circuito, o bien, haciendo pasar una corriente en sentido inverso por el dispositivo. Si se polariza inversamente en el tiristor existirá una débil corriente inversa de fugas hasta que se alcance el punto de tensión inversa máxima, provocándose la destrucción del elemento (por avalancha en la unión).

Para que el dispositivo pase del estado de bloqueo al estado activo, debe generarse una corriente de enganche positiva en el ánodo, y además debe haber una pequeña corriente en la compuerta capaz de provocar una ruptura por avalancha en la unión J2 para hacer que el dispositivo conduzca. Para que el dispositivo siga en el estado activo se debe inducir desde el ánodo una corriente de sostenimiento, mucho menor que la de enganche, sin la cual el dispositivo dejaría de conducir.

A medida que aumenta la corriente de puerta se desplaza el punto de disparo. Se puede controlar así la tensión necesaria entre ánodo y cátodo para la transición OFF -> ON, usando la corriente de puerta adecuada (la tensión entre ánodo y cátodo dependen directamente de la tensión de puerta pero solamente para OFF -> ON). Cuanto mayor sea la corriente suministrada al circuito de puerta IG (intensidad de puerta), tanto menor será la tensión ánodo-cátodo necesaria para que el tiristor conduzca.

También se puede hacer que el tiristor empiece a conducir si no existe intensidad de puerta y la tensión ánodo-cátodo es mayor que la tensión de bloqueo.

Formas de activar a un tiristor.

Luz: Si un haz de luz incide en las uniones de un tiristor, hasta llegar al mismo silicio, el número de pares electrón-hueco aumentará pudiéndose activar el tiristor.

Corriente de Compuerta: Para un tiristor polarizado en directa, la inyección de una corriente de compuerta al aplicar un voltaje positivo entre compuerta y cátodo lo activará. Si aumenta esta corriente de compuerta, disminuirá el voltaje de bloqueo directo, revirtiendo en la activación del dispositivo.

Térmica: Una temperatura muy alta en el tiristor produce el aumento del número de pares electrón-hueco, por lo que aumentarán las corrientes de fuga, con lo cual

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al aumentar la diferencia entre ánodo y cátodo, y gracias a la acción regenerativa, esta corriente puede llegar a ser 1, y el tiristor puede activarse. Este tipo de activación podría comprender una fuga térmica, normalmente cuando en un diseño se establece este método como método de activación, esta fuga tiende a evitarse. Alto Voltaje: Si el voltaje directo desde el ánodo hacia el cátodo es mayor que el voltaje de ruptura directo, se creará una corriente de fuga lo suficientemente grande para que se inicie la activación con retroalimentación. Normalmente este tipo de activación puede dañar el dispositivo, hasta el punto de la destrucción del mismo.

dv/dt: Si la velocidad en la elevación del voltaje ánodo-cátodo es lo suficientemente alta, entonces la corriente de las uniones puede ser suficiente para activar el tiristor. Este método también puede dañar el dispositivo.

Aplicaciones.

Normalmente son usados en diseños donde hay corrientes o voltajes muy grandes, también son comúnmente usados para controlar corriente alterna donde el cambio de polaridad de la corriente revierte en la conexión o desconexión del dispositivo. Se puede decir que el dispositivo opera de forma síncrona cuando, una vez que el dispositivo está abierto, comienza a conducir corriente en fase con el voltaje aplicado sobre la unión cátodo-ánodo sin la necesidad de replicación de la modulación de la puerta. En este momento el dispositivo tiende de forma completa al estado de encendido. No se debe confundir con la operación simétrica, ya que la salida es unidireccional y va solamente del cátodo al ánodo, por tanto en sí misma es asimétrica.

Los tiristores pueden ser usados también como elementos de control en controladores accionados por ángulos de fase, esto es una modulación por ancho de pulsos para limitar el voltaje en corriente alterna.

En circuitos digitales también se pueden encontrar tiristores como fuente de energía o potencial, de forma que pueden ser usados como interruptores automáticos magneto-térmicos, es decir, pueden interrumpir un circuito eléctrico, abriéndolo, cuando la intensidad que circula por él se excede de un determinado valor. De esta forma se interrumpe la corriente de entrada para evitar que los componentes en la dirección del flujo de corriente queden dañados. El tiristor también se puede usar en conjunto con un diodo Zener enganchado a su puerta, de forma que cuando el voltaje de energía de la fuente supera el voltaje zener, el tiristor conduce, acortando el voltaje de entrada proveniente de la fuente a tierra, fundiendo un fusible.

La primera aplicación a gran escala de los tiristores fue para controlar la tensión de entrada proveniente de una fuente de tensión, como un enchufe, por ejemplo.

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A comienzo de los ’70 se usaron los tiristores para estabilizar el flujo de tensión de entrada de los receptores de televisión en color.

Se suelen usar para controlar la rectificación en corriente alterna, es decir, para transformar esta corriente alterna en corriente continua (siendo en este punto los tiristores onduladores o inversores), para la realización de conmutaciones de baja potencia en circuitos electrónicos.

Otras aplicaciones comerciales son en electrodomésticos (iluminación, calentadores, control de temperatura, activación de alarmas, velocidad de ventiladores), herramientas eléctricas (para acciones controladas tales como velocidad de motores, cargadores de baterías), equipos para exteriores (aspersores de agua, encendido de motores de gas, pantallas electrónicas...)

1.3.2.3.1 SCR

El miembro más importante de la familia de los tiristores es el tiristor de tres terminales, conocido también como el rectificador controlado de silicio o SCR. Este dispositivo lo desarrolló General Electric en 1958 y lo denominó SCR. El nombre de tiristor lo adoptó posteriormente la Comisión Electrotécnica Internacional (CEI).

En la figura siguiente se muestra el símbolo de un tiristor de tres terminales o SCR.

Símbolo del SCR

Tal como su nombre lo sugiere, el SCR es un rectificador controlado o diodo. Su característica voltaje-corriente, con la compuerta de entrada en circuito abierto, es la misma que la del diodo PNPN. Lo que hace al SCR especialmente útil para el control de motores en sus aplicaciones es que el voltaje de ruptura o de encendido puede ajustarse por medio de una corriente que fluye hacia su compuerta de entrada. Cuanto mayor sea la corriente de la compuerta, tanto menor se vuelve VBO. Si se escoge un SCR de tal manera que su voltaje de ruptura, sin señal de compuerta, sea mayor que el mayor voltaje en el circuito, entonces, solamente puede activarse mediante la aplicación de una corriente a la compuerta. Una vez activado, el dispositivo permanece así hasta que su corriente caiga por debajo de IH. Además, una vez que se dispare el SCR, su corriente de compuerta puede retirarse, sin que afecte su estado activo. En este estado, la caída de voltaje directo a través del SCR es cerca de 1.2 a 1.5 veces mayor que la caída de voltaje a través de un diodo directo-oblicuo común.

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Estructura interna y curva característica del SCR

Los tiristores de tres terminales o SCR son, sin lugar a dudas, los dispositivos de uso más común en los circuitos de control de potencia. Se utilizan ampliamente para cambiar o rectificar aplicaciones y actualmente se encuentran en clasificaciones que van desde unos pocos amperios hasta un máximo de 3,000 A.

Un SCR.

1. Se activa cuando el voltaje VD que lo alimenta excede VBO

2. Tiene un voltaje de ruptura VBO, cuyo nivel se controla por la cantidad de corriente iG, presente en el SCR

3. Se desactiva cuando la corriente iD que fluye por él cae por debajo de IH

4. Detiene todo flujo de corriente en dirección inversa, hasta que se supere el voltaje máximo inverso.

Control de fase usando un SCR

1.3.2.3.2 SCS

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El SCS (sillicon controlled switch) aunque también llamado tiristor tetrodo. Es un dispositivo de cuatro capas similar al SCR. El SCS tiene cuatro terminales.

El interruptor controlado de silicio (SCS) es un tiristor con una compuerta adicional. Puede usarse como un tiristor, pero que se dispara con pulsos positivos o negativos en cualquiera de las compuertas. Sin embargo, también puede pasar al estado de no conducción aplicando pulsos a las compuertas. 

Un SCS consiste en una estructura de cuatro capas cuyas cuatro regiones semiconductoras son accesibles. El dispositivo puede ser considerado como un circuito integrado con sendos transistores npn y pnp conectados como un par de realimentación positiva. Siendo accesibles las cuatro regiones, la realimentación positiva es fácilmente controlada, y el dispositivo puede ser accionado como un amplificador lineal de elevada ganancia de C.D. o como un interruptor. 

El SCS es semejante en construcción al SCR. Sin embargo, el SCS tiene dos terminales de compuerta, como se muestra en la figura 

Este último tiene la ventaja de poder abrirse más rápido mediante pulsos en cada uno de los terminales de gate, pero el inconveniente que presenta respecto al SCR es que se encuentra más limitado en cuanto a valores de tensión y corriente. También se utiliza en aplicaciones digitales como contadores y circuitos temporizadores Funcionamiento básico del SCR

El siguiente gráfico muestra un circuito equivalente del SCR para comprender su funcionamiento.

Al aplicarse una corriente IG al terminal G (base de Q2 y colector de Q1), se producen dos corrientes: IC2 = IB1.

IB1 es la corriente base del transistor Q1 y causa que exista una corriente de colector de Q1 (IC1) que a su vez alimenta la base del transistor Q2 (IB2), este a su vez causa más corriente en IC2, que es lo mismos que IB1 en la base de Q1.

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Este proceso regenerativo se repite hasta saturar Q1 y Q2 causando el encendido del SCR.

1.3.2.3.3 DIAC

Es un tipo de tiristor que puede conducir en los dos sentidos. Es un dispositivo de dos terminales que funciona básicamente como dos diodos Shockley que conducen en sentidos opuestos.

Construcción básica y símbolo del DIAC

La curva de funcionamiento refleja claramente el comportamiento del diac, que funciona como un diodo Shockley tanto en polarización directa como en inversa.

Cualquiera que sea la polarización del dispositivo, para que cese la conducción hay que hacer disminuir la corriente por debajo de la corriente de mantenimiento IH. Las partes izquierda y derecha de la curva, a pesar de tener una forma análoga, no tienen por qué ser simétricas

Básicamente es un par de Diodos de cuatro capas en paralelo que permite el disparo en cualquier dirección.

El Diac no conduce hasta que el voltaje a través de él excede el voltaje de rompimiento a saturación en cualquier dirección.

El DIAC es un dispositivo de cuatro capas que puede conducir en ambas direcciones (bilaterales). La ruptura ocurre en un voltaje relativamente bajo en ambos sentidos, después de la cual el DIAC exhibe una resistencia negativa,

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elevándose la corriente rápidamente y disminuyendo el voltaje hasta un valor de servicio inferior.

El DIAC es un dispositivo de dos terminales que se conoce como diodo de conmutación bidireccional. Este dispositivo se construye básicamente de tres capas semiconductoras y utiliza el principio de ruptura de un transistor bipolar, aunque se diseña de manera de que al suceder la segunda ruptura del transistor el dispositivo no se dañe y pueda conducir corrientes considerablemente mayores.

1.3.2.3.4 TRIAC

Es un dispositivo que se comporta como dos SCR conectados en contraposición, con una compuerta de paso común; puede ir en cualquier dirección desde el momento en que el voltaje de ruptura se sobrepasa. El símbolo del TRIAC se ilustra en la figura siguiente. El voltaje de ruptura en un TRIAC disminuye si se aumenta la corriente de compuerta, en la misma forma que lo hace en un SCR, con la diferencia que un TRIAC responde tanto a los impulsos positivos como a los negativos de su compuerta. Una vez encendido, un TRIAC permanece así hasta que su corriente cae por debajo de IH.

Símbolo del TRIAC.

Existe un gran número de posibilidades para realizar en la práctica el disparo del TRIAC, pudiéndose elegir aquella que más resulte adecuada para la aplicación concreta de que se trate. Se pueden resumir en dos variantes básicas:

DISPARO POR CORRIENTE CONTINUA.

En este caso la tensión de disparo proviene de una fuente de tensión continua aplicada al TRIAC a través de una resistencia limitadora de la corriente de puerta. Es necesario disponer de un elemento interruptor en serie con la corriente de disparo encargado de la función de control, que puede ser un simple interruptor mecánico o un transistor trabajando en conmutación.

Este sistema de disparo es el normalmente empleado en los circuitos electrónicos alimentados por tensiones continuas cuya función sea la de control de una corriente a partir de una determinada señal de excitación, que generalmente se origina en un transductor de cualquier tipo.

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             DISPARO POR CORRIENTE ALTERNA.

El disparo por corriente alterna se puede realizar mediante el empleo de un transformador que suministre la tensión de disparo, o bien directamente a partir de la propia tensión de la red con una resistencia limitadora de la corriente de puerta adecuada y algún elemento interruptor que entregue la excitación a la puerta en el momento preciso.

 

1.3.3 Técnicas de diseño con semiconductores

Circuitos con transistores de unión bipolar:

Los transistores se dividen en 2 clases. Estas clases caracterizan la estructura del dispositivo y los principios físicos que controlan las características corriente-voltaje. Las 2 clases son el transistor de unión bipolar BTJ y el transistor de efecto campo FET.

Amplificadores operacionales prácticos

El amplificador operacional es un amplificador con realimentación que se encuentra en el mercado como una pastilla de circuitos integrado. Es difícil

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enumerar la cantidad de aplicaciones de este circuito. De modo general podemos decir que sus aplicaciones están presentes en los sistemas electrónicos de control de audio etc.

1.3.4 Aplicaciones con semiconductores

A partir de la década de 1950, los dispositivos semiconductores conocidos también como dispositivos de estado sólido remplazaron los tubos electrónicos de la industria tradicional. Por la enorme reducción de tamaño, consumo de energía y costo, acompañada de una mucha mayor durabilidad y confiabilidad, los dispositivos semiconductores significaron un cambio revolucionario en las telecomunicaciones, la computación, el almacenamiento de información, etc.

Desde el punto de vista de su forma de operación, el dispositivo semiconductor más simple y fundamental es el diodo; todos los demás dispositivos pueden entenderse en base a su funcionamiento.

Las aplicaciones de los semiconductores son bastas, en la siguiente tabla se

muestra algunas de las aplicaciones que se pueden construir con ellos.

1.3.4.1 Rectificadores

Un rectificador es el elemento o circuito que permite convertir la corriente alterna en corriente continua. Esto se realiza utilizando diodos rectificadores, ya sean semiconductores de estado sólido, válvulas al vacío o válvulas gaseosas como las de vapor de mercurio.

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Dependiendo de las características de la alimentación en corriente alterna que emplean, se les clasifica en monofásicos, cuando están alimentados por una fase de la red eléctrica, o trifásicos cuando se alimentan por tres fases.

Atendiendo al tipo de rectificación, pueden ser de media onda, cuando sólo se utiliza uno de los semiciclos de la corriente, o de onda completa, donde ambos semiciclos son aprovechados.

El tipo más básico de rectificador es el rectificador monofásico de media onda, constituido por un único diodo entre la fuente de alimentación alterna y la carga.

1.3.4.2Amplificadores

Es un circuito electrónico (normalmente se presenta como circuito integrado) que tiene dos entradas y una salida. La salida es la diferencia de las dos entradas multiplicada por un factor (G) (ganancia):

Vout = G· (V+ − V−) el más conocido y comúnmente aplicado es el UA741 o LM741.

Un amplificador es todo dispositivo que, mediante la utilización de energía, magnifica la amplitud de un fenómeno. Aunque el término se aplica principalmente al ámbito de los amplificadores electrónicos, también existen otros tipos de amplificadores, como los mecánicos, neumáticos, e hidráulicos, como los gatos mecánicos y los boosters usados en los frenos de potencia de los automóviles. Amplificar es agrandar la intensidad de algo, por lo general sonido. También podría ser luz o magnetismo, etc. En términos particulares, "amplificador", es un aparato al que se le conecta un dispositivo de sonido y aumenta la magnitud del

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volumen. En música, se usan de manera obligada en las guitarras eléctricas y en los bajos, pues esas no tienen caja de resonancia, la señal se obtiene porque las cuerdas, metálicas y ferrosas, vibran sobre una cápsula electromagnética, y esa señal no es audible, pero amplificada por un amplificador suena con su sonido característicos. Mediante su interfaz se le puede agregar distintos efectos, como trémolo, distorsiones entre otros. Las radios y los televisores tienen un amplificador incorporado, que se maneja con la perilla o tele comando del volumen y permite que variara la intensidad sonora.

1.3.4.3 Conmutadores

Un conmutador es un dispositivo eléctrico o electrónico que permite modificar el camino que deben seguir los electrones. Son típicos los manuales, como los utilizados en las viviendas y en dispositivos eléctricos, y los que poseen algunos componentes eléctricos o electrónicos como el relé. Se asemejan a los interruptores en su forma exterior, pero los conmutadores a la vez que desconectan un circuito, conectan otro. Seguidamente se describen los tipos de conmutadores más usuales.

Es un conmutador que conecta múltiples entradas y múltiples salidas en forma de malla. Originalmente el término fue usado literalmente, para una matriz de conmutadores controlados por una malla de barras metálicas, y luego fue ampliado a conmutadores de matriz en general.

1.3.4.4 Fuentes de Voltaje

Es un dispositivo electrónico capaz de generar una diferencia de potencial entre sus terminales (un voltaje) para generar una corriente eléctrica.En otras palabras son dispositivos que nos proveen el voltaje necesario para que los circuitos electrónicos funcionen, sin una fuente de voltaje, los circuitos simplemente no encienden.

Ejemplos de fuentes de voltaje

El lector ha interactuado muchísimo con fuentes de voltaje, por ejemplo una fuente de voltaje muy usada es la pila eléctrica, la figura muestra varios tipos de pilas.

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Como se observa en la figura hay bastantes tipos de pilas, las pequeñitas se encuentran en relojes, calculadoras, las que siguen a la derecha son pilas del tipo AAA y se encuentran en los controles remotos o juguetes electrónicos, las otras pilas son más grandes y también se encuentran por lo regular en juguetes, todas estas pilas usan las reacciones químicas para general el voltaje.

Las terminales de las pilas son dos, una de ellas es la terminal positiva y la otra es la terminal negativa, se identifican fácilmente por que en el cuerpo de la pila viene el + para el terminal positivo y el – para el negativo.

Un multímetro es un instrumento de medición, permite medir voltaje, y resistencia entre otras cosas.

Símbolo para una pila

Tal y como los LEDs y las resistencias tienen su símbolo, las pilas no son la excepción y enseguida se muestran varios símbolos para representar una pila:

Cualquiera de estos símbolos representa una pila se pueden usar indistintamente, note en la figura cual es la terminal positiva y cuál es la negativa, a la terminal negativa de una pila o batería se le conoce también como tierra o como GND por la palabra tierra (ground) en inglés.

Otras fuentes de voltaje

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Aparte de las pilas existen otras fuentes de voltaje, una también muy común es la de un eliminador de voltaje, el lector los conoce a la perfección pues con estos se cargan los teléfonos celulares, la figura siguiente muestra algunos eliminadores.

El primer eliminador me genera un voltaje en su conector de 6 Volts y el otro de 12 Volts, estos eliminadores se conectan a la red eléctrica del hogar, son fáciles de conseguir también en cualquier tienda de electrónica.

Se puede usar el símbolo que representa a una pila para el eliminador también, o se puede usar un símbolo como el de la figura siguiente para representarlo:

En la imagen, aparte de ver los símbolos para la fuente de alimentación, se puede observar el símbolo también para la terminal negativa de una batería o eliminador, recuerde la terminal negativa es llamada tierra o GND.

Existen otras fuentes de voltaje, que no fueron tocadas en este articulo, por ejemplo las fuentes de voltaje alterno, pero que serán analizadas después, lo que se pretende es que el lector que es principiante, conozca algunos conceptos más básicos de electrónica, que son necesarios para que pueda realizar las practicas sobre micro controladores, que a final de cuentas la esencia de Mikrog es aprender a programar micro controladores.

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1.4 Amplificadores Operacionales

Se trata de un dispositivo electrónico (normalmente se presenta como circuito integrado) que tiene dos entradas y una salida. La salida es la diferencia de las dos entradas multiplicada por un factor (G) (ganancia):

Vout = G·(V+ − V−)el más conocido y comúnmente aplicado es el UA741 o LM741.

El primer amplificador operacional monolítico, que data de los años 1960, fue el Fairchild μA702 (1964), diseñado por Bob Widlar. Le siguió el Fairchild μA709 (1965), también de Widlar, y que constituyó un gran éxito comercial. Más tarde sería sustituido por el popular Fairchild μA741 (1968), de David Fullagar, y fabricado por numerosas empresas, basado en tecnología bipolar.

Originalmente los A.O. se empleaban para operaciones matemáticas (suma, resta, multiplicación, división, integración, derivación, etc.) en calculadoras analógicas. De ahí su nombre.

El A.O. ideal tiene una ganancia infinita, una impedancia de entrada infinita, un ancho de banda también infinito, una impedancia de salida nula, un tiempo de respuesta nulo y ningún ruido. Como la impedancia de entrada es infinita también se dice que las corrientes de entrada son cero.

Son circuitos integrados con un nivel de componentes y estructura interna complicada por lo que los vamos a estudiar desde fuera como cajas negras.

La alimentación del circuito se realiza por medio de dos fuentes de alimentación (alimentación simétrica), el terminal de referencia de tensiones (masa) no está conectado directamente al amplificador operacional.

La referencia de tensiones debe realizarse a través de elementos externos al operacional tales como resistencias

1.4.1 Configuraciones

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Existen diferentes configuraciones que se pueden realizar con los amplificadores operacionales, las configuraciones más básicas son dos, que a partir de ellas surgen configuraciones más complejas, estas son el amplificador inversor y el no inversor.

Amplificador no inversor.

El amplificador inversor.

1.4.1 Seguidor unitario

Si se hace R1 = ∞ 2 =y0, en R el amplificador No Inversor, se convierte en el amplificador de ganancia unitaria, o seguidor de voltaje. Su principal aplicación es como acople de Impedancia, puesto que en la entrada se presenta como un circuito abierto y en la salida se ve un cortocircuito hacia una fuente de valor vo= vI.

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Símbolo y estructura interna del seguidor de voltaje

El voltaje en el terminal No Inversor es igual al voltaje de la fuente de entrada, vP = vI. Además, voltaje en el terminal Inversor es igual al voltaje de salida, vN = vo. Sustituyendo vN y vP, en la ecuación vo= a (vP - vN), se obtiene:

1.4.1.2 Comparador

En un circuito electrónico, se llama comparador a un amplificador operacional en lazo abierto (sin realimentación entre su salida y su entrada) y suele usarse para comparar una tensión variable con otra tensión fija que se utiliza como referencia.

Comparador

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El comparador estará alimentado por dos fuentes de corriente continua (+Vcc, -Vcc). El comparador hace que, si la tensión en la entrada no inversora (+) es mayor que la tensión conectada entrada inversora (-) la salida será igual a +Vcc. En caso contrario, la salida tendrá una tensión -Vcc.

La tensión de las entradas no puede salirse del rango fijado por la alimentación y la tensión de la salida no puede superar la tensión de alimentación positiva ni bajar por debajo de la de alimentación negativa.

Sin embargo existen señales que no son tan suaves, es decir que tienen ruido tal es el caso de la capturada por un micrófono, al intentar comparar esta señal, lo que podría pasar es que se presentaran ciertos rebotes, es decir, fluctuaciones entre +vcc y –vcc. Tal y como se observan en la siguiente figura.

Para evitar tener estos rebotes, se construye un comparador por histéresis que la diferencia consiste en que este cuenta con una retroalimentación positiva, para evitar este tipo de rebotes. Cabe mencionar que el valor de la resistencia R2 debe ser mucho menor que R1. (R2 << R1).

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1.4.1.3 Multiplicador

Para poder construir un multiplicador hay que basarse en las propiedades de los logaritmos.

Multiplicador

1.4.1.4 Sumador

El Amplificador Sumador puede tener varias Entradas y una Salida.

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Se observa que con el concepto de “tierra virtual forma lineal a las fuentes de voltajes correspondientes.

Se impide que las fuentes interactúen entre sí, mostrando un comportamiento independiente.

Para obtener la relación entre la Salida y las Entradas, la corriente total que entra al nodo de la tierra virtual es igual a la que sale del nodo.

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1.4.1.5 Restador

El Amplificador de Diferencias tiene Dos entradas y una Salida. Es posible encontrar el voltaje de salida, vo, por medio del principio de Superposición como:

vo1: voltaje de salida, vo, debido a la fuente v1 con v2 igual a cero.

vo2: voltaje de salida, vo, debido a la fuente v2 con v1 igual a cero.

Si se hace: v2 = 0, vP = 0

Se obtiene un circuito que actúa como un amplificador Inversor con respecto a v1.

Por tanto:

Resistencia de entrada vista por la fuente v1.

Al hacer:

Se logra que el circuito actúe como un amplificador No Inversor con respecto a vP.

Por tanto:

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Figura 1 Restador o substractor

Resistencia de entrada vista por la fuente v2.

Ordenando términos para obtener, vo, la salida se presenta como una combinación lineal de las entradas:

Si los pares de resistencias R3 /R4 = R1 /R2 , tienen razones iguales, entonces el voltaje de salida, vo se simplifica como:

1.4.1.6 Integrador

La salida es el producto de una constante por la integral de la señal de entrada. La relación entrada-salida del circuito Integrador se obtiene haciendo iR = − iC , así:

1.4.2 Aplicaciones

Las aplicaciones que pueden tener los amplificadores operacionales son bastas, como ya se analizo en sus configuraciones, a demás de estas, se pueden construir, convertidores de corriente-voltaje y viceversa, convertidores de frecuencia- voltaje y viceversa, filtros pasa bajas, filtro pasa altas, limitadores y rectificadores de media onda, osciladores de relajación, convertidor análogo digital y digital a análogo, entre otros dispositivos.

LOS LED SE LOS INTEGRAMOS

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PARA SABER COMO SERIA LA SALIDA DE CORRIENTE Y EL FLUJO QUE PODRIA CAMBIAR CON DIFERENTES SITUACIONES DEL CIRCUITO.

EL REGULADOR DE VOLTAJE, ESTO PARA ASIGNARLE UN VALOR DE SALIDA A NUESTRA FUENTE DE VOLTAJE PARA DETERMINARLE UN VALOR EN CONSECEUNCIA DE LOS REQUERIMIENTOS NECESARIOS.

UNA BAJADA A TIERRA O MEJOR EXPLICADO UNA CAIDA A TIERRA ESTO PARA PROTEGER A NUESTRO CICUITO DE ALGUNA SOBRECARGA DE CORRIENTE O UN FALLO ELECTRICO.

UN MULTIMETRO PARA OBSERVAR EL COMPORTAMIENTO DE SALIDA Y ENTRADA DE VOLTAJE Y QUE VALOR ES EL QUE FLUYE.

EL OSCILOSCOPIO TAMBIEN PARA OBSERVAR EL COMPORTAMIENTO DE LA CORRIENTE Y EL VOLTAJE PARA TENER EN CUENTA EL COMPORTAMIENTO DE LAS ONDAS DE ACUERDO A LA ENTRADA Y SALIDA DE EL VOLTAJE.

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UNA VEZ EXPLICADO LOS APARATOS Y SUS CARACTERISTICAS PROCEDEREMOS A MOSTRAR EL CIRCUITO UNA VEZ TERMINADO, ESTE CIRCUITO TIENE UNA ENTRADA DE 120 VOLTS LO CUAL QUEREMOS CONVERTIR ESTE VOLTAJE A UNA SALIDA DE 12 VOLTS PARA CUALQUIER UTILIZACION QUE LE QUERAMOS DAR. AQUÍ SE MUESTRA EL CIRCUITO EN ESTADO INICIAL.

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AQUÍ EL CIRCUITO ESTA EN FUNCIONAMIENTO Y ES LO QUE RESULTA DE NUESTRO CIRCUITO PARA LA FUENTE DE ALIMENTACION REGULADA A 12 VOLTS.

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Fuentes de información:

Dispositivos electrónicos de potencia: Reléshttp://www.ugr.es/~amroldan/enlaces/dispo_potencia/reles.htm

RECONOCER Y ENTENDER LOS COMPONENTES PASIVOShttp://www.pcpaudio.com/pcpfiles/doc_amplificadores/componentes/componentes.html

APLICACIONES DE GENERADOREShttp://jossamuk.wikispaces.com/APLICACIONES+DE+GENERADORES

Corriente alterna y corriente continúahttp://www.greenfacts.org/es/glosario/abc/corriente-alterna.htm

Corriente continúahttp://www.sabelotodo.org/electrotecnia/corrientecontinua.html

Corriente Directa o Continuahttp://proyectofisica3.blogspot.mx/2011/11/corriente-directa-y-alterna.html

Características de la CA y CChttp://www.ehowenespanol.com/caracteristicas-cc-sobre_163058/7

GENERADOR DE CORRIENTE ALTERNA (CA) Y CORRIENTE CONTINÚA (CC)http://fisicaii503cbtis.blogspot.mx/2011/11/generador-de-corriente-alterna-ca-y.html

Los generadores eléctricoshttp://www.endesaeduca.com/Endesa_educa/recursos-interactivos/conceptos-basicos/v.-funcionamento-basico-de-generadores

COMPONENTES ELECTRÓNICOS BÁSICOShttp://tecnologiafuentenueva.wikispaces.com/file/view/COMPONENTES+ELECTRÓNICOS+BÁSICOS.pdf

Definición de Componente activo (electrónica)http://www.alegsa.com.ar/Dic/componente%20activo.php

MATERIALES SEMICONDUCTOREShttp://fisicaelectronica.galeon.com/semiconductores.htm

Semiconductoreshttp://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/Paginas/Pagina2.htm

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Semiconductores extrínsecoshttp://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/Paginas/Pagina6.htm

SEMICONDUCTOREShttp://www.etitudela.com/Electrotecnia/downloads/introduccion.pdf

Diodohttp://ingeniatic.euitt.upm.es/index.php/tecnologias/item/432-diodo

Diodos rectificadoreshttp://www.ladelec.com/teoria/informacion-tecnica/321-diodos-rectificadores

Características de los reguladores de voltaje con diodo zenerhttp://www.unicrom.com/Tut_reg_con_zener.asp

ELECTRONICA DE POTENCIA: TIRISTOREShttp://www.profesormolina.com.ar/tutoriales/enica_pot.htm

SCR - Silicon Controled Rectifierhttp://www.unicrom.com/Tut_scr.asp

TRIAChttp://www.inele.ufro.cl/bmonteci/semic/applets/pag_triac/triac.htm

Tiristores de triodo bidireccional (TRIAC).http://www.dte.uvigo.es/recursos/potencia/dc-ac/tiristor.htm#triac

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