Tema 09.- Componentes Electrónicos Activos.

Tema 09.-

“Componentes Electronicos Activos”

- ÍNDICE -

4.- TIPOS DE DIODOS……………………………………………….………...

4.1.- Diodo Zener. a.- Funcionamiento. b.- Gráfica Característica.

4.2.- Diodo Led. 4.3.- Fotodiodo. a.- Funcionamiento. b.- Esquema.

5.- El TRANSISTOR BJT. (Bipolar Junction Transistor)……………………….

5.1.- Funcionamiento.

5.2.- Funcionamiento del Transistor.

5.3.- Aplicación del Transistor en Corte y Saturación.

5.4.- Recta de carga y punto de trabajo (Q) de un transistor.

5.5.- Análisis de la hoja CARACTERÍSTICAS de TRANSISTORES. 5.6.- Localización de patilla de un Transistor. (Emisor, base y colector) 5.7.- Ganancia del transistor (β o hfe) 5.7.- Configuración de los transistores.

5.8.- Montaje Par Darlington.

5.9.- Calcular los componentes de un Amplificador con transistor Universal.

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3.- EL DIODO……………………………………………………………………..

3.1.- Funcionamiento.

3.2.- Esquema.

3.3.- Gráfica V-I. 3.4.- Polarización Diodo.

3.5.- Rectificación de MEDIA ONDA. 3.6.- Rectificador de ONDA COMPLETA EN PUENTE. 3.7.- Análisis de la hoja CARACTERÍSTICAS de DIODOS. 3.8.- Comprobación con el óhmetro el estado del diodo.

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2.- LOS COMPONENTES ELECTRÓNICOS ACTIVOS……………………

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1.- EL SEMICONDUCTOR………………………………………………….….. a.- Semiconductores intrínsecos o puros. b.- Semiconductores extrínsecos o dopados.

8.- El SCR (Silicon Controlled Rectifier)………………………………………………

8.1.- Definición.

8.2.- Funcionamiento.

8.3.- Gráfica SCR. 8.4.- Localizar patillas SCR. 8.5.- Comprobar conducción de un SCR. 9.- El TRIAC. 9.1.- Descripción.

9.2.- Funcionamiento.

9.3.- Curva característica Triac.

9.4.-Uso. 9.5.- Localizar patillas Triac.

10.- DIAC (Diodo para Corriente Alterna)…………………………………………..

10.1.- Descripción.

10.2.- Gráfica caracteristica del Diac.

10.3.- Uso.

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11.- GTO. (Gate Turn-Off Thyristor)………………………………………………..

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7.- TIRISTORES…………………………………………………………………..

7.1.- Definición.

7.2.- Tipos.

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6.- MOSFET. (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)………………………………….

6.1.- Definición.

6.2.- Simbología.

6.3.- Uso. 6.4.- Comprobación de patillajes.

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TEMA 09.- Componentes Electrónicos Activos.

1.- El semiconductor.

- Semiconductores: A temperatura ambiente (20º C) el número de electrones libres no es suficiente como para considerar el material como conductor, pero tampoco como aislante.

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Para la fabricación de semiconductores electrónicos se usan principalmente el germanio (Ge) y el silicio (Si) que tienen 4 electrones de Valencia (última capa).

A.- Semiconductores intrínsecos o puros.

El silicio o el germanio son semiconductores intrínsecos o puros que al aumentar la temperatura hace que se libere rápidamente un electrón que deja un hueco y así sucesivamente.

Los átomos se unen formando estructuras cristalinas.

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B.- Semiconductores extrínsecos o dopados.

Para conseguir en el Silicio y en el Germanio una mayor conductividad se le añade (Dopa) otros materiales de carácter pentavalente (5 e-) o trivalente (3 e-) para conseguir aumentar el número de electrones libres Semiconductor tipo N o de huecos Semiconductor tipo P. Los semiconductores tipo P y tipo N carecen de utilidad práctica por separado por lo que se juntan formando una unión PN. En la zona P hay más huecos que electrones y en la zona N más electrones que huecos.

En la zona de unión se crea una barrera de potencial y, para que un electrón libre salte de una zona a otra de la unión, tiene que sobrepasar dicha barrera.

La tensión mínima que hay que aplicar en los extremos de la unión PN para que conduzca debe ser de 0,7 V para el Silicio y de 0,3 V para el Germanio.

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Los materiales pueden ser: - Aislantes: No conducen la electricidad.

- Conductores: Conducen la electricidad.

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Los componentes electrónicos activos son los componentes que controlan tensiones e intensidades de manera no lineal y están basados en los materiales semiconductores. Pueden ser: a.- Componentes individuales: b.- Componentes integrados: - Diodo.

- Amplificadores operacionales.

- Transistor.

- Microprocesadores.

- Tiristor.

- Triac.

- Mosfet.

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2.- Los componentes electrónicos activos.

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3.- El diodo.

3.1.- Funcionamiento.

El diodo es un semiconductor electrónico que deja pasar la corriente eléctrica en un solo sentido solamente cundo esta polarizado en directa (la intensidad va del polo + al -)

3.2.- Esquema.

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3.3.- Gráfica V-I. El diodo en polarización directa conduce a partir de la tensión umbral: - En Silicio 0,7 V. - En Germanio 0,3 V.

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El diodo tiene 2 terminales: 1.- Ánodo: es el terminal positivo (+).

2.- Cátodo: es el terminal negativo (-).

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3.5.- Rectificación de MEDIA ONDA. El funcionamiento de los diodos es especialmente útil para rectificar la corriente alterna y, así, convertirla en corriente continua.

En fuente de corriente alterna, el diodo sólo permite el paso de los semiciclos positivos, eliminando los negativos.

La tensión de salida es aproximadamente la mitad de la entrada.

3.6.- Rectificador de ONDA COMPLETA EN PUENTE. Para no perder la mitad de la tensión en la salida respecto a la de la entrada, lo que se hace es utilizar 4 diodos conectados en puente. Con esta disposición, es posible obtener en la salida una corriente pulsatoria polarizada, pero con todos los semiciclos de la señal original de la corriente alterna de entrada.

Puente de diodos individuales.

Puente de diodos encapsulado Ver animación (así funcionan los diodos): http://www.asifunciona.com/fisica/af_diodos/af_diodos_8.htm http://esimerobotica.tripod.com/Rectificadores.htm Prof: Roberto Lajas

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2.- POLARIZACION INVERSA. Cuando el diodo esta polarizado negativamente, es decir, la intensidad va del Cátodo (-) al Ánodo (+).

El diodo equivale a un interruptor abierto.

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3.4.- Polarización Diodo.

1.- POLARIACION DIRECTA. Cuando el diodo esta polarizado positivamente, es decir, la intensidad va del Ánodo (+) al Cátodo (-).

El diodo equivale a un interruptor cerrado.

3.7.- Análisis de la hoja CARACTERÍSTICAS de DIODOS. Al entrar en la web: http://www.datasheetcatalog.com/ Podemos encontrar las características más importantes de todos los compontes.

3.8.- Comprobación del estado del diodo con el óhmetro.

Caso 1.- Terminal + en el ánodo y terminal – en el cátodo.

Polarización DIRECTA  Conduce (señal acústica) Caso 2.- Terminal - en el ánodo y terminal + en el cátodo.

Polarización INVERSA NO Conduce (no suena)

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OTRAS CARACTERISTICAS. 4.- Tensión máxima e intensidades máximas en directa.

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Para el diodo es importante conocer: 1.- Modelos validos de la hoja de características.

2.- Aspecto físico.

3.- Encapsulado (TO, SOT, SMB, etc)

4.- Tipos de Diodos.

b.- Gráfica característica.

El diodo Zener trabaja en polarización directa a partir de la tensión umbral.

En polarización inversa trabaja a partir de la tensión Zener característica de cada diodo.

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4.2.- DIODO LED. El diodo LED (Diodo Emisor de Luz) tiene la propiedad de iluminarse cuando circula corriente a través de él, es decir, cuando esta polarizado directamente.

Se fabrican de diferentes colores con diferentes valores de tensión.

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4.1.- DIODO ZENER. a.- Funcionamiento.

El diodo Zener funciona igual que un diodo normal en polarización directa pero además conduce en polarización inversa.

Existen diodos de diferentes colores cada una con una característica diferente.

4.3.- FOTODIODO. Prof: Roberto Lajas

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a.- Funcionamiento.

El fotodiodo es un diodo sensible a la luz, tanto visible como infrarroja, que se polariza inversamente para que su funcionamiento sea correcto.

b.- Esquema.

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Al iluminar el fotodiodo, el amperimetro empezara a marcar intensidad por el circuito

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Una variante especial de los fotodiodos es el fotodiodo infrarrojo que posee un filtro que le permite aceptar unicamente señales infrarrojas.

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5.1.- Descripción.

El transistor es un semiconductor formado por la unión de 3 cristales (NPN o PNP) por lo tanto tiene 3 terminales: - Emisor.

- Base.

- Colector.

El transistor está gobernado por la intensidad de la base.

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IE = IB + IC VCE = VCB + VBE

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5.- El TRANSISTOR BJT. (Bipolar Junction Transistor)

5.2.- Funcionamiento del Transistor.

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Las 2 maneras del funcionamiento del Transistor son: 1.- Como un interruptor (zona de corte o en saturación) 2.- Como amplificador. (zona activa)

1.- EL TRANSISTOR COMO INTERRUPTOR. (Corte y Saturación) Cuando el transistor trabaja en corte o saturación se comporta de igual forma que un interruptor eléctrico, dejando pasar o no la corriente.

El transistor únicamente deja pasar corriente del colector al emisor ICE cuando recibe una pequeña corriente por su base.

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2.- EL TRANSISTOR COMO AMPLIFICADOR. (zona activa) El transistor permite convertir señales débiles que se aplican en la base en otras de mayor magnitud que salen por el colector.

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En SATURACIÓN: al aplicar corriente a la base, el transistor se hace conductor, haciendo que el LED se encienda y, por tanto, pasando corriente por el colector.

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En CORTE: al no haber corriente en la base, tampoco la hay en el colector y por tanto el LED del ejemplo permanece apagado.

Si Ic = 0 ďƒ VCE = Vcc

Obtenemos el punto de corte Horizontal.

El T no conduce (en corte) La IB = 0 đ??•đ??•đ??‚đ??‚đ??‚đ??‚

Si VCE = 0 ďƒ VCC = IC ¡ Rc ďƒ IC = đ?‘šđ?‘šđ?‘šđ?‘š Obtenemos el punto de corte Vertical. MĂĄxima conduccion del T (R interna nula) Uniendo los 2 puntos dibujamos la recta de carga.

đ??źđ??źđ??źđ??źđ??źđ??ź =

|

B.- PUNTO DE TRABAJO (Q).

- Punto de interseciĂłn entre la recta de carga y la curva de la grafica IBQ de la malla de entrada:

đ?‘‰đ?‘‰đ?‘‰đ?‘‰đ?‘‰đ?‘‰ − đ?‘‰đ?‘‰đ?‘‰đ?‘‰đ?‘‰đ?‘‰đ?‘‰đ?‘‰ đ?‘…đ?‘…đ?‘…đ?‘…

- Punto Q en la zona activa, dividir los puntos de corte entre 2. (IC/2 y VCE/2)

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5.4.- Recta de carga y punto de trabajo (Q) de un transistor.

A.- RECTA DE CARGA. En la malla de salida: VCC = IC¡RC+VCE Tenemos: - 2 Constante ďƒ¨ VCC y RC - 2 Variables ďƒ¨ IC y VCE

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5.3.- AplicaciĂłn del Transistor en Corte y SaturaciĂłn.

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VCC

Si VCE = 0 ďƒ VCC = IC ¡ Rc ďƒ IC = = đ?‘…đ?‘…đ?‘…đ?‘… El punto de corte Vertical es: P2 (0, 4) MĂĄxima conduccion del T (R interna nula)

20 đ?‘‰đ?‘‰ 5 đ??žđ??ž

= đ?&#x;’đ?&#x;’ đ?’Žđ?’Žđ?’Žđ?’Ž

B.- Punto de trabajo Q. -Para situar el punto Q en la zona activa (centro) dividiemos los valores :2 Q ďƒ (10 V, 2 mA) - Punto de interseciĂłn entre la recta de carga y la curva de la grafica IBQ de la malla de entrada: đ?‘‰đ?‘‰đ?‘‰đ?‘‰đ?‘‰đ?‘‰ − đ?‘‰đ?‘‰đ?‘‰đ?‘‰đ?‘‰đ?‘‰đ?‘‰đ?‘‰ 1 − 0,7 đ??źđ??źđ??źđ??źđ??źđ??ź = = = đ?&#x;”đ?&#x;” Âľđ?‘¨đ?‘¨ đ?‘…đ?‘…đ?‘…đ?‘… 50đ??žđ??ž 5.5.- AnĂĄlisis de la hoja CARACTERĂ?STICAS de TRANSISTORES. Al entrar en la web: http://www.datasheetcatalog.com/ 1.- Tipo de encapsulado.

2.- En las patillas Emisor, base y colector.

3.- VCE en saturación, hfe o β o ganancia.

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Si Ic = 0 ďƒ VCE = Vcc = 20 V Obtenemos el punto de corte Horizontal. P1 (20, 0) El T no conduce (en corte) La IB = 0

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SOLUCIĂ“N. A.- Para dibujar la RECTA DE CARGA necesitamos conocer los puntos de corte en los ejes y unirlos.

En la malla de salida: VCC = IC¡RC+VCE

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EJERCICIO. A partir del circuito de polarizacion del transistor, calcular: a.- La recta de carga. b.- El punto de trabajo Q c.- La IBQ (transistor de silicio VBE = 0,7 V)

5.6.- LocalizaciĂłn de patilla de un Transistor. (Emisor, base y colector) El transistor se comporta como 2 diodos en oposicion de fase.

Colocamos el polimetro en la posicion de continuidad segĂşn indica el dibujo. Ejemplo BF 199

Comun con R (T3) ďƒ Base.

R mas pequeĂąa (T1) ďƒ Colector R mas grande (T2) ďƒ Emisor.

Es NPN porque T3(+)-T2 (-) ďƒ 790 â„Ś diodo directa.

5.7.- Ganancia del transistor (β o hfe) La ganacia es la capacidad que tiene el transistor funcionando como amplificador para hacer la seĂąal de entrada un valor β mas grande. đ??źđ??źđ??źđ??ź

đ??źđ??źđ??źđ??ź

β ďƒ Ganancia en corriente (adimensional).

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Hfe ó β=

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T1 — T2 ďƒ âˆž T1 — T3 ďƒ âˆž ----------------------T2 — T1 ďƒ 801 â„Ś.

T2 — T3 ďƒ âˆž ------------------------T3 — T1 ďƒ 785 â„Ś.

T3 — T2 ďƒ 790 â„Ś.

La medida de la β con el polĂ­metro se realiza introduciendo sus patillas en los orificios del emisor, base y colector segĂşn teniendo en cuenta si es NPN o PNP. Ejemplo BF 199 ďƒ hfe = 38.

5.7.- ConfiguraciĂłn de los transistores.

-Emisor comĂşn.

-Base comĂşn -Colector comĂşn Ver video: https://www.youtube.com/watch?list=PLuzS0jdNRVvocxP2rQjT0EL0mqcoB1JLV&time_continue=23&v=BfHwApQ8T2I

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IC2 = β2 IB2 IE2 = IC2 +IB2 = β2 IB2 + IB2 = (β2+1)IB2 = (β2 +1) (β1+1) IB1 ICT = IC1 + IC2 = β1 IB1 + β2 IB2 = β1 IB1 + β2 (β 1 +1) IB1 Considerando β1>>1 β2>>1 IE2 = β1 β2 IB1 = βT IB1 ICT = β1 IB1 + β2 β1 IB1 = (1+ β2) β1 IB1 = β2 β1IB1 = βT IB1

5.9.- Calcular los componentes de un Amplificador con transistor Universal.

EJERCICIO: Calcular las resistencias y condensadores para diseñar un amplificador mediante transistor BC 107B en polarizacion Universal cuyos datos son: Vcc = 10 V ICMÁX = 50 mA β = 100 f = 1 kHz

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IC1 =β1 IB1 IE1 = IC1 + IB1 = (β1 +1) IB1 IB2 = IE1

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5.8.- Montaje Par Darlington.

RE =

𝑉𝑉𝑉𝑉 𝐼𝐼𝐼𝐼

𝐼𝐼𝐼𝐼

=

=

1

10−5−1 25 𝑚𝑚𝑚𝑚

= 40 Ω

25 𝑚𝑚𝑚𝑚

=

4

25 𝑚𝑚𝑚𝑚

=160 Ω

I1 = 10 ·IB

Malla de entrada: VCC = I1·R1+VBE +VE 

R1 =

𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉−𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉−𝑉𝑉𝑉𝑉

R2 =

𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉+𝑉𝑉𝑉𝑉

𝐼𝐼1

𝐼𝐼1=𝐼𝐼2

=

=

10−0,7−1

0,7+1

2,5 𝑚𝑚𝑚𝑚

25 𝑚𝑚𝑚𝑚

1

2 𝜋𝜋𝜋𝜋 𝑋𝑋𝑋𝑋𝑋𝑋

=



2 𝜋𝜋 1000 4

Componentes:

𝛽𝛽

=

25 𝑚𝑚𝑚𝑚 100

= 0,25 mA

I1 = 10 ·0,25 mA = 2,5 mA

XCE = 10 % RE

= 39,78 µF  47 µF

R2 = 680Ω CE = 47 µF

RC = 160 Ω C1 = 1 µF

RE = 40 Ω C2 =1 µF

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R1 = 3.320 Ω T =BC 107 B

1

= 3.320 Ω

𝐼𝐼𝐼𝐼

= 680 Ω

CONDENSADOR CE:

CE =

𝐼𝐼𝐼𝐼

β= 𝐼𝐼𝐼𝐼  IB =

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𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉−𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉−𝑉𝑉𝑉𝑉

Rc =

VE = IE ·RE VCE(Q) = 50 % de Vcc = 5 V VE = 10 % de Vcc = 1 V I CQ = 50 % ICMÁX = 25 mA. I CQ = IE

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SOLUCIÓN. Malla de salida: VCC = IC·RC+VCE + IE · RE 

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6.- MOSFET.

6.2.- Simbología.

El nombre de los terminales es: D  Drenador.

S  Surtidor.

G  Gate (puerta) 6.3.- Uso. -En control digital por su alta velocidad en la conmutación, dado su tiempo de respuesta mínimo.

- Son muy buenos en la amplificación de señales analógicas, especialmente en aplicaciones de audio.

Web de interés: http://panamahitek.com/que-es-y-como-funciona-un-mosfet/ http://esimerobotica.tripod.com/MOSFET1.pdf 6.4.- Comprobación de patillajes.

1.- Conectar terminal negativo (negro) del ohmímetro a la fuente.

2.- Tocar terminal positivo (rojo) del ohmímetro la puerta y el Mosfet entra en conducción.

3.- Conectar terminal positivo (rojo) al drenador y debe de dar un valor óhmico.

Ver video: https://www.youtube.com/watch?v=RPyOS5NPnhI Prof: Roberto Lajas

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Diferencias: -Su estructura interna.

-Su funcionamiento: *Los BJT funcionan con señales de corriente. (IB) *Los MOSFET funcionan con señales de voltaje. (VG)

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6.1.- Definición.

Es un transistor, similar a un BJT en cuanto: -Ambos dispositivos son transistores.

-Ambos dispositivos tienen 3 terminales.

-Ambos dispositivos pueden funcionar como interruptores (o conmutadores) y como amplificadores de señales.

- Son iguales físicamente.

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Transistor de Efecto de Campo de Metal-Óxido-Semiconductor (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)

7.- TIRISTORES. 7.1.- Definición.

Es un semiconductor formado por una estructura cristalina de la forma: NPNP o PNPN.

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7.2.- Tipos.

Los tipos de tiristores más usados son:

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Funciona como un interruptor que se cierra al aplicar una corriente de puerta IG. La corriente circula de forma unidireccional desde el ánodo al cátodo, esta circulación de corriente es iniciada por una corriente pequeña de señal desde la puerta al cátodo.

Una pequeña tensión en CC (circuito auxiliar) controla una alta tensión en CC. Se consideran interruptores ideales en circuitos de potencia.

En el esquema: la lámpara se conecta entre el ánodo y el positivo de la fuente de alimentación, y la puerta (G) es controlada, mediante una fuente de alimentación auxiliar de baja tensión con una resistencia.

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8.2.- Funcionamiento.

Tiristor conduce (interruptor cerrado) si: Corriente de puerta IG (típico 200 µA)

Tiristor No conducción (interruptor abierto).

Si IAK es menor a la corriente de mantenimiento (IH) (5-10 mA) Formas: 1.- Puntear ánodo (A) Cátodo (K).

2.- Retirar la alimentación.

3.- Invertir polaridad ánodo (A) Cátodo (K).

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8.1.- Definición.

El SCR es un diodo rectificador de silicio controlado.

Sus partes son: - Ánodo (A).

- Cátodo (K) - Puerta (G, terminal de control)

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8.- El SCR (Silicon Controlled Rectifier)

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T1 — T2  ∞ T1 — T3  ∞ ----------------------T2 — T1  ∞ T2 — T3  ∞ ------------------------T3 (+) — T1(-)  641 Ω.

T3 — T2  ∞

T3 puerta (G) y el T1 cátodo (K).

8.5.- Comprobar conducción de un SCR. Forma de proceder con TIC 106D (SCR): 1.- Colocar el polímetro en continuidad.

2.- Conectar terminal rojo (positivo) en el Ánodo (A) del SCR. 3.- Conectar terminal negro (negativo) en el Cátodo (K) del SCR. 4.- Verificar que no conduce.

5.- Puentear el terminal de puerta G y Ánodo (A) y debe de conducir A-K 6.- Puentear el Cátodo (K) y Ánodo (A) y el SCR debe de dejar de conducir.

Ver video: https://www.youtube.com/watch?v=hAcPanceD4U Prof: Roberto Lajas

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8.4.- Localizar patillas SCR. Colocamos el polimetro en la posicion de continuidad según indica el dibujo.

Ejemplo: TIC 106D

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VBO = Tensión de ruptura directa (entra en conducción) IG = Corriente en la puerta.

IH = Corriente de mantenimiento (hold) Mínima corriente para que el tiristor se mantenga en conducción IL = Corriente de enganche; Corriente mínima en el ánodo para que el tiristor pueda conducir VGTMAX = Tensión máxima admisible entre puerta (gate) y cátodo VDMAX = Tensión máxima admisible entre ánodo y cátodo, tanto en directa bloqueado o inversa-

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8.3.- Gráfica SCR.

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9.- El TRIAC.

Es un interruptor controlado por la intensidad de puerta IG que conduce en ambos sentidos (bidireccional) Una pequeña tensión en CC controla una alta tensión en CA.

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9.2.- Funcionamiento.

El funcionamiento es igual que el SCR conduce a partir de la intensidad de puerta IG. Es el equivalente del SCR en corriente alterna conduciendo en los 2 sentidos.

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Sus terminales son: - Ánodo 1 (A1) - Ánodo 2 (A2) - Puerta (G, terminal de control)

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9.1.- Descripción.

El TRIAC son 2 diodos conectados en antiparalelo.

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9.5.- Localizar patillas Triac.

Colocamos el polimetro en la posicion de continuidad según indica el dibujo.

Ejemplo BT 137 T1 — T2  ∞ T1 (+) — T3(-)  124 Ω ----------------------T2 — T1  ∞ T2 — T3  ∞ ------------------------T3 (+) — T1(-)  124 Ω. T3 puerta (G) y el T1 cátodo (A1).

T3 — T2  ∞ Ver video: https://www.youtube.com/watch?v=qgyRB8hyeNc

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9.4.-Uso. El Triac se usa en: -Motores pequeños y medianos (ventiladores, lavadoras…)

-Vitrocerámicas.

-Todos los electrodomésticos.

-Reguladores de luminosidad.

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9.3.- Curva característica Triac.

10.- DIAC (Diodo para Corriente Alterna) 10.1.- Descripción.

El Diac es un Diodo que conduce en ambos sentidos (bidireccional.)

Conduce al superar la tensión directa VBO (típicamente 30V)

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Sus patillas son: -Ánodo 1 (A1) -Ánodo 2 (A2)

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10.2.- Gráfica caracteristica del Diac.

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10.3.- Uso. El diac se suele usar para acompañar el disparo de triac.

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11.- GTO. (Gate Turn-Off Thyristor) Es GTO es un tiristor desactivado por puerta.

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Mejora el funcionamiento de los tiristores en general ya que se activa y se desactiva mediante un disparo por puerta (G)

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