TEMA 7

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TEMA 7

COMPONENTES ELECTRÓNICOS ACTIVOS

Componentes electrónico activos 2

Componente electrónico activo: componente de comportamiento no lineal.

Relación no lineal entre la tensión aplicada y la corriente

suministrada.

Controlan tensiones e intensidades.

Realizan acciones de amplificación o como conmutadores.

Equipos que usan componentes activos:

Amplificadores de audio y vídeo.

Sistemas de control.

Robótica.

Ordenadores.

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Componentes electrónico activos 3

Tipos de componentes activos:

Componentes individuales: diodo, transistor, tiristor, triac y diac.

Componentes integrados:

Amplificadores operacionales.

Microprocesadores: componente principal de los ordenadores.

El semiconductor. La unión PN 4

Los componentes electrónicos activos se basan en el uso de materiales semiconductores.

Comportamiento de los semiconductores:

Aislante: no conduce la electricidad.

Conductor: conducen la electricidad en función de ciertas condiciones (tensión aplicada en sus extremos, temperatura, etc.)

Tipos de cargas en los semiconductores:

1. Electrones libres: cargas negativas en movimiento.

2. Huecos: cargas positivas en movimiento.

Materiales empleados en la fabricación de componentes semiconductores:

Germanio (Ge): elemento químico con 4 electrones de valencia.

Silicio (Si): elemento químico con 4 electrones de valencia.

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Tipos de semiconductores:

1. Semiconductor intrínseco: formado por átomos iguales (Si o Ge).

Su conductividad depende de la temperatura.

2. Semiconductor extrínseco: semiconductor intrínseco de Si o Ge con otros átomos distintos para mejorar la conductividad.

Impureza: átomos distintos añadidos al semiconductor.

Dopado: proceso de añadir impurezas a un

semiconductor intrínseco.


Tipos de semiconductores extrínsecos:

1. Semiconductor tipo N: dopado con átomos de 5 electrones de valencia (Antimonio, Fósforo, Arsénico) llamados donadores.

Mayor cantidad de portadores de carga negativa (electrones libres).

2. Semiconductor tipo P: dopado con átomos de 3 electrones de valencia (Boro, Galio, Indio) llamados

aceptores.

Mayor cantidad de portadores de carga positiva (huecos).

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Unión PN: cristal semiconductor con una mitad de tipo N y la otra

mitad de tipo P.

Mitad N: más electrones que huecos.

Mitad P: más huecos que electrones.

Barrera de potencial: zona alrededor de la unión.

Fenómeno de difusión: los electrones libres de N se pasan a la

zona P y se combinan con los huecos .

Crean iones positivos en la zona N.

Crean iones negativos en la zona P.

Impiden el paso de la corriente.

Tensión mínima en los extremos de la unión PN para conducir la

corriente:

Germanio: 0,3 V.

Silicio: 0,7 V.

El diodo semiconductor 8

Diodo semiconductor: componente electrónico que solo deja pasar

la corriente en un sentido.

Aplicaciones de los diodos:

1. Protección de circuitos: debido a su cualidad de permitir el

paso de la corriente en un solo sentido.

2. Dispositivos de computación: debido a que pueden manejar

grandes corrientes.

3. Demodulación en los receptores de radio: diodos muy

pequeños que manejan corrientes bajas.

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El diodo semiconductor 9

Terminales del diodo:

1. Ánodo (A): terminal positivo conectado al semiconductor P.

2. Cátodo (K): terminal negativo conectado al semiconductor N

Símbolo del diodo:

Polarización directa de un diodo 10

Polarización directa del diodo:

1. El ánodo (zona P) esta conectado con el terminal positivo de la fuente.

2. El cátodo (zona N) esta conectado con el terminal negativo de la fuente.

Si la tensión de la fuente es mayor que la barrera de potencial:

Los huecos de la zona P se mueve hacia el polo negativo de la fuente saltando la barrera de potencial.

Los electrones libres de la zona N hacia el polo positivo de la fuente saltando la barrera de potencial.

Circula una corriente (corriente directa: IF).

Si la tensión del generador es menor que la barrera de potencial no hay

corriente.

Si el diodo esta polarizado directamente:

Equivale a una pila de valor VF (tensión directa).

Actúa como un interruptor cerrado.

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Polarización inversa de un diodo 11

Polarización inversa del diodo:

1. El ánodo (zona P) esta conectado con el terminal negativo de la fuente.

2. El cátodo (zona N) esta conectado con el terminal positivo de la fuente.

En la polarización inversa del diodo:

Los huecos de la zona P se mueve hacia el polo negativo de la fuente sin atravesar la barrera de potencial.

Los electrones libres de la zona N hacia el polo positivo de la fuente sin atravesar la barrera de potencial.

La barrera de potencial se hace más grande.

Corriente inversa de saturación (IR): corriente muy pequeña debido a

los portadores minoritarios (huecos en la zona N y electrones libres en la zona P).

Si el diodo esta polarizado inversamente:

El diodo no conduce (resistencia infinita).

Actúa como un interruptor abierto.

Característica tensión-corriente del diodo 12

Característica tensión-

corriente del diodo: gráfica que

indica la relación entre la tensión y

la corriente en un diodo.

Valores característicos:

1. Tensión umbral (VF): tensión

necesaria para compensar la

barrera de potencial del diodo.

2. Tensión de ruptura o Zener

(VR): tensión máxima que

soporta el diodo cuando esta en

polarización inversa.

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Tipos de diodos especiales 13

Hay una gran variedad de diodos:

1. Diodo zener.

2. Diodo LED.

3. Diodo varicap.

4. Fotodiodo.

Diodo zener 14

La característica principal del diodo Zener es trabajar en polarización

inversa.

Al aumentar la tensión aplicada al diodo Zener, no aumenta la

tensión Zener que es constante, sino que aumenta la corriente para

mantener constante la tensión Zener.

En polarización directa se comporta como un diodo normal.

Entre las aplicaciones más destacadas del diodo zener es la de

estabilizador de tensión.

Mantiene la tensión constante en las fuentes de alimentación.

Símbolo de un diodo zener:

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Diodo zener 15

Principales parámetros de un diodo zener:

1. Tensión de polarización inversa o tensión zener (VZ): tensión que el zener va a mantener constante.

2. Corriente mínima de funcionamiento (IZmin): valor mínimo de corriente inversa para que el zener funcione en la zona de tensión constante.

3. Potencia máxima de disipación (PZ): máxima potencia de disipación del diodo Zener en polarización

inversa.

Debido a la tensión constante, indica el máximo valor de la corriente que puede soportar el zener.

Potencia del zener: PZ= VZ · IZ

Polarización de un diodo zener 16

Polarización del diodo zener: cálculo de la resistencia de polarización del zener para mantener la tensión de polarización y evitar su destrucción.

Condiciones para la correcta polarización del diodo zener:

1. Comprobación de que la tensión en los extremos del zener es mayor que la tensión zener (V> VZ).

2. Comprobación que la corriente del zener es menor que la corriente

máxima del zener (IZ < IZmáx), para evitar su destrucción.

3. Comprobación que la corriente del zener es mayor que la corriente mínima de funcionamiento del zener (IZ > IZmín), para estar en la zona de ruptura.

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Datos:

1. Tensión de la fuente (V).

2. Tensión del zener (VZ).

3. Corriente mínima de mantenimiento del zener (IZmín).

4. Potencia máxima del zener (PZ).


Proceso de cálculo

Calcular la corriente a través de la resistencia

de polarización aplicando la ley de Ohm:

Despejar la resistencia de polarización de la

ecuación:

Calcular la intensidad máxima que soporta el

zener:

Calcular el valor máximo de la resistencia de

polarización:

Calcular el valor mínimo de la resistencia de

polarización:

Escoger una resistencia de valor normalizado entre los valores máximo y

mínimo calculados.

Zmáx

Zmín

I

VVR

Zmín

Zmáx

I

VVR

Z

ZZmáxZmáxZZ

V

PIIVP ·

Z

Z

I

VVR

R

VV

R

VI ZR

Z

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Diodo LED 19

Diodo LED (Light-Emiting Diode): diodo que produce una

radiación luminosa (luz) cuando circula una corriente por él.

Comportamiento del diodo LED:

Polarización directa: emisión de radiación luminosa.

Polarización inversa: igual que un diodo normal.

Se fabrica en material encapsulado transparente y en diferentes colores

usando arseniuro de galio (GaAs) y fosforo (P).

La radiación luminosa del LED depende de:

El material semiconductor (color del LED).

La corriente directa (IF) (intensidad de la radiación).

Símbolo de un diodo LED Composición interna del LED

Diodo LED 20

El material semiconductor del LED determina el color y la tensión directa de polarización para que funcione.

Color del LED Tensión directa de polarización

Infrarrojo 1,3 V

Rojo 1,7 V

Naranja 2,0 V

Amarillo 2,5 V

Verde 2,5 V

Azul 4,0 V

Transparente 2,9 V

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Parámetros del diodo LED 21

1. Tensión directa (VD): tensión entre los extremos del

diodo cuando esta polarizado directamente.

Cuando circula la corriente directa está comprendida entre 1,3 y 4 V.

2. Corriente directa (IF): corriente de excitación directa necesaria para que el diodo LED se ilumine.

Suele tomar valores entre 10 y 15 mA.

3. Corriente inversa (IR): máxima corriente que puede circular por el LED cuando esta en polarización inversa.

4. Potencia disipada (PD): máxima potencia de disipación

permitida en el diodo LED.

Aplicaciones del diodo LED 22

Señalización luminoso.

Optoacopladores.

Detectores ópticos.

Visualizadores alfanuméricos.

1. Displays de 7 segmentos: conjunto de diodos LED, distribuidos según la figura.

La distribución de los segmentos (a, b, c, d, e, f y g) esta normalizada, pudiendo tener uno o dos puntos decimales (PD).

Cada segmento es un diodo LED, que polarizados convenientemente pueden representar los diez dígitos (0 al 9) y algunas letras.

Formas de conexionado de los displays:

Cátodo común: todos los cátodos están unidos.

Ánodo común: todos los ánodos están unidos.

2. Matrices de LED: conjuntos de diodos LED distribuidos en forma de matriz.

El número de LED puede variar entre 3x5, 4x6 ó 7x5.

Semejantes a los displays de siete segmentos.

Pueden representar caracteres alfabéticos, numéricos, de puntuación y especiales.

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Polarización de un diodo LED 23

Polarización del diodo LED: cálculo de la resistencia de

polarización del LED para mantener la tensión de polarización y evitar

su destrucción.

Condiciones para la correcta polarización del diodo LED:

1. Comprobar que la tensión de alimentación del LED es mayor que la

tensión directa (V > VD).

2. Comprobar que la corriente del LED es mayor la corriente mínima

de excitación del LED (ILED > IF), para que se ilumine.

3. Comprobar que la potencia disipada por el LED es menor que la

máxima potencia de disipación permitida (PLED < PD), para no

destruirse.

Polarización de un diodo LED 24

Proceso de cálculo

Calcular la corriente a través de la resistencia

de polarización aplicando la ley de Ohm:

Despejar la resistencia de polarización de la

ecuación:

Calcular la intensidad máxima que soporta el

diodo LED:

Calcular el valor máximo de la resistencia de

polarización:

Calcular el valor mínimo de la resistencia de

polarización:

Escoger una resistencia de valor normalizado (E24) entre los valores

máximo y mínimo calculados.

D

DFmáxFmáxDD

V

PIIVP ·

F

Dmáx

I

VVR

Fmáx

Dmín

I

VVR

R

VV

R

VI DR

LED

LED

D

I

VVR

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Diodo varicap 25

Diodo varicap: diodo que se comporta como un condensador.

Tiene la capacidad de variar su capacidad en función de la tensión

aplicada.

Se polarizan en inversa:

Al aumentar la tensión inversa, aumenta la barrera de potencial y

disminuye la capacidad de la unión PN.

Aplicaciones de los varicap:

1. Generadores de armónicos.

2. Filtros activos.

3. Circuitos resonantes para sintonizar señales:

Permiten seleccionar una señal de frecuencia específica.

Símbolo del diodo varicap:

Fotodiodo 26

Fotodiodo: diodo sensible a la incidencia de la luz.

Sensible a la luz visible e infrarroja.

Realiza la función inversa al diodo LED.

Se polariza inversamente.

La corriente circulará por el diodo cuando sea excitado por la luz.

Aplicaciones del fotodiodo:

1. Fotodetector: elemento capaz de transformar una magnitud luminosa en

eléctrica.

2. Sistemas de alarma (detectores de presencia, etc.).

3. Mandos a distancia por infrarrojos:

Receptor: fotodiodo sensible a la luz infrarroja.

Emisor: diodo LED que irradia luz infrarroja.

4. Fotodiodo infrarrojo: fotodiodo con un filtro para aceptar solo señales

luminosas infrarrojas.

Símbolo de fotodiodo:

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El transistor bipolar 27

Transistor bipolar: dispositivo de 3 terminales

construido mediante dos uniones PN.

Base de la fabricación de los circuitos integrados.

Aplicaciones de los transistores:

Amplificación (radio, televisión, instrumentación,

etc.).

Generación de señales (osciladores, generadores de

ondas, emisión de radiofrecuencia, etc.).

Osciladores de alta frecuencia para

telecomunicaciones.

Conmutación (control de relés, fuentes de

alimentación conmutadas, control de lámparas,

modulación por anchura de pulsos (PWM), etc.).

Detección de la radiación luminosa (fototransistores).

El transistor bipolar 28

Terminales de un transistor:

Emisor (E): terminal de un extremo que emite electrones.

Colector (C): terminal del otro extremo que recibe los electrones

emitidos por el emisor.

Base (B): terminal central que controla el paso de electrones.

Tipos de transistores

Transistor NPN Transistor PNP

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Tensiones e intensidades de un transistor 29

Corrientes de los transistores:

1. Corriente de base: IB

2. Corriente de emisor: IE

3. Corriente de colector: IC

Tensiones de los transistores:

1. Tensión base-colector: VBE

2. Tensión colector-emisor: VCE

3. Tensión colector-base: VCB

Relación entre las corrientes del transistor: IE = IB + IC

Relación entre las tensiones de transistor: VCE = VCB + VBE

Ganancia de corriente del transistor (β): relación entre las

corrientes de colector y base. β = IC/IB

Zonas de funcionamiento de un transistor 30

1. Zona activa (zona de amplificación):

Unión base-emisor polarizada en directa.

Unión base-colector polarizada en inversa.

La base controla el flujo de electrones libres entre emisor y

colector.

La polarización de la unión base-emisor controla la cantidad de

corriente que pasa por el colector.

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2. Zona de saturación: el transistor se comporta como un interruptor

cerrado.

Uniones base-emisor y base-colector polarizadas directamente,

pero con la tensión base-emisor ligeramente mayor que la tensión

base-colector.

Tensión colector-emisor muy próxima a cero.

Valor máximo de la corriente de colector.


3. Zona de corte: el transistor se comporta como un interruptor

abierto.

Uniones base-emisor y base-colector polarizadas inversamente.

Corrientes del transistor nulas.

Tensión colector-emisor máxima.

4. Zona de ruptura: el transistor se destruye.

El fabricante facilita los valores máximos que el transistor puede

soportar.

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Polarización de un transistor 33

Polarización de un transistor: aplicación de las tensiones adecuadas para que circulen las intensidades deseadas.

Polarización de un transistor: elección de la zona de trabajo del transistor.

Datos:

Fuente o fuentes de alimentación (VCC, VBB).

Resistencias del circuito (RB,RE,RC).

Parámetros del transistor (VBE, VCE(sat), PD).

Ecuaciones del circuito de polarización:

Ecuación de corrientes del transistor: IE = IB + IC

Ecuación de ganancia de corriente: β = IC/IB

Ecuación de potencia del transistor: PD = VCE · IC

Ecuación de la malla de entrada del circuito de polarización:

Depende del circuito.

Ecuación de la malla de salida del circuito de polarización:

Depende del circuito.


Proceso de polarización de un transistor:

Calcular la corriente de base, despejando la ecuación de entrada.

Calcular la corriente de colector con la ecuación de ganancia de corriente.

Calcular la corriente de emisor con la ecuación de corrientes del transistor.

Calcular la tensión colector-emisor despejando la ecuación de salida.

Calcular la potencia del transistor con la ecuación de

potencia.

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Determinar la zona de funcionamiento del transistor:

1. Zona de ruptura:

La potencia que consume el transistor es mayor que la indicada por el fabricante.

2. Zona de corte:

Las corrientes del transistor son cero.

La tensión colector-emisor es casi igual a la tensión de alimentación.

3. Zona de saturación:

La tensión colector-emisor es menor o igual que la tensión colector-emisor de saturación indicada por el fabricante.

4. Zona activa:

Las corrientes del transistor son distintas de cero.

La tensión colector-emisor es mayor que la tensión colector-emisor de saturación.

Transistor unipolar 36

Transistor unipolar: transistor que depende su funcionamiento de

un solo tipo de portadores.

Tipos de transistores unipolares:

FET de unión: canal N y canal P.

MOSFET de enriquecimiento: canal N y canal P.

MOSFET de empobrecimiento: canal N y canal P.

Terminales de un transistor unipolar:

Fuente o Surtidor (S): terminal por donde entran los portadores

provenientes de la fuente externa.

Puerta o Compuerta (G): terminal conectado a las zonas a ambos

lados del canal para controlar el paso de portadores.

Drenador o Sumidero (D): terminal por donde salen los

portadores, una vez atravesado el canal.

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Zonas de funcionamiento de un transistor unipolar

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1. Zona de ruptura: los valores de tensión o potencia

superan las máximos permitidos (destrucción del transistor unipolar).

2. Zona de corte: el transistor unipolar se comporta como un interruptor abierto y no circula corriente por el canal.

3. Zona óhmica: el transistor se comporta como una resistencia, donde la relación entre intensidad y la tensión

cumple la ley de OHM.

4. Zona de saturación: el transistor se comporta como un interruptor cerrado.

Es la zona de amplificación de los transistores unipolares.

El tiristor 38

Tiristor: dispositivo semiconductor formado por 3 uniones PN.

Funcionamiento:

Semejante a un conmutador ideal.

Los tiristores reales tienen ciertas características y limitaciones.

Tiene dos estados estables de funcionamiento:

Conducción.

No conducción.

Aplicaciones:

Circuitos electrónicos de potencia.

Terminales de un tiristor:

Ánodo (A).

Cátodo (K).

Puerta (G): controla el paso de la corriente entre ánodo y cátodo

Símbolo de un tiristor:

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Componentes comerciales. Encapsulados de diodos, transistores y tiristores

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En el mercado hay numerosos componentes

comerciales para diodos, transistores y tiristores.

Los fabricantes facilitan unas hojas con las

características de los componentes.

Diodos 40

El encapsulado determina ciertas características de los

dispositivos.

La potencia que pueden disipar.

Dispositivos con el mismo encapsulado disipan la misma potencia.

A partir de 1 W, los encapsulados son metálicos.

Para grandes potencias, tienen la posibilidad de acoplar sistema de refrigeración (disipadores o ventiladores).

Las hojas de características que facilita el fabricante indican los principales parámetros de dispositivos.

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Diodos 41

Tipos de encapsulado de los diodos

DO-5 DO-35 DO-41 TO-220AC

TO-3 PWRTAB PWRTABS SOT-223

SMA SMB SMC D618sl

D2pak Dpak TO-200AB TO-200AC

Comprobación del estado de un diodo mediante un polímetro

42

Para comprobar el estado de un diodo se usa el polímetro en función de óhmetro (medida de resistencia eléctrica).

Diodo polarizado directamente:

Terminal positivo en el ánodo.

Terminal negativo en el cátodo.

Resistencia muy pequeña: diodo en perfectas condiciones.

Diodo polarizado inversamente:

Terminal positivo en el cátodo.

Terminal negativo en el ánodo.

Resistencia muy grande: diodo en perfectas condiciones.

Posibles funcionamientos erróneos:

Resistencia muy pequeña del diodo en directa e inversa: diodo en cortocircuito.

Resistencia muy grande del diodo en directa e inversa: diodo está abierto.

Resistencia baja del diodo en polarización inversa: diodo con fugas.

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Tipos de encapsulados de transistores 43 Tipos de encapsulado de los transistores

2N3055 (NPN) 2N5590 (NPN) PC100 (NPN) PC110 (NPN)

2N6099 BDX53 (NPN) BDX54 (NPN)

BD131 (NPN) BD132 (NPN) BD135 (NPN)

BD136 (PNP) BD137 (NPN)

BD138 (PNP) BD139 (NPN) BD140 (PNP)

SC157 (PNP) SC158 (PNP) SC159 (PNP)

SC147 (PNP) SC148 (PNP)

SC149 (PNP)

AC125 (PNP) AC126 (PNP) AC127 (NPN)

AC128 (PNP)

SC107 (NPN) SC108 (NPN) SC109 (NPN)

SC115 (NPN)

2N3866 (NPN) 2N3924 (NPN)

MC140 (NPN) MC150 (PNP)

BSX20 (NPN) BC547 (NPN) BC548 (NPN) BC549 (NPN)

Comprobación del estado de un transistor con un óhmetro

44

La comprobación del estado del transistor se realiza

con el polímetro, como en los diodos.

Terminal + Terminal - Transistor PNP Transistor NPN

Colector Emisor Resistencia alta Resistencia alta

Emisor Colector Resistencia alta Resistencia alta

Emisor Base Resistencia baja Resistencia alta

Base Emisor Resistencia alta Resistencia baja

Base Colector Resistencia alta Resistencia baja

Colector Base Resistencia baja Resistencia alta

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Encapsulado de tiristores 45

Hay diferentes tipos de encapsulados de los

tiristores:

Los parámetros más importante de un tiristor son facilitados por el fabricante en la hojas de

características.

TEMA 7

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