electrÓnica analÓgica -...

I.E.S. PRADO DE SANTO DOMINGO CICLO F. DE GRADO SUPERIOR “DESARROLLO DE PRODUCTOS ELECTRÓNICOS”

MÓDULO PROFESIONAL: “ELECTRÓNICA ANALÓGICA”

ELECTRÓNICA ANALÓGICA

CURSO 2009-2010

CICLO FORMATIVO DE GRADO SUPERIOR: “DESARROLLO DE PRODUCTOS

ELECTRÓNICOS”.

MÓDULO PROFESIONAL: “ ELECTRÓNICA ANALÓGICA”.

Profesor: José Manuel Ortega.



TEMA 1. MAGNITUDES ELÉCTRICAS FUNDAMENTALES.

En Electricidad y Electrónica se consideran como magnitudes fundamentales, la tensión, la corriente eléctrica y la resistencia.

Tensión, diferencia de potencial o voltaje. Supongamos que por algún método, como por ejemplo, por frotamiento de un cuerpo como la lana, mediante una varilla de vidrio acrílico, se extraen electrones de la superficie de la varilla. Ésta ha quedado cargada positivamente. Si la varilla fuese de poliestireno, se produciría el efecto contrario y se cargaría negativamente. Cuando se separan cargas eléctricas de distinto signo, es necesario efectuar un trabajo contra la fuerza de atracción. Se dice que entre las cargas separadas se crea una tensión eléctrica. En los generadores, las baterías, las pilas, las fuentes de alimentación, se separan las cargas gastando energía, a partir de energía mecánica, química u otra forma de energía. Se produce por tanto en realidad una transformación de energía. En cada cuerpo cargado eléctricamente decimos que existe un potencial eléctrico, por ello entre dos cuerpos con diferentes niveles de carga existirá una diferencia de potencial (d.d.p.) que se mide en Voltios (V.), de ahí que también se emplee en ocasiones el término voltaje.

Corriente eléctrica.

Cuando los electrones se ponen en movimiento, se dice que existe una corriente eléctrica. Para cuantificar el nº de electrones que se mueven simultáneamente, se habla de intensidad de la corriente, que se mide en Amperios (A.). En ocasiones se emplean submúltiplos como el miliAmperio = mA = 10-3 A. y el microAmperio = μA. = 10-6 A. La causa que produce dicho movimiento es precisamente la d.d.p. entre dos puntos distintos de un determinado cuerpo. Una fuente de tensión “bombea” los electrones libres de su interior desde el polo positivo al negativo (sentido real de la corriente o sentido electrónico). Se pensaba que esto ocurría precisamente en sentido inverso y se acepta, por convenio, emplear el sentido de + a - (sentido convencional).

Resistencia eléctrica.

Cuando la corriente atraviesa un cuerpo, los electrones libres se mueven a través del mismo entre sus átomos, éstos dificultan el movimiento, por lo tanto cualquier cuerpo ejerce una oposición al paso de la corriente eléctrica, conocida como resistencia. Ésta depende de la naturaleza del cuerpo (los metales en general se dice que tienen baja resistividad - -,y se dice que son buenos conductores; la madera, los plásticos,...,tienen resistividad muy elevada y se dice que son aislantes. Existen también los semiconductores cuya resistividad depende de factores como la temperatura o el grado de impurezas que contengan). En los conductores, además depende de la longitud y de la sección de forma directa e inversamente proporcional respectivamente. [ R = ( . l) / s ] La unidad en que se mide es el ohmio ( ). También se emplea a menudo el Kiloohmio = 1 K = 1000 = 103 y el Megaohmio = 1M = 106 . La ley de Ohm relaciona las tres magnitudes y nos dice que la intensidad I es proporcional a la tensión e inversamente proporcional a la resistencia.

R

VI =



Potencia eléctrica.

Otra importante ley en electricidad, nos dice que cuando por un conductor circula una corriente eléctrica, éste se calienta de forma proporcional a la tensión y a la intensidad. Esta ley es conocida como Ley de Joule y puede expresarse en la forma:

Q = V. I . t , siendo t el tiempo y Q la cantidad de calor disipada, que se expresa en Julios cuando V está en Voltios, I en Amperios y t en segundos. Puede expresarse en Calorías multiplicando por 0,24. Esta fórmula, por tanto también es válida para expresar el Trabajo o Energía eléctrica.

Teniendo en cuenta que la potencia es igual al trabajo por unidad de tiempo, tenemos: P = E / t = V . I = I2 . R = V2 / R

2.- CIRCUITO ELÉCTRICO ELEMENTAL. Cualquier circuito estará formado, al menos por un “generador” y por un receptor. Puede existir además algún elemento, como un interruptor que permita “abrir” o cerrar el circuito. El receptor básico más empleado es la resistencia. La simbología de estos elementos es la siguiente:

2.1. Asociación de resistencias.

Serie: Varias resistencias están acopladas en serie cuando por ellas circula la misma corriente. Se colocan por tanto una a continuación de otra.

La resistencia equivalente a todas es igual a la suma de ellas: Rt = R1 + R2 + R3 Paralelo:

La resistencia equivalente al conjunto de varias en paralelo es la inversa de la suma de las inversas:

1/Rt = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 + ... Puede resolverse también de dos en dos:



R1,2 = (R1 * R2) / (R1 + R2). Esta fórmula no puede utilizarse para tres o mas resistencias.

Mixto: Combinación de resistencias en paralelo y serie.

2.2. Medida de magnitudes eléctricas en los circuitos. La medida de la tensión se realiza conectando el voltímetro en paralelo con el componente. Si se coloca en paralelo con el generador medirá la tensión que éste proporciona. Si se coloca en paralelo con la resistencia medirá la caída de tensión en esta. La medida de la intensidad de la corriente eléctrica se realiza conectando el amperímetro en serie con el componente por donde esté circulando la misma. Esto implica que debe abrirse el circuito por un determinado punto para poder intercalar el aparato, lo que en muchas ocasiones no es posible sobre todo si se desean realizar medidas en un circuito impreso. Esto hace que sea un instrumento menos utilizado que el voltímetro. La medida de la potencia eléctrica se realiza con el watímetro que posee dos terminales: los de tensión se colocan en paralelo y los de corriente en serie. En electrónica apenas se utiliza. 2.3. Aparatos de medida. Los símbolos de los aparatos de medida mencionados en el apartado anterior son los siguientes:

Estos aparatos generalmente tienen varias escalas de medida con determinados márgenes. Siempre que se desconozca entre qué márgenes puede estar una determinada magnitud, se comenzará



por la escala de medida mayor y si el aparato indica un valor muy bajo, se irá descendiendo hasta que nos dé una lectura adecuada. Como ejemplo, un amperímetro puede constar de los siguientes márgenes de medida: hasta 2 mA, 20 mA, 200mA, 2A y hasta 20A. Estos aparatos se emplean en muchas ocasiones para diagnosticar averías en circuitos, siendo el más empleado, como se indicó anteriormente, el voltímetro, pues para su uso basta con tocar con sus terminales, en los terminales de cualquier componente de un circuito, para que nos dé el correspondiente valor de tensión, sin necesidad de abrir el circuito. En la mayoría de las ocasiones, los aparatos de medida se suponen ideales, sin embargo es necesario resaltar que el voltímetro presenta una resistencia interna de valor elevado, lo que habrá que tener en cuenta si se está realizando una medida en un componente de gran valor óhmico. Sin embargo el amperímetro tiene una resistencia interna de valor muy pequeño y falseará la medida si el circuito también presenta poca resistencia. Existen aparatos que permiten realizar medidas de numerosas magnitudes, como tensión (voltímetro), intensidad (amperímetro), resistencia (óhmetro), capacidad de condensadores (capacímetro), frecuencia (frecuencímetro), etc.., se conocen con el nombre de polímetros.



TEMA 2.- COMPONENTES ELECTRÓNICOS

1.- RESISTENCIAS. La resistencia es posiblemente, el componente electrónico de mayor uso. Todos los materiales existentes presentan oposición al paso de la corriente, dependiendo de la naturaleza del material y de las dimensiones del mismo, como se comentó en el tema anterior. Cada material tiene una resistividad ( ) que depende de la naturaleza del material. Como orientación el Cobre presenta una resistividad de 0,0165 ( mm2 ) / m, mientras que el plástico es del orden de cientos de M . 1.1. Tipos: fijas, variables, integradas.

• Las resistencias fijas tienen un determinado valor que no se puede modificar. Los valores de las resistencias están normalizados, entre otras cosas para facilitar su reposición. Existen varias series de valores, dependiendo de la tolerancia de los mismos: 10%, 5%, 1%,... Se utilizan casi exclusivamente las del 5%, excepto en aplicaciones muy específicas de alta precisión. Los valores de resistencias del 5% son: 1; 1,1; 1,2; 1,3; 1,5; 1,6; 1,8; 2; 2,2; 2,4; 2,7; 3; 3,3; 3,6; 3,9; 4,3; 4,7; 5,1; 5,6; 6,2; 6,8; 7,5; 8,2; 9,1 y los submúltiplos y múltiplos de 10. Los valores en negrita son los que más se comercializan.

Para enumerar o designar los diferentes valores de una resistencia se emplea el sistema RKM,

que consiste en sustituir los puntos decimales y las comas separadoras de millar, en el sistema inglés de puntuación, por sus equivalentes R (unidad) K (kilo) M (mega). Ej. 4700 = 4K7; 2.200.000 = 2M2; 2R = 2 ; 0,2 = 2.

Se fabrican también varias resistencias del mismo valor bajo un encapsulado de varios pines, bien en montaje simple (SIL -Single In Line- o array de resistencias de 5, 6, 7 y 9 pines ) o con doble fila de patillas (DIL de 14 o 16 pines).

Actualmente se fabrican cada vez más, resistencias SMD, es decir resistencias que se emplean en circuitos impresos de montaje superficial y que por lo tanto, son miniatura y lógicamente no llevan código de colores, pues resultaría ininteligible. Lo que se hace es marcar el valor sobre el cuerpo de la misma y resulta imprescindible leerlo con una lupa. Son dos los encapsulados de estas resistencias, conocidos con los códigos 0805 y 1206.

En cuanto a resistencias a las que se les puede ajustar su valor, o resistencias variables, existe gran variedad: las resistencias ajustables para montaje vertical u horizontal (llamadas también



potenciómetros). Se fabrican de la misma potencia y valores que las resistencias. Se pueden ajustar desde cero hasta su valor nominal mediante un cuarto de vuelta . También existen, para mayor precisión de los valores obtenidos, los potenciómetros multivuelta. Existen resistencias variables de mayor potencia, hasta MW, para ellas se reserva el nombre de reostato.

POTENCIÓMETRO LINEAL

POTENCIÓMETRO LINEAL C/ INTERRUPTOR

POTENCIÓMETRO LOGARÍTMICO

BOTONES PARA POTENCIÓMETROS

PT10H (RESISTENCIAS AJUSTABLES HORIZONTAL)

PT10V (RESISTENCIAS AJUSTABLES VERTICAL)

RESISTENCIA MULTIVUELTA HORIZONTAL

RESISTENCIA MULTIVUELTA VERTICAL

1.2. Identificación: código de colores. Valores normalizados. Potencia.

Para identificar las resistencias, se emplea un código de colores normalizado.

Código de colores de 4 y 5 bandas:

Color 1ª Banda 2ª Banda 3ª Banda Multiplicador Tolerancia

Negro O O O 1ohm

Marrón 1 1 1 10ohm +1% (F)

Rojo 2 2 2 100ohm +2% (G )



Naranja 3 3 3 1Kohm

Amarillo 4 4 4 10Kohm

Verde 5 5 5 100Kohm S2 +0 5% (D)

Azul 6 6 6 1Mohm +0.25% (C)

Violeta 7 7 7 10Mohm +0.10% (B)

Gris 8 8 8 +0.05%

Blanco 9 9 9

Oro 0.10 +5% (J)

Plata 0.01 +10% (K)

La mayoría de las resistencias llevan marcado el código de 4 bandas. Además para completar la identificación de una resistencia es necesario conocer la potencia que es capaz de disipar o dicho en otros términos, la corriente que es capaz de circular por ella sin que se queme. Para identificarla no existe ninguna marca, tan sólo es necesario saber que cuanto mayor sea la resistencia, mayor potencia será capaz de disipar, puesto que el tamaño depende sólo de esto y no del valor óhmico, pues si es necesario fabricar una resistencia de gran valor, basta con emplear un material de mayor resistividad. Los valores normalizados de potencia son: 1/4W; 1/2W, 1 y 2W, aunque también se fabrican resistencia de gran potencia;: 4W y 8W.

2.- CONDENSADORES. 2.1. Constitución física. Capacidad y carga. Un condensador es un componente eléctrico formado por dos placas metálicas llamadas armaduras, separadas por un aislante llamado dieléctrico. La finalidad del condensador es la de actuar como un almacén de cargas eléctricas. Las armaduras se cargan eléctricamente cada una con polaridad

opuesta a la otra. Dependiendo de la mayor o menor cantidad de cargas que pueda almacenar, hablamos de Capacidad del condensador. La capacidad se mide en Faradios, unidad ésta muy grande, por lo que siempre se emplean submúltiplos: pF (pico = 10 –12); nF (nano = 10 –9); F (micro = 10 –6) y mF (mili = 10 –3). La capacidad de los condensadores depende del dieléctrrico utilizado (se emplea para ello un factor llamado constante dieléctrica – - ), de

la superficie de las armaduras ( a mayor superficie, mayor capacidad) y de la distancia entre ellas ( a menor distancia, mayor capacidad): C = . ( S / d ). Cuanto mayor sea la capacidad y la tensión en sus terminales, mayor será la carga almacenada en el mismo. Q = C . V (Q = carga almacenada en Culombios, con C en F y V en V.)



2.2. Asociación.

Los condensadores se pueden asociar, igual que las resistencias en serie, paralelo o acoplamiento mixto. Condensadores en serie: No es un montaje muy empleado. Se reduce la capacidad total. Lo que ocurre en este montaje es que la carga almacenada es la misma en cada uno de los condensadores. Qtotal = Ctotal . Vtotal. ; Q1 = C1 . V1; Q2 = C2 . V2; Q3 = C3 . V3.. Vtotal = V1 + V2 + V3 ; Qtotal / Ctotal = Q1 / C1 + Q2 / C2 + Q3 / C3. Como Q1 = Q2 = Q3 = Qtotal Resulta: 1/Qtotal = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3. Condensadores en paralelo: La caída de tensión en cada condensador es la misma, pero no la carga almacenada por cada uno. Ctotal . Vtotal = C1 . V1 + C2 . V2 + C3 . V3. Como Vtotal = V1 = V2 = V3. Resulta: Ctotal = C1 + C2 + C3. 2.3. Tipos: cerámicos, MKT, poliéster, electrolíticos, tántalo, SMD, ajustables Condensadores cerámicos: son condensadores cuyo dieléctrico es un material cerámico. Son de baja

capacidad (del orden de los pF). Se reconocer por su forma típica de lenteja, aunque algunos fabricantes los hacen de formas diferentes. Su capacidad va expresada en el propio encapsulado, siempre en pF, por lo que si nos encontramos la inscripción 101 significa 100 puesto que las dos primeras son las cifras y la tercera es el número de

ceros. La tensión máxima de trabajo de estos condensadores es de 100V. Condensadores MKT: son condensadores de poliéster metalizado. La tensión máxima de trabajo y el

“raster” (distancia entre sus patillas) varía según capacidades. Se reconocen fácilmente por su forma prismática. La tolerancia es del 5%. El valor se indica directamente en el encapsulado . La capacidad de estos condensadores es del orden de los nF. Por lo tanto si aparece el valor 103 se corresponde con 10.000 pF, o sea 10 nF.

Condensadores poliéster: Poliéster metalizado lacado, la tensión estándar para todos es de 400V, el "raster" (separación entre patillas) varia según la cada capacidad. La tolerancia es de +/- 10% para todas las capacidades. La capacidad de estos condensadores también es del orden de los nF, como los MKT. La tolerancia de estos condensadores y de los cerámicos suele aparecer con una letra (F=1%; J=5%; K=10%; M=20%)

Condensadores electrolíticos: Son condensadores de elevada capacidad (del orden de los F), ésta siempre va marcada directamente sobre el cuerpo del condensador. Son condensadores polarizados, por eso siempre lleva la marca del negativo y además esa patilla es más corta. Su símbolo también es diferente. Por lo tanto hay que tener cuidado siempre de conectarlos adecuadamente. Las tensiones de

trabajo están normalizadas: 25V., 35V, 63V. Y el tamaño es tanto mayor cuanto mayor sea la capacidad, pero sobre todo cuanto mayor sea la tensión que soportan. Su forma es cilíndrica.

Condensadores de tántalo: Son condensadores de elevada capacidad, como los electrolíticos y también están polarizados. La diferencia es que éstos son mucho



más pequeños, pero por el contrario no soportan tensiones elevadas (hasta 25V.) El positivo va marcado con el signo + y además esa patilla es más larga.. Tienen forma de “gota”. Condensadores SMD: son condensadores para circuitos impresos de montaje superficial. El encapsulado es el mismo que para las resistencias SMD, es decir el 0805 (hasta 10 nF) y el 1206 (hasta 470nF). Para capacidades superiores, se utilizan los electrolíticos SMD (hasta 47uF). Recordemos que los electrolíticos tienen polaridad. Llevan la marca en el negativo.

Condensadores ajustables: Los condensadores ajustables (trimmer) miniatura se fabrican básicamente en dos medidas: 7,5 y 10 mm. de diámetro. Soportan hasta 250V. Se utilizaron condensadores variables con dieléctrico aire, de gran tamaño, sobre todo para sintonía en receptores de radio.

2.4. Funcionamiento en continua. Como el condensador tiene un aislante entre sus terminales, entonces en corriente continua y en régimen permanente, se comporta como un circuito abierto (como un interruptor abierto). Sin embargo, el condensador al conectarlo a una determinada tensión, se va a ir cargando de forma exponencial, es decir rapidamente al principio y a medida que adquiere carga, se va cargando cada vez de forma más lenta. Este periodo de tiempo, se conoce como régimen transitorio y su duración suele ser escasa (depende de la capacidad del condensador y de la resistencia a la que esté conectado, de forma proporcional a ambas). Lo que ocurre es que al conectarlo a la tensión, existirá en el circuito un movimiento de cargas eléctricas: lar armaduras se van cargando con polaridad opuesta. Realmente como sólo los electrones pueden moverse, éstos salen del negativo de la fuente de alimentación o pila y van a la armadura correspondiente. El positivo atrae las cargas negativas de la armadura y éstas son transportadas a través del generador a la otra armadura. Al principio se hace con facilidad, pero a medida que se va llenando de cargas, el proceso se hace cada vez más lento. Así pues, en el régimen transitorio todo pasa en el circuito como si estuviese circulando corriente y el valor de ésta va disminuyendo progresivamente hasta que ya no se produce ningún movimiento de cargas y por tanto no hay corriente por el circuito comportándose a partir de este momento (régimen permanente) como un circuito abierto. A partir de este momento la tensión en el condensador es la misma que la de la fuente. El condensador no se descarga si sigue alimentado, sólo lo hará si se le proporciona un camino para hacerlo (sin fuente). Ahora lo que va a ocurrir es que el exceso de cargas negativas de una de las armaduras, pasará rápidamente (de forma exponencial también) a través de la resistencia de descarga (régimen transitorio) hasta que se igualen los niveles de carga en ambas armaduras, con lo cual a partir de este momento (régimen permanente) la tensión en el condensador será cero. Ambos procesos, el de carga y el de descarga se exponen más detalladamente a continuación:



Proceso de carga:

Cuando el interruptor se mueve a A, la corriente I sube bruscamente y tiene el valor de I = E / R amperios (como si el condensador no existiera momentáneamente en este circuito serie RC), y poco a poco esta corriente va disminuyendo hasta tener un valor de cero (ver el diagrama inferior).

La tensión en el condensador no varía instantáneamente y sube desde 0 voltios hasta E voltios (E es el valor de la fuente de corriente directa conectado en serie con R y C, ver diagrama 1).

El tiempo que se tarda la tensión en el condensador (Vc) en pasar de 0 voltios hasta el 63.2 % del voltaje de la fuente está dato por la fórmula = R x C donde R está en Ohmios y C en Faradios y el resultado estará en segundos.

Después de 5 T (5 veces T) el voltaje ha subido hasta un 99.3 % de su valor final

Al valor de T se le llama "Constante de tiempo"

Analizan los dos gráficos se puede ver que están divididos en una parte transitoria y una parte estable o permanente. Los valores de Ic y Vc varían sus valores en la parte transitoria (aproximadamente 5 veces la constante de tiempo T), pero no así en la parte estable.

Los valores de Vc e Ic en cualquier momento se pueden obtener con las siguientes fórmulas:

Vc = E + ( Vo - E) e-T/ t ,

Vo es la tensión inicial del condensador (en muchos casos es 0 Voltios)

Ic = ( E - Vo ) e-T/ t / R

Vo es la tensión inicial del condensador (en muchos casos es 0 Voltios)

VR = E e-T/ t Donde : T = R C



Proceso descarga:

El interruptor está en B.

Entonces la tensión en el condensador Vc empezará a descender desde Vo (voltaje inicial en el condensador). La corriente tendrá un valor inicial de Vo / R y disminuirá hasta llegar a 0 (cero voltios).

Los valores de Vc e I en cualquier momento se pueden obtener con las siguientes fórmulas:

Vc = Vo e-t / T I = -(Vo / R) e-t / T

Donde: T = RC es la constante de tiempo

NOTA: Si el condensador había sido previamente cargado hasta un valor E, hay que reemplazar Vo en las fórmulas con E



3.- BOBINAS. 3.1. Constitución física. Coeficiente de autoinducción. Una bobina no es más que un hilo conductor arrollado sobre un núcleo de material ferromagnético o al aire. Cuando por la misma circula una corriente eléctrica, se genera un flujo magnético. 3.2. Asociación. En serie: cuando varias bobinas son recorridas por la misma corriente. En este caso el valor del coeficiente de autoinducción L es la suma de los de cada una de las bobinas asociadas en serie. En paralelo: cuando soportan la misma tensión, es decir sus extremos están unidos entre sí. En este caso el valor de L del conjunto es igual a la inversa de la suma de las inversas, como hacíamos en el caso de las resistencias. En el caso de las bobinas puede darse el caso de que los campos magnéticos que se generan se influyan, en este caso habría que utilizar el llamado coeficiente de inducción mutua que puede reforzar el campo magnético resultante o bien contrarrestarlo. 3.3. Funcionamiento en continua. En continua y en régimen permanente una bobina se comporta como un simple conductor. Sin embargo en el transitorio de conexión y desconexión se manifiestan los efectos magnéticos. En la conexión de forma que la corriente se establecerá al cabo de unos instantes (que dependerá del valor de la constante de tiempo que en este caso es L/R). Y en la desconexión, el campo magnético almacenado forzará a que la corriente no cese de forma instantánea sino transcurrido también cierto tiempo que vendrá dado por la constante de tiempo. 4.- COMPONENTES SEMICONDUCTORES. 4.1. Semiconductores tipo “N” y tipo “P”.



Un semiconductor, como el Silicio o el Germanio son elementos químicos que tienen cuatro electrones en su última capa que forman enlaces covalentes muy estables. En estado puro se denomina intrínseco y no suele tener aplicaciones electrónicas. Se le añaden impurezas de forma controlada de elementos químicos. Si se le añaden B, Al, Ga, In o Tl entonces es un sc extrínseco de tipo P porque dichos elementos tienen tres electrones en su última capa y por tanto dejan un hueco (falta de electrón). Si se le añaden N, P, As, Sb o Bi entonces es de tipo N pues tienen cinco electrones en su última órbita (uno de los electrones queda libre). En éstos la conducción eléctrica puede realizarse más fácilmente o menos dependiendo de la concentración de electrones.

4.2. Diodos: Rectificador; LED; Varicap; Fotodiodo; Zéner.

Un diodo es un cristal semiconductor al que se le han añadido impurezas tipo P en un lado y tipo N al otro, por lo que también se le denomina unión NP. En las proximidades de la unión algunos huecos han sido ocupados por los electrones libres de la otra zona, por lo que se forma un potencial de unas pocas décimas de Voltio. Para que se establezca la corriente por el diodo es necesario polarizarlo directamente (zona P con el positivo de la fuente y zona N con el negativo) y superar dicha barrera de potencial ( que está entorno a 0,6V.). Si se polariza inversamente, la corriente no puede circular por el diodo a no ser que se pase de un valor excesivo llamado tensión de ruptura, el cual provoca una gran avalancha de electrones y el diodo se destruye.

Cuando el diodo conduce, la caida de tensión en sus terminales (llamados ánodo –zona P- y cátodo –zona N- se mantiene aproximadamente en 0,6 a 0,8V independientemente del valor de la intensidad que circule por él.

Un LED es un diodo emisor de luz. Se le ha añadido en el proceso de fabricación otra sustancia como el arseniuro de Galio, la cual, al circular corriente, emite luz con diferente longitud de onda, dependiendo de la concentración. Hay led de diferentes colores, incluso blanco y de diferente luminosidad, como los de alto brillo. También hay LED bicolor y tricolor. La caída de tensión típica en un Led está entorno a los 2V. independientemente de la corriente que circule por él. Los LED necesitan unos 10 mA para comenzar a lucir y soportan mas de 50 mA. Se considera como valor nominal 20mA. Hay varios tamaños estándar: los de 3 mm., los de 5mm y los de 10mm. También hay barras de LED, cuyos segmentos se van iluminando según va aumentando el valor de la tensión aplicada.

El varicap es un diodo cuya capacidad es variable dependiendo de la tensión inversa aplicada. Se denomina diodo de sintonía pues se utiliza en sintonizadores de radio como capacidad variable.

El Zener es un diodo con una unión NP muy abrupta, es decir con mucha concentración de electrones y huecos, lo que le dota de un funcionamiento muy particular en sentido inverso, pues en sentido directo funciona igual que el rectificador. En inversa deja pasar corriente si se llega a la tensión nominal y no se destruye, precisamente se emplea así el Zener. (Se le llama también, debido a esto, diodo de avalancha controlada).

4.3. Transistores Bipolares: NPN. PNP. Tipos de encapsulado.



El transistor es un dispositivo de 3 terminales o patillas con los siguientes nombres: base (B), colector (C) y emisor (E), coincidiendo siempre, el emisor, con la patilla que tiene la flecha en el símbolo.

Transistor NPN Transistor PNP

El transistor bipolar es un amplificador de corriente, esto quiere decir que si le introducimos una cantidad de corriente por una de sus patillas (base), el entregará por otra (emisor) , una cantidad mayor a ésta, en un factor que se llama amplificación.

Este factor se llama (beta) y es un dato propio de cada transistor.

Entonces: - Ic (corriente que pasa por la patilla colector) es igual a (factor de amplificación) por Ib (corriente que pasa por la patilla base). - Ic = * Ib - Ie (corriente que pasa por la patilla emisor) es del mismo valor que Ic, sólo que, la corriente en un caso entra al transistor y en el otro caso sale de él, o viceversa.

- Región de corte: Un transistor esta en corte cuando: corriente de colector = corriente de emisor = 0, (Ic = Ie = 0)

En este caso el voltaje entre el colector y el emisor del transistor es el voltaje de alimentación del circuito. (como no hay corriente circulando, no hay caída de voltaje). Este caso normalmente se presenta cuando la corriente de base = 0 (Ib =0)

- Región de saturación: Un transistor está saturado cuando: corriente de colector = corriente de emisor = corriente máxima, (Ic = Ie = I máxima)

En este caso la magnitud de la corriente depende del voltaje de alimentación del circuito y de las resistencias conectados en el colector o el emisor o en ambos.

La saturación se produce porque la intensidad de Base es lo suficientemente grande como para que las otras no puedan aumentar más de forma proporcional como correspondería en la zona activa. De ahí que también se dice que la en saturación es un valor muy inferior respecto al de activa.

- Región activa: Cuando un transistor no está ni en su región de saturación ni en la región de corte entonces está en una región intermedia, la región activa.



En esta región la corriente de colector (Ic) depende principalmente de la corriente de base (Ib) y de (ganancia de corriente de un amplificador, es un dato del fabricante) y se mantiene esa proporcionalidad.

Esta región es la mas importante si lo que se desea es utilizar el transistor como un amplificador.

Viendo el símbolo, tenemos tres posibles tensiones en un transistor: entre emisor y base, entre colector y emisor y entre base y colector. Las más importantes son las dos primeras.

La VBE tanto en activa como en saturación es de unos 0,6V. La tensión VCE en saturación es muy próxima a cero (apenas alguna décima de V.) y en activa es de un valor de varios Voltios.

Entre los encapsulados están:

- El TO-92: Este transistor pequeño es muy utilizado para la amplificación de pequeñas señales. La asignación de patitas (emisor - base - colector) no está estandarizado, por lo que es necesario a veces recurrir a los manuales de equivalencias para obtener estos datos.

- El TO-18: Es un poco más grande que el encapsulado TO-92, pero es metálico. En la carcasa hay un pequeño saliente que indica que la patita más cercana es el emisor. Para saber la configuración de patitas es necesario a veces recurrir a los manuales de equivalencias.

- El TO-39: tiene le mismo aspecto que es TO-18, pero es mas grande. Al igual que el anterior tiene una saliente que indica la cercanía del emisor, pero también tiene la patita del colector pegado a la carcasa, para efectos de disipación de calor.

- El TO-126: Se utiliza mucho en aplicaciones de pequeña a mediana potencia. Puede o no utilizar disipador dependiendo de la aplicación.

Se fija al disipador por medio de un tornillo aislado en el centro del transistor. Se debe utilizar una mica aislante

- El TO-220: Este encapsulado se utiliza en aplicaciones en que se deba de disipar potencia algo menor que con el encapsulado TO-3, y al igual que el TO-126 debe utilizar una mica aislante si va a utilizar disipador, fijado por un tornillo debidamente aislado.

- El TO-3: este encapsulado se utiliza en transistores de gran potencia. Como se puede ver en el gráfico es de gran tamaño debido a que tiene que disipar bastante calor. Está fabricado de metal y es muy normal ponerle un "disipador" para liberar la energía que este genera en calor. Este disipador no tiene un contacto directo con el cuerpo del transistor, pues este estaría conectado directamente con el colector del transistor (ver siguiente párrafo). Para evitar el contacto se pone una mica para que sirva de aislante y a la vez de buen conductor térmico.

El disipador de fija al transistor con ayuda de tornillos adecuadamente aislados que se introducen el los orificios que estos tienen. En el transistor con encapsulado TO-3 el colector esta



directamente conectado al cuerpo del mismo (carcasa), pudiendo verse que sólo tiene dos pines o patitas.

Estas patitas no están en el centro del transistor sino que ligeramente a un lado y si se pone el transistor como se muestra en la figura, al lado izquierdo estará el emisor y la derecha la base.

En cuanto a encapsulado SMD el que más se emplea para transistores es el SOT23, con unas medidas de 51 milésimas de pulgada de ancho, 115 de largo, 37 de grosor

4.4. Transistores Unipolares: FET. MOSFET.

Con los transistores bipolares observábamos como una pequeña corriente en la base de los mismos se controlaba una corriente de colector mayor. Los Transistores de Efecto de Campo son dispositivos en los que la corriente se controla mediante tensión. Cuando funcionan como amplificador suministran una corriente de salida que es proporcional a la tensión aplicada a la entrada. Características generales:

Por el terminal de control no se absorbe corriente. Una señal muy débil puede controlar el componente La tensión de control se emplea para crear un campo eléctrico

Se empezaron a construir en la década de los 60. Existen dos tipos de transistores de efecto de campo los JFET (transistor de efecto de campo de unión) y los MOSFET. Los transistores MOS respecto de los bipolares ocupan menos espacio por lo que su aplicación más frecuente la encontramos en los circuitos integrados. Es un componente de tres terminales que se denominan: Puerta (G, Gate), Fuente (S, Source), y Drenaje (D, Drain). Según su construcción pueden ser de canal P o de canal N. Sus símbolos son los siguientes:

Símbolo de un FET de canal N Símbolo de un FET de canal P

Los parámetros que definen el funcionamiento de un FET se observan en la siguiente figura:

Parámetros de un FET de canal N Parámetros de un FET de canal P



La curva característica del FET define con precisión como funciona este dispositivo. En ella distinguimos tres regiones o zonas importantes:

Zona lineal.- El FET se comporta como una resistencia cuyo valor depende de la tensión VGS.

Zona de saturación.- A diferencia de los transistores bipolares en esta zona, el FET, amplifica y se comporta como una fuente de corriente controlada por la tensión que existe entre Puerta (G) y Fuente o surtidor (S) , VGS.

Zona de corte.- La intensidad de Drenador es nula.

Las principales aplicaciones de este tipo de transistores se encuentra en la amplificación de señales débiles.

En las hojas de características de los fabricantes de FETs encontrarás los siguientes parámetros (los más importantes):

VGS y VGD.- son las tensiones inversas máximas soportables por la unión PN.

IG.- corriente máxima que puede circular por la unión puerta - surtidor cuando se polariza directamente.

PD.- potencia total disipable por el componente.

IDSS.- Corriente de saturación cuando VGS=0.

IGSS.- Corriente que circula por el circuito de puerta cuando la unión puerta - surtidor se encuentra polarizado en sentido inverso.

El FET controla el paso de corriente entre el terminal surtidor(source) y el terminal drenador (drain) mediante un campo electrostático aplicado a un electrodo circular envolvente, terminal compuerta(gate), el cual se expande o contrae proporcionalmente al voltaje aplicado, para ensanchar o reducir el conducto imaginario que se forma en el material semiconductor empleado como canal central del cilindro semiconductor de la compuerta de control. Las muchas o pocas cargas negativas se dispersan por el núcleo en una distribución, que rechazan el paso de las cargas eléctricas de igual signo que conforman la corriente principal entre el surtidor y el drenaje, por el principio de que cargas eléctricas iguales se repelen, y forzando la corriente a circular sólo por el centro del núcleo semiconductor, el cual como se puede deducir es de solamente un tipo de material semiconductor n o p, este factor de por si diferencia en cierta medida a un FET de un transistor bipolar. Por lo que, un FET ( Field-effect transistor ), es un dispositivo amplificador en el cual los portadores de corriente (electrones) son inyectados a un terminal ( surtidor, source ) y pasan a otro( drenaje ) a través de un canal semiconductor cuya resistividad depende de una región de estrangulamiento (depletion region) motivada por la acción del campo eléctrico conectado al terminal de control (Compuerta, gate). La region de estrangulamiento(campo de fuerza de los portadores minoritarios) se produce al rodear el canal con un material semiconductor de conductividad opuesta y polarizando inversamente la unión PN resultante, mediante el terminal gate. La profundidad de la región de estrangulamiento depende de la magnitud de la polarización inversa.



MOSFET (Metal Óxido Semiconductor). Existen dos tipos: Los de empobrecimiento y los de enriquecimiento. Los de empobrecimiento funcionan igual que los JFET con la única diferencia de que no entra corriente por la puerta puesto que está aislada con la capa de óxido. En los de enriquecimiento, no existe canal de paso de corriente desde D a S y por lo tanto hay que crearlo polarizando adecuadamente la puerta. Si el canal que hay que crear es P, entonces la puerta se conectará a negativo pues así la carga inducida será positiva. Si el canal es N, entonces se conectará la puerta a positivo para inducir carga negativa en el canal.



TEMA 3: CIRCUITOS RESISTIVOS DE CORRIENTE CONTINUA. 1.- FUENTE DE TENSIÓN. Se denominan así a los generadores de tensión eléctrica, capaces de mantener una diferencia de potencial en sus extremos, independientemente de la carga conectada (fuente ideal). La fuente real, sin embargo proporciona una corriente que depende del valor de la carga, puesto que toda fuente de tensión tiene resistencia interna.

2.- CONCEPTOS BÁSICOS. Rama.- Conjunto de elementos (tanto receptores como generadores) que se encuentran en serie en un circuito. Nudo.- Punto de unión de, al menos, tres ramas. Lazo.- Conjunto de ramas que forman un circuito cerrado. Malla.- lazo que no contiene ramas en su interior. 3.- LEYES DE KIRCHOFF. 1ª ley: En todo nudo de un circuito eléctrico la suma algebraica de las corrientes que en él concurren es igual a cero. (Suma de las corrientes entrantes = suma de las corrientes salientes) 2ª ley: En toda malla, la suma algebraica de las tensiones de la misma es igual a cero. (Suma de las tensiones proporcionadas por los generadores = suma de las caídas de tensión en las resistencias) 4.- CIRCUITOS RESISTIVOS REDUCIBLES A UNA SOLA MALLA. Cuando el conjunto de resistencias se conecta a una fuente de tensión, circulará una corriente eléctrica cuyo valor se determina por la ley de Ohm. Al pasar corriente por una resistencia se crea en los extremos de la misma una d.d.p. que se conoce como caída de tensión. Si las resistencias están en serie la suma de las caídas de tensión en todas las resistencias será igual a la tensión total ( o tensión que proporciona el generador), mientras que la intensidad en cada resistencia será la misma. Si las resistencia están en paralelo la suma de todas las intensidades que circulan por las resistencias será igual a la intensidad total ( la que proporciona el generador) mientras que la tensión en cada resistencia será la misma.



Si hay resistencias en serie y otras en paralelo se tendrá en cuenta lo citado en los dos párrafos anteriores dependiendo de la colocación de las mismas. En cualquier circuito se cumple que la suma de las potencias cedidas por los generadores, coincide con la suma de las potencias consumidas en los receptores. Este principio no es más que el de conservación de la energía y se le conoce como balance de potencias. Veamos todo esto en un ejemplo de cálculo de intensidades, caídas de tensión y potencias disipadas.

5.- POLARIDAD DE LAS CAÍDAS DE TENSIÓN. Cuando desea averiguarse la polaridad (signo) de una caída de tensión además del valor de la misma, es necesario conocer el sentido de la corriente eléctrica en el circuito ó en la rama en cuestión. Para ello es necesario establecer un convenio de signos. El sentido real de la corriente es el de los electrones en movimiento, por tanto va del – al +. Sin embargo es habitual emplear el sentido convencional que es de + a – (y será el que utilizaremos en todos los ejercicios) . Si el circuito sólo tiene una fuente, es sencillo conocer el sentido de la corriente. Pero cuando hay varias, tomaremos un sentido cualquiera y veremos si es o no coherente con las fuentes, llegando siempre a averiguar el sentido antes de realizar cálculos de tensiones.

Veamos un ejemplo. En el circuito de la izquierda tomamos un sentido arbitrario para la corriente: por ejemplo el de las agujas del reloj, tal como se muestra. Siguiendo el sentido convencional, vemos que éste no es coherente con la fuente de 12V, ni con la de 3V, pero sí con la de 9V, por lo que haremos: -12 – 3 + 9 = -6V. Al resultar negativo el valor, concluiremos que la corriente circula al contrario de cómo se ha dibujado. Con lo cual la dibujaremos correctamente antes de comenzar los cálculos. I = Vtotal / Rtotal = 6V. / 4K = 1,5 mA

V(V) I (mA) P (mW)

R1 6 3 18

R2 4 2 8

R3 2 2 4

R4 6 1 6

Pgenerada = 12V·3mA = Pconsumida = 36mW



Si deseamos ahora calcular los ejemplo la tensión entre a y c, iremos de un punto a el otro a través de cualquier camino, el más corto es a través del punto b. Siempre que nos encontremos generadores y resistencias, lo haremos por separado: Vac = Vab + Vbc. La tensión entre a y b nos la proporciona el generador o fuente de 12V. y su signo también pues vemos que el punto a está conectado al positivo de la misma, por lo que la tensión de 12V será positiva. (Si nos pidieran Vba sería negativa). La tensión entre b y c es la caída en la resistencia de 2K, con lo cual, para saber la polaridad ó signo será necesario conocer el sentido de la intensidad de corriente que circula por la misma. Hemos deducido antes que va de c a b, por lo que la tensión Vbc será negativa (mientras que Vcb sería positiva). Por lo tanto: ( ) .925,112 VKmAVVac =+= 6.- CIRCUITOS DE VARIAS MALLAS. Cuando un circuito tiene generadores en diferentes ramas, dicho circuito no se puede reducir a una sola malla, por lo que, para poder realizar cálculos en el mismo, será necesario emplear otro método diferente de los vistos hasta ahora. Existen varios métodos, pero tan sólo estudiaremos el método de las mallas que es un método adecuado para cualquier tipo de circuito. Como ejemplo de circuitos de varias mallas véanse los del ejercicio 3 del guión de este tema. El método de las mallas consiste en aplicar la segunda ley de Kirchoff a todas las mallas del circuito, formándose así un sistema de ecuaciones. Una forma de aplicar el método de las mallas consiste en tomar intensidades ficticias o de malla, calculando éstas para que el sistema tenga manos ecuaciones y una vez resuelto el sistema, calcular las auténticas intensidades de rama. Para aplicar este método no es necesario conocer el sentido de las corrientes (al contrario que en el punto anterior). Se tomarán sentidos cualesquiera y tras resolver las ecuaciones, se deducirán los sentidos correctos (los de las corrientes cuyos valores resulten positivos). Se va a aplicar el método al circuito siguiente en el que se han nombrado las intensidades ficticias con letras minúsculas para distinguirlas de las de rama que son las que queremos calcular. El planteamiento será: Malla1: )21(211512 iiKiKVV += Malla2: )12(22345 iiKiKVV += De este sistema se deducen los valores de i1 e i2.



Para calcular los valores de las intensidades habrá que hacer: I1 = i1 I2 = i2 I3 = i1 – i2 El alumno deberá resolverlo como ejercicio, deduciendo también el sentido correcto de las corrientes que circulan por el circuito. 7.- Teorema de Thevenin. Dice que cualquier circuito activo (el que tiene generadores) con dos terminales accesibles A y

B, es reducible a una sola fuente y una sóla resistencia. La fuente tendrá un valor igual al de la tensión entre ambos puntos, en circuito abierto (llamada tensión Thevenin). La resistencia tendrá un valor igual al que resulte de dejar el circuito como pasivo (sin fuentes), calculando la resistencia “desde” dichos puntos y dejándolos abiertos. 8.- Averías en circuitos resistivos. En general las averías que se pueden producir en los circuitos resultan de circuitos abiertos en dispositivos como en las resistencias quemadas, ó bien de cortocircuitos producidos entre conductores ó por ejemplo entre soldaduras próximas. En el caso de producirse circuitos abiertos, la corriente que circulará por dicho dispositivo será nula, mientras que la caída de tensión en el dispositivo defectuoso, deberá calcularse pues dependerá del resto de los dispositivos. En el caso de producirse cortocircuitos, la tensión será cero y la corriente que circula por el corto dependerá del resto de los dispositivos.

I1

I3

I2

i1 i2



Cuando se pretenden detectar averías en un circuito electrónico, se suele emplear el polímetro y el osciloscopio. En la mayor parte de los casos podremos acceder únicamente a medir tensiones pues para medir corriente sería necesario abrir el circuito. También en la mayoría de los casos al producirse una avería, el valor medido con avería respecto al valor que debería medirse sin la avería cambia drásticamente. En caso de que se tengan que realizar cálculos en circuitos con averías, si conocemos el dispositivo que está en corto, lo sustituiremos por un simple hilo conductor y se realizarán los cálculos de esta forma. Si el dispositivo estuviese abierto, se sustituirá el dispositivo por un circuito abierto, realizando los cálculos en el nuevo circuito. En ambos casos el circuito con avería resulta siempre más simplificado respecto al original sin avería.



TEMA 4: CORRIENTE ALTERNA

1.- Valores fundamentales de la corriente alterna. La corriente eléctrica es alterna cuando los electrones van cambiando de sentido de forma alternativa. La corriente alterna comercial cambia de sentido y de valor de forma periódica. Para identificarla se emplean ciertos valores fundamentales que analizamos a continuación: Periodo: Es el tiempo de duración de un ciclo. En un semiciclo la corriente lleva un sentido (+) y en el otro, lleva sentido contrario (-). La corriente alterna comercial tiene un periodo de 20 ms.

Frecuencia: Es el número de ciclos que se repiten en un segundo. Por lo tanto f = 1/T. Se mide en Hertzios (Hz) Valor máximo ó de pico (Vp): es el mayor de todos los valores que toma la tensión ó corriente en un ciclo. Valor de pico a pico: es el valor existente entre el pico + y el – (Vpp). Si la señal es pura, entonces es igual a dos veces el valor de pico. Valor medio: es la media aritmética de todos los valores de un ciclo. Si la señal es pura, el valor medio será cero. Si no lo es, el valor medio coincidirá con el nivel de continua. Valor eficaz (Vef ó Vrms): es el valor con el que se define una tensión ó corriente alterna. Su significado físico es el de un valor de continua que aplicado sobre una misma resistencia disipara la misma cantidad de calor que el equivalente de alterna. Valor instantáneo: es el valor que toma la señal en un instante cualquiera. El valor medido con el polímetro es el correspondiente al valor eficaz. Mientras a que si se está visualizando la señal en un osciloscopio, lo que se puede medir es el valor de pico y el de pico a pico, no el eficaz. Por otro lado, con el polímetro, si disponemos de frecuencímetro, se mediría la frecuencia, por el contrario, en el osciloscopio podríamos medir el periodo, no la frecuencia.



2.- Componentes pasivos en corriente alterna.

2.1. Funcionamiento en alterna de la bobina y el condensador. La resistencia se comporta de forma prácticamente igual en continua que en alterna, siempre

que la frecuencia de ésta no sea excesivamente elevada. Sin embargo la bobina y al condensador “aparentemente” funcionan de distinta forma en alterna y en continua.

Considerando en primer lugar al condensador, es necesario recordar que este requiere cierto tiempo de carga, como la corriente alterna cambia de sentido, el condensador está constantemente cargándose en un sentido y en otro. Cuanto mayor sea la frecuencia, este proceso se hace más rápidamente, con lo cual el condensador apenas llega a almacenar carga y más fácilmente puede cambiar de polaridad. Se dice en este caso que el condensador presenta menos “reactancia” al paso de la corriente y todo ocurre “como si” circulara corriente a través del mismo (lo cual no es posible como ya sabemos).

En cuanto a la bobina, sabemos que en ella mientras circule corriente, se crea un campo magnético. En el momento de invertirse la polaridad, el campo magnético produce una fuerza contraelectromotriz que tiende a oponerse a esa inversión, con lo cual manifiesta cierta reactancia al paso de la corriente (no como en continua, cuyo comportamiento es similar al de un simple conductor), de forma que cuanto mayor sea la frecuencia, mayor será la oposición que manifiesta la bobina pues ésta no alcanza el régimen permanente del que se habló al tratar el comportamiento de los componentes en corriente continua.

2.2. Reactancias. Desfases. Según lo visto en el apartado anterior, la bobina y el condensador son elementos reactivos, es decir presentan cierta reactancia al paso de la corriente alterna. Con esta denominación se distingue entre elementos resistivos, cuyo valor en ohmios no depende de la frecuencia de la corriente alterna y elementos reactivos cuyo valor depende de la frecuencia. La reactancia se mide en ohmios y las expresiones utilizadas para averiguar el valor correspondiente son las siguientes:

- Reactancia capacitiva: fC

Xc2

1=

- Reactancia inductiva: fLXL 2=

En ambas expresiones, se emplea la letra X para distinguir reactancia de resistencia pues ambas empiezan por la misma letra y se obtienen ohmios cuando la frecuencia está en Hertzios, la Capacidad en Faradios y el coeficiente de autoinducción de la bobina (L) en Henrios. Con motivo de los efectos producidos en la bobina y en el condensador en presencia de corriente alterna, se produce un desfase entre la tensión alterna aplicada y la corriente que fluye por dichos elementos. Este fenómeno no se produce en la resistencia, por lo que se dice que no desfasa y por tanto si sólo hubiese una resistencia en un circuito de alterna , la tensión y la corriente irían en fase. El condensador desfasa 90º, provocando un retraso de la tensión respecto a la intensidad. La bobina desfasa 90º, provocando un retraso de la intensidad respecto a la tensión. Para distinguirlos, al desfase provocado por el condensador se le considera negativo, mientras que al de la bobina, se le considera positivo.



La reactancia por tanto es una magnitud vectorial pues tendrá un módulo que viene dado por la correspondiente fórmula expresada con anterioridad y un ángulo, que será el desfase. Por ello puede representarse vectorialmente, o bien como un número complejo

2.3. Impedancia. En general un circuito de alterna contendrá resistencias, bobinas y condensadores, por lo que tendrá una resistencia total y una reactancia total. La reactancia total será la resultante de los elementos reactivos. La impedancia por lo tanto es la resultante de todos los elementos resistivos y reactivos, por lo que se trata de una magnitud vectorial con un módulo que se expresará en ohmnios y un ángulo que representará el desfase resultante y que estará comprendido entre 0 y 90º ó bien entre 0 y –90º. 2.4. Diagramas vectoriales. Al emplearse magnitudes vectoriales en c.a., suele ser útil realizar la representación gráfica de las mismas. Para ello se tomarán dos ejes: el horizontal es el eje real y el vertical el eje imaginario.

Por lo tanto los elementos resistivos se representan en el eje real y los reactivos en el imaginario. La reactancia inductiva siempre será un vector sobre el eje imaginario “hacia arriba” y la capacitiva, “hacia abajo puesto que la primera desfasa 90º y la segunda –90º. La resultante será la impedancia que será la hipotenusa del llamado “triángulo de impedancias”. De forma similar puede construirse un diagrama vectorial con los vectores intensidad y tensión en cada componente. En los circuitos serie de c.a. suele ser

habitual dibujar el vector intensidad en el eje real y los demás con el correspondiente desfase respecto a este, con ello resulta un diagrama similar al de impedancias. Por último también se puede obtener el de potencias, si se toma como origen de fases la intensidad, nuevamente resulta un diagrama similar. 3.- Circuitos de corriente alterna. 3.1. Circuito RLC. En general los circuitos de alterna estarán formados por resistencias, bobinas y condensadores.



La reactancia total será la resultante de la reactancia capacitiva e inductiva y será un vector que siempre estará a ±90º respecto al eje real. Será a +90º cuando la reactancia inductiva sea mayor que la capacitiva (el circuito se dice que es inductivo) y será –90º cuando la reactancia inductiva sea menor.

3.2. Resonancia serie. Características del circuito resonante.

En el caso particular, que se produce a una determinada frecuencia, de que las reactancias inductiva y capacitiva sean iguales, la reactancia total será nula, por lo que el circuito es resistivo y se denomina resonantes o sintonizado. El circuito resonante tiene un desfase total igual a cero. La tensión y la intensidad van en fase. Hay condensador y bobina pero se contrarrestan sus efectos por lo que todo pasa como si solo hubiera resistencia. La impedancia total es mínima. La intensidad es máxima.

3.3. Potencia en corriente alterna.

Potencia activa: P = V . I . cos . Se mide en Watios. Potencia reactiva: Q = V . I . sen . Se mide en Voltiamperios reactivos. Potencia aparente: S = V . I . Se mide en Voltiamperios.



TEMA 6: FUENTES DE ALIMENTACIÓN LINEALES. 1.- ELEMENTOS BÁSICOS DE UNA FUENTE DE ALIMENTACIÓN. Se denominan así a los circuitos electrónicos que realizan la función de pasar una señal alterna a continua. La mayor parte de los equipos electrónicos funcionan con c.c. por lo que la fuente de alimentación es imprescindible ( excepto si puede ser alimentado con pilas ó baterías pues éstas también proporcionan continua como las fuentes ). Las fuentes de alimentación lineales tienen un rendimiento bajo ya que en caso de que a la salida se consuma poca potencia, la potencia total absorbida de la red la consumen en su mayor parte los componentes de la fuente. Sin embargo las fuentes de alimentación conmutadas, como su nombre indica, trabajan con sus componentes en conmutación por lo que éstos consumen muy poca potencia, siendo, por tanto más eficientes pues la potencia absorbida de la red es la que consume el equipo que se esté alimentando. En este tema se verán sólo las fuentes lineales dejando las conmutadas para el tema de electrónica de potencia. En general las tensiones de alimentación suelen ser de pocos voltios, por lo que se precisa en principio un transformador que reduzca la tensión de red a otra menor. A la salida de un transformador la señal sigue siendo alterna por lo que se precisa de un rectificador con diodos, para conseguir una señal pulsatoria. A la salida del rectificador irá un filtro con el fin de que la señal pulsatoria sea más parecida a la continua. Y a la salida del filtro irá un regulador que permite reducir el rizado y estabilizar la señal dejándola prácticamente continua.

1.1. Rectificadores.

- De media onda: Está formado por un simple diodo que conduce y se bloquea de forma alternativa en cada semiciclo de la señal. Con lo cual a la salida del mismo se obtiene una señal pulsatoria de media onda.

- De onda completa: Puede realizarse con dos diodos (siendo preciso en este caso un

transformador con toma intermedia) ó con cuatro en puente. Al conducir alternativamente la señal será pulsatoria de onda completa ó de doble onda.



1.2. Filtrado por condensador.

Al colocar un condensador a la salida del rectificador, éste se carga rápidamente a través del diodo ó diodos que conducen, sin embargo se descarga lentamente a través de la carga (que será de un valor muy superior al de la pequeña resistencia equivalente a un diodo que conduce), con lo cual se obtiene una señal típica con un determinado rizado. Éste es mayor cuanto mayor sea la intensidad que circula, pero menor cuanto mayor sea la capacidad del condensador.

1.3. Formas de onda típicas. Valores de tensión media y eficaz.

FORMA DE ONDA VALOR EFICAZ VALOR MEDIO ALTERNA

2/Vp 0

PULSATORIA MEDIA ONDA

2/Vp /Vp

PULSATORIA ONDA COMPLETA

2/Vp /2Vp

1.4. Estabilizador. En las fuentes de alimentación clásicas el elemento estabilizador era un diodo Zéner puesto en paralelo con la salida. Debido a las propiedades del Zéner, aunque la salida demandara más ó menos corriente (siempre entre unos determinados límites de corriente mínima y máxima) la corriente restante era absorbida por el Zéner sin que variara casi la tensión de salida de la fuente. Para conseguir mejor regulación se incluían varios transistores, básicamente uno en serie que absorbía la caída de tensión “sobrantes” controlado por otro que actuaba de comparador. En



la actualidad se utiliza tan sólo un regulador integrado cuyo circuito interno dispone de transistores y Zéner permitiendo una muy buena regulación y un pequeñísimo rizado de salida.

2.- REGULADORES DE TENSIÓN FIJA. 2.1. Reguladores de tensión fija positiva (serie 78XX). Son dispositivos de tres terminales (E=entrada; S=salida y C=común, siendo su patillaje repectivamente: E,C,S). Entre las patillas S y C mantienen la tensión indicada por XX. Existen unas tensiones normalizadas: 5, 6, 8, 12, 15, 18 y 24V. Todos disponen de protección frente a cortocircuitos en la salida. Existen cuatro tipos: los de baja corriente que proporcionan hasta 100mA y se identifican con la letra L colocada en medio: por ej. 78L05. Los de mediana corriente, hasta 500mA, con una M. Los de 1 Amperio que no llevan letra intermedia. Y los de alta corriente, que proporcionan hasta cinco Amperios, pero sólo disponibles para 5, 12 y 18 V. La intensidad que entra por el terminal E es casi la misma que sale por S, puesto que sólo se derivan unos 4 mA por el terminal común. Para un correcto funcionamiento del regulador la tensión de entrada al mismo tiene que ser, al menos, tres Voltios mayor que a la salida, siendo como máximo de 35V. 2.2. Reguladores de tensión fija negativa. Todo lo anterior es válido para estos reguladores, con la diferencias de que estos se identifican por el 79, su patillaje es E, S, C y la tensión entre S y C tiene polaridad contraria al anterior. 2.3. Fuente fija regulada. Para realizar una fuente con una tensión de salida fija, la solución más cómoda consiste en utilizar un regulador de la serie 78 ó 79 a la salida de la fuente tras el transformador, rectificador y filtro. Habrá que tener en cuenta lo siguiente (dimensionado adecuado de todos los componentes):



- La tensión de salida de la fuente deberá coincidir con la del regulador. - Se calculará la mayor corriente que va a proporcionar la fuente para elegir el tipo de

regulador correspondiente. - El condensador de filtro deberá tener capacidad suficiente para que no haya excesivo

rizado en la entrada del regulador que haga disminuir demasiado esa tensión y por lo tanto que no funcione correctamente.

- Los diodos del rectificador deberán aguantar la intensidad que vaya a circular por ellos que será algo mayor a la máxima que vaya a proporcionar la fuente.

- El transformador deberá dar en el secundario suficiente tensión. Habrá que empezar por la salida, teniendo en cuenta que al menos en la entrada del regulador se deberá tener tres Voltios más, además la caída de tensión en el rectificador (0,7V en cada diodo que conduce) y tener en cuenta que esa tensión será la de pico, por lo tanto se dividirá por raíz de dos para averiguar la tensión eficaz en el secundario del transformador.

2.4. Fuente variable con regulador de tensión fija. Si se desea realizar una fuente que proporcione una tensión ajustable ó variable a la salida, se emplearán otros reguladores como el 317. Sin embargo es posible realizarla de modo muy sencillo con uno de la serie 78 ó 79 sin más que colocar un potenciómetro en la patilla común (se dice que trabajan en masa flotante), pero no se podrá obtener a la salida una tensión inferior a la del regulador que se coloque. Ejemplo: Se desea tener una fuente de alimentación con salida ajustable entre 5 y 9V. y

corriente hasta 1Amperio.

Para realizarla, se empleará un 7805 pues la tensión mínima es precisamente de 5V. Ahora hay que calcular la resistencia que debe tener el potenciómetro. Para ello sabemos que se conectará a la patilla común por la que circulan siempre 4 mA. Con lo cual la caída de tensión máxima en él será de 9 – 5 = 4V. Así pues:

.14

.4. == K

mA

VRpot



2.5. Fuente simétrica.

Las fuentes simétricas son muy útiles para alimentar circuitos que contengan operacionales, ya que éstos requieren para muchas de sus aplicaciones, tensiones simétricas, es decir positiva y negativa respecto de un punto (masa). Para diseñar estas fuentes tan sólo habrá que colocar dos reguladores: uno de la serie 78 y otro de la serie 79, pero será imprescindible utilizar un transformador con toma intermedia, y a la salida del rectificador dos condensadores de filtro, uno para cada condensador teniendo precaución con la polaridad de los mismos. 3.- REGULADORES DE TENSIÓN VARIABLES. Se fabrican reguladores de tensión pensados para hacer fuentes variables, al contrario de las dos series estudiadas, pensadas para hacer fuentes fijas. Existe una gran variedad de reguladores variables, sin embargo vamos a centrarnos en los más populares.



3.1. LM 317, 338 y 350. Estos reguladores tienen también tres patillas tan sólo, diferenciándose entre ellos por la corriente que son capaces de proporcionar. Todos ellos llevan protección frente a cortocircuitos. El más empleado es el 317. La tensión entre la patilla de salida y la común es de 1,2V. La corriente que se deriva por la patilla común es de 50μA. La forma de realizar la fuente consiste en colocar un divisor de tensión formado por dos resistencias: una conectada entre la salida y el común y otra entre el común y masa (el modo de funcionamiento vemos que es siempre en masa flotante ya que el común no va directamente a masa).



TEMA 7.- CIRCUITOS IMPRESOS

1.- Tipos de placas.

1.1. Materiales empleados: baquelita, fibra de vidrio.

El material más empleado hoy en día es la fibra de vidrio. La baquelita se utilizaba hace años por su precio, aunque presentaba el inconveniente de ser más quebradiza. El grosor de la placa más empleado es de 1,6 mm., aunque hay grosores inferiores.

1.2. Placas presensibilizadas: positivas, negativas. Placas de más de una cara. Encima de la fibra de vidrio está la capa de cobre que puede ser de 30 ó 70 micras. Sobre ésta

puede llevar una emulsión fotosensible, es el caso de las placas presensibilizadas que se emplean para realizar placas de circuito impreso empleando el procedimiento fotográfico. La emulsión puede eliminarse cuando le da la luz, en este caso la placa es positiva. En caso de que la emulsión se endurezca cuando le da la luz, la placa es negativa.

La emulsión puede venir por ambas caras (placas de doble cara) o por una (simple cara). También hay placas multicapa, que llevan lámina de cobre embutida en la fibra de vidrio).

2.- Fases de la fabricación de un circuito impreso.

El procedimiento manual positivo consiste en dibujar a mano las pistas (zonas de conexión entre patillas de componentes) y los nodos o pads (puntos donde irán soldadas las patillas o pines) a tinta en acetato o papel vegetal. Para ello partiremos siempre del esquema del circuito y pensaremos en la disposición de los componentes sobre la placa, conociendo siempre el tamaño del componente y la distancia entre patillas. Se puede emplear también el diseño por ordenador (por ej. ORCAD) en cuyo caso habrá que emplear acetato apto para impresora láser. El siguiente paso consiste insolar la placa, para ello se coloca el acetato sobre la emulsión y se insola unos tres minutos (cuatro si es papel vegetal). Transcurrido este tiempo la emulsión se podrá eliminar con ayuda del revelador, mientras que no se eliminará la emulsión de la zona que ha estado protegida por la tinta. Una vez revelada, se prepara el ácido que es el que va a atacar al cobre. En nuestro caso se utiliza ácido clorhídrico y agua oxigenada a partes iguales.

3.- Normas de montaje de componentes: formas de colocación, estética. Si el procedimiento que se va a utilizar es el manual, conviene disponer de una plantilla pulgametrada, es decir dividida en décimas de pulgada pues precisamente la distancia entre los pines de un circuito integrado y de muchos otros componentes es un múltiplo exacto de esta medida. Se tratará de realizar el diseño más sencillo posible, cuanto más cortas sean las pistas y más simple la distribución de componentes mejor. No se realizarán pistas con ángulos de 90º, se emplearán ángulos de 45º.

Los puntos de soldadura serán círculos o bien óvalos de suficiente grosos como para dejar cobre una vez se haya realizado el taladro para introducir la patilla.



El ancho de las pistas dependerá de la intensidad que vaya a circular por ella. Se tendrá en cuenta que 0,8 mm. puede soportar hasta 2Amperios y 2 mm unos 5 A.

No se dispondrán pistas entre los bordes de la placa y los puntos de soldadura de terminales de entrada, salido o alimentación, exceptuando la pista de masa. 4.- Trazado de pistas: por ordenador; forma manual. Normas de trazado. Tamaño de pistas y nodos. Si se emplea el diseño por ordenador habrá que seguir los pasos que correspondan a la aplicación elegida, ,por ejemplo Orcad. En caso de realizarlo de forma manual se tendrá especial cuidado con el tamaño de las pistas, de los pads, con la distancia entre pads y todo ello realizarlo con rotulador permanente negro con el fin de proteger perfectamente esas zonas. Habrá que asegurarse de que al trazar las pistas ha quedado suficientemente cubierto con el rotulador. Además cuando se vaya a colocar el acetato o el papel vegetal en la placa se realizará colocando la zona que ha sido dibujada en contacto con la zona fotosensible y no al revés pues en tal caso saldrá mal la placa. El tamaño de las pistas irá en función de la corriente que vaya a circular pero no es conveniente realizar pistas por debajo de 0,4 mm. En cuanto a los pads conviene que sean al menos el doble de anchos que la pista que llega al mismo., pero ya se ha dicho que esto estará en función del grosor de la patilla a taladrar en el mismo. 5.- Taladrado de la placa. Herramientas necesarias: granete, taladrín, brocas. El taladrado se puede hacer automáticamente en una taladradora automática, pues las aplicaciones informáticas de diseño de circuitos impresos generan un fichero de taladrado. Tendrá que tenerse cuidado a la hora de elegir el origen de coordenadas en el mismo. Si se va a taladrar a mano, conviene primero granetear los nodos o pad para que la broca no resbale. Los taladrines empleados en la forma manual se alimentan a 12 V. y suelen calentarse si se realizan muchos taladros, teniendo que dejarlos enfriar de vez en cuando. Las patillas de las resistencias de 1/4W suelen tener unos 0,7 mm de grosor por lo que habrá que emplear broca de este grosor, así como para las patillas de los integrados. Se puede emplear también broca de 1mm. Para los espadines y los potenciómetros se empleará broca de 1,25mm y para realizar los taladros en los extremos de la placa para los soportes, de 3mm. 6.- Eliminación del cobre. Protección de las pistas. 6.1. Productos empleados. Fase de revelado en la técnica fotosensible. Para la eliminación de la emulsión fotosensible se utiliza revelador líquido. Existen en el mercado distintos tipos. Actualmente la mayoría vienen en bolsitas, en forma de polvo. Este polvo se echará en agua y se agitará hasta su perfecta disolución. En general cada sobre viene preparado para un litro de agua. Una vez revelada una placa el revelador puede volverse a utilizar varias veces más a no ser que esté muy saturado. En cuanto a la eliminación del cobre ya se ha citado el ácido o atacador rápido, pero también se puede utilizar el cloruro férrico que es algo más lento pero menos corrosivo. 7.- Soldadura de componentes. Comprobación de pistas y soldaduras. Para soldar los componentes, se utilizará un soldador de al menos 15W de punta fina. Se empleará estaño con alma de resina. Realmente es una aleación de estaño-plomo (60-40%). El plomo desde julio de 2006, por Ley, no debe utilizarse, por lo que se ha de emplear estaño con un 3% de plata. El problema es que el coste de éste casi se duplica y además necesita más temperatura para fundir (al menos 40ºC más) con lo cual el soldador tendrá que se de 25W al menos. Se colocará el estaño sobre el pad., la patilla y el estaño y se calentará el tiempo imprescindible para que funda para no sobrecalentar



al componente. Una vez realizadas todas las soldaduras conviene comprobarlas con el polímetro (comprobación de continuidad), para ello antes se debe lijar ligeramente las pistas con estropajo de aluminio para eliminar de las mismas la emulsión fotosensible que aún no se ha ido del cobre. Para finalizar y realizar un acabado más profesional, se puede realizar la serigrafía de componentes que consiste en marcar, por la cara de componentes el contorno de los mismos. Este proceso no se suele realizar de forma manual por su dificultad, por ello no realizaremos este último paso. Para realizar las conexiones a la alimentación o a otros componentes como altavoces, etc., se pueden colocar espadines que están pensados para conectar en ellos los “faston” . También pueden conectarse conectores o clemas para circuito impreso. Cada vez se realizan menos placas de circuito impreso por este procedimiento tradicional de taladrado de la placa, actualmente la mayor parte de las placas son de montaje superficial (tecnología SMD o SMT), en la misma los componentes van soldados sobre la placa sin necesidad de realizar taladros, si bien puede haberlos si se necesita la conexión con alguna de las capas intermedias (en el caso de multicapa). Para este procedimiento es necesario emplear componentes cuyo patillaje y encapsulado sea específico para ello. El tamaño de los componentes es mucho menor y por lo tanto también lo son las patillas y la distancia entre las mismas, por lo que se necesita mucha precisión para realizar este tipo de montaje, por ello casi exclusivamente se realiza mediante procedimientos automatizados.



TEMA 8.- CIRCUITOS CON TRANSISTORES.

1.- El transistor bipolar en conmutación. Como ya se vio en el primer tema, el transistor puede funcionar en conmutación o bien como amplificador. Para que funcione como conmutador debe pasar del estado de corte al de saturación y viceversa bien de forma automática o a partir de una señal externa.

La condición de saturación es que la unión de base-emisor esté polarizada directamente y también la de base-colector. La condición de corte es que la unión de base emisor esté polarizada inversamente. Recordemos que la de activa (para amplificación) era la de base-emisor directamente y la de base-colector inversamente. Cuando el transistor está en corte las corrientes son

nulas, pero las tensiones en el transistor son desconocidas, tan

solo es seguro que entre la base y el emisor la tensión será

cero o negativa (en caso de un PNP: cero o positiva). Cuanto

está en saturación la VBE estará próxima a 0,6V. y la VCE

próxima a cero. Recordemos que en activa la VBE es la misma

que en saturación y la VCE será de varios voltios (ni próxima

a cero ni a la Vcc).

En zona activa el transistor funciona de modo que cuanto mayor sea la intensidad de Base, mayores serán las intensidades de Colector y Emisor. Existirá por tanto una proporcionalidad entre estas intensidades que viene expresada por la ganancia de corriente en continua, conocida como = IC/IB (o también hFE). Este valor no es constante y varía según las condiciones de funcionamiento. Pero en general se puede decir que es del orden de varios cientos cuando el transistor trabaja en zona activa. Si la IB aumenta mucho, llega un momento en que el transistor no es capaz de seguir aumentando sus intensidades de Colector y Emisor y se satura, por lo que en saturación la se reduce a un valor muy inferior (como orientación se puede decir que menos de 100). 1.1. Aplicaciones: circuitos digitales; detector de luminosidad y sensor térmico.

Las aplicaciones del transistor en conmutación son todas aquellas en las que se cumpla lo dicho anteriormente. En el caso del circuito de la figura 1 el potenciómetro determina el paso de corte a saturación. Si la resistencia del potenciómetro es elevada la intensidad se va por la base saturando al transistor pues se ha colocado una resistencia de tan solo 10K para que circule suficiente corriente como para saturarlo, por lo tanto el LED lucirá. Si es pequeña, se va toda por el potenciómetro y el transistor se corta y el LED se apaga. Un sensor puede sustituir al potenciómetro ya que de forma automática cambia de valor con una magnitud física como la temperatura, la iluminación, etc. Este es un circuito muy simple, pero con un pequeño problema: sólo pasará a corte cuando la resistencia del potenciómetro o del sensor sea muy pequeña.



Los sensores más empleados son, entre otros el de temperatura PTC (aumenta la resistencia con la temperatura) y NTC (disminuye con la tª. y el de luz: LDR (disminuye la resistencia con la luz). El circuito por lo tanto indica mediante el LED si la temperatura, luz,... es baja o elevada.

2.- El transistor bipolar como amplificador. En este caso el transistor deberá permanecer en zona activa sin entrar en corte ni en saturación. Las aplicaciones serán tanto para radio, como audio como cualquier otra en la que se desee amplificar una señal. Primero habrá que polarizar adecuadamente al transistor, en continua para que esté en activa y después inyectar la señal alterna que se desea amplificar. Para no modificar la polarización de continua, la señal se introducirá y sacará a través de condensadores llamados de acoplo. Debe tenerse siempre presente que la potencia que se va a proporcionar a la carga se saca de la fuente de alimentación de continua. Además nunca se podrá sobrepasar a la salida de un amplificador el valor de la tensión de alimentación. Cuando se requiere dar mucha potencia a la carga, se suelen emplear circuitos convertidores cc/cc que sirven para poder alimentar a mayor tensión al amplificador. Ejercicio: Calcular el valor máximo rms de potencia en una carga de 8 ohmios cuando Vcc es de 12V. 2.1. Amplificadores de pequeña señal. Concepto. Estos amplificadores sirven para amplificar pequeñas señales que son las que provienen de un micrófono, una antena, los cabezales magnéticos de un cassette, etc., proporcionando señales amplificadas pero sin sobrepasar aproximadamente medio watio. A partir de este valor de potencia, se habla de amplificadores de potencia, en lugar de pequeña señal.

2.1.1. Características: ganancias de tensión, intensidad y potencia.

Av= vsal/ vent. Se conoce como ganancia de tensión. Es adimensional o bien se puede expresar en dB aplicando el log y multiplicando por 20. Ai= isal/ient. Se conoce como ganancia de intensidad. Ap=psal/pent = Av * Ap. Para que un circuito se considere amplificador debe ganar potencia, es decir Ap mayor que 1.

2.1.2. Impedancias de entrada y salida.

Son dos valores importantes pues de ellos depende por ejemplo el mayor o menor valor de la ganancia. El cociente entre la tensión de entrada y la intensidad de entrada es la impedancia de entrada. El cociente entre la tensión de salida en circuito abierto y intensidad de salida en cortocircuito es el valor de la impedancia de salida.

Cuando deseamos obtener forma de onda de la señal de entrada y no nos interesa demasiado sacar de la entrada toda la potencia posible pues esta es demasiado pequeña, entonces interesa una impedancia de entrada muy elevada, hablaremos por tanto en este caso de un amplificador de tensión. Cuando a la salida nos interesa entregar la máxima potencia posible, entonces nos tendremos que igualar la impedancia de salida a la de la carga a conectar, hablaremos en este caso de amplificador de potencia.

2.1.3. Respuesta en frecuencia.



Los amplificadores no responden igual a distintas frecuencias generalmente tienen respuesta como un paso banda, es decir tienen poca ganancia para bajas y altas frecuencias y mayor para frecuencias medias. Un amplificador sintonizado, sin embargo amplifica para un margen estrecho de frecuencias y atenúa o amplifica menos para el resto de frecuencias.

2.1.4. Distorsión. Cuando la señal de salida difiere en forma de onda a la de entrada, hablamos de distorsión. Hay diferentes tipos.

- De amplitud: cuando la amplitud de la señal es excesiva y por tanto la señal hace que el transistor se meta en saturación y se recorta la señal.

- No lineal: se produce porque el transistor no responde igual a valores altos o bajos de señal. - De frecuencia: se produce porque el transistor no responde igual a valores altos o bajos de

frecuencia. - Armónica.

2.2. Etapa amplificadora en Emisor Común. El emisor estará a masa y por tanto es común a la entrada y a la salida. La ganancia de tensión, intensidad y potencia de esta etapa son elevadas. Tiene una impedancia de entrada media-baja, lo cual suele ser un impedimento y la de salida media-alta. Se puede poner el emisor directamente a masa o bien colocar una resistencia de emisor que le da estabilidad al circuito puenteando con un condensador (de desacoplo) que eleva la ganancia en alterna.

2.3. Etapa en Base Común. Ahora es la base la que está a masa. La entrada de la señal se hace por el emisor y la salida por el colector. La ganancia de tensión de esta etapa es un valor mayor que uno pero la de intensidad es ligeramente inferior a uno (atenúa). La resistencia de entrada es media-baja y la de salida alta. 2.4. Etapa en Colector Común. El colector se coloca a masa. La ganancia de tensión es próxima a uno. La impedancia de entrada es alta y la de salida baja. Es una etapa adaptadora de



impedancias. Se llama también seguidor de tensión o seguidor de emisor. 2.5. Amplificadores multietapa. Todos los amplificadores constan de varias etapas, al menos una de entrada, amplificador de tensión con impedancia de entrada elevada, otra intermedia y otra de salida con impedancia de salida igual a la de la carga o amplificador de potencia. 3.- Amplificadores de potencia.

3.1. Clase A Estos amplificadores constan de un transistor por etapa. La polarización del transistor se realiza en la zona activa por lo que no debe entrar en corte ni en saturación. El rendimiento de este amplificador es inferior al 50%. 3.2. Clase B Estos constan de dos transistores por etapa. Cuando uno entra en activa el otro permanece en corte por lo que necesitan de algo de tensión para que después entre en activa el que estaba en corte, esto hace que se produzca en ellos la típica distorsión de cruce. Su rendimiento es superior, llegando hasta un 75%. 3.3. Clase AB. Pretende eliminar la distorsión de cruce pues no polariza totalmente en corte a uno de los transistores mientras el otro conduce, sin embargo la contrapartida es un menor rendimiento que el clase B pero mayor que el clase A. 3.4. Clase C. Realmente el clase C no es un auténtico amplificador de potencia, pues el transistor sólo conduce durante una parte de un semiciclo. Se emplean en osciladores para proporcionar la señal necesaria por semiciclo para que se mantenga la oscilación de la señal. 3.5. Otras clases. Existen otras clases más modernas. La clase D se caracteriza por hacer trabajar a los transistores con señal PWM por lo tanto en corte y en saturación, pero a una frecuencia alta, con lo cual el amplificador se digitaliza, pero con el fin de obtener una señal alterna que es la resultante en el tiempo de dicha señal. Mejoran el rendimiento y son amplificadores bastante fiables. Hay otros que acomodan la tensión de la fuente de alimentación de forma automática a la exigencia de señal que se necesite, de forma que cuando se necesite dar mucha potencia a la carga, la tensión de alimentación aumenta y cuando se requiera poca potencia, la tensión de alimentación disminuirá.

4. Transistor Darlington : Consiste en dos transistores en cascada. Sus ventajas son la alta impedancia de entrada que se percibe en la base del primer transistor, este dispositivo de tres terminales conocido como



transistor darlington actua como un transistor de un factor de amplificación muy alto y que ahora hay dos transistores o sea dos caidas de voltaje de union base-colector.

Donde IB = IC1 = IE1 Este dispositivo de 3 terminales conocido como transistor Darlington actua como un solo transistor con una ( factor de amplificación muy alta ) Se puede utilizar el transistor Darlington en los amplificadores donde se necesite una ganancia de tensión muy alta tal como en los amplificadores de sonido por ejemplo. El analisis de un amplificador en el que se emplea un transistor Darlington(llamado amplificador Darlington) es similar a los que llevan un solo transistor, excepto que ahora hay dos transistores.



Ventajas:

Alta impedancia de entrada que se percibe hacia la base del primer transistor.

Impedancia: Z = * RE .

La ganancia de corriente es mucho mas grande, esto debido a T = 1 * 2. Funcionamiento en clase B: Conlleva a que la IC circule solo 180° del ciclo de la senal; implica que el punto Q se aproxima al punto de corte de ambas rectas de carga ( la continua y la de señal ) Este desarrolla primero un semiciclo y despues el otro semiciclo. En este caso amplifica primero el semiciclo negativo ( PNP ) después el positivo ( NPN ) Como los transistores Darlington clase B generan grandes cantidades de calor el dispositivo debe tener un tamaño optimo para su función o estar acompañado de un disipador. Ventajas : Menos consumo de corriente y mayor rendimiento.

4.- Osciladores senoidales. 4.1. Concepto de realimentación. Tipos. Efectos. Un circuito está realimentado cuando la salida y la entrada del mismo están unidas bien directamente a través de un conductor o bien a través de cualquier componente. Se dice en este caso realimentación en bucle cerrado. Si se desconecta, estará en bucle abierto y por tanto realmente no habrá realimentación. Si el efecto que produce la realimentación es compensar aumentos de la entrada, entonces se habla de realimentación negativa. En caso contrario se incrementará paulatinamente la salida, llegando a saturarse, estamos en el caso de realimentación positiva y se emplea para realizar osciladores saturados o de relajación como los generadores de onda cuadrada. La realimentación negativa de un circuito hace que algunas características del mismo queden modificadas respecto al circuito sin realimentar, dependiendo de cómo se conecte la realimentación. En general se modifican las impedancias de entrada y salida, disminuye la ganancia y aumenta algo el ancho de banda. Realimentación de tensión en serie.- se llama así al circuito con red de realimentación conectada en paralelo a la salida y en serie a la entrada. Queda modificada la tensión de entrada. El efecto que se produce es una disminución de la impedancia de salida y un aumento de la de entrada. Realimentación de tensión en paralelo.- se llama así al circuito con red de realimentación conectada en paralelo a la salida y en paralelo a la entrada. Queda modificada la intensidad de entrada. El efecto que se produce es una disminución de la impedancia de salida y una disminución de la de entrada. Realimentación de intensidad en paralelo.- se llama así al circuito con red de realimentación conectada en serie a la salida y en paralelo a la entrada. Queda modificada la intensidad de entrada. El efecto que se produce es un aumento de la impedancia de salida y una disminución de la de entrada.



Realimentación de intensidad en serie.- se llama así al circuito con red de realimentación conectada en serie a la salida y en serie a la entrada. Queda modificada la tensión de entrada. El efecto que se produce es un aumento de la impedancia de salida y un aumento de la de entrada. 4.2. Osciladores basados en circuito tanque: Hartley y Colpitts. Los osciladores senoidales son circuitos que proporcionan una salida alterna senoidal en ausencia de señal de entrada. Constan básicamente de redes RC o bien LC y un amplificador realimentado de clase C. Entre los circuitos con red LC (circuito tanque o depósito) destacan el Hartley (que tiene una bobina dividida o dos bobinas y un condensador) y el Colpitts (que tiene dos condensadores y una bobina). Un circuito LC actúa como un depósito o tanque de energía cargando primeramente el condensador, éste transfiere su energía a la bobina mientras que circula corriente por la bobina debido a la descarga del condensador, una vez descargado, la bobina crea una f.c.e.m. que provoca que haya una corriente de carga del condensador, una vez cargado este se volverá a comenzar el proceso. Lógicamente debido a las pérdidas tras un determinado periodo de tiempo cesarán las oscilaciones (de manera similar a un péndulo que, debido al rozamiento, se va parando). Sin embargo si amplificamos justamente la señal cada semiperiodo en la cantidad que pierde, se mantendrán las oscilaciones. Para hacer el circuito oscilador no se emplea un circuito LC puro sino con dos condensadores y una bobina o con dos bobinas y un condensador por lo tanto la fórmula para averiguar la frecuencia de la señal de salida dependerá de uno u otro caso, obteniéndose a partir de la expresión: En el caso de dos bobinas al no estar en serie ni en paralelo el valor de L será aproximadamente la suma de las dos y en el caso del condensador ocurre lo mismo, por lo que se pondrá el valor aproximado correspondiente a ambos componentes en serie. La forma de onda resultante es muy pura, pero la fórmula imprecisa y además es muy difícil de obtener frecuencias elevadas. 4.3. Osciladores a cristal de cuarzo. Estos osciladores se basan en las propiedades piezoeléctricas del cuarzo. La piezoelectricidad es la propiedad que tienen algunos materiales en los que se crea una d.d.p. entre sus caras opuestas cuando son sometidos a un esfuerzo de compresión o tracción según un eje perpendicular a esas caras. Además la polaridad es opuesta según sea uno u otro esfuerzo. También ocurre el efecto contrario: se deforman al aplicarles tensión. Si se les somete a una vibración, la señal generada será alterna. Por lo tanto es necesario ponerlos en circuitos capaces de hacerlos vibrar a partir de la carga inicial de unos condensadores. Se fabrican cuarzos que se han cortado y tallado para que vibren a determinadas frecuencias. En general cuanto menor espesor tiene el cristal, puede vibrar a mayor frecuencia. Existe una forma de tallarlos que permite hacerlos vibrar a determinada frecuencia y a frecuencias múltiplos de ésta (armónicos): pares, o impares. Su gran ventaja es la precisión, lo que le hace especialmente útil para generadores de señales con frecuencia patrón como señales de sincronización por ejemplo en microprocesadores. Se consiguen frecuencias elevadas, pero la señal no es muy pura.

LCf

2

1



TEMA 8B.- EL DISPARADOR DE SCHMITT

1.- Funcionamiento del disparador de Schmitt con transistores. El Disparador de Schmitt es un circuito de aplicación de transistores trabajando en conmutación muy interesante, por lo que se ha decidido dedicarle un tema en exclusiva.

1.1. Activación del circuito: Por nivel de tensión (Detector de nivel). Por sensor. El circuito realiza la activación de un elemento como un relé, una sirena o cualquier otro

dispositivo a partir de un determinado nivel de tensión de entrada (por lo que puede emplearse como detector de nivel de tensión) o bien a partir de la activación de un sensor.

Cuando la tensión en la base del primer transistor supere un determinado nivel de tensión que será 0,6 + la tensión en la resistencia que hay entre los emisores y masa, entonces el primer transistor entrará en saturación, ,por lo que la tensión entre los puntos A y B será próxima a cero voltios, esto impide que haya corriente por la base del segundo transistor, por lo que estará en corte y el relé no estará activado.

Cuando la tensión en la base del primer transistor esté por debajo de dicho nivel, el primer transistor estará en corte lo que permite que, al no circular corriente desde A a B, el segundo transistor reciba corriente suficiente (a través de la resistencia de 15K) para saturarse y por lo tanto el relé se activará. Los valores de las resistencias están calculados para asegurar la saturación de los transistores. Si fuesen mucho mayores podrían no entrar en saturación y si fuesen muy inferiores dejarían pasar demasiada corriente lo que elevaría demasiado el consumo del circuito teniendo que colocar resistencias que aguantasen mucha potencia.

1.2. Activación de dispositivos: Directamente. Por relé. La activación del dispositivo de salida puede realizarse directamente sin necesidad de relé en

caso de que el mismo precise corriente continua y además su consumo no sea excesivo. En caso contrario se suele colocar un relé que proporciona aislamiento eléctrico siendo el acoplamiento electromagnético entre el disparador y el dispositivo a activar.

1.3. Dispositivos alimentados en continua o alterna.



Si el dispositivo a activar funciona en continua a una tensión próxima a 12V y con una corriente

no muy elevada, éste se podrá activar directamente sin necesidad de relé. Por ejemplo una pequeña bombilla de continua se podrá colocar en lugar del relé o un led con una resistencia en serie, o un pequeño ventilador. Si bien en este caso, si la corriente que absorbe es excesiva, conviene cambiar el segundo transistor por otro de potencia que aguante la corriente necesaria para el ventilador.

Si se precisa activar un dispositivo que funcione en alterna; un ventilador, un sistema de aire

acondicionado, lámparas de corriente alterna, sistema de calefacción, etc., se dejará el relé, así el dispositivo a activar y el circuito de control que es el disparador estarán aislados eléctricamente.

2.- El relé. Funcionamiento. Contactos: NA, NC. Tipos. El relé es un dispositivo que básicamente consta de una bobina y de unos contactos asociados al campo magnético creado por la misma. Cuando la bobina es recorrida por corriente continua crea un campo magnético intenso pues dispone de un núcleo de hierro, éste atrae a una armadura que va conectada a un dispositivo mecánico que permite el cierre de interruptores ( contactos normalmente abiertos –NA-) y/o la apertura de otros (contactos normalmente cerrados –NC-. Hay relés que tienen numerosos contactos asociados varios de ellos normalmente abiertos y otros normalmente cerrados. También los hay con un solo contacto o dos. Además la diferencia entre unos relés y otros está en la corriente que debe circular por la bobina para que esta sea capaz de realizar la activación de los contactos y además en el grosor de estos contactos según el mismo se podrán conectar a él dispositivos de mayor o menor consumo. Por ejemplo el relé utilizado en clase se debe conectar a 12V e indica que la resistencia del hilo esmaltado de la bobina es de 270 ohmios con lo cual precisa de unos 44 mA para activarse. 3.- Estado de cada transistor. Tensiones típicas. Vamos a realizar el razonamiento suponiendo que el sensor empleado es una LDR o una NTC. Ambos presentan una resistencia elevada cuando la luz incidente es escasa o bien cuando lo es la temperatura. Y al revés: resistencia pequeña cuando incide mucha luz o la temperatura es alta. Con lo cual cuando la resistencia del sensor es alta, la corriente se va con facilidad por la base del primer transistor, por tanto estará en saturación: VBE = 0,7V.; VCE = 0 V. aprox. y el segundo estará en corte: Vbe = 0V.; Vce = 12V. aprox. Cuando la resistencia del sensor es baja, la corriente se va por el mismo y no habrá suficiente corriente para polarizar al primer transistor, estando por tanto en corte: Vbe cero o negativa y Vce = Vab + Vbe2, con lo cual esta tensión será de varios Voltios. Esta tensión hace que el segundo transistor tenga suficiente corriente por su base para entrar en saturación siendo por tanto su Vbe=0,7V. y su Vce próxima a cero voltios, lo que hace que la tensión en la bobina del relé sea próxima a 12V. , estando por lo tanto activado éste. Hay que hacer notar que el diodo en antiparalelo con la bobina del relé es necesario pues cuando el segundo transistor pase de satuación a corte se creará una f.c.e.m. en los extremos de la bobina que hará elevar excesivamente la tensión colector-emisor del transistor, con lo cual al conducir el diodo sólo cuando se crea dicha fcem, se limita la tensión a los 0,6V del diodo y por este puede circular la corriente que se genera como consecuencia del campo magnético que tenía almacenado la bobina.



TEMA 9 : CIRCUITOS INTEGRADOS ANALÓGICOS

1. Amplificadores. En este tema se verán amplificadores integrados. Éstos llevan en su interior al menos dos etapas: una etapa de entrada amplificadora de tensión y por lo tanto con una impedancia de entrada elevada y una etapa de salida con una pequeña impedancia de salida para que pueda adaptarse a un altavoz. Existen en el mercado gran cantidad de circuitos integrados, de los que destacamos por sus prestaciones y gran cantidad de aplicaciones los siguientes. 1.1. Serie 2000. En primer lugar veremos el TDA 2002 y el TDA 2003. Ambos son amplificadores integrados con cinco patillas en encapsulado TO-22. Van protegidos contra cortocircuitos a la salida y llevan también protección térmica. Fueron diseñados para aplicaciones en auto-radio. La única diferencia entre ambos está en la potencia de salida que son capaces de proporcionar, en el primero son unos 8W como máximo sobre un altavoz de 2 ohmios, mientras que el segundo llega hasta los 10W. La tensión de alimentación en ambos está comprendida entre los 8 y los 18V. Cuanto mayor sea el valor de la tensión de alimentación Vcc, mayor será la potencia de salida, sin embargo el fabricante nos advierte que a partir de los 14,4V., la caída de tensión interna del amplificador se dispara y por lo tanto la potencia disminuye. En cuanto a los TDA 2004 y 2005 son precisamente la versión estéreo de los anteriores. Es decir cada uno consta de los amplificadores: uno para el canal derecho y otro para el izquierdo, proporcionando en el segundo caso 10Wx2. Es posible emplear a éstos para atacar a un solo altavoz trabajando en puente, es decir los dos extremos del altavoz se conectar a cada uno de los dos amplificadores internos, con lo cual la potencia entregada al mismo sería de hasta 20W. Éstos integrados disponen de 11 pines ya que algunos están preparados para conectar condensadores entre ellos y así compensar la respuesta del amplificador para algunos márgenes de frecuencia. 2. Temporizadores. 2.1. El circuito integrado 555.

Se trata de un integrado de 8 patillas DIL cuya principal aplicación es la de temporización, si bien se puede emplear para otras aplicaciones entre las que cabe citar la de generador de señal cuadrada (astable), la de modulador de ancho de impulso (PWM) y la de modulador de ancho de impulso (PPM).



Descripción de los pines:

- El pin 1 es la masa del integrado (GND). - El pin 2 es una patilla que se emplea para disparo

(TRIGGER) - El pin 3 es la salida. - El pin 4 sirve para resetear la salida cuando se pone a nivel

bajo. Si no desea resetearse, se pondrá a nivel alto. (RESET) - El pin 5 sirve para controlar la tensión a la que se puede

disparar. En muchas aplicaciones no se emplea ya que se dispara a un determinado nivel interno de tensión por lo que se deja sin conectar ó se conecta un condensador entre esa patilla y masa, como elemento de seguridad.

- El pin 6 es una patilla que se coloca a una tensión determinada ó variable (generalmente a un condensador que se va cargando) y determina el umbral entre la transición nivel alto – bajo ó viceversa. (THRESHOLD)

- El pin 7 sirve para realizar la descarga del condensador a través del mismo (DISCHARGE).

- El pin 8 es Vcc (va al positivo de la alimentación)

Internamente, lleva tres resistencias de 5K cada una, dos operacionales (que se estudiarán en el siguiente tema) trabajando como comparadores de tensión cuyas salidas van a las entradas R y S de un biestable de este tipo. La salida de este va a la base de un transistor y a un buffer de salida.

El 555 se puede alimentar a cualquier tensión comprendida entre 4,5V y 16V. Precisamente la tensión de salida en estado alto va a coincidir aproximadamente con ese valor. La corriente de salida que proporciona el 555 puede llegar hasta los 200mA, por lo tanto puede conectarse directamente a la salida un relé, un zumbador, un pequeño altavoz y en general cualquier carga cuyo consumo no exceda de ese valor.



En caso de que el dispositivo a activar tenga mayor consumo, se puede colocar la base de un transistor de potencia a la salida, a través de una resistencia, colocando el dispositivo entre la alimentación y el colector del transistor. Además si el dispositivo es inductivo, se colocará con el mismo un diodo en antiparalelo (diodo volante). 2.2. Generador de señal cuadrada con 555 (Astable)

Se precisan únicamente dos resistencias y un condensador. Las patillas 2 y 6 van puenteadas y al punto común de resistencia y condensador. La patilla 7 va al punto común de las dos resistencias. Para calcular el tiempo en estado alto se empleará la fórmula:

Y en estado bajo:

Si queremos que T1 y T2 sean iguales haremos R1 mucho menor

que R2, ó también podemos ponerlas aproximadamente iguales (ajustarlas con un potenciómetro en serie) pero con un diodo en paralelo con R2.

2.3. Temporizador con 555 (monoestable)

( ) CRRT + 217,01

CRT 27,02



Ahora sólo es necesario una resistencia y un condensador. Las patillas que se puentean en este caso son la 6 y la 7. La patilla 2 se emplea ahora para realizar el disparo del monoestable. Ésta patilla estará a nivel alto a través de la resistencia de pull-up de 1K. Cuando se activa el conmutador ó un pulsador, se pondrá a nivel bajo disparándose el

monoestable, es decir la salida se pone a nivel alto. A partir de este momento la salida estará a nivel alto un tiempo aproximadamente igual a: Transcurrido este tiempo, la salida volverá automáticamente a nivel bajo. 2.4. Modulador de posición de impulso (PPM) Una señal PPM es una señal de onda cuadrada cuya frecuencia es variable, tal como muestra la figura. Para poder obtener esta señal a la salida de un 555, éste se monta en modo astable y se le introduce una señal por su patilla de control, según sea el valor de la tensión de la señal de esta patilla, se obtendrá mayor ó menor frecuencia de salida.

2.5. Modulador de anchura de impulso (PWM) Una señal PWM es una señal de onda cuadrada cuya frecuencia es fija, pero el tiempo que está en estado alto es variable, tal como muestra la figura. También se dice que es una señal con ciclo de trabajo variable. Para poder obtener esta señal a la salida de un 555, éste se monta en modo monoestable y se le introduce una señal por su patilla de control, según sea el valor de la tensión de la señal de esta patilla, se obtendrá mayor ó menor tiempo a nivel alto.

También puede ajustarse el ciclo de trabajo con un potenciómetro, por ejemplo en aplicaciones como la de regulación de velocidad de un motor de corriente continua.

CRT 1,1



TEMA 10.- AMPLIFICADORES OPERACIONALES.

1. Descripción. Características básicas: Ganancia diferencial. Impedancias de entrada y

salida. Ancho de banda.

El amplificador operacional fue diseñado en un principio para la realización de operaciones matemáticas, de donde procede su nombre, si bien es enorme la cantidad de posibilidades que ofrece para realizar diferentes aplicaciones.

Presenta dos entradas: una inversora y la otra no inversora y una salida. Además tiene dos patillas para alimentación simétrica: una para +Vcc y otra para –Vcc.

El encapsulado más habitual es el DIL de 8 pines aunque se pueden encontrar otros. Con un mínimo de cinco y con muchas más en los casos de que el integrado contenga varios operacionales, lo más habitual es uno, dos o cuatro (en este caso 16

pines). Sus características básicas son las siguientes: - Ganancia de tensión en bucle abierto o ganancia diferencial: Es la relación entre la tensión

de salida y la tensión diferencia de las entradas. Su valor es superior a 100.000 lo que nos indica que una pequeña diferencia entre las entradas se traduce en una elevación brusca de la salida.

- Impedancia de entrada: es la medida de la impedancia considerada solamente entre los terminales de entrada.

- Impedancia de salida: indica la impedancia a la salida del operacional. - Ancho de banda: El operacional es capaz de amplificar hasta una determinada frecuencia

que es superior a 1 MHz, sin embargo desde unos pocos Hz la ganancia diferencial que es tan elevada empieza a disminuir. El parámetro interesante es el ancho de banda a ganancia unidad, es decir la frecuencia a partir de la cual el operacional ya no es capaz de amplificar. En el punto 3 se amplían estos conceptos.

- Offset: todos los operacionales presentan tensión de offset. Esta es la tensión que proporciona a la salida un operacional en ausencia de tensiones de entrada, lógicamente siempre que esté alimentado. El valor de la tensión de offset es muy pequeño, suele ser de algunos miliVoltios, aunque algunos tipos se fabrican con bajo offset (low offset). Lógicamente el offset sólo será importante tenerlo en cuenta en aquellas aplicaciones de gran precisión, en la mayor parte de los casos resultará casi inapreciable. En cualquier caso la mayoría de los operacionales disponen de una o varia patillas de corrección del offset. Colocando un potenciómetro en estas patillas tal como indique el fabricante, será posible su corrección, hasta eliminarlo.

2. Tensiones de alimentación. Límites en las tensiones de entrada y salida. Saturación del

operacional.



- Margen de tensiones de alimentación: lo normal es alimentarlos simétricamente, si bien se puede poner una alimentación a masa, pero en tal caso a la salida no podremos tener tensión positiva o negativa. El límite de la tensión de salida será precisamente la tensión de alimentación. Cada operacional tiene su límite de alimentación que suele ser inferior a los 30V.

- Saturación del operacional: un operacional se satura cuando la tensión de salida llega a su límite que está impuesto precisamente por las tensiones de alimentación.

- Margen de tensiones de entrada: también las tensiones de entrada tienen como límite precisamente las tensiones de alimentación. Por todo lo anterior si a un operacional lo alimentamos por ejemplo a +12V y a –12V, la salida no podrá superar en ningún caso esta tensión (al contrario, será siempre algo inferior debido a la caída de tensión interna) y las tensiones de entrada no podrán ser superiores a estas, en caso de introducir más tensión por alguna de sus patillas, inversora o no inversora, el funcionamiento del operacional sería anómalo, lo que suele ocurrir es que la salida cambia de nivel.

3. Respuesta en frecuencia del operacional. Característica ganancia-frecuencia.

Se comentó en el primer punto del tema que el operacional no responde igual a todas las frecuencias: a baja frecuencia la ganancia que podemos obtener es elevada, mientras que a medida que aumenta la frecuencia, la ganancia que es capaz de proporcionar el operacional disminuye. Existe por tanto una proporcionalidad inversa entre la ganancia y la frecuencia. Para saber si podemos llegar a una determinada ganancia a una frecuencia determinada, podemos emplear dos procedimientos: la característica ganancia-frecuencia o bien la fórmula aproximada:

BWGfAv • Siendo BWG el ancho de banda a ganancia unidad. Debe tenerse en cuenta en esta fórmula que cuando estamos justo en la frecuencia de corte realmente no se va a poder llegar a conseguir la ganancia Av sino (Av/1,414). La característica ganancia-frecuencia para el caso del operacional 741 que tiene una ganacia diferencial (Ad) de 100.000 (100dB) y un ancho de banda a ganancia unidad (BWG) de 1MHz tienen la forma de la figura siguiente:

MONTAJES CON REALIMENTACIÓN NEGATIVA



4. Amplificador inversor.

Para empezar con las aplicaciones del operacional veremos en primer lugar el amplificador inversor. En primer lugar debe recordarse que todas estas aplicaciones son para pequeña señal no para potencia, pues el operacional no es capaz de dar mas allá de 20, 30 o 40 mA a la salida, por lo que realmente se emplea para etapas previas o preamplificadores, siendo necesaria intercalar una etapa de potencia en caso de desear por ejemplo una salida de audio al altavoz. También se debe tener en cuenta que en todas las aplicaciones en las que no se desee saturar al operacional, como las de amplificación la realimentación del mismo se realizará a través de la patilla inversora (realimentación negativa).

Pues bien, el amplificador inversor no tiene más que una resistencia de realimentación entre la salida y la patilla inversora y la señal se introducirá a través de otra resistencia por esta misma patilla. En estas condiciones, al tener una impedancia de entrada muy grande, la corriente que viene del generador no entrará en el operacional sino que se irá por la resistencia de realimentación. Además precisamente por este motivo, la diferencia de potencial entre ambas patillas de entrada (inversora y no inversora) es próxima a cero, con lo que al estar la patilla no inversora a masa, la patilla inversora estará virtualmente a masa. Con todo ello podemos decir que Ve = Ie.R2 y que Vs

= - Ie.R1. Dividiendo estas expresiones tendremos: Av = Vs/ve = - R1/R2. Esta fórmula nos dice que la ganancia de este montaje depende de las resistencias R1 y R2, con lo cual eligiéndolas adecuadamente tendremos la ganancia deseada. Por ejemplo para conseguir ganancia 10 bastará con colocar R1 diez veces mayor que R2. Sin embargo habrá que tener en cuenta que existen varias restricciones a esta fórmula: 1º.- La saturación del operacional. Si el montaje tiene por ejemplo ganancia 10, si la tensión de entrada es de 5Vpp la salida debería ser de 50Vpp pero el operacional, suponiéndolo alimentado a ± 12V se satura aproximadamente a 11 y –11V con lo cual la señal saldrá recortada no pudiendo alcanzar dicha ganancia. 2º.- La frecuencia. Si la entrada tiene una frecuencia tal que la ganancia no puede llegar a lo que calculamos con la fórmula, entonces la ganancia la impone el propio operacional (y la podemos averiguar con la fórmula vista anteriormente o con la gráfica). Por ejemplo para una frecuencia próxima a 100KHz ya no se pude conseguir ganancia 10 con el 741 y si necesitamos llegar a ella, la solución consiste en colocar varias etapas iguales en cascada por ejemplo con ganancia 2 y 5 (la ganancia total es el producto de las ganancias de cada una de las etapas que coloquemos en cascada) o bien elegir un operacional que tenga mayor ancho de banda. 3º.- Los valores de las resistencias. R1 y R2 tendrán que tener unos valores que no sean excesivamente pequeños ni excesivamente grandes pues en el primer caso consumirían mucha corriente y en el segundo caso podrían ser del mismo orden que la resistencia interna del operacional y en tal caso no podríamos hacer la suposición de que casi no entra corriente por los pines de entrada del operacional.



La impedancia de entrada del amplificador inversor es igual aproximadamente a la resistencia de entrada R2. Esto habrá que tenerlo en cuenta al diseñar el amplificador pues si el generador de entrada tiene una resistencia de entrada determinada, para no perder señal conviene que R2 sea al menos diez veces mayor. Este es el concepto básico de amplificador de tensión, sin embargo si lo que nos interesa es dar a la salida la mayor potencia posible, sabemos que lo que tenemos que hacer es hacer coincidir la resistencia interna del generador o dispositivo (transductor) que proporciona la señal con la impedancia de entrada del amplificador.

La impedancia de salida del amplificador inversor es igual a la impedancia de salida del propio operacional, por tanto tiene una impedancia de salida relativamente baja. Por ejemplo para el 741 es de unos 75 ohmios. La señal de salida sale desfasada 180º respecto a la de entrada. En caso de que la entrada sea de continua, sale invertida en polaridad

5. Amplificador no inversor.

La diferencia entre este y el anterior está en que ahora introducimos la señal de entrada a través de la patilla no inversora y podemos hacerlo directamente o bien a través de un divisor de tensión. El resto del circuito es igual, manteniendo por supuesto, como se dijo anteriormente, la realimentación negativa (es decir a través de la patilla inversora). Sin embargo la ganancia de este montaje es diferente al anterior, ahora es Av = 1 + (R1/R2). Las restricciones a esta fórmula son exactamente las mismas que para el inversor. La señal de salida no sale invertida respecto a la entrada y en caso de continua, sale con la misma polaridad.

La impedancia de entrada ahora coincide con la de entrada del propio operacional, con lo cual es una ventaja respecto al anterior pues no produce efecto de carga en el generador, es decir no le exige mucha corriente por lo que la caida interna en el generador será casi nula y no se pierde tensión. La impedancia de salida también coincide con la de salida del operacional.

6. Seguidor de tensión. Buffer analógico. En los casos en los que se desee adaptar impedancias sin modificar la señal, se puede

emplear este montaje, en el que la realimentación es unitaria, es decir a través de un simple



conductor, sin resistencia alguna. Ahora la señal de entrada y la de salida son prácticamente iguales, con lo cual la ganancia de este montaje es igual a 1, pero la impedancia de entrada es elevada coincidente con la del operacional y la de salida baja, coincidente también con la del operacional.

7. Sumador inversor.

Si tenemos varias señales y deseamos que la salida sea igual a la suma de ellas o bien que la salida sea la mezcla de ellas, realizaremos un sumador, Para ello lo único que tendremos que

hacer es modificar levemente el amplificador inversor, introduciendo cada señal a través de una resistencia y llevarlas a la patilla inversora.

Si deseamos que todas las entradas tengan la misma ganancia, se introducirán a través de resistencias de igual valor. En caso de que necesitemos dar diferente ganancia a cada entrada, pondremos resistencias diferentes de forma que la entrada que tenga menor valor de resistencia, tendrá mayor ganancia y viceversa. Así pues, si analizamos el circuito la fórmula de la tensión de salida será: Av = R4. ( v1/R1 + v2/R2 + v3/R3 + ...).

Vemos que realmente se trata de un sumador inversor ponderado. Ya se ha dicho que si no se desean ponderar las entradas, sino que tenga el mismo “peso” sobre la salida, se deberán colocar todas las resistencias iguales. Esta fórmula lógicamente se puede emplear tanto en continua como en alterna. Las restricciones a ella son las mismas que en los casos anteriores. La impedancia de entrada de cada señal será igual a la resistencia a través de la que se introduce y la impedancia de salida, la del operacional. Mediante entradas de continua, podemos obtener tensiones de salida proporcionales a la suma de las tensiones de entrada. Mediante entradas de alterna, podemos obtener un mezclador de tensiones, por ejemplo la típica mesa de mezclas de audio, en la cual mediante potenciómetros colocados a las entradas, en lugar de resistencias, podemos hacer que la salida al altavoz sea bien la señal 1, la dos,... o bien una mezcla de ellas.

8. Sumador no inversor.

Ahora las señales se introducen a través de la patilla no inversora bien directamente o a través de un divisor de tensión. Recordemos que en este montaje las ganancias de cada una de las entradas son diferentes que en el montaje inversor y la impedancia de entrada. En cuanto a las restricciones, son las mismas, así como los demás aspectos estudiados anteriormente.



9. Restador.

Para realizar un restador, es decir un circuito que proporcione una señal de salida igual a la resta de las entradas, tendremos que introducir las entradas a través de ambas patillas: la inversora y la no inversora. A la salida tendremos una señal proporcional a la resta de ambas de forma ponderada si así lo deseamos colocando en las entradas diferentes resistencias o no ponderada, colocándolas iguales. Así mismo habrá que tener en cuenta que la ganancia respecto a la entrada inversora es diferente que respecto a la entrada no inversora, como se vió en los respectivos amplificadores (puntos 4 y 5 de este tema). Si se desea que ambas ganancias coincidan habrá que poner un divisor de tensión en la entrada no inversora con las dos

resistencias del mismo valor.

10. Integrador y derivador.

Con operacionales se puede realizar la integral o la derivada de una determinada función. Recuérdese que la derivada de una constante es cero, mientras que la integral es una función lineal. La derivada de una función lineal en una constante.



La derivada de un seno, es el coseno, mientras que la integral del coseno, es el seno. (El seno y el coseno son funciones que presentan la misma forma de onda, tan solo con un desfase de 90º entre ambas) Pues bien la manera de obtener todo esto en señales eléctricas, consiste tan solo en emplear una resistencia y un condensador estratégicamente conectados en el operacional. Si colocamos la resistencia a la entrada y el condensador como realimentación, obtenemos un integrador y si colocamos el condensador a la entrada y la resistencia como realimentación,

obtenemos el derivador o diferenciador.

En el integrador, puede emplearse la siguiente fórmula para calcular la tensión de salida:

)()(

)()( tinicialtfinalCR

inicialvsalinicialvcondfinalvsal •

•=

MONTAJES SIN REALIMENTACIÓN

11. Comparadores.

Todos los montajes realizados anteriormente llevaban realimentación negativa, sin embargo para realizar comparadores, se empleará realimentación

positiva o irán sin realimentación.

El operacional en estas condiciones lo



que hace realmente en amplificar la diferencia entre ambas señales de entrada por un valor muy elevado, precisamente el valor de la ganancia diferencial, con lo cual podemos decir que lo que hace es comparar ambas entradas. Si es mayor la entrada no inversora, la salida estará saturada a positivo. Si es mayor la entrada inversora, la salida estará saturada a negativo. Los comparadores están siempre saturados, se emplean para que trabajen así, pues la más mínima diferencia entre las entradas, se multiplica por una ganancia tan elevada, que se saturan.

a. Comparador regenerativo: báscula de Schmitt.

Si deseamos que la comparación se realice con una tensión que dependa de la salida, entonces emplearemos este tipo de comparador cuyo funcionamiento tiene un efecto de histéresis puesto que de alguna manera “recuerda” el estado en el que se encuentra la salida: bien sea saturada a positivo o a negativo. Como el divisor de tensión lo colocamos a la salida, el comparador compara con la tensión de la patilla no inversora: en caso de que la salida sea positiva, también lo será la tensión de comparación y en caso de que sea negativa, también lo será la de comparación.

12. Comparador de ventana.

Cuando lo que nos interesa es que la salida tenga un determinado nivel (alto o bajo) entre dos valores de tensión, estando en el otro nivel, tanto cuando la entrada sea mayor que un valor como cuando sea menor que otro, entonces utilizaremos este montaje. La ventana por tanto son dos valores de tensión.



13. Multivibradores con operacional.

Otra de las aplicaciones de los operacionales son los multivibradores. Para realizar un multivibrador astable, emplearemos un montaje parecido a una báscula de Schmitt pero utilizaremos también realimentación positiva a través de una resistencia y un condensador desde la patilla inversora a masa. Ahora lo que ocurre es que si la salida es positiva, el condensador se carga hacia positivo, cuando supera la tensión en la patilla no inversora, bascula a negativo la salida, con lo cual la tensión de comparación ahora es negativa y el condensador ahora se carga hacia negativo, cuando se hace más negativa la tensión en el condensador que la de la patiilla no inversora, bascula a positivo la salida y así sucesivamente. Se obtiene por tanto una señal cuadrada a la salida cuya frecuencia dependerá de los valores de R y C.

Si se desea hacer un monoestable, lo único que habrá que modificar es la limitación de la carga del condensador en hacia positivo o bien hacia negativo. Una forma de hacerlo es colocar un diodo en paralelo con un condensador. Dependiendo de cómo se coloquen los terminales del diodo (ánodo y cátodo), el estado estable de la salida será el alto o el bajo.



14. Osciladores.

Para hacer osciladores con operacionales, se toman como base los esquemas realizados con transistores, sustituyendo éstos por los operacionales. Pueden por tanto realizarse con circuito tanque o con cristal de cuarzo. Como ejemplo, en la figura se muestran algunos tipos que no se vieron en el tema de transistores.

15. Filtros activos.

Con operacionales se pueden realizar montajes de filtros activos es decir filtros en los que además de filtrar determinadas frecuencias, podemos realzar o amplificar otras. Esto último no se puede realizar con los filtros pasivos. Varios son los parámetros importantes para diseñar un filtro: - La ganancia en la banda pasante. - La atenuación del filtro o el orden del mismo. - La frecuencia o frecuencias de corte.

La ganancia en la banda pasante es aquella que necesitamos dar a las frecuencias que no van a ser atenuadas. Cuando empieza la atenuación a partir de una determinada frecuencia, es necesario precisar la selectividad del filtro es decir si queremos que atenúe más o menos a medida que nos alejamos de la frecuencia de corte. Un filtro de orden 1 es aquel que atenúa a razón de 20dB por cada década o bien 6dB por cada octava. En general un filtro de orden N atenúa 20.N dB por cada década o 6. N dB por octava. A mayor orden, mayor selectividad del filtro. En general para conseguir orden N se necesitan N células R-C- Justo a la frecuencia de corte, la ganancia cae 3 dB respecto a la de la banda pasante, dicho de otra manera la ganancia se divide entre raíz de dos. Los tipos de filtro existentes son:



- Filtro paso bajo.

Atenúa señales cuya frecuencia esté por encima de la frecuencia de corte del filtro. La frecuencia de corte depende de los valores de R y C aunque también hay que tener en cuenta que el propio operacional atenúa a partir de una determinada frecuencia. La ganancia en la banda pasante se calcula igual que hemos visto en los apartados anteriores.

- Filtro paso alto.

Atenúa señales cuya frecuencia está por debajo de la frecuencia de corte del filtro. La frecuencia de corte depende de los valores de R y C aunque también hay que tener en cuenta que el propio operacional atenúa a partir de una determinada frecuencia. La ganancia en la banda pasante se calcula igual que hemos visto en los apartados anteriores.

- Filtro paso banda.

Atenúa señales cuya frecuencia esté por encima de la frecuencia de corte superior y por debajo de la frecuencia de corte inferior . Se puede hacer un paso banda con un paso bajo y un paso alto en cascada. En este caso habrá que tener en cuenta que la frecuencia de corte superior la impone el filtro paso bajo y la inferior el paso alto. La frecuencia de corte depende de los valores de R y C aunque también hay que tener en cuenta que el propio operacional atenúa a partir de una determinada frecuencia. La ganancia en la banda pasante se calcula igual que hemos visto en los apartados anteriores.



- Filtro supresor de banda.

Atenúa señales cuya frecuencia esté comprendida entre las frecuencia de corte inferior y superior. Las frecuencias de corte dependen de los valores de R y C aunque también hay que tener en cuenta que el propio operacional atenúa a partir de una determinada frecuencia.

16. Convertidores A/D y D/A.

En la actualidad cada vez más equipos electrónicos son digitales. Sin embargo muchas de las señales que manejan son analógicas, por lo que es necesario realizar conversiones tanto de analógica a digital ( A/D o ADC) como de digital a analógico (D/A o DAC). Para realizar un convertidor D/A podemos utilizar un montaje sumador inversor teniendo en cuenta que las resistencias que van conectadas a las entradas tendrán que tener la relación correspondiente al peso de cada bit, es decir como potencias de 2: 1, 2, 4, 8, 16, ... Y la resistencia de realimentación tendrá que tener un valor tal que cuando todas las entradas estén a nivel alto, al ser multiplicadas por cada una de las ganancias correspondientes a cada entrada, no dé el nivel más alto de la señal analógica de salida. Para realizar un convertidor A/D podemos emplear una serie de comparadores y un decodificador, cada uno de los comparadores comparará la señal analógica con los valores fijos de los comparadores (escalón cuántico del convertido), para que nos dé salida a nivel alto o bajo según sea mayor o menor que el valor fijo de tensión de comparación. La salida de cada uno de los comparadores será un bit de la señal digital de salida.



TEMA 11: ELECTRÓNICA DE POTENCIA

1. Introducción.

La electrónica de potencia trata sobre los circuitos donde se efectúan modificaciones en la presentación de la energía eléctrica disponible. Un sistema electrónico de potencia consiste en los circuitos electrónicos que se encargan de controlar un determinado proceso industrial, donde los circuitos electrónicos están formados por uno o mas convertidores, actuadores, transductores y procesadores o sistemas de control.

La electrónica de potencia es ampliamente utilizada en electromedicina, control de iluminación, control de temperatura, fuentes de alimentación conmutadas a partir de continua o alterna, control de motores eléctricos en periféricos de ordenadores, máquinas herramientas, robots industriales, electrobombas, compresores, locomotoras eléctricas, etc.

Los tipos de conversión necesarios son: Alterna-alterna: llamados también reguladores de alterna (de igual frecuencia) o de menor frecuencia (cicloconvertidores). Alterna-continua: rectificadores, con posibilidad de controlar la tensión de salida. Continua-alterna: inversores. Pueden proporcionar cualquier frecuencia y cualquier valor de tensión eficaz. Continua-continua. Troceadores de continua (chopper). La misión de del convertidores de energía eléctrica son principalmente: - Controlar el flujo de potencia de la red primaria a la carga. - Modificar la presentación de la energía eléctrica.

Un sistema electrónico de potencia consta básicamente de dos bloques: un circuito de potencia

que estará formado por dispositivos electrónicos de potencia como los tiristores y los triacs que son capaces de soportar grandes tensiones e intensidades y un circuito de control que será un circuito alimentado generalmente en continua (que puede estar basado por ejemplo en un 555) y que se encargará de enviar señales de control al circuito de potencia con el fin de que los citados dispositivos conduzcan o no en determinados momentos, regulando la potencia entregada a la salida y modificando la presentación de la energía eléctrica. Las señales enviadas pueden aislarse del circuito de potencia a través de dispositivos como los transformadores de impulsos o los optoacopladores con el fin de aislar eléctricamente el circuito de potencia del de control.

Los dispositivos electrónicos de potencia mencionados, que forman parte del circuito de potencia serán elementos semiconductores que funcionarán prácticamente como interruptores, es decir tendrán que presentar las siguientes características:

- Alta impedancia cuando están en bloqueo o corte. (interruptor abierto) - Impedancia muy baja en conducción (interruptor cerrado) En ambos casos la potencia consumida por estos dispositivos será muy baja puesto que en el primer caso aunque soporten tensiones elevadas, la corriente que circula por el dispositivo será próxima a cero, con lo que el producto de la tensión por la intensidad, que es la potencia consumida, será muy pequeño. En el segundo caso, la intensidad de la corriente puede ser elevada, pero la caída de tensión en el dispositivo será próxima a cero, con lo cual la potencia vuelve a ser pequeña. Se consumirá más potencia en el paso de conducción a bloqueo y viceversa, pero estos dispositivos tienen tiempos de conmutación pequeños, por lo que tampoco presentan en este caso un consumo de potencia apreciable.



2. Dispositivos en Electrónica de Potencia. Diodo Shockley.

Se llama también diodo de cuatro capas (pnpn), se clasifica como diodo ya que tiene solo dos

terminales de conexión. Este diodo no conduce hasta que la tensión en sentido directo no sobrepasa determinado valor que está muy por encima del diodo rectificador (unos 0,6V.)y que se llama tensión de cebado. Una vez que ha entrado en conducción la tensión se reduce a una tensión próxima a 1V. Si la corriente que circula a través de él, disminuye de un determinado valor conocido como valor de mantenimiento (IH = I. Hold), entonces se bloquea (deja de conducir). En la siguiente figura se muestra la curva característica de este dispositivo y el símbolo.

S.C.R. El SCR (Silicon Controlled Rectifier o rectificador controlado de Silicio) conocido también

como tiristor es un dispositivo de tres terminales cuyo funcionamiento es similar al del diodo de cuatro capas, con la diferencia de que dispone de un terminal de control llamado puerta (G = Gate) que permite realizar el disparo del componente para un valor pequeño de la tensión ánodo-cátodo, sin más que introducir una corriente por el terminal de puerta. Cuanto mayor sea esta corriente, menor será la tensión necesaria entre ánodo y cátodo para dispararlo. En cualquier caso esta tensión tendrá que estar por encima de aproximadamente 1,2V y la corriente de puerta será un valor pequeño (basta con algunos microAmperios o a lo sumo miliAmperios). Con este pequeño valor que además bastará con aplicarlo durante unos milisegundos, se conseguirá que el dispositivo permita la conducción de grandes corrientes (de hasta varios cientos de Amperios). Todo lo dicho es válido cuando el SCR está polarizado directamente (tensión entre ánodo y cátodo positiva). Una vez disparado el tiristor su tensión Vak estará entorno a 1V., independientemente de la corriente que circule por él (siempre que sea mayor que

En cuanto al modo de funcionamiento en sentido inverso, éste coincide con el del diodo rectificador, es decir no conduce cuando la tensión entre ánodo y cátodo es negativa.

Un tiristor puede dispararse también, aunque no se introduzca corriente de puerta, pero para ello sería necesaria una tensión entre ánodo y cátodo muy elevada (de varios centenares de Voltios, depende



de cada tiristor) o también existe la posibilidad de que se dispare con tensión algo inferior a ella siempre y cuando la rapidez con la que aumenta la tensión sea muy grande ( que se eleve varias decenas de Voltios en tan sólo un microsegundo).

En la curva característica se aprecia el modo de funcionamiento normal del SCR (no se refleja

el posible disparo por aumento rápido de tensión) en la que se puede apreciar que la tensión necesaria entre ánodo y cátodo para conseguir el disparo es inferior cuanto mayor sea la intensidad de puerta. El SCR se bloquea bien cuando la intensidad de la corriente que circula entre ánodo y cátodo disminuye por debajo del valor de mantenimiento, o bien cuando se polariza inversamente.

Se emplea como dispositivo de potencia para aplicaciones de rectificación o paso de alterna a continua, por ejemplo si se desea realizar un control de potencia de un motor de continua a partir de corriente alterna.

2.2.1. S.C.S. El interruptor controlado de Silicio (Silicon Controlled Switch) dispone de cuatro terminales, el ánodo el cátodo y dos terminales de puerta: la puerta del ánodo y la puerta del catódo. La puerta del ánodo es de tipo N y la del cátodo es de tipo P (el dispositivo tiene cuatro capas). Si se polariza directamente cualquiera de las dos puertas, entonces el dispositivo se dispara. Si se polariza inversamente cualquiera de las dos puertas, entonces el dispositivo se bloquea. Por lo tanto la diferencia con el anterior está en la posibilidad de bloqueo por puerta. El problema es que estos dispositivos no se ha conseguido que manejen grandes corrientes por lo que sólo pueden emplearse en aplicaciones de baja potencia.



2.2.2. Fototiristor. Es un SCR activado por luz. Cuando la luz es la suficientemente intensa, se produce la conducción del tiristor, éste permanece en conducción aunque desaparezca la luz TRIAC.

El TRIAC (triodo de alterna = triode altern current) es un componente

de tres terminales y derivado del tiristor, que puede considerarse eléctricamente como dos tiristores en antiparalelo. Así pues la curva característica de este dispositivo es idéntica a la del SCR en sentido directo y en sentido inverso sería simétrica respecto al origen) La diferencia entre ellos está en que ahora el triac puede conducir en ambos sentidos por lo que además sus terminales no se llaman ánodo y cátodo sino T1 y T2. Por otro lado también permite el disparo del dispositivo con corriente entrante por puerta y con corriente saliente (puerta polarizada directamente o inversamente respecto al T1). En este dispositivo también se produce una disminución de la tensión entre sus terminales cuando se produce la conducción pero aproximadamente a 1,5V. El dispositivo se bloquea cuando la corriente disminuya por debajo de la de mantenimiento o

bien al cambiar la polaridad entre T1 y T2. Es importante tener en cuenta que para el disparo se debe realizar la polarización de la puerta respecto de T1 y no respecto de T2. Las aplicaciones de este componente de potencia se producen en control de potencia de cargas de alterna como lámparas, calefactores, motores, ...

Otros componentes: GTO, BJT, MOSFET de potencia, IGBT. GTO: muy similar al SCR pero capaz de bloquearse de forma controlada mediante una señal de corriente negativa por puerta. Otra ventaja, frente a los SCR es su mayor rapidez ya que actualmente puede soportar corrientes y tensiones grandes, cercanas a las manejadas por los SCR. Su principal inconveniente es que necesita una corriente de puerta para dispararse muy superior a la del SCR. BJT de potencia o transistor bipolar de potencia: trabaja en corte o en saturación. Manejan menores tensiones y corrientes que los SCR pero son más rápidos. Fáciles de controlar a través de la base pero el



circuito de excitación de base consume más energía que el de los tiristores Su principal ventaja es la baja caida de tensión entre colector y emisor en saturación lo que reduce las pérdidas en conducción. MOSFET de potencia: Las ventajas más importante de este son: la alta impedancia de entrada, la gran velocidad de conmutación y la buena estabilidad térmica. Su principal inconveniente es su alta resistencia entre drenador y fuente en conducción lo que se traduce en elevadas pérdidas. El control de este dispositivo se realiza por tensión.

IGBT: o transistor de puerta aislada, combina las ventajas de los MOSFET y de los bipolares: aprovecha la sencillez de ataque de los primeros (control por tensión) y el tipo de conducción entre colector y emisor es de tipo bipolar, con capacidad de conducir alta corriente con baja caída de tensión. Todo ello le hace ser el más utilizado en el control de grandes cargas como por ejemplo en control de potencia y velocidad de locomotoras eléctricas de gran potencia. 3. Componentes para disparo. En este punto se van a ver componentes que se utilizan con el fin de asegurar el disparo de los dispositivos de potencia de los que se ha hablado en el punto anterior.

El transistor uniunión (UJT). Tiene dos zonas dopadas con tres terminales: emisor, base1 y base2. El emisor está muy dopado y la zona n sin embargo está levemente dopada, or ello la resistencia entre las bases es alta cuando el emisor está abierto. Para que conduzca es necesario aplicar al emisor una tensión respecto a la base1 igual a la llamada tensión de pico. En estas condiciones el dispositivo presenta baja resistencia entre las bases y entre el emisor y la base1. Si la tensión entre E y B1 disminuye por debajo de cierto valor conocido como

tensión de valle, vuelve al estado de alta impedancia.

El DIAC. Llamado también diodo de alterna. Sus terminales se denominan ánodo1 y ánodo2. Es similar al triac pero éste no dispone de Terminal de puerta por lo que sólo puede cebarse o dispararse (pasar al estado de conducción) cuando la tensión entre sus terminales (con cualquier polaridad) sobrepasa cierto valor de tensión que dependerá únicamente del diac que hallamos elegido.

Una vez disparado su caída de tensión disminuye hasta unos dos voltios aproximadamente y se mantiene disparado mientras que la intensidad que circule por él no descienda por debajo del valor de mantenimiento. Debido a su comportamiento bidireccional y a su bajo valor de tensión de disparo, se suele emplear como elemento de disparo de un triac.

4. Circuitos de disparo sin aislamiento.



Para disparar a los componentes de potencia es necesario realizar circuitos que generen impulsos capaces de activar el terminal de disparo de los mismos, para ello deberán tener el valor de tensión o corriente adecuado así como mantenerse el intervalo de tiempo suficiente. Es conveniente que entre el circuito de potencia y el de control exista algún tipo de aislamiento, no obstante existe la posibilidad de realizarlo sin el citado aislamiento. Algunos ejemplos de este tipo son:

Oscilador de relajación con UJT.

Se realiza con el circuito de la figura en el que puede apreciarse que el condensador se comenzará a cargar hacia Vcc, pero cuando alcance la tensión de pico del UJT provocará el disparo de éste. A continuación el condensador se descargará a través de la resistencia que hay conectada a la base1 del uniunión y además la corriente circulará entre b2 y b1 generándose por tanto un pulso de tensión en extremos de dicha resistencia el cual puede ser aplicado a la puerta de un dispositivo de potencia con el fin de dispararlo. Cuando la tensión en el condensador disminuye por debajo de la tensión de valle del UJT, éste pasa al estado de alta impedancia , existiendo una tensión muy pequeña ahora en la citada resistencia, comenzando de nuevo el ciclo.

Generación de impulsos con integrados específicos.

Existen varios circuitos integrados que han sido diseñados específicamente para generar impulsos capaces de disparar a los dispositivos de potencia como tiristores y triacs. Un ejemplo es el TDA1024.

5. Circuitos de disparo con aislamiento.

Como se ha comentado antes, es necesario la mayoría de las veces aislar el circuito de control del de potencia para que no exista ninguna posibilidad de dañar al circuito de control con alguna sobretensión procedente del circuito de potencia. Para ello se suelen emplear los transformadores de impulsos o los optoacopladores.

Transformadores de impulsos.

Proporcionan aislamiento eléctrico (el acoplo es electromagnético) entre ambos circuitos y además el circuito de control se simplifica pues permite disponer de suficiente potencia de impulso para obtener un disparo seguro. Los transformadores de impulsos son de dimensiones mucho más reducidas que los de potencia puesto que sólo van a funcionar mediante impulsos.



Optoacopladores. Son muy utilizados actualmente por su bajo precio. Proporcionan aislamiento eléctrico (el acoplo es óptico). Existe una gran variedad de optoacopladores pero la mayoría lleva a la entrada un diodo emisor de luz (infrarroja o no) y un componente sensible a la luz emitida por el diodo. Dicho componente puede ser otro diodo, un transistor, un Darlington, un tiristor, un diac,... (ejemplos: 4N25, 4N26, MOC 3011, MOC 3041...). Se escogerá el más adecuado dependiendo de la aplicación concreta que se desee realizar, pero el modo de funcionamiento será prácticamente el mismo: se encenderá el diodo mediante la polarización directa del mismo y la luz emitida por éste hará que conduzca el receptor, con lo cual su caída de tensión será pequeña y la corriente que pasará por el mismo será de un valor apreciable. La frecuencia de conmutación puede llegar a ser incluso del orden de los MHz. Suelen estar encapsulados en formato DIL de 4 o 6 pines.

TIPOS

Existen varios tipos de optoacopladores cuya diferencia entre sí depende de los dispositivos de salida que se

inserten en el componente. Según esto tenemos los siguientes tipos:

Fototransistor: o lineal, conmuta una variación de corriente de entrada en una variación de tensión de salida. Se utiliza en acoplamientos de líneas telefónicas, periféricos, audio...

Optotiristor: Diseñado para aplicaciones donde sea preciso un aislamiento entre una señal lógica y la red.

Optotriac: Al igual que el optotiristor, se utiliza para aislar una circuiteria de baja tensión a la red.

En general pueden sustituir a relés ya que tienen una velocidad de conmutación mayor, así como, la ausencia de rebotes.

Símbolo del optotransistor Símbolo de un optotransistor en configuración Darlington

Símbolo de un optotransistor de encapsulado ranurado

Símbolo del Optotiristor Símbolo Optotriac

ENCAPSULADOS

El encapsulado varía en función del tipo de optoacoplador y de su aplicación, así como del número de unidades que se encuentren en su interior. En el caso de optoacopladores sencillos la cápsula, de tipo DIL, suele tener 6 patillas, siendo estos los más utilizados (observa en la figura su construcción interna). Los dobles, también de tipo DIL tienen 8 pines; algunos pueden tener hasta cuatro unidades en cápsulas DIL de 16 patillas. Normalmente, los pines del elemento emisor están a un lado de la cápsula y los del sensor en el lado opuesto. Existen unos encapsulados diferentes en los que, físicamente se puede interrumpir el haz luminoso (usados



para control de posición, nº de revoluciones, cerraduras...). De esta forma el encapsulado presenta una ranura

entre el emisor y el receptor. Se les denomina de cápsula ranurada o fotocélulas de herradura.

Optotransistor insertado en cápsula tipo DIL Dos tipos de optoacopladores de cápsulas ranuradas

Aspecto de un encapsulado DIL de 6 patillas (pdf) Encapsulados DIP-8 y DIP-14

6. Circuitos convertidores en electrónica de potencia. Convertidores c.a./c.c.

La regulación y control de potencia en aplicaciones industriales se ve solucionada en la mayor parte de los casos mediante la utilización de SCR comandados por circuitos de control que incluyen transistores UJT.

Control de media onda con SCR. El circuito de control se encarga de suministrar los impulsos de encendido al SCR cuando

éste se encuentra en polarización directa, posibilitando su conducción. El circuito muestra la disposición genérica de un control de potencia a una carga de continua con SCR a partir de alterna. La tensión de entrada hace que en cada semiciclo positivo el tiristor esté en disposición de conducir. Lo hará en el momento de recibir el impulso en puerta. Hasta que no se

recibe dicho impulso la tensión en la carga será próxima a cero al estar bloqueado el tiristor. En el momento de recibir el impulso, la caída de tensión en el tiristor se reducirá a 1,2V. aproximadamente y por tanto el resto, que será prácticamente toda la tensión alterna aplicada caerá en la carga. Cuando se llega al semiciclo negativo, el tiristor se bloquea con lo cual la tensión aplicada a la carga será nula y no conducirá hasta que se produzca el impulso positivo en el semiciclo positivo repitiéndose por tanto el ciclo.



Entre el origen de la señal de entrada y el momento en que se produce el impulso de puerta tiene lugar un desfase que se conoce con el nombre de ángulo de encendido. A la restante porción del semiperiodo que es el tiempo durante el cual el SCR conduce se le denomina ángulo de conducción. Variando el instante en que se produce el impulso de puerta variamos el ángulo de encendido del tiristor y consecuentemente la potencia en la carga del circuito. Las formas de onda obtenidas en el control de potencia que estamos viendo, cuando se trabaja con carga inductiva, por ejemplo motores, presentan notables diferencias. En este caso la corriente del circuito presenta un retraso respecto a la tensión debido a las características inductivas de la carga. Este retraso origina que con el paso por cero de la tensión, la corriente tenga un valor importante, mayor que el de mantenimiento del tiristor. Por tanto tras la aplicación del impulso de puerta el tiristor mantendrá su ángulo de conducción mas allá del paso por cero del semiciclo positivo de la tensión de entrada, apareciendo una porción de semionda negativa (fuerza contraelectromotriz) coincidente con el decrecimiento de la corriente que induce esta tensión. Si se desea evitar la aplicación de tensiones negativas en la carga (máxime si ésta no las admite) se conecta en paralelo con la misma un diodo denominado diodo volante, que actúa de derivador frente a los semiciclos negativos.

Rectificador trifásico de media onda no controlado. La rectificación trifásica surge de la necesidad de alimentar con cc una carga cuyo consumo es elevado. Cuando el consumo de una carga es elevado en un sistema monofásico, los filtros a condensador precisan capacidades muy elevadas para que el rizado no sea excesivo, este inconveniente queda solventado en trifásica pues, como veremos, no necesita filtros



pues su propia característica aplicada a un sistema rectificador lleva consigo la disminución del factor de rizado. En trifásica también se puede realizar un control de media onda y de onda completa con las mismas ventajas que los monofásicos pero para alta potencia.

Si los diodos están conectados al secundario de un transformador en estrella, cada uno soportará en inversa la tensión entre fase y neutro. Conducirá el que tenga mayor tensión de ánodo. Cada uno conducirá 120º. Se obtiene así una señal similar a la obtenida en el caso monofásico, pero ahora sin filtro.

Rectificador trifásico de onda completa no controlado.

En este caso se produce la conducción alternativa de cada diodo con el ánodo a potencial más positivo y el de menor tensión de cátodo (o más negativa). Cada diodo conduce 120º compartidos con otros dos, 60º con uno y 60º con otro. Esta situación será válida siempre que el circuito trabaje con cargas resistivas. Los diodos conmutarán de forma natural. La señal obtenida ahora en la carga es tensión de línea, mientras que ene. Caso de media onda era tensión de fase puesto que la carga antes iba conectada al neutro y ahora no por lo que recibe tensión entre fases o de línea. Además se puede apreciar que el rizado obtenido es aún inferior al que se obtenía en el caso de media onda y, recordemos, sin filtro.



Rectificador trifásico controlado de media onda. Los rectificadores controlados permiten obtener una tensión continua variable. Pueden actuar además de forma reversible, es decir, tomando potencia de la salida y proporcionándola a la entrada de c.a., se dice entonces que funcionan como inversores no autónomos ( sólo se puede dar este caso si la carga es inductiva). Su elemento base es el tiristor y el control se efectúa retardando su disparo un tiempo a partir del instante en que su tensión ánodo-cátodo se hace positiva. El bloqueo de los tiristores se hace de forma natural. Los montajes son los mismos que los vistos para los rectificadores no controlados. Si el ángulo de retardo es hasta 30º no puede haber tensión negativa en la carga, pero sí para un ángulo mayor que ese hasta el punto que teóricamente tenemos la misma porción de tensión positiva que negativa en la carga para 90º (al ser siempre la intensidad positiva pero la tensión negativa, en este caso se devuelve potencia, de la carga a la red, esto sólo es válido en el caso de carga inductiva, claro). Si es mayor a 90º la tensión en la carga es durante más tiempo negativa, éste caso sólo se puede dar en caso de que la carga sea un generador de continua que suministra energía a la red.

Rectificador trifásico controlado de onda completa. Hay que resaltar que ahora lo que ocurre es que la carga recibe la tensión de línea en lugar de la tensión de fase. Por lo demás, es válido todo lo dicho anteriormente.

Convertidores c.a./c.a. (Reguladores de c.a.) Atendiendo a la técnica de control de c.a. que se emplee puede hacerse la siguiente clasificación: - Control de fase: el control se efectúa dentro de cada semiciclo dejando pasar una parte del

mismo. - Control integral: el control se efectúa dejando pasar un número entero de semiciclos. Para

éste, se emplean integrados, como el TDA1024 que están preparados para proporcionar impulsos capaces de disparar de modo seguro y sincronizados con la red a los tiristores.

Control de potencia por variación del ángulo de conducción (control de fase)

El cebado del triac se realiza mediante una célula RC que introduce un desfase debido a la constante de tiempo de carga del condensador. En el circuito de la figura se observa que la constante de tiempo está determinada por los valores de R + P y de C. En el semiciclo positivo el condensador de carga a través de R + P con la misma polaridad que la ensión entre ánodos. Cuando se alcanza la tensión de cebado del diac, permitiendo que el condensador se descargue y produciendo un impulso de corriente que ceba al triac, la tensión de este último cae prácticamente a cero, aplicando, por tanto, toda la tensión de red a la carga. Durante el semiciclo negativo, el funcionamiento es idéntico al descrito anteriormente, con las polaridades invertidas. El retraso introducido puede ser variado mediante P y con ello la potencia media aplicada a la carga que puede ser una lámpara, un radiador eléctrico o un motor de alterna.



La tensión aplicada en la carga no es igual en todos los semiciclos, siendo menor en el primero de ellos. Esto se debe a la descarga parcial que sufre C en el momento del cebado del triac, con lo que en el siguiente semiciclo se alcanzará antes la tensión de cebado, este efecto se conoce con el nombre de histéresis, que es indeseable ya que no permite una regulación precisa desde el principio siendo necesario ajustar primero un ángulo de conducción elevado, para posteriormente aumentar P si lo que se pretende es una baja potencia de carga. Una de las soluciones para evitar en lo posible el efecto de la histéresis es la que se muestra en el circuito de la figura en el que se ha añadido otra célula RC. A este circuito se le conoce con el nombre de control de doble constante de tiempo. Su principio básico de funcionamiento consiste en que cuando C2 alcanza la tensión de cebado del diac, ésta no cae tan abruptamente como en el circuito anterior, debido a la recarga parcial de C2 gracias a la corriente procedente de C1. Este mecanismo permite que la reducción de la tensión de C2 sea bastante menor que en el circuito anterior reduciendo con ello el efecto de la histéresis Si la carga es fuertemente inductiva, puede ocurrir que el desfase de la corriente sobre la tensión de red introducido por la carga sea tal que el paso por cero de la corriente coincida con una tensión grande aplicada al triac, En estas condiciones, el triac debe variar su tensión entre ánodos desde la tensión de cebado, prácticamente cero hasta cientos de voltios en un tiempo pequeño, por lo que podría recebarse de forma indeseada.



Control de potencia mediante control integral.

Este tipo de control se realiza mediante circuitos integrados. Existen en el mercado una gran variedad de integrados para realizar este control, como el TDA 1024. Sus ventajas son la conmutación a tensión cero y por tanto menores inteferencias eléctricas.

Cicloconvertidores. Con el nombre de cicloconvertidores se designan los convertidores directos c.a./c.a. de distinta frecuencia. Son capaces de proporcionan, a partir de c.a., otra señal de alterna de amplitud y frecuencia regulables. Su principal aplicación se da en el control a baja velocidad de grandes motores de alterna en que es preciso variar la amplitud de la tensión proporcionalmente a la frecuencia. Los cicloconvertidores solo pueden proporcionar frecuencias de salida inferiores a la de la alimentación. Están formados por tiristores conectados en antiparalelo, con ello se consigue el bloqueo natural de los mismos y además que, con cargas regenerativas puedan absorber potencia de la salida y entregarla a la entrada.

Convertidores cc./c.c. Constituyen la base de funcionamiento de las fuentes de alimentación conmutadas de gran difusión en la actualidad, por sus grandes ventajas respecto a la lineales.

Convertidor directo. El elemento de conmutación suele ser un transistor aunque puede utilizarse otro. Mediante un circuito de control apropiado pasará de corte a saturación (bloqueo y conducción) durante los intervalos que disponga la señal de control introducida por la base. El condensador tendrá capacidad suficiente para que la tensión de salida sea constante y junto con L forma el filtro de salida. Durante el tiempo de conducción (ton), la corriente circula por la bobina almacenando un campo magnético, cargando al condensador y proporcionando corriente a la salida, no conduciendo el diodo. Durante el tiempo de no conducción (toff) del transistor, se crea una f.c.e.m. en la bobina cediendo esta corriente a la carga y manteniendo al condensador cargado, conduciendo ahora el diodo.

toffVstonIVsVe =)( Despejando:

Vitoffton

tonVeVsal =

+= )(



siendo delta la relación entre el tiempo de conducción y el periodo ( = ton/T). Con lo cual la tensión de salida sólo puede ser inferior a la de entrada. (Ventrada = Ve = Vi)

Convertidor indirecto.

En este circuito, cuando el transistor conduce (ton), el diodo D impide el paso de la corriente, haciéndolo a través de L, almacenando así la energía. Esta energía se libera cuando el transistor se bloquea y se polariza el diodo directamente, debido a la fuerza contraelectromotriz inducida. El condensador C hace mantener constante la tensión entregada a la carga con la polaridad indicada. Se cumplirá por tanto:

toffVotonVi = Despejando:

)(toff

tonViVsalVo ==

Se ve como se puede conseguir ahora más o menos tensión a la salida sin más que controlar los tiempos de bloqueo y conducción del transistor, con el adecuado circuito de control.

Convertidor simétrico. En este tipo de convertidor se utilizan dos interruptores (transistores por ej.) funcionando alternativamente. En el primario del transformador se combinan las corrientes procedentes de estos interruptores, y en el secundario se obtienen las corrientes resultantes que, a través de los diodos D1 y D2 se llevan a la autoinducción , provocando el efecto estudiado en el tipo de convertidor directo, con lo cual:

KViVo = 2 siendo K la relación de transformación.



Control de las fuentes conmutadas.

En las fuentes de alimentación reguladas para mantener constante la tensión en la carga se toma una muestra de la tensión de salida y se la compara con otra tensión de referencia. En las fuentes conmutadas la tensión aplicada a la carga depende del ciclo de trabajo, es decir de los tiempos de conducción y bloqueo del conmutador durante cada ciclo de trabajo. Así pues actuando sobre dicho ciclo de trabajo conseguimos controlar la tensión de salida ante posibles variaciones provenientes de la tensión de entrada o de la propia carga. Como = ton/T, el control se puede ejercer de dos formas:

- A frecuencia fija, variando solamente el tiempo de conducción ton. - A frecuencia variable, variando solamente el periodo T.

Convertidores c.c./c.a. (Inversores u onduladores)

Son circuitos que proporcionan tensión o intensidad alterna a partir de una fuente de continua. Se utilizan diversos circuitos para conseguirlo.

Puente monofásico. Consiste en dos ramas de semiconductores conectadas a los extremos de la batería. Entre los puntos medios de las ramas se conecta la carga. Si la carga es inductiva, se colocarán en paralelo con los semiconductores de potencia, diodos volante. El circuito de control de dichos semiconductores de potencia (transistores, Mosfet, ...) tendrá que excitar a Q1 y Q4 con lo que la carga por un extremo queda conectada al polo positivo y por el otro al negativo, si despreciamos las caídas de tensión en los semiconductores que conducen. Bloqueando éstos y excitando Q2 y Q3 la tensión en la carga se invierte. Haciendo esto de forma alternativa, la carga queda sometida a una tensión alterna cuadrada de amplitud igual a la tensión de la batería. Si se desea que la señal se parezca más a la senoidal, se realizará el control de ancho de impulso.



Puente trifásico.

Ahora se colocan tres ramas con dos semiconductores de potencia cada una, o sea un total de 6 dispositivos de potencia controlados adecuadamente (conviene que sea control PWM) para conseguir que la señal de salida también sea PWM, es decir de envolvente alterna senoidal.



ÍNDICE TEMA 1. MAGNITUDES ELÉCTRICAS FUNDAMENTALES......................................................... 2

TEMA 2.- COMPONENTES ELECTRÓNICOS ................................................................................. 6

TEMA 3: CIRCUITOS RESISTIVOS DE CORRIENTE CONTINUA. ............................................. 20

TEMA 4: CORRIENTE ALTERNA ................................................................................................. 25

TEMA 6: FUENTES DE ALIMENTACIÓN LINEALES. ................................................................. 29

TEMA 7.- CIRCUITOS IMPRESOS ................................................................................................. 35

TEMA 8.- CIRCUITOS CON TRANSISTORES. .............................................................................. 38

TEMA 8B.- EL DISPARADOR DE SCHMITT................................................................................. 45

TEMA 9 : CIRCUITOS INTEGRADOS ANALÓGICOS.................................................................. 47

TEMA 10.- AMPLIFICADORES OPERACIONALES..................................................................... 51

TEMA 11: ELECTRÓNICA DE POTENCIA.................................................................................... 63

electrÓnica analÓgica -...

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