INSTITUTO TECNOLÓGICO DE PUEBLA
ING. MECANICA
CIRCUITOS ANALOGICOS Y DIGITALES
TRABAJOS DE INVESTIGACION
CATEDRÁTICO:
ING. HECTOR ROCHA PEÑA ALUMNA:
-1-
VARGAS SANCHEZ MA. GUADALUPE •
CONTENIDO
TEMA 1.-
SEMICONDUCTORES (DIODOS). . . . . PAG. 3 -13
TEMA 2.-
TRANSISTORES. . . . . . . . . . . . . .PAG. 14 - 23
TEMA 3.-
TIRISTORES. . . . . . . . . . . . . . .PAG. 24 -35
-2-
•
SEMICONDUCTORES
Un semi semico condu nduct ctor or es un elem elemen ento to mate materi rial al cuya cuya condu conduct ctiv ivid idad ad eléc eléctr tric icaa puede puede considerarse situada entre las de un aislante y la de un conductor, considerados en orden creciente Como todos los demás átomos, el átomo de silicio tiene tantas cargas positivas en el núcleo, como electrones en las órbitas que le rodean. (En el caso del silicio este número es de 14). El interés del semiconductor se centra en su capacidad de dar lugar a la aparición de una corriente, es decir, que haya un movimiento de electrones. Un electrón se siente más ligado al núcleo cuanto mayor sea su cercanía entre ambos. Por tanto los electrones que tienen menor fuerza de atracción por parte del núcleo y pueden ser liberados de la misma, son los electrones que se encuentran en las órbitas exteriores (figura 2). Estos electrones pueden, según lo dicho anteriormente, quedar libres al inyectarles una pequeña energía.
Modelo completo del átomo de silicio y orbital exterior •
SEMICONDUCTORES
-3-
Si los conductores son materiales que disponen de electrones libres y los aislantes carecen de ellos, los semiconductores se encuentran en una situación intermedia: a la temperatura de 0 K se comportan como aislantes, pero mediante una aportación de energía puede modificarse esta situación, adquiriendo un comportamiento más cercano al de los conductores. El más empleado actualmente es el silicio. Entre los semiconductores comunes se encuentran elementos químicos y compuestos, como el silicio, el germanio, el selenio, el arseniuro de galio, el seleniuro de cinc y el telururo de plomo. Donde el más empleado actualmente es el silicio. •
•
Para incrementar el nivel de la conductividad se provocan cambios de temperatura, de la luz o se integran impurezas en su estructura molecular. Estos cambios originan un aumento del número de electrones liberados (o bien huecos huecos)) conduc conductor tores es que transp transport ortan an la energí energíaa eléctr eléctrica ica.. El campo campo eléctr eléctrico ico aplicado ejerce también una fuerza sobre los electrones asociados a los enlaces covalentes. Esa fuerza puede provocar que un electrón perteneciente a un enlace cercano a la posición del hueco salte a ese espacio. Así, el hueco se desplaza una posición en el sentido del campo eléctrico. Si este fenómeno se repite, el hueco continuará desplazándose. Aunque este movimiento se produce por los saltos de electrones, podemos suponer que es el hueco el que se está moviendo por los enlaces.
La carga neta del hueco vacante es positiva y por lo tanto, se puede pensar en el hueco como una carga positiva moviéndose en la dirección del campo eléctrico. Obsérvese que los electrones individuales de enlace que se involucran en el llenado de los espacios vacantes por la propagación del hueco, no muestran movimiento continuo a gran escala. Cada Cada uno uno de esto estoss elec electr tron ones es se muev muevee únic únicam amen ente te una una vez vez dura durant ntee el proc proces esoo migratorio. En contraste, un electrón libre se mueve de forma continua en la dirección opuesta al campo eléctrico. Análogamente al caso de los electrones libres, la densidad de corriente de huecos viene dada por: Jh = hp (qE) En donde:
-4-
Jh = Densidad de corriente de huecos h = Movilidad de los huecos en el material p = Concentración de huecos q = Carga eléctrica del hueco: igual y de signo opuesto a la del electrón E = Campo eléctrico aplicado
La movilidad h es característica del material, y está relacionada con la capacidad de movimiento del hueco a través de los enlaces de la red cristalina. La "facilidad" de desplazamiento de los huecos es inferior a la de los electrones. Consideremos ahora el caso de un semiconductor que disponga de huecos y electrones, al que sometemos a la acción de un campo eléctrico. Hemos visto cómo los electrones se moverán en el sentido opuesta a la del campo eléctrico, mientras que los huecos lo harán en según el campo. El resultado es un flujo neto de cargas positivas en el sentido indicado por el campo, o bien un flujo neto de cargas negativas en sentido contrario. En definitiva, se mire por donde se mire, la densidad de corriente global es la suma de las densidades de corriente de electrones y de huecos: J = Jh + Je = hp(qE) + en(qE) — Los cuatro cuatro electro electrones nes de valenc valencia ia (o electro electrones nes exterio exteriores res)) de un átomo átomo están en parejas y son compartidos por otros átomos para formar un enlace covalente que mantiene al cristal unido. — Para producir producir electro electrones nes de conducció conducción, n, se utiliza utiliza energía energía adicional adicional en forma de luz o de calor (se maneja como temperatura ),), que excita los electrones de valencia y provoca su liberación de los enlaces, de manera que pueden transportar su propia energía. — Cada electró electrónn de valencia valencia que se desprende desprende de su su enlace covalen covalente te deja detrás detrás de sí un hueco , o dicho en otra forma, deja a su átomo padre con un electrón de menos, lo que significa entonces que en ese átomo existirá un protón de más. — Las Las def defic icie ienc ncia iass o huecos que quedan contribuyen al flujo de la electricidad (se dice que estos huecos transportan carga positiva ).). Éste es el origen físico del incremento de la conductividad eléctrica de los semiconductores a causa de la temperatura. Los cristales semiconductores de dividen en intrínsecos y extrínsecos. Un cristal intrínseco es aquél que se encuentra puro (aunque no existe prácticamente un cristal 100% puro); es decir, no contiene impurezas; mientras que un cristal extrínseco es aquél que ha sido impurificado con átomos de otra sustancia. Al proceso de impurificación se le llama también también dopado , y se utiliza para obtener electrones libres que sean capaces de
-5-
trans transpo port rtar ar la ener energí gíaa eléc eléctr tric icaa a otro otross punt puntos os del del cris crista tal.l. En un semi semico condu nduct ctor or intrínseco las concentraciones de huecos y de electrones pueden alterarse mediante la adición de pequeñas cantidades de elementos llamados impurezas impurezas o dopantes dopantes, a la composición cristalina. Como vemos, es esta característica de los semiconductores la que permite la existencia de circuitos electrónicos integrados. Si la introducción de impurezas se realiza de manera controlada pueden modificarse las propiedades eléctricas en zonas determinadas del material. Así, se habla de dopado tipo P ó N (en su caso, de silicio P ó N) según se introduzcan huecos o electrones respectivamente. Centrémonos ahora en el silicio tipo P. En la práctica, a temperatura mayor que cero este material estará formado por:
Huecos procedentes del dopado. Huecos procedentes de la generación térmica de pares e -/h+. Electrones procedentes de la generación térmica de pares e -/h+. Electrones y huecos procedentes de impurezas no deseadas.
Habitualmente, a temperatura ambiente, el nivel de dopado es tal que los huecos procedentes de él superan en varios órdenes de magnitud al resto de portadores. Ello confiere el carácter global P del material. Sin embargo, ha de tenerse en cuenta que existen electrones. En este caso, los huecos son los portadores mayoritarios , y los electrones los minoritarios . Si se trata de un material de tipo N, los portadores mayoritarios serán los electrones, y los minoritarios los huecos. Material Silicio Puro Silicio tipo P Silicio tipo N
Portadores mayoritarios Huecos Electrones
Portadores minoritarios Electrones Huecos
Hay que resaltar que el dopado no altera la neutralidad eléctrica global del material. INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA SOBRE LOS SEMICONDUCTORES S EMICONDUCTORES
Al presentar el concepto de portadores mayoritarios y minoritarios se ha asumido una hipótesis de trabajo: que a temperatura ambiente (25ºC) la concentración de portadores provocada provocada por generación generación térmica térmica es mucho menor que la causada causada por los dopados. dopados. Pues bien, si se eleva la temperatura sobre la de ambiente se aumentará la tasa de pares electrón/hueco generados. Llegará un momento en el que, si la temperatura es lo
-6-
suficientemente elevada, la cantidad de pares generados enmascare a los portadores presentes debidos a la impurificación. En ese momento se dice que el semiconductor es degenerado , y a partir de ahí no se puede distinguir si un material es de tipo N ó P: es la temperatura a la cual los dispositivos electrónicos dejan de operar correctamente. En el caso del silicio, esta temperatura es de 125 ºC. Conducción eléctrica en semiconductores Dada la especial estructura de los semiconductores, en su interior pueden darse dos tipos de corrientes:
CORRIENTE POR ARRASTRE DE CAMPO
Supongamos que disponemos de un semiconductor con un cierto número de electrones y de huecos, y que aplicamos en su interior un campo eléctrico. Veamos que sucede con los portadores de carga: Cada átomo de silicio tiene cuatro electrones de valencia. Se requieren dos para formar el enlace covalente. En el silicio tipo n, un átomo como el del fósforo (P), con cinco electrones de valencia, reemplaza al silicio y proporciona electrones adicionales. En el silicio tipo p, los átomos de tres electrones de valencia como el aluminio (Al) provocan una deficiencia de electrones o huecos que se comportan como electrones positivos. Los electrones o los huecos pueden conducir la electricidad. ESTRUCTURA DEL SILICIO El silicio es un elemento con una gran cantidad de aplicaciones. Es el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre (después del oxígeno) con un porcentaje en peso del 25,7%. Está presente en multitud de materiales, tan diversos como la arena, la arcilla, el vidrio o el hueso. El silicio puro no se encuentra en la naturaleza, pero bajo las condiciones adecuadas pueden obtenerse en forma de estructuras monocristalinas. En éstas los átomos se disponen según una red tipo diamante con simetría cúbica, en donde cada átomo forma enlaces covalentes con otros cuatro adyacentes. Así todos los átomos tienen la última órbita completa con ocho electrones.
-7-
Figura: Estructura cristalina del silicio puro En la figura se aprecia que todos los electrones de valencia están asociados a un enlace covalente. Por tanto, al no existir portadores libres, el silicio puro y monocristalino a 0 K se comporta como un material aislante. Si un electrón atraviesa la zona en la que se encuentra el hueco puede quedar atrapado en él. A este fenómeno se le denomina recombinación , y supone la desaparición de un electrón y de un hueco. Sin embargo, como en el caso anterior, el material mantiene su neutralidad eléctrica. Electron Electrones es libres: libres: Obviamente, la fuerza que el campo eléctrico ejerce sobre los electrones provocará el movimiento de estos, en sentido opuesto al del campo eléctrico. De este modo se originará una corriente eléctrica. La densidad de la corriente eléctrica (número de cargas que atraviesan la unidad de superficie en la unidad de tiempo) dependerá de la fuerza que actúa (qE), del número de portadores existentes y de la "facilidad" con que estos se mueven por la red, es decir:
Je = en(qE)
en donde:
Je = Densidad de corriente de electrones e = Movilidad de los electrones en el material n = Concentración de electrones q = Carga eléctrica E = Campo eléctrico aplicado
La movilidad e es característica del material, y está relacionada con la capacidad de movimiento del electrón a través de la red cristalina.
-8-
•
conducción por difusión de portadores
Antes de entrar en el fenómeno de conducción por difusión vamos a explicar el concepto de difusión. Si suponemos que tenemos una caja con dos compartimentos separados por una pared común. En un compartimiento introducimos un gas A, y en el otro un gas B.
La anterior figura nos muestra: Difusión de dos gases a través de una membrana porosa Si en un momento determinado se abre una comunicación entre las dos estancias parte del gas A atravesará la pared para ocupar el espacio contiguo, al igual que el B. El resultado final es que en ambas estancias tendremos la misma mezcla de gases A+B. La difusión de partículas es un mecanismo de transporte puramente estadístico, que lleva partículas "de donde hay más, a donde hay menos", siempre que no haya ninguna fuerza externa que sea capaz de frenar dicho proceso. Matemáticamente puede expresarse esta idea mediante la primera ley de Fick , que establece que el flujo de partículas que atraviesa una superficie (J partículas/s/m2) es proporcional al gradiente de concentración (c partículas/m3) de dichas partículas:
A la constante de proporcionalidad se le denomina difusividad, y tiene dimensiones de m2/s. Principalmente los semiconductores se diferencian: •
•
de los aislantes: La energía para liberar un electrón es menor en el semiconductor que en el aislante. Así a temperatura ambiente el primero dispone ya de portadores libres. de los conductores: Los semiconductores poseen dos tipos de portadores de carga: el electrón y el hueco. EL DIODO •
-9-
Cuando ciertas capas de semiconductores tipo p y tipo n son adyacentes, forman un diodo de semiconductor, y la región de contacto se llama unión pn. Un diodo es un dispositivo de dos terminales que tiene una gran resistencia al paso de la corriente eléctrica en una dirección y una baja resistencia en la otra. Las propiedades de conductividad de la unión pn dependen de la dirección del voltaje, que puede a su vez utilizarse para controlar la naturaleza eléctrica del dispositivo Algunas series de estas uniones se usan para hacer transistores y otros dispositivos semiconductores como células solares, láseres de unión pn y rectificadores. Los dispositivos semiconductores tienen muchas aplicaciones en la ingeniería eléctrica. Los últimos avances de la ingeniería han producido pequeños chips semiconductores que contienen cientos de miles de transistores. Estos chips han hecho posible un enorme grado de miniaturización en los dispositivos electrónicos. Observemos la siguiente figura:
Si unimos un semiconductor tipo "P" con uno tipo "N", obtendremos un "DIODO". Existen los siguientes tipos de Diodos: •
DIODO RECTIFICADOR
Estos diodos tienen su principal principal aplicación aplicación en la conversió conversiónn de corriente corriente alterna alterna AC, en corriente continua DC.
En las ante anteri rior ores es figu figura rass le most mostra ramo moss su símb símbol olo, o, y su repr repres esen enta taci ción ón físi física ca.. A significa Ánodo (+) y la K significa Cátodo (-). En la imagen de su aspecto físico observamos una franja blanca, esta representa al cátodo. Polarización directa y polarización inversa de un diodo rectificador .-
- 10 -
1.- Polarización directa. El positivo de la batería va al ánodo y el negativo al cátodo. El diodo conduce manteniendo en sus extremos una caída de tensión de 0.7 voltios. 2.- Polarización inversa. El positivo de la batería va al cátodo y el negativo al ánodo. El diodo no conduce. Toda la tensión cae en el . Puede existir una pequeña corriente de fuga del orden de µAmperios. •
PUENTE RECTIFICADOR
.- Los fabricantes han incluido dentro de una misma cápsula cuatro diodos rectificadores con montaje llamado "en puente".
SIMBOLO
ASPECTO FISICO
Observamos en el símbolo dos terminales de entrada de corriente alterna y dos de salida de corriente continua. Los terminales del puente rectificador pueden cambiar, dependiendo del fabricante. Vemos que pueden tener distintos aspectos, que dependen sobre todo de la potencia que sea necesaria en el circuito al que van destinados. APLICACIONES.-
- Se utilizan en fuentes de alimentación alimentación conectados a la salida de un transformador transformador para poder obtener en su salida, indicada por las patillas + y -, una corriente continua. •
DIODO DE SEÑAL
Este tipo de diodo se utiliza para la detección de pequeñas señales, o señales débiles, por lo que trabaja con pequeñas corrientes. La tensión Umbral, o tensión a partir de la cual el diodo, polarizado directamente, comienza a conducir, suele ser inferior a la del diodo rectificador. O sea la V.Umbral es aproximadamente 0,3 voltios.
- 11 -
El material semiconductor suele ser el Germanio. APLICACIONES.-
- Se emple emplean an,, sobr sobree todo el la dete detecc cció iónn de señal señales es de Radio Radio Frecu Frecuen enci ciaa (RF) (RF).. Se utilizan en etapas moduladoras, de moduladoras, mezcla y limitación de señales. •
DIODO PIN.-
Este tipo de diodo que presenta una región P fuertemente dopada y otra región N también fuertemente dopada, Este diodo tiene aplicaciones en circuitos donde utilizan frecuencias muy altas como VHF, UHF y circuitos de microondas. Se le suele utilizar como interruptor o como modulador de amplitud en frecuencias de micr microo oond ndas as ya que que para para todo todoss los los prop propós ósit itos os se le pued puedee pres presen enta tarr como como un cort cortoc ocir ircu cuit itoo en en sen senti tido do dire direct ctoo y como como un circ circui uito to abie abiert rtoo en sent sentid idoo inve invers rso. o.
Cuando se le aplica una polarización directa al diodo PIN, conduce corriente y se comporta como un interruptor cerrado. Si se le aplica una polarización inversa se comporta como un interruptor abierto, no dejando pasar la señal. •
DIODO ZENER.-
El diodo zener sirve para ara regular o estabi abilizar el voltaje en un circuito. Esto quiere decir que tiene la propiedad de mantener en sus extremos una tensión
- 12 -
constante gracias a que aumenta la corriente que circula por el.
•
FOTODIODO.-
Es un dispositivo que tiene la propiedad de que estando polarizado directamente, conduce cuando recibe luz. Símbolo:
APLICACIONES.-
- Se utiliz utilizaa en televis televisore ores, s, videos, videos, y equipo equiposs de música música como como censor censor de los mando mandoss a distancia que utilizan diodos emisores de rayos infrarrojos.
•
DIODO LED.- ( Diodo Emisor de Luz )
Es un diodo que realiza la función contraria al fotodiodo. Cuando se le aplica tensión, polarizado directamente, emite luz. Se fabrica con un compuesto formado por Galio, Arsénico y Fósforo.
La zona plana, donde comienza una de las patillas, indica el cátodo.
- 13 -
Aplicaciones.-
- Se empl emplea ean, n, en apar aparat atos os elec electr trón ónic icos os como como indi indica cado dore ress lumin luminos osos os,, por por ejem ejempl plo: o: televisores, videos, mandos, etc. Estas son algunas de las principales características de los semiconductores también conocidos con el nombre de diodos.
•
BIBLIOGRAFIA
http://www.elprisma.com http://www.aputes.rincondelvago.com
•
TRANSISTORES
DEFINICIÓN
Dispositivo semiconductor activo que tiene tres o más electrodos. Los tres electrodos principales son emisor, colector y base. La conducción entre estos electrodos se realiza por medio de electrones y huecos. El germanio y el sicilio son los materiales más frecuentemente utilizados para la fabric fabricaci ación ón de los elemen elementos tos semico semiconduc nducto tores res.. Los transi transisto store ress pueden pueden efectu efectuar ar
- 14 -
prácticamente todas las funciones de los antiguos tubos electrónicos, incluyendo la ampliación y la rectificación, con muchísimas ventajas.
Símbolo de un transistor
•
ELEMENTOS DE UN TRANSISTOR O TRANSISTORES:
El transistor es un dispositivo semiconductor de tres capas que consiste de dos capas de material tipo N y una capa tipo P, o bien, de dos capas de material tipo P y una tipo N. al primero se le llama transistor NPN, en tanto que al segundo transistor PNP.
EMISOR , que emite los portadores de corriente, (huecos o electrones). Su labor es la equivalente al CATODO en los tubos de vacío o "lámparas" electrónicas.
controla el flujo de los portadore portadoress de corriente. corriente. Su labor es la BASE, que controla equivalente a la REJILLA cátodo en los tubos de vacío o "lámparas" electrónicas.
COLECTOR, que capta los portadores de corriente emitidos por el emisor. Su labor es la equivalente a la PLACA en los tubos de vacío o "lámparas" electrónicas.
- 15 -
•
TIPOS TIPOS DE TRAN TRANSI SISTO STORE RES S
TRANSISTORES BIPOLARES DE UNIÓN,
BJT. ( PNP o NPN )
- BJT, de transistor bipolar de unión (del inglés, Bipolar Junction Transistor). El término bipolar refleja el hecho de que los huecos y los electrones participan en el proceso de inyección hacia el material polarizado de forma opuesta.
TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO.
(JFET, MESFET, MOSFET )
- JFET, De efecto de campo de unión (JFET): También llamado transistor unipolar, fue el primer transistor de efecto de campo en la práctica. Lo forma una barra de material semiconductor de silicio de tipo N o P. En los terminales de la barra se establece un contacto óhmico, tenemos así un transistor de efecto de campo tipo N de la forma más básica. En los terminales de la barra se establece un contacto óhmico, tenemos así un transistor de efecto de campo tipo N de la forma más básica. Si se difunden dos regiones P en una barra de material N y se con conec ecta tann exter externa name mente nte ent entre re sí, sí, se pro produ duci cirá rá un unaa pu puer erta ta.. A uno de estos contactos le llamaremos surtidor y al otro ordenador. Aplicando tensión positiva entre el ordenador y el surtidor y conectando a puerta al surtidor, estableceremos una corriente, a la qu quee llama marremos corriente de ordenad adoor con polari pol arizac zación ión ce cero. ro. Con un potencial negativo de puerta al que llamamos tensión de estrangulamiento, cesa la conducción en el canal. - MESFET, transistores de efecto de campo metal semiconductor .
- 16 -
- MOSFET, transistores de efecto de campo de metal-oxido semiconductor. En estos componentes, cada transistor es formado por dos islas de silicio, una dopada para ser positiva, y la otra para ser negativa, y en el medio, actuando como una puerta, un electrodo de metal.
TRANSISTORES
HBT y HEMT.
Las si Las sigl glas as HB HBTT y HE HEMT MT pe perrte tene nece cenn a la lass pa pala labbra rass Hete Heterojuc rojuction tion Bipo Bipolar lar Transisto Tran sistorr (Bipo (Bipolar lar de Hete Hetereoe reoestruc structura) tura) y Hight Elec Electrón trón Mobi Mobility lity Tran Transisto sistorr (De Alta Movilidad). Son dispositivos de 3 terminales formados por la combinación de diferentes componentes, con distinto salto de banda prohibida. Observemos el siguiente ejemplo:
TRANSISTOR DE PUNTA DE CONTACTO:
El transistor primario. Consiste en electrodos de emisor y colector tocando un pequeño bloque de germanio llamado base, que podía ser de tipo N y del tipo P, siendo un cuadrado de 0.05 pulgada de lado. Era difícil de controlar, por lo que ya hoy se encuentra sin uso por estar anticuado.
TRANSISTOR DE UNIÓN POR CRECIMIENTO:
Se obtienen sus cristales realizando un proceso de crecimiento, desde el germanio y el silicio fundidos de forma que presenten uniones con muy poca separación incrustadas en la pastilla.
- 17 -
Las impurezas se transforman durante el crecimiento del cristal y producen lingotes PNP o NPN, de los que se obtiene pastillas individuales, de unión a su vez pueden ser de unión de crecimiento, unión por alineación o de campo interno, que es aquél en que la concentración de impurezas se encuentra en una cierta zona de la base a fin de mejorar el el co comportamiento en en al alta frecuencia del transmisor.
TRANSISTOR DE UNIÓN DIFUSA:
Utilizable en un margen amplio de frecuencias en el proceso de fabricación se uti utiliza liza sili silici cioo, lo que que favo favore recce la capa capaci cida dadd de pot potenc encia. ia. Se subdividen en los de difusión única (hometaxial), doble difusión, doble difusión planar y triple difusión.
TRANSISTORES EPITAXIALES:
Trans Transis isto torr de unió uniónn obte obteni nido do por por el proc proces esoo de crec crecim imie ient ntoo en pasti pastillllaa de semiconductor y procesos fotolitográficos utilizados para definir las regiones de emisor y de base durante el crecimiento. Se subdividen en transistores de base epitaxial, capa epitaxial y sobrecapa.
•
Observemos los siguientes diagramas de transistores:
Transistor NPN
- 18 -
Transistor PNP
Transistor NP N con con cole colect ctor or unido unido a la cubierta
Transistor NPN túnel UJT-p
UJT-n Unión Fototransistor NPN
Transistor de avalancha NPN
Unión
Multiemisor NPN
Transistor Schottky NPN
Transistor JFET canal N * Transistor canal P *
JFET
PUT Unión Programable
- 19 -
Transistor canal N
JFET
Transistor canal P
JFET
Darlingt Darlingt on *
•
NPN
Darlington NPN
En las las sigu siguie ient ntes es hoja hojass obse observ rvar aran an algu alguna nass imág imágen enes es de los los posi posibl bles es transistores que existen en el mercado:
•
•
TRANSISTORES DEL TIPO BC
TRANSISTORES
- 20 -
•
TRANSISTORES TRANSISTORE S DEL TIPO BU
- 21 -
•
TRANSISTORES TRANSISTORE S DE POTENCIA MOS-FET
Diodo sup Diodo supres resor or de tra transi nsitor torios ios K610-CE-9216, ten tensió siónn de act actuac uación ión 26.7V, aguanta hasta 500W durante varios milisegundos, se conecta como un cener: 1.04€;
172 pts.
•
PUENTES RECTIFICADORE RECTIFICADORES S
- 22 -
•
•
VALVULAS TERMOIONICAS
CONCLUSIONES
Como pudimos comprender en el texto anterior que un transistor es un dispositivo mediante el cual podemos hacer fluir corriente para tener un mejor mejor consumo consumo de energía energía mediante mediante un proceso proceso el cual nos estable establece ce una relación de ventajas, como son:
El consumo de energía es sensiblemente bajo.
El tamaño y peso de los transistores es bastante menor que los tubos de vacío.
Una vida larga útil (muchas horas de servicio).
Puede permanecer mucho tiempo en deposito (almacenamiento).
No necesita tiempo de calentamiento.
- 23 -
Resistencia mecánica elevada.
Los transistores pueden reproducir otros fenómenos, como la fotosensibilidad.
•
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS.-
1. PRIN PRINCI CIPI PIOS OS DE DE DISE DISEÑO ÑO DIG DIGIT ITAL AL DANIEL D. GAJSKI EDT. PRENTICE HALL 2. DISE DISEÑ ÑO DIGI DIGITA TALL MORRIS MANO EDT. PRENTICE HALL
3.
http://www.comunidadelectronica.com
4.
http://www.mailingelectronica.com
•
TIRISTORES
INTRODUCCION
- 24 -
Un tiristor es uno de los tipos más importantes de los dispositivos semiconductores de potencia. Los tiristores se utilizan en forma extensa en los circuitos electrónicos de potencia. Se operan como conmutadores biestables, pasando de un estado no conductor a un estado conductor. Para muchas aplicaciones se puede suponer que los Tiristores son interruptores o conmutadores ideales, aunque los tiristores prácticos exhiben ciertas características y limitaciones. •
EL TIRISTOR
GENERALIDADES Y SIMBOLOS
El tiristor es un interruptor electrónico fácil de conectar y algo menos sencillo de desconectar. Por tiristor se entiende una válvula de silicio bloqueada en su sentido de paso, pero que se hace conductora mediante la acción de un electrodo llamado de disparo o starter . Además del starter (que normalmente permite el desbloqueo pero no el bloqueo al paso de la corriente), el tiristor tiene otros dos electrodos: ánodo y un cátodo . La siguiente figura muestra el correspondiente símbolo.
SENTIDO DE PASO ÁNODO
CÁTODO
ELECTRODO DE MANDO SIMBOLO DE TIRISTOR CON SUS TRES TERMINALES. EL TRAMO PRINCIPAL ESTÁ ENTRE ANODO Y CATODO. EL TRAMO DE GOBIERNO UNA (ADICIONALMENTE) EL STARTER CON EL CATODO.
Al starter se le denomina también puerta, electrodo de mando o gate (del inglés). ∗
∗
LO QUE NO ES PRECISO APRENDER PARA EL EMPLEO DE LOS TIRISTORES
- 25 -
Para el usuario de tiristores resulta indiferente el saber cómo se ha construido el sistema tiristor, los procesos internos que provocan la conducción o el bloqueo de la corriente, así como la forma con que se sujeta el sistema a la caja. Tampoco tiene una importancia decisiva el conocer cómo se desarrolla y fabrican un tiristor y los recursos que se utilizan para que éste responda en sus características a los límites y tolerancias indicados en sus respectivas tablas.
LO QUE SI DEBE SABER EL UTILIZADOR DE TIRISTORES
En primer lugar el práctico ha de conocer que existen diferentes tipos para una amplia gama de tensiones y corrientes: hay tiristores para tensiones algunas decenas de voltio y corrientes de décimas de amperio hasta tiristores con tensiones que actualmente ya llegan hasta los 1600 V e intensidades hasta varios centenares de amperio. Por otro lado, el usuario es importante que sepa las particularidades que presentan los tiristores frente a los interruptores. En este sentido sería conveniente contrastar los pequeños tiristores con los transistores de conmutación y los transistores grandes o de potencia con los interruptores dotados de contactos mecánicos. Adicionalmente conviene tener una orientación acerca del comportamiento (externo) del tiristor, por lo que hay que adquirir unos ciertos conocimientos sobre las curvas características de estos componentes. Al objeto de poder seleccionar correctamente el tipo adecuado de tiristor, es preciso conocer los datos esenciales a buscar de entre el sinnúmero de valores límites y característicos que facilita el fabricante. Finalmente, el usuario debería familiarizarte desde el principio con los circuitos típicos de tiristores.
- 26 -
•
TIPOS DE TIRISTORES.
Los tiristores se fabrican casi exclusivamente por difusión. La corriente del ánodo requiere de un tiempo finito para propagarse por toda el área de la unión, desde el punto cercano a la compuerta cuando inicia la señal de la compuerta para activar el tiristor. Para controlar el di/dt, el tiempo de activación y el tiempo de desactivación, los fabricantes utilizan varias estructuras de compuerta. Depend Depe ndie iend ndoo de la con onst stru rucc cció iónn fí físi sica ca y de dell co comp mpor orta tami mien ento to de ac acti tiva vaci ción ón y desactivación, en general los tiristores pueden clasificarse en nueve categorías: 1. Tiristores de control de fase (SCR). 2. Tiristores de conmutación rápida (SCR). 3. Tiristores de desactivación por compuerta (GTO). 4. Tiristores de triodo bidireccional (TRIAC). 5. Tiristores de conducción inversa (RTC). 6. Tiristores de inducción estática (SITH). 7. Rectificadores controlados por silicio activados por luz (LASCR) 8. Tiristores controlados por FET (FET-CTH) 9. Tiristores controlados por MOS (MCT) •
TIRISTORES PEQUEÑOS
La característica entre entre los transistores de conmutación, conmutación, y los pequeños tiristores tiristores es que este último ofrece la ventaja de que el tránsito del estado de bloqueo al de conducción y viceversa, se realiza de un modo súbito o basculante. Esto supone una simplificación en el circuito y la exclusión de estados intermedios. La mencionada simplificación de circuito, por otro lado, sólo tiene lugar en corriente alterna ya que en ella el tránsito del estado de paso al de bloque se realiza de una forma muy sencilla. Como ventajas a favor de los transistores de conmutación, merece citarse: la menor potencia de mando, la posibilidad de pasar del estado de conducción al de bloqueo operando sobre el circuito de mando, la menor tensión residual en estado de conducción y finalmente una mayor sencillez de conexionado para el servicio en corriente continua. Por este motivo se preferirá preferirá el tiristor tiristor al transistor transistor cuando: sea posible hallar el tipo adecuado de tiristor, el servicio sea en tensión alterna, los tiempos de conmutación
- 27 -
no deben ser muy reducidos, la tensión residual no resulte crítica y cuando los costes no lo hagan prohibitivo. TIRISTOR DE POTENCIA •
Cuando el tiristor haya de efectuar las funciones de un interruptor mecánico, presenta frente a éste las siguientes ventajas: -
tiempos de conexión notablemente inferiores, conmutación libre de rebotes, ningún desgaste, potencia de mando muy pequeña, interrupción de la corriente alterna cercana al punto de paso p aso cero.
Como inconvenientes del tiristor, merecen citarse: -
-
aparición de una tensión residual (1… (1 … 2 voltios) en estado de conducción. circulación de una corriente , que aunque pequeña, se presenta en estado de bloqueo, menor capacidad para soportar sobrecargas eléctricas, no poder apreciarse a simple vista el estado de conmutación.
Por otro lado el tiristor permite efectuar la conexión en un determinado y ajustable instante o punto de las semiondas de paso, con lo que presenta la posibilidad de graduar el valor medio de la corriente de paso.
CARACTERISTICAS DE SALIDA DEL TIRISTOR
Dichas características hacer referencia al comportamiento del canal de corriente entre ánodo y cátodo del tiristor. A este canal de corriente se de designa por tramo principal o tramo de conmutación. Las características de salida de un tiristor dependen de tres aspectos a spectos en general: -
paso o conducción,
-
las curvas de bloqueo en sentido directo para una un a corriente constante del starter,
- 28 -
las curvas de bloqueo en sentido inverso, para una corriente constante del starter.
CARACTERISTICA DE PASO
Esta curva característica característica tiene un curso casi vertical vertical y muy cerca del eje de ordenadas (corriente). Su principal característica es que la tensión de paso del tiristor es muy reducida y a penas varía al aumentar la corriente de paso. La curv curvaa cara caract cter erís ísti tica ca de paso paso se nota notará rá por por que que siem siempr pree esta esta o tend tendrá rá coordenadas (0,0). La corriente de paso tiene pues un definido valor mínimo, que e designa por corriente de manteniendo. Al disminuir la corriente de paso hasta este valor, el tiristor bascula del estado de paso al de bloqueo. La corriente de mantenimiento es, por lo tanto, el mínimo valor de la corriente anódica que todavía conserva el estado de conducción.
CARACTERISTICAS DE BLOQUEO INVERSO
Cuan Cuando do la corrie rrient ntee del star starte terr es muy muy reduc educid idaa o nula nula,, esta sta cur curva coinc oincid idee prácticamente con la característica de bloqueo de cualquier válvula de silicio equivalente. Al aumentar la corriente del starter, estas corrientes de bloqueo se hacen, a su vez, mayores, al igual que cuando aumenta la temperatura. Las tensiones de ruptura (tensiones correspondientes al curso vertical de la característica corriente anódica-tensión cátodo-ánodo ) caen algo más arriba al aumentar la temperatura. ∗
∗
CARACTERISTICAS DE BLOQUEO Y LINEA BASCULANTE
Su curso o forma es muy parecida a las de las características de bloqueo inverso. En realidad, esta coincidencia no es tan acentuada. A diferencia de las características de bloqueo inverso, las curvas de bloqueo terminan aproximadamente en el punto donde empiezan a ser verticales. El extremo de una característica de bloqueo significa el punto a partir del cual el tiristor pasará de su estado de bloqueo al de conducción cuando se aumente la correspondiente corriente anódica. Esta línea que une estos puntos extremos, recibe el nombre de línea basculante.
- 29 -
El curso de la línea basculante depende del tipo de tiristor y también de las propiedades del circuito a él conectado. La transición del estado de bloqueo al de conducción viene determinada por la naturaleza del circuito de corriente, en el que el tiristor desempeña el papel de un interruptor.
¿QUE SON LAS CARACTERISTICAS DE ENTRADA?
Una característica de entrada muestra la dependencia entre la corriente y la tensión de entrada de un componente con dos terminales de entrada y dos de salida. A menudo entrada y salida tienen un terminal común, como es el caso del tiristor y el el triac. La característica de entrada se refiere al tramo de gobierno, que en los tiristores y triacs es el tramo del starter (starter-cátodo). En relación con el comportamiento de la entrada, que se refleja en la correspondiente característica, hay que distinguir dos casos: -
cuando la entrada no es afectada por la salida y
-
cuando la salida influye sobre la entrada.
En el primer caso, para mostrar el comportamiento de la entrada, basta una sola línea característica. Esto es lo que sucede con el tiristor y con el triac. Tanto en el tiristor como en el triac, hay que contar con grandes discrepancias en los datos o propiedades de entradas.
- 30 -
CORRIENTE DE ENTRADA
COMPONENTE
TENSION DE ENTRADA
TRAMO DE CONMURACION
ENTRADA
SALIDA
ESTA FIGURA ILUSTRA LOS CONCEPTOS – ENTRADA – Y –SALIDA - DE UN COMPONENTE GOBERNABLE, DOTADO DE TRES TERMINALES (TRIAC).
ANODO TRAMO DE GOBIERNO O MANDO
TRAMO DE CONMUTACION
CATODO SALIDA
ENTRADA
STARTER
ESTA FIGURA ILUSTRA LOS CONCEPTOS – ENTRADA – Y –SALIDA - DE UN COMPONENTE GOBERNABLE, DOTADO DE TRES TERMINALES (AHORA APLICADO A UN TIRISTOR).
- 31 -
•
EL TRIAC
El triac es un tiristor que puede adoptar el estado de conducción para ambos sentidos de la corriente. Consecuentemente tiene tiene las mismas características esenciales esenciales y datos que el tiristor.
DENOMINACIONES Y SIMBOLOS
L a palabra - triac - es una expresión que procede del del inglés (triode alternating alternating current switch). Esto significa que se trata de un interruptor de corriente alterna con tres terminales. Dos de estos terminales se intercalan en el circuito a controlar (como si de un interruptor se tratara. El tercer terminal (starter) sirve para el arranque del paso de la corriente. Para la designación de estos terminales, análogamente al tiristor, se emplean las siguientes expresiones: -
-
-
para el terminal que provoca el paso de corriente (arranque): starter, puerta, gate o electrodo de mando; Para el terminal al que queda aplicada la tensión del starter: cátodo o terminal 1; para el otro terminal de un modo parecido: ánodo o terminal 2. Observemos la siguiente figura:
- 32 -
En la anterior figura utilice expresiones para la identificación de los terminales: starter, terminal 1 y terminal 2. El tramo starter-terminal 1 es el tramo del starter o de mando. El tramo terminal 1ANODO (CATODO) ELECTRODO DE
CATODO (ANODO)
TERMINAL 1
TERMINAL 2
STARTER
MANDO SIMBOLO DEL TRAIC, REPRESENTADO DE DOS FORMAS. CONVIENE EVITAR LAS DESIGNACIONES DE ANODO Y CATODO, EMPLEANDO EN SU LUGAR LAS DE TERMINAL 1 Y TERMINAL 2.
terminal 1 es el tramo del starter o de mando. En el tramo terminal 1-terminal 2 es el tramo de conexión o principal. Debido a que en los esquemas de conexión el terminal del starter suele representarse procedente de la izquierda se emplearán dos símbolos que se corresponden como objetos e imagen en un espejo. Para el triac se han propuesto otras denominaciones que, sin embargo, no se han impuesto: tiristor de doble sentido, tiristor bidireccional y tiristor de corriente alterna.
OBJETO DEL TRAIC
El tria triacc pued puedee cons consid ider erar arse se como como un cont contad ador or de corr corrie ient ntee alter alterna na de pequ pequeñ eñas as dimensione dimensiones. s. A menudo se le emplea en combinac combinación ión con el diac para el ajuste del valor valor eficaz de una corriente alterna. Así, por ejemplo, un triac y un diac conectados adecuadamente pueden servir para ajustar la luminosidad de una lámpara de corriente alterna. El reducido número de componentes y su pequeño volumen hacen que puedan incorporarse en una lámpara de sobremesa.
ENTRADA Y SALIDA DEL TRIAC
- 33 -
En la siguiente figura le mostraré análogamente al tiristor, compuesto por el triac; cuyas características poseen entradas y salidas respectivamente. Empezaré con el estudió de las características de salida.
TRAMO DE MANDO
ENTRADA
TERMINAL 2
STARTER
SALIDA
TERMINAL 1
TRAMO PRINCIPAL O DE
CONEXION
LADOS DE ENTRADA Y SALIDA DE UN TRIAC. EL LADO DE ENTRADA PUEDE DESIGNARSE COMO TRAMO PRINCPAL O DE CONEXIÓN.
CARACTERISTICAS DE SALIDA DEL TRIAC
En el triac, las caracterí característica sticass de salida reflejan reflejan el comportam comportamiento iento de la tensión tensión entre los terminales 1 y 2 en relación con la corriente que recorre el tramo entre terminal 1 y 2. En las características de salida aparece también la corriente del starter debido a la influencia que tiene sobre las características de bloqueo: a cada valor de la corriente de starter corresponde un par de líneas características de bloqueo. La diferencia sustancial entre el comportamiento de un triac y un tiristor estriba en que en el caso del triac no hay ningún sentido de bloqueo inverso. En el triac el estado de conducción se presenta para ambos sentidos de la corriente. En este sentido es curioso hacer constar cómo la corriente y tensión del tramo del starter, puede tener el mismo signo para los dos sentidos sentidos de la corriente. Observemos Observemos el siguiente esquema:
- 34 -
CUADRANTE II
CUADRANTE I
TENSION ENTRE TERMINALES 1 Y 2
0
0 TENSION STARTER-TERMINAL 1
CUADRANTE III
CUADRANTE IV
PARA REPRESENTAR LA DEPENDENCIA ENTRE LAS TENSIONES DEL TRAMO PRINCIPAL Y DEL STARTER, SE NECESIRTAN 4 CUADRANTES, SI SE QUIERE TOMAR EN CONSIDERACION LAS POLARIDADES DE DICHAS 2 TENSIONES .
En el anterior esquema el eje vertical es la tensión entre terminales 1 y 2 que son designados designados por UA1 A2. El eje horizontal, la tensión entre starter y terminal 1 U St A1, es decir, es la tensión en el tramo del starter. Respecto A los signos de estas tensiones se tiene que: CUADRANTE I II III IV
TENSION USt A1 POSITIVO NAGATIVO NEGATIVO POSITIVO
TENSION UA1 A2 POSITIVO POISITIVO NEGATIVO NEGATIVO
En el cuadrante IV no resulta ventajoso, mientras que el trabajo en los cuadrantes I, II y III no representan ninguna dificultad. Se arranca allí donde con el signo cambiante cambiante de la tensión tensión U A1 A2, se obtiene obtiene una una tensión tensión UStA1 también de signo alternativo (cuadrantes I y III). En el caso de tener que emplear impulsos de una sola polaridad para el arranque, se emplean impulsos negativos de la tensión U StA1 y se trabajará en los cuadrantes II y III
- 35 -
CARACTERISTICAS DE ENTRADA DE UN TRIAC
Inicia cuando el arranque o paso de la corriente puede desencadenarse tanto si la tensión starte starter-t r-ter ermin minal al 1 es positi positiva va como como negati negativa. va. Dicho Dicho funcio funcionam namien iento to con tensio tensiones nes negativas de starter-terminal 1 y corrientes de starter también negativas ofrecen la ventaja de tener un solo y definido margen de arranque seguro. Para los valores positivos de la tensión starter-terminal 1 y de la corriente de starter, se obtendrán dos márgenes. En el margen pequeño hace referencia al arranque con una tensión positiva del terminal 2 respecto del1. En el margen mayor corresponde al caso en que la tensión del terminal 1 sea positiva respecto al 2. Consecuentemente, en este tipo de triacs resulta más conveniente trabajar con impulsos de arranque negativos respecto al terminal 1. Con esta disposición resultan entonces suficientes tensiones del orden de 3 V para el tramo starter terminal 1, y corrientes de starter de por lo menos 100mA. En las siguientes figuras podremos observar con precisión los tipos de tiristores que existen: Tiristor SCR Silicon controlled rectifier
Tiristor SCS Silicon controlled switch
Diac
Diac Triac
Tiristor Schottky PNPN de 4 capas *
Tiristor Schottky PNPN de 4 capas
Tiristor Schottky PNPN de 4 capas
- 36 -
Tiristor de conducción inversa, puerta canal N controlado por ánodo
Tiristor de conducción inversa, puerta canal P controlado por cátodo Tiristor de desconexión puerta control P controlado por cátodo SUS Silicon unilateral switch Fototiristor
Tiristor de desconexión puerta canal N controlado por ánodo
SBS Silicon bilateral switch
Trigger Diac
Ditriac / Quadrac
•
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
1.- CIRCUITOS PRACTICOS DE ELECTRONICA TRIACS Y TIRISTORES FRITZ BERGTOLD EDICIONES CEAC.
- 37 -
2.- http://es.geocines.com 3.- http://www.arrakis.es
- 38 -
