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No existe adelanto tecnológico que haya cambiado más nuestras vidas que la electrónica. Sin embargo, la ciencia de los componentes electrónicos y su interacción no tiene ni siquiera 150 años. Probablemente no haya un solo momento en que la electrónica no nos esté acompañando.
Observemos, por ejemplo, nuestra rutina diaria:
Por la mañana, nos despierta un despertador electrónico o nuestro smartphone. Encendemos la luz. Los LED no funcionarían sin electrónica. El microondas calienta de forma electrónica nuestro chocolate, mientras que la tostadora aprovecha la electrónica para tostar nuestro pan en el punto ideal. Nos lavamos los dientes: lógicamente, con un cepillo de dientes electrónico. Salimos de casa. La electrónica de la iluminación en las calles ya se ha apagado debido a que la claridad del sol es suficiente. El conductor del autobús acciona el conmutador (electrónico) de las puertas y nos permite subir. Empieza el camino hacia la escuela. En la actualidad, el motor de combustión interna del autobús funciona exclusivamente de forma electrónica. Y podemos continuar así con infinitos ejemplos...
La mayoría de las veces no nos detenemos a pensar cómo funcionan estas cosas. Con frecuencia, no somos conscientes de que la electrónica está en acción. A esto se suma que los circuitos electrónicos de hoy en día pueden ser extremadamente diminutos. No podemos verlos sin observar con detenimiento. En muchos ámbitos, la electrónica ha logrado sustituir sistemas mecánicos complejos y costosos. Permite ahorrar energía y es más resistente que otras soluciones.
Pensemos, por ejemplo, en un LED ordinario utilizado para iluminar. El LED mismo es un componente electrónico. Un transformador electrónico de alta eficiencia suministra corriente de la red energética al LED. Por medio de un sistema electrónico asequible, 230 V se transforman en 3 V. En estas condiciones ideales, el LED necesita aproximadamente 1/10 de la energía que requiere una lámpara incandescente convencional para iluminar una habitación. Además, su vida útil es de 10 a 100 veces mayor. Incluso el precio de los LED se aproxima lentamente al de los elementos de iluminación tradicionales.
Otro ejemplo es la electromovilidad. Las unidades de accionamiento de los vehículos eléctricos alcanzan un nivel de eficiencia máximo del 80 %. Una unidad con motor de combustión interna no alcanza ni siquiera el 25 %. Asimismo, los motores eléctricos funcionan con un número ampliamente menor de componentes mecánicos costosos. A modo de ejemplo, no necesitan una caja de cambios con embrague. Una electrónica de potencia para controlar la velocidad es mucho más económica.
Cuando el físico italiano Alessandro Volta descubrió la batería en el año 1800, la humanidad dispuso de una fuente de energía aprovechable por primera vez en su historia. El estudio de la electricidad ganó velocidad a través de la puesta a disposición de electricidad.
En 1873, tres cuartos de siglo más tarde, Willoughby Smith descubrió la fotoconductividad del selenio. Tan solo un año después, Ferdinand Braun observó el efecto rectificador que tenían los semiconductores. Estos dos descubrimientos pueden considerarse como el momento del nacimiento de la electrónica.
Durante la primera mitad del último siglo, la válvula electrónica fue el único componente activo de la electrónica. En 1904, John Ambrose Fleming presentó un diodo de vacío. Al añadir rejillas de control al flujo de electrones, en los años siguientes surgieron válvulas amplificadoras cada vez mejores. Seguramente, una particularidad de esta tecnología fueron los tubos de rayos catódicos (Ferdinand Braun, 1897) que se continuaron fabricando para televisores hasta la década de 2010. Otro tipo de válvula especial propio de los hogares actuales es el magnetrón para hornos microondas.
Julius Edgar Lilienfeld patentó un componente electrónico en 1925, asimilable a los transistores de efecto de campo de la actualidad. Sin embargo, no se aplicó en la práctica. Las condiciones técnicas para la fabricación, simplemente no estaban dadas aún.
John Bardeen, Walter Brattain y William Shockley de los laboratorios Bell presentaron en 1947 el primer transistor, por el que 9 años más tarde recibieron el premio Nobel de Física.
Durante los años siguientes, sobre todo la técnica de producción de los transistores continuó mejorándose cada vez más. En los años 50 y 60 del siglo XX, el germanio que se venía utilizando inicialmente debió hacer sitio al silicio. El silicio es más fácil de conseguir y manipular y, de este modo, más económico. Al mismo tiempo, el transistor comenzó a sustituir cada vez más a las válvulas o tubos.
En 1958, Jack Kilby inventó el primer circuito integrado (CI). Se trataba de un biestable de 2 transistores. Hoy en día, se juntan más de 50 mil millones de transistores en un chip, con una conmutación a velocidades en gigahercios.
A partir del año 1960, los MOSFET (transistores de efecto de campo metal-óxido-semiconductor) iniciaron la era moderna de la electrónica de potencia, algo que continuó con los IGBT (transistores bipolares de puerta aislada) que combinan las características de los transistores de efecto de campo y los bipolares. Con estos elementos, pueden alcanzarse tensiones superiores a los 6000 voltios, niveles de corriente que pueden llegar a mucho más de 3000 amperios y potencias de hasta 100 megavatios con tensiones de control bajas.
La electrónica tiene una tradición también en fischertechnik. Ya en 1969, Fischerwerke lanzó al mercado su primer kit de montaje del ámbito de la electrónica. Su objetivo era lograr una introducción práctica a la electrónica. Muchos más kits de experimentación y modelos, y hasta kits informáticos siguieron a este primer kit hasta estos días.
Corriente y tensión
Tarea n.° 1
Todos los circuitos electrónicos necesitan que se les suministre tensión. Esta tensión se pone a disposición por medio de una fuente de alimentación. La potencia de la fuente de alimentación se expresa a través de la tensión existente en sus polos. La tensión es una magnitud física que se simboliza con la letra U en las fórmulas. El nivel de tensión se expresa en la unidad voltios (V). La tensión de la batería utilizada aquí en el compartimiento es de 9 voltios.
En la batería, predomina una separación de portadores de carga positiva y negativa mediante procesos químicos. Los portadores de carga negativa son los electrones. Los portadores de carga positiva son espacios en los que se repele la presencia de electrones.
Cuantos más electrones se separan de sus posiciones, más elevada es la tensión. La tensión es la fuerza que ejercen los electrones entre los polos. La tensión puede medirse entre los dos polos de una fuente de alimentación.
Si se conecta un circuito cerrado entre los dos polos de la batería, los electrones pueden provocar una compensación a través del circuito. Fluye corriente a través del circuito y la tensión impulsa a esa corriente a través del circuito. Cuanto más elevada es la tensión, más alto será el nivel de corriente.
La corriente se simboliza con la letra I en las fórmulas, y su magnitud se expresa en amperios (A). En los circuitos electrónicos, los niveles de corriente que fluyen suelen ser muy bajos, oscilan en un rango de miliamperios (1 mA = 0,001 A). Incluso el motor XS de fischertechnik utilizado «consume» solo alrededor de 100 mA de la fuente de alimentación en condiciones normales.
En el siguiente apartado, se ahonda más en la relación entre tensión y corriente.
Otra magnitud física relevante es la potencia. Un circuito es siempre una consecuencia de obstáculos para la corriente. En cada componente (incluso en cables, conectores, conmutadores, y más), se deben realizar trabajos para superar el obstáculo. Con frecuencia, el trabajo realizado puede observarse directamente. En nuestro circuito, por ejemplo, se refleja con la iluminación del LED. Sin embargo, también las vueltas de un motor o el calentamiento de componentes implican un trabajo realizado. El trabajo que puede realizarse por cada unidad de tiempo es la potencia.
La potencia puede calcularse de forma sencilla:
P = U x I Potencia = Tensión x Corriente
Los componentes electrónicos son sensibles a los cambios de temperatura. Un fuerte calentamiento, por ejemplo, puede ocasionar un cambio en las características y hasta la destrucción del componente. Por eso, en las fichas de datos, se hace siempre referencia a la pérdida máxima de potencia.
La resistencia
Tarea n.° 4
La resistencia es un componente pasivo de la electrotécnica y la electrónica. Su funcionamiento provoca que fluya una determinada cantidad de corriente con un nivel de tensión predeterminado. La resistencia eléctrica R es la magnitud física de una resistencia y se expresa en ohmios (Ω). La relación de la tensión y la corriente con una resistencia eléctrica es directamente proporcional y se establece en la Ley de Ohm.
R = U / I Resistencia = Tensión / Corriente
U = R * I Tensión = Resistencia x Corriente
I = U / R Corriente = Tensión / Resistencia
La corriente y la tensión en una resistencia tienen una interdependencia proporcional. La interdependencia puede expresarse en una curva. En la Imagen 7, puede observarse la curva de una resistencia de 330 Ω. Con una tensión de 9 voltios, fluye una corriente de 0,027 A o 27 mA. La curva de una resistencia se representa con una línea recta. Es lineal.
La resistencia eléctrica de un componente depende siempre de condiciones ambientales (por ejemplo, la temperatura). En muchos circuitos electrónicos, sin embargo, estas influencias son tan reducidas que pueden ignorarse. Existen componentes con los que estas influencias pueden aprovecharse de manera concreta. En función de las características físicas de los materiales utilizados, pueden ser muy sensibles, por ejemplo, a la luz (LDR = Resistencia sensible a la luz), o a la temperatura (termistor NTC o termistor PTC).
Las resistencias utilizadas en este kit poseen el diseño SMD (Surface Mounted Device, dispositivo de montaje superficial, Imagen) habitual en la actualidad y están fabricadas con elementos cerámicos revestidos con una película de metal o carbono. Las resistencias pueden crearse también con cables enrollados o materiales semiconductores. Estos últimos pueden encontrarse en circuitos integrados.
Conexión en serie de resistencias
Tarea n.° 6
Si las resistencias se conectan en serie, sus resistencias eléctricas se suman.
R = R1 + R2 + R3 + …
Resistencia total = Resistencia 1 + Resistencia 2 + Resistencia 3 + …
Al conectarse una fuente de alimentación, el nivel de tensión de cada resistencia será proporcional a la resistencia eléctrica. Estamos hablando de un divisor de tensión. Los divisores de tensión pueden encontrarse en todos los circuitos electrónicos. Solo con divisores de tensión es posible utilizar componentes electrónicos en sus ámbitos de trabajo óptimos. Se habla del ajuste del punto de trabajo.
En la Imagen 8, puede observarse un divisor de tensión con dos resistencias. La tensión de alimentación aplicada U se distribuye entre ambas resistencias, en función de su magnitud, en U1 y U2. La relación puede expresarse en una fórmula:
U1/U2=R1/R2
Si analizamos todas las tensiones en el esquema de conexiones, podemos también observar la relación entre la tensión de alimentación U y las tensiones parciales de las resistencias. Dado que la tensión U es idéntica a la tensión total derivada de U1 y U2, podemos expresarlo del siguiente modo en una fórmula:
U = U1 + U2
Así, se deduce la relación con la tensión de alimentación:
U/U2=(R1+R2)/R2
Si conocemos las resistencias (por ejemplo, R1 = 47 kΩ, R2 = 3,3 kΩ), podemos, por ejemplo, calcular U2:
U2 = (U x R2)/(R1+ R2) = (9V x 3,3 kΩ)/(47 kΩ + 3,3 kΩ) = 0,59 V
El esquema de conexiones de la Imagen 8 puede interpretarse también como una red de tensiones. La relación se establece a través de la segunda ley de Kichhoff (ley de mallas):
La suma de todas las tensiones en una red es cero.
La regla puede comprobarse con la ayuda de la flecha de dirección del recorrido en la malla. Si se sigue todo el circuito o red en sentido contrario a las agujas del reloj, resulta notable que la flecha de dirección de la tensión de alimentación U apunta en sentido contrario al recorrido. De este modo, la tensión U debe expresarse con un signo negativo.Así, se confirma la regla:
U1 + U2 – U = 0.
Circuito en paralelo de resistencias
Tarea n.° 7
Si las resistencias se conectan en paralelo, sus niveles de conductividad eléctrica (simbolizados con la letra G en las fórmulas) deben sumarse. La conductividad refleja la capacidad conductiva de corriente eléctrica de un material. La conductividad constituye el valor opuesto a la resistencia eléctrica. Con estos conocimientos, se puede calcular un circuito en paralelo de resistencias.
1/R= 1/R1+1/R2+1/R3+⋯
La resistencia total R es siempre menor a la resistencia menor del circuito en paralelo.
Si se conecta una fuente de alimentación, todas las resistencias del circuito en paralelo tendrán el mismo nivel de tensión. A través de cada una de las resistencias fluye una corriente inversamente proporcional a la resistencia eléctrica (directamente proporcional a la conductividad).
En la Imagen 9, puede observarse un circuito en paralelo con dos resistencias. El nivel de corriente total que fluye I se distribuye entre ambas resistencias, en función de su magnitud, en I1 e I2. La relación puede expresarse en una fórmula:
I1/I2=R2/R1
Si analizamos todas las corrientes en el esquema de conexiones, podemos también observar la relación entre la corriente total I y las corrientes parciales de las resistencias. Dado que la corriente total I equivale a la suma de las corrientes I1 e I2, podemos expresarlo del siguiente modo en una fórmula:
I = I1 + I2
Si conocemos los niveles de la tensión de alimentación y las resistencias (por ejemplo, U = 9 V, R1 = 47 kΩ, R2 = 3,3 kΩ), podemos calcular los niveles de corriente con la ayuda de la Ley de Ohm:
I1 = U/R1 = 9 V/(47 kΩ) = 0,19 mA I2 = U/R1 = 9 V/(3,3 kΩ) = 2,73 mA
I = I1 + I2 = 0,19 mA + 2,73 mA = 2,92 mA
El esquema de conexiones de la Imagen 9 puede interpretarse también como una red de corrientes. La relación se establece a través de la primera ley de Kichhoff (ley de nodos):
En un nodo de una red, la suma de todas las corrientes que ingresan equivale a la suma de todas las corrientes que salen.
Si se observa el nodo destacado en el esquema de conexiones, la corriente I fluye hacia el nodo, mientras que las I1 e I2 salen de él.
I – I1 – I2 = 0.
Condensador
Un condensador puede almacenar energía eléctrica. Consta, fundamentalmente, de dos placas conductoras separadas por un aislante. El aislante se denomina dieléctrico. Las placas y el dieléctrico pueden estar compuestos por los más diversos materiales. Un ejemplo es el condensador de láminas, en el que dos láminas de plástico y dos láminas de metal se colocan una encima de la otra y se enrollan o doblan. Cada lámina de metal posee un elemento de conexión que, después, sobresaldrá de la carcasa que la rodea.
Otro diseño relevante es el del condensador electrolítico. El dieléctrico se forma por medio de una capa de óxido aislante. Los condensadores electrolíticos son elementos con polaridad. El establecimiento de una polaridad incorrecta puede ocasionar su destrucción.
Al conectar el condensador a una fuente de alimentación, fluyen portadores de carga hacia las placas. De este modo, se carga el condensador. Al desconectar el condensador de la fuente de alimentación, la carga se conserva. Sin embargo, la carga de condensadores corrientes suele ser tan baja que no puede utilizarse para poner en funcionamiento dispositivos de consumo eléctrico. Un LED, por ejemplo, emitiría solo un breve destello. En los circuitos electrónicos, los niveles de corriente que fluyen son muy bajos. En estos casos, la carga de los condensadores es suficiente para muchas tareas. En el experimento con el condensador, este se descarga lentamente a través de altos niveles de resistencia, con el objetivo de ilustrar el efecto.
Semiconductor
La electrónica moderna se basa en dispositivos semiconductores, cuyo funcionamiento deriva de cristales semiconductores de alta pureza que se disminuye de forma específica con sustancias idóneas. A este proceso, se le llama «dopaje». En el cristal, se llevan a cabo otros dopajes con otras sustancias en los puntos necesarios (redopaje), con el objetivo de conservar las características deseadas del dispositivo.
Existen dos tipos de dopaje. A través del dopaje N, se colocan átomos en el cristal con carga negativa que entregan electrones (por ejemplo, fósforo P). Estos electrones pueden moverse con libertad. En el dopaje P, se colocan átomos con carga positiva que toman electrones (por ejemplo, boro B). Los espacios en los que faltan electrones se denominan «huecos» o «de electrones en defecto». Estos puntos también contribuyen a la conductividad del cristal. Los electrones pueden moverse de un hueco a otro. El límite entre los espacios con dopaje P y N se denomina «unión PN».
La conductividad del cristal aumenta considerablemente por primera vez a través del dopaje. Los electrones no tienen nada mejor que hacer que tapar los huecos. Se difunden en la zona con dopaje P y se recombinan con los huecos. Los huecos desaparecen, aparentemente, se difunden en la zona con dopaje N.
Esto tiene lugar hasta cierta profundidad del material (longitud de difusión). El proceso se detiene rápidamente, dado que el movimiento de los portadores de carga crea un campo eléctrico que lo contrarresta. Se genera un equilibrio. Esta zona sin portadores de carga libres alrededor de la unión PN se denomina «zona de agotamiento» o «región espacial de carga». Debido a la ausencia de portadores de carga, ya no es posible que fluya corriente. El campo eléctrico generado provoca la tensión de difusión que, en el caso del silicio, es de aproximadamente 0,7 V.
La tensión de difusión debe superarse por medio de una tensión externa para que pueda fluir corriente por el semiconductor. En este marco, la zona P debe ser más positiva que la zona N. Esto implica que la dirección técnica de la corriente en una unión PN siempre sea de P a N y, de este modo, coincida con la dirección de movimiento de los huecos. Por lo tanto, los electrones se mueven de N a P con el flujo de corriente.
Diodo
Tareas n.º 7 y 8
Uno de los dispositivos semiconductores más simples es el diodo. Está compuesto tan solo de una unión PN. Habitualmente, se coloca un dopaje P en un punto de un cristal semiconductor con dopaje N. Ambas zonas poseen salidas en la carcasa por medio de conexiones. La conexión de la zona P se denomina ánodo, mientras que la de la zona N se denomina cátodo.
Al emplear un diodo de silicio en un circuito, existen dos posibilidades. El ánodo es más positivo que el cátodo o viceversa. Si la tensión del ánodo es aproximadamente 0,6 - 0,7 V más positiva, el diodo funciona en la dirección de flujo. La tensión de difusión disminuye, los electrones y los huecos se separan y actúan como portadores de carga libres. Así, la corriente fluye.
En el caso inverso, el campo eléctrico de la zona de agotamiento y la tensión aplicada actúan en la misma dirección. El campo eléctrico se refuerza más con la tensión exterior, el diodo se bloquea y no puede fluir corriente. El diodo funciona en el sentido inverso.
El aumento excesivo de la tensión en el sentido inverso produce la ruptura no deseada del semiconductor por efectos físicos. Fluye un elevado nivel de corriente imparable que destruye el diodo. Las tensiones de ruptura de los diodos utilizados en los experimentos son de alrededor de 700 V.
Los LED (diodos emisores de luz) son un tipo particular de diodos. Al funcionar en la dirección de flujo, convierten la energía eléctrica en luz. En función del material y del color de la luz, la tensión umbral oscila entre 1,8 y 3,7 V. En la mayoría de los casos, la tensión inversa es de aproximadamente 5 V.
El transistor
Tareas n.º 9 a 11
El «transistor bipolar» (BJT, por sus siglas en inglés) o simplemente «transistor» es un dispositivo semiconductor con dos zonas de agotamiento. De este modo, debe haber también dos uniones PN. La secuencia del dopaje determina las características eléctricas del transistor. La Imagen 19 muestra las dos combinaciones posibles.
Si se aplica una tensión en un transistor entre la base y el emisor, una vez superada la tensión de difusión, fluye la corriente de base IB. El flujo se desarrolla como en un diodo. Con la corriente de base, muchos portadores de carga alcanzan la base. Sin embargo, dado que esta es muy estrecha, cada vez más portadores de carga deberán colocarse en la zona de agotamiento entre la base y el colector. Por medio de los portadores de carga, la zona de agotamiento se disminuye y adquiere conductividad. Así, puede fluir corriente del colector IC. El nivel de corriente depende de la oferta de portadores de carga en la base.
A través del colector y del emisor fluye una corriente que depende de la corriente de base.
Sin corriente de base que contribuya al proceso, este se detiene. Sin embargo, no es algo que suceda de manera brusca, sino que transcurre en un breve periodo de tiempo. Los portadores de carga deben salir de la base. Este es el motivo por el que un transistor no puede realizar un proceso de conmutación a velocidad infinita, sino que tiene una frecuencia de corte. De esta manera, se establecen límites a aplicaciones rápidas, como en el caso de ordenadores. Otra consecuencia es que el proceso de encendido de un transistor es notablemente más rápido que el de apagado.
La relación entre la corriente del colector IC y la corriente de base IB es el factor de amplificación B, un parámetro determinado por el fabricante. En función del tipo de transistor, la amplificación de la corriente oscila entre 5 y 1000. La amplificación de corriente de los transistores utilizados en los experimentos es de aproximadamente 200.
"Factor de amplificación B = " ("Corriente del colector" "I" _"C" )/("Corriente de base" "I" _"B" )
El transistor es un amplificador de corriente. Al aumentar la corriente de base, se incrementa la corriente del colector. En algún momento, la corriente se limita por medio de la resistencia de carga. Así, aun cuando la corriente de base se aumente, la corriente del colector no puede continuar subiendo. El transistor está sometido a plena corriente y está en saturación. Este modo de funcionamiento se utiliza cuando debe usarse el transistor como conmutador.
Si el transistor se usa como amplificador, debe utilizarse en un ámbito, en el que la corriente del colector tenga una relación proporcional con la corriente de base.
En el circuito de un transistor existen diferentes tensiones y corrientes relevantes. Estos parámetros pueden observarse en la Imagen.
UB - Tensión de alimentación
UBE - Tensión base-emisor
IB - Corriente de base
UCE - Tensión colector-emisor
IC - Corriente del colector
RL - Resistencia de carga (por ejemplo, una lámpara)
RB - Resistencia de base
B - Factor de amplificación de corriente
Los datos UCB e IE tienen poca relevancia. Pueden calcularse en cualquier momento con los otros valores.
Se debe asegurar que el transistor se utilice cumpliendo con las especificaciones del fabricante. Los siguientes parámetros no pueden superarse:
UCB0 - Tensión colector-base máxima
UCE0 - Tensión inversa máxima
UEB0 - Tensión base-emisor máxima
IC - Corriente máxima del colector
Ptot - Pérdida máxima de potencia (UCE x IC, se ignora la corriente de base)
Algunos parámetros se representan por medio de curvas, con el objetivo de expresar la interdependencia de diversos valores. La curva más importante que describe un transistor es la curva característica de salida (Imagen 21). A partir de esta, se puede determinar la relación entre la tensión colector-emisor y la corriente del colector con distintas corrientes de base. A partir de la curva de una corriente de base, también puede calcularse el factor de amplificación una vez que se ha obtenido la corriente del colector. La línea amarilla establece la zona que no puede superarse. El producto de la tensión colector-emisor y la corriente del colector indica la potencia transformada en calor. Del otro lado de la curva, este valor sería demasiado elevado y provocaría la destrucción del transistor.
En la actualidad, muchos fabricantes ya no detallan todas las curvas características. Así, para cálculos de circuitos, se deben consultar los parámetros contenidos en las fichas de datos. Por medio de la información de las fichas de datos, se pueden realizar cálculos en torno a circuitos de transistores. A este fin, se necesitan únicamente la Ley de Ohm y las leyes de Kirchhoff.
Si la resistencia está atada a una carga (dispositivo de consumo), la corriente puede determinarse con esta y, de este modo, con el colector:
UL = UB – UCE, IL = IC = UL / RL
La corriente de base puede calcularse a través de la simple división de la corriente del colector por el factor de amplificación de la corriente B:
IB = IC / B
Asimismo, la corriente de base necesaria determina la resistencia de base. A esto, se añade la tensión URB. La tensión es el resultado de la tensión de alimentación menos la tensión de difusión del recorrido base-emisor:
URB = UB – 0,7 V
Al conocerse esta tensión, puede calcularse la resistencia de base:
RB = URB / IB
El circuito Darlington
Tarea n.° 12
El circuito Darlington está constituido por una combinación especial de dos transistores (véase la Imagen 22). La corriente de base y del colector que salen del transistor a través del emisor se utilizan directamente como corriente de base para el segundo transistor. En este circuito, se multiplican los factores de amplificación de la corriente de ambos transistores.
Btotal = BT1 x BT2
Los circuitos Darlington poseen factores de amplificación de corriente muy altos. Se alcanzan factores superiores a 500 000.
En la actualidad, si se precisan circuitos Darlington, se utilizan directamente transistores Darlington que constan de un circuito Darlington en la carcasa de un transistor.
MOSFET
Transistor de efecto de campo metal-óxido semiconductor
Tareas n.º 13 a 15
Los MOSFET han reemplazado el uso de transistores en numerosos ámbitos. En particular, en la electrónica digital y de potencia se utilizan principalmente estos componentes.Los MOSFET pueden producirse de forma muy eficiente en cantidades enormes y combinarse para formar circuitos complejos sobre una pieza de silicio. Existen microprocesadores compuestos por más de 50 mil millones de MOSFET.
En la electrónica de potencia, con los MOSFET, se alcanzan niveles inmensos de corriente con tensiones muy altas. El uso de interruptores mecánicos ya no es necesario. Esto es posible gracias a las excelentes características eléctricas de los MOSFET modernos.
En principio, los MOSFET son dispositivos semiconductores que actúan como resistencias controladas por tensión. A diferencia de los transistores bipolares, en estos no fluye corriente de control. El MOSFET se usa sin corriente de control.
Un MOSFET está compuesto de un cristal semiconductor, al que se le puede aplicar un ligero dopaje N o P. Existen tipos especiales que se basan en un cristal sin dopaje.
Un MOSFET con canal N, como el que se utiliza para los experimentos, consta de un silicio con dopaje P (sustrato), en el que se añaden dos zonas N (Imagen 24). Ambas zonas están conectadas con la conexión de drenaje (Drain) y fuente (Source). En el espacio entre las zonas, hay una capa aislante. Sobre la capa aislante, se halla el electrodo de la compuerta (Gate). En el sustrato, está la conexión del cuerpo que está conectado internamente con la fuente.
Si se aplica una tensión positiva en la compuerta (Imagen 25), el campo eléctrico generado aspirará electrones. La compuerta actúa con el sustrato como si fuera un condensador. Los electrones acumulados forman un canal debajo del electrodo de la compuerta que actúa como silicio con dopaje N. El canal une las dos zonas N y anula las zonas de agotamiento. De este modo, puede fluir corriente. En los MOSFET modernos, el canal posee una resistencia muy baja (< 10 mohmios). Así, la pérdida de potencia puede mantenerse en niveles muy bajos, incluso con corrientes elevadas.
La corriente puede fluir en ambas direcciones entre el drenaje y la fuente. Sin embargo, los fabricantes suelen optimizar los MOSFET para que la dirección de flujo sea del drenaje a la fuente.
Al conectar varias células de los MOSFET en paralelo sobre un sustrato, pueden obtenerse dispositivos con capacidad de alcanzar corrientes considerables (> 3000 amperios).
El MOSFET como conmutador
Tareas n.º 14 y 15
Los MOSFET para la electrónica de potencia deben tener, en lo posible, un nivel de resistencia RDS(on) bajo del canal entre drenaje y fuente. Hoy en día, se alcanzan valores de algunos miliohmios.
La corriente de carga ID fluye a través de la resistencia de carga y del canal entre drenaje y fuente. El canal está conectado en serie con la resistencia de carga RL. En la Imagen 26, se representa la relación en nuestro circuito y como circuito equivalente. El objetivo es que RDS(on) sea considerablemente menor a RL. De este modo, se garantiza que solo una pequeña parte de la tensión de alimentación afecte al MOSFET. La potencia que se transformará en calor en el MOSFET continuará en valores bajos. El componente no alcanza temperaturas tan elevadas como para que haya riesgo de destrucción.
Existen parámetros que describen las características eléctricas de un MOSFET y están predeterminados por el proceso de fabricación. Todos los parámetros pueden consultarse en las fichas de datos de los fabricantes.
UBR - Tensión de ruptura del recorrido drenaje-fuente.
IDmáx - Corriente máxima que puede fluir a través del recorrido drenaje-fuente.
RDS(on) - Resistencia del recorrido drenaje-fuente en estado conectado.
UGSth - Tensión umbral a partir de la que el recorrido drenaje-fuente adopta características conductivas.
Ptot - Pérdida máxima de potencia que se transforma en calor en el semiconductor.
Los parámetros mencionados son suficientes en la electrónica de potencia para bosquejar circuitos con MOSFET. El ámbito en el que puede trabajar un MOSFET está limitado por los parámetros.
No puede...
… alcanzar niveles de tensión superiores a UBR.
… trabajar con un flujo de corriente mayor a IDmáx.
… transformar potencia mayor a UDS x ID.
… trabajar con un flujo de corriente mayor a UDS / RDS(on).
Los fabricantes optan por informar algunas características por medio de curvas características. Una de estas curvas es la curva de transferencia (Imagen 27) que expresa la influencia de la tensión de la compuerta UGS en la corriente del drenaje ID. En general, la tensión umbral UT debe superarse para que pueda fluir corriente por el drenaje.
Utilizaremos la curva para determinar el nivel de tensión necesaria en la compuerta para alcanzar la corriente deseada de forma fiable por medio de la carga.
El MOSFET que se utiliza en los experimentos posee una tensión umbral particularmente baja. Está previsto para su empleo directo en circuitos lógicos que trabajan con tensiones entre 3 y 5 V.
Otra curva que se utiliza es la curva característica de salida (Imagen 28) que otorga información sobre la dependencia de la corriente del drenaje ID de la tensión drenaje-fuente UDS con diversos niveles de tensión en la compuerta UGS.
En el funcionamiento como conmutador, resulta interesante la zona a la izquierda de la línea azul. En esta zona, se halla el nivel de resistencia más conveniente del recorrido drenaje-fuente.
El biestable
Tarea n.° 17
El biestable o multivibrador biestable es un circuito electrónico básico importante que, fundamentalmente, constituye un espacio para almacenar un bit. Este circuito puede encontrarse de a miles en microprocesadores y es el circuito básico de los módulos dinámicos de RAM. El biestable se denomina también «flip flop».
En la actualidad, los biestables se construyen solo en casos excepcionales a partir de transistores individuales. Existe una amplia selección de circuitos integrados que contiene uno o varios de estos circuitos.
En la siguiente tabla, se representan las relaciones entre señales en las entradas y las dos salidas. Se trata de la forma más sencilla de un biestable, el biestable RS. El nombre se debe a sus dos entradas.
|
S |
R |
Q1 |
Q2 |
Observaciones |
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1 |
0 |
1 |
0 |
Establecer (set) |
|
0 |
0 |
X |
X |
Último estado almacenado |
|
0 |
1 |
0 |
1 |
Restablecer (reset) |
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1 |
1 |
0 |
0 |
Solo mientras haya señal, no almacenable |
Habitualmente, el biestable tiene dos salidas. La segunda salida está invertida, es decir que siempre posee la señal lógica opuesta. La inversión se indica por medio del círculo pequeño.
En caso de que una de las dos entradas se accione con una señal lógica, dicha señal se transmite a la salida y se almacena. Si no hay más señales en las entradas, el estado permanecerá sin cambios. Solo una señal en la entrada R puede restablecer la salida. Si hay señales en ambas entradas, el estado no será el deseado. Una vez eliminadas las señales, la salida permanecerá activada o eliminada, en función de la secuencia de apagado.
El monoestable
Tarea n.° 18
El monoestable o multivibrador monoestable es un circuito electrónico básico con función de conmutación temporal. La función de conmutación temporal está representada con la función rectangular en el esquema de conexiones (Imagen 30). Asimismo, en el esquema de conexiones, puede observarse que la entrada no necesita un determinado nivel de tensión, sino que la conmutación tiene lugar por medio de un impulso de 0 a 1. En otras palabras, la transición de 0 (sin tensión) a 1 (tensión presente) activa el proceso de conmutación. La transición se denomina «flanco». Hablamos de una entrada dinámica. El triángulo en el esquema de conexiones representa una entrada dinámica.
Habitualmente, el monoestable tiene dos salidas. La segunda salida está invertida, es decir que siempre posee la señal lógica opuesta. La inversión se indica por medio del círculo pequeño.
En caso de que la entrada se accione con una señal lógica, dicha señal se transmite a la salida y se almacena. Después de un tiempo determinado, la salida vuelve al estado inicial de forma automática.
La cantidad de tiempo puede preestablecerse por medio de un módulo RC. Un módulo RC es un sistema en el que están conectados una resistencia (R) y un condensador (C). A través de la resistencia, se carga o descarga un condensador. Para el proceso, se necesita una cantidad de tiempo que puede calcularse con la siguiente fórmula.
t=ln(2)*R1*C1
El logaritmo ln(2) puede reemplazarse con la constante 0,7.
Astable
Tarea n.° 19
El astable o multivibrador astable es un circuito electrónico básico que cambia entre dos estados de manera automática y periódica. Los tiempos de conmutación se determinan por medio de 2 módulos RC.
El astable no posee un símbolo propio. Se trata, fundamentalmente, de un generador con cierta frecuencia. Dado que la tensión inicial oscila entre dos valores, se asemeja a un generador de señales rectangulares.
Para el transcurso de un ciclo completo, se necesita un tiempo T determinado que resulta de la suma de los tiempos de ambos módulos RC. Si ambos módulos RC poseen dimensiones idénticas, serán simétricos. Así, se puede aplicar la siguiente fórmula. La constante 2 indica que hay 2 módulos RC idénticos.
T=2*ln(2)*R1*C1≈1,386*R1*C1
En la práctica, no es frecuente que se indique la duración T del impulso. Es más importante la cantidad de impulsos emitidos por unidad de tiempo. La cantidad de impulsos por segundo es la frecuencia f. La unidad de medida de la frecuencia son los hercios (Hz). La frecuencia puede calcularse con la siguiente fórmula:
f=1/T
El disparador Schmitt
Tarea n.° 20
El disparador Schmitt es un circuito basculante en el que una tensión de entrada se compara con una tensión preestablecida en el circuito. Una particularidad del disparador Schmitt es que la tensión de entrada y salida no son idénticas. La diferencia se denomina «histéresis de conmutación» o simplemente «histéresis».
La tensión inicial puede prácticamente recibir tensión de alimentación. El disparador Schmitt es adecuado para transformar cualquier tensión en niveles lógicos de salida definidos de forma fija.
El cambio brusco de la tensión inicial se alcanza por medio de la resistencia común del emisor RE. A través de una disminución de la tensión que se genera allí, también se incrementa la tensión del emisor de T2, siempre que T1 esté sometido a una tensión de base. Al mismo tiempo, la tensión de base de T2 se reduce debido a la conductividad de T1. La tensión entre base y emisor de T2 cae de forma brusca, T2 se bloquea, y, así, el circuito deja de funcionar.
En particular, la posibilidad de establecer niveles de salida claramente definidos es lo que hace al disparador Schmitt un circuito utilizado con mucha frecuencia. Cualquier tipo de señal conducida en el mundo real está sometida a perturbaciones. La transmisión de información digital a través de satélites o largos cables submarinos sería imposible sin la posibilidad de contar con disparadores Schmitt para restablecer las señales originales.
Esta capacidad está representada en la Imagen 34. La diferencia de tensión reflejada por medio de las dos líneas negras horizontales es la histéresis. La tensión de conexión es siempre superior a la tensión de desconexión.
El amplificador diferencial
Tarea n.° 21
Un amplificador diferencial es un circuito de amplificación con dos entradas. Lo que se amplifica es la diferencia de tensión entre ambas entradas. En la práctica, los amplificadores diferenciales están disponibles solo como circuitos completos en forma de circuitos integrados. Los amplificadores operaciones son muy importantes. Estos también constan de un amplificador diferencial en el cableado de entrada. Sin embargo, cuenta con muchos transistores más para obtener las características deseadas.
Los amplificadores diferenciales tienen un alto nivel de relevancia como amplificadores operacionales y en la técnica de medición.
Un amplificador diferencial simple consiste en dos amplificadores con transistores conectados a través de una resistencia común del emisor. La resistencia del emisor debe permitir que fluya un nivel de corriente constante, independientemente del accionamiento de los transistores. En circuitos industriales, se integran las denominadas «fuentes de corriente constante» en los circuitos.
