En la presentación que se inicia a continuación solamente
están recogidas las ideas principales, por lo que deberías
de complementarla con los apuntes y tener presentes las
explicaciones de clase.
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indica que la diapositiva presente permanecerá
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espaciadora o el botón izquierdo del ratón para permitir que
puedas leer el texto con calma y estudiar las gráficas
Electrónica
Fundamentos
y
Dispositivos básicos
Electricidad y electrónica se basan en el movimiento de electrones.
Y se diferencian en que:
LA ELECTRICIDAD precisa de un uso masivo de
electrones
LA ELECTRÓNICA maneja y controla el flujo de
electrones
El movimiento de electrones constituye la corriente
eléctrica que puede ser de dos tipos :
- Corriente continua
- Corriente alterna
Corriente continua
Cuando los electrones se mueven siempre en el mismo sentido
Puede presentar intensidad constante
I
t
Cumple siempre la Ley de Ohm: V = I.R
La potencia disponible se puede calcular como:
P = V.I = I2.R = V2/ R
Puede circular a través de las resistencias (desprende calor)
Puede circular a través de las bobinas (las convierte en un imán)
No puede circular a través de un condensador
Corriente alterna
Los electrones cambian de sentido de movimiento cada cierto
tiempo
La intensidad no es constante y en el caso mas frecuente y
sencillo varía como indica la gráfica
I
T
t
Al tiempo que tarda en repetir la señal se llama PERIODO (T)
Al número de veces que la señal se repite cada segundo se llama
FRECUENCIA (f) y se mide en Hertzios (Hz)
En nuestro país la frecuencia de la corriente alterna es de 50 Hz
La tensión también varía con el tiempo como la intensidad y
cuando dichas variaciones siguen secuencias paralelas se dice que
están en fase
I
V
T
t
Cuando en el circuito sólo hay resistencias la intensidad y la
tensión están en fase
Las resistencias se comportan de la misma manera con la
corriente alterna que con la corriente continua
Cuando la intensidad y la tensión no siguen secuencias paralelas
decimos que existe un desfase entre ellas
I
V
IyV
DESFASADAS
T
t
I
V
T
t
IyV
EN OPOSICIÓN
Los desfases están ocasionados por la presencia de bobinas
o de condensadores en el circuito
En las bobinas se origina campo magnético de intensidad variable
que, a su vez, induce una corriente que se opone a la principal,
ocasionando un desfase con la tensión
I
V
T
t
Cuando hay una bobina decimos que la intensidad está
retrasada respecto al potencial porque cuando la tensión llega
al máximo, la intensidad aun no es máxima y llega a su
máximo mas tarde y lo mismo ocurre cuando la tensión se hace
cero, cambia de sentido, etc, que la intensidad pasa por esos
valores mas tarde.
En el caso de los condensadores, se produce una continua
carga y descarga que ocasiona una corriente suplementaria, lo
que origina también un desfase con la tensión
I
V
T
t
En este caso, la intensidad está adelantada respecto de la
tensión, lo que quiere decir que cuando la tensión llega al
máximo, la intensidad ya había pasado antes por su valor
máximo y ocurre lo mismo con el paso por el valor cero o el
cambio de sentido: antes la intensidad y mas tarde la tensión.
Conductores, aislantes y
semiconductores
Los electrones mas externos de un átomo se llaman “electrones
de valencia” y determinan diferentes tipos de materiales cuyo
comportamiento es distinto frente a la corriente eléctrica.
La facilidad con que un material deja pasar la corriente eléctrica
se mide con una magnitud llamada conductividad.
Según el valor de la conductividad se pueden distinguir tres tipos
de materiales:
* Conductores
* Aislantes
* Semiconductores
Conductores
En los conductores, los electrones de valencia se liberan
fácilmente y se pueden mover, con lo que se conduce bien la
corriente eléctrica ( y el calor)
Un conductor es algo similar a una tubería por la que puede fluir
agua libremente
Ejemplos de conductores son todos los metales y sus
aleaciones
Aislantes
En un aislante es dificilísimo el movimiento de los electrones,
impidiendo, por ello, el paso de corriente.
Es como si en nuestra tubería pusiéramos un tapón en la
entrada
Ejemplos de aislantes son la madera, el vidrio, los
plásticos, etc
Semiconductores
Un semiconductor es un caso intermedio a los dos anteriores: es
posible el paso de electrones, pero no tan fácilmente como en el
caso de los conductores
Sería como el caso de la tubería con una rejilla de goma que
pudiésemos cerrar o abrir a voluntad.
Esa posibilidad de control hace que sean los materiales idóneos
para fabricar los dispositivos electrónicos
Los ejemplos típicos de semiconductores son el germanio y el
silicio
Los semiconductores son materiales moderadamente estables.
Si nada les perturba, no conducen la corriente eléctrica. Pero
basta que les “molestemos” un poco para que algunos de los
electrones de valencia que contiene cada átomo salten y “se
vayan a la aventura” formando una corriente eléctrica.
Hay dos formas de “molestar” a los electrones de los átomos
La primera es aportándole una cierta cantidad de energía
por ejemplo, por calentamiento (o iluminación)
Un aumento de temperatura hace que los electrones tengan mas
energía y algunos pueden saltar del átomo quedando libres.
Pero, al hacerlo, dejan un hueco.
Y el átomo, que antes era neutro, ahora tiene exceso de carga
positiva, lo que le lleva a buscar un electrón para volver a ser
estable. Ese electrón se lo roba a un átomo vecino, con lo que
le traslada el hueco... Y vuelta a empezar: de nuevo hay un
hueco buscando un electrón.
Este movimiento de electrones y huecos constituye
corriente eléctrica.
La segunda forma es “añadiendo un extraño”, lo cual se
conoce con el nombre de “dopaje”.
Consiste en añadir , sin modificar significativamente la
estructura interna del material, una pequeña cantidad
de átomos de otro elemento similar en tamaño pero con
mas o con menos electrones de valencia.
El efecto es similar a lo que ocurre cuando a un montón
de harina le añadimos un pellizquito de levadura, lo
mezclamos bien y lo metemos al horno. A simple vista
no se nota el añadido, pero sus efectos son bien
visibles en el resultado final: el bollo resulta mas
esponjoso
En nuestro caso, el efecto es un aumento en la conductividad
Cuando al dopar introducimos átomos con tres electrones de
valencia (los semiconductores tienen cuatro electrones de valencia), estos
átomos se combinan con el resto pero nos queda un “hueco” libre
y a través del movimiento de estos huecos se conduce corriente.
SEMICONDUCTOR
INTRÍNSECO
SEMICONDUCTOR
EXTRÍNSECO (P)
El semiconductor así formado es un semiconductor extrínseco y
se llama “semiconductor de tipo P” (A pesar del nombre, es
neutro, pues también el átomo dopante tiene un protón menos en
el núcleo)
Cuando los átomos añadidos tienen cinco electrones, al
recombinarse con los demás les queda un electrón que no
comparten con ningún átomo y queda libre. Precisamente a
través de estos electrones se produce la conducción de corriente
SEMICONDUCTOR
INTRÍNSECO
SEMICONDUCTOR
EXTRÍNSECO (N)
El semiconductor extrínseco así obtenido se conoce como
“semiconductor de tipo N” (y también es neutro pues el
átomo dopante tiene también un protón mas en el núcleo)
Según hemos visto, cuando existe corriente en un material es
debido al movimiento de electrones hacia un lado y de huecos
en sentido contrario. Los electrones y los huecos son los
llamados portadores y las cantidades de ambos no tienen que
ser iguales siempre.
A los portadores que contribuyen en mayor cantidad a la
corriente se les llama portadores mayoritarios.
En los semiconductores extrínsecos tipo N los portadores
mayoritarios son los electrones
En los semiconductores extrínsecos tipo P, los portadores
mayoritarios son los huecos
La unión PN o diodo
¿Qué ocurriría si se juntase un trozo de material tipo P
con un trozo de material tipo N?
Algunos electrones de la zona fronteriza del material tipo N
pasan a la zona fronteriza del material tipo P y rellenan sus
huecos
Los electrones se van con los huecos debido a la atracción
propia de cargas opuestas, pero entonces...
¿por qué sólo unos pocos?
Una vez que se han pasado cierta cantidad de electrones al otro
bando comienza a haber una concentración de electrones mayor
de lo normal, lo que provoca que estos empiecen a repelerse
entre ellos. Por tanto, se llega a un equilibrio al haberse ido los
suficientes electrones para apaciguar la atracción hueco-electrón
inicial pero no tantos como para llegar a repelerse entre ellos.
Una vez alcanzado este equilibrio se dice que se ha creado una
barrera de potencial.
Esta situación permanecerá inalterable
mientras no hagamos nada externo para
modificarla.
Podemos compensar el efecto de esa barrera de
potencial con otro potencial aportado
externamente, por ejemplo, por medio de una
batería
Existen dos formas de conectar una batería a una unión PN
1
POLARIZACIÓN
DIRECTA
El polo negativo de la batería inyecta electrones en la zona N y
el polo positivo recibe electrones de la zona P, con lo que se
origina una corriente eléctrica.
Hemos conseguido disminuir o vencer la
barrera de potencial
2
POLARIZACIÓN
INVERSA
En este caso no hay corriente en ningún sentido porque los
huecos libres de la zona P se recombinan con los electrones
procedentes del polo negativo de la batería y los electrones
libres de la zona N son absorbidos por el polo positivo de la
batería, alejándose tanto huecos como electrones de la zona
de unión
El efecto ha sido el de aumentar la
barrera de potencial
En realidad en la polarización inversa si que hay una pequeña
corriente y una gráfica real de la intensidad según la
polarización es de la forma
El símbolo y polaridad del diodo en forma directa es
I GRANDE
+
(-)
I pequeña
(+)
EL TRANSISTOR
La ampliación mas sencilla que se puede hacer de la unión PN
es añadirle otra nueva zona N o P. Resulta así el transistor, que
puede ser de dos tipos:
EMISOR
BASE
COLECTOR
En el transistor hay dos uniones PN que se pueden polarizar
de formas distintas mediante una batería.
Según tengamos polarizadas estas uniones el transistor se
comporta de forma diferente.
Diremos entonces que está trabajando en una u otra
“zona” y las posibilidades son tres:
Con el transistor en la zona de
SATURACIÓN los electrones
circulan a través de las dos uniones
PN en el sentido indicado y a través
de la base hay corriente
ON
Con el transistor en la zona de
CORTE, las dos uniones PN están
polarizadas de forma inversa y no
hay paso de electrones a través de
ninguna de las dos, por lo que no
hay corriente
OF
El transistor ha funcionado como un interruptor (ON-OF)
¿Cómo es el funcionamiento en la ZONA ACTIVA?
Si sólo tenemos conectada la batería
A en la forma indicada, los
electrones (portadores mayoritarios)
pasan del emisor (N) a la base (P)
originando una corriente bastante
intensa.
Equivale a decir que la resistencia en la unión PN es pequeña
Si desconectamos la batería A y
conectamos la B en la forma
indicada, la unión PN base-colector
está polarizada de forma inversa y no
se produce paso de corriente.
Equivale a decir que la resistencia en la unión PN es GRANDE
Pero, ¿qué ocurre al conectar las dos baterías a la vez?
En la unión BE polarizada de
forma directa, la barrera de
potencial es pequeña, pero en la
BC, polarizada de forma inversa,
la barrera de potencial es grande.
Los electrones empiezan a desplazarse desde el emisor
(de tipo N) a la base (de tipo P) aproximándose al
colector (de tipo N) y consiguen atravesar la unión basecolector gracias a la gran atracción que ejerce el el borne
muy positivo de la batería B al que está conectado el
colector.
¿Por qué no se recombinan los electrones
y los huecos de la base?
La base es mucho más estrecha que el emisor y el colector
y también está mucho menos " dopada ", por lo que los
huecos libres (portadores mayoritarios) son muy escasos.
Así que es muy difícil que un electrón encuentre un hueco
para recombinarse, por lo que seguirá su camino atraído por
el potencial.
La corriente de base va ser pequeña al haber pocos
electrones y huecos que se recombinen, la del emisor y
el colector será más grandes al producirse electrones en el
borne negativo de la batería unida con el emisor, que van
a atravesar a éste, para pasar después por la base y
acabarán atravesando al colector para ir a parar al borne
positivo de la otra batería.
Si el potencial de la base aumenta, el paso de electrones
aumenta y la corriente del colector también.
Si el potencial de la base disminuye o se hace (-), pasan
menos electrones (o ninguno) y la corriente del colector
disminuye (o desaparece).
La polarización de la base permite que los electrones
pasen del emisor a la base y el mayor potencial del
colector los obliga a pasar hacia él, favorecido por las
dimensiones y características de la base.
La base, pues, actúa como elemento de control para la
corriente de colector
En el comportamiento descrito, el transistor ha funcionado
como si la unión EB tuviese una gran resistencia y la
unión BC una resistencia pequeña.
¡Justamente lo contrario que cabría esperar!
Luego ha habido una transferencia de resistencia
de la Salida a la Entrada del mismo.
R pequeña
R GRANDE
N
R grande
R PEQUEÑA
P
E
B
N
C
De esta transferencia le viene, precisamente, el nombre:
TRANS fer
res ISTOR
TRANSISTOR
El funcionamiento de los transistores PNP es
igual al de los anteriores pero los que se mueven
en este caso son los huecos y las polaridades
son de signo contrario al de los NPN
Resumien
doEn
: un transistor existen dos uniones PN agrupada como:
* N-P-N
* P-N-P
Puede funcionar como un interruptor:
- zona de corte = interruptor abierto
- zona de saturación = interruptor cerrado
Funcionando en la zona activa se consigue amplificar una
corriente pequeña en la base, obteniendo una corriente
grande en el colector
Transistores MOS
Partiendo de una lámina de
semiconductor (p.ej. Silicio) de tipo
P, pobremente dopado, que
llamaremos SUSTRATO, se oxida
fuertemente para formar sobre ella
una capa de óxido de silicio
Por técnicas químicas se abren en la
capa de óxido unas “ventanas” a
través de las cuales se introducen
impurezas de tipo N en el sustrato
formando dos “islas” de semiconductor tipo N fuertemente dopado a
las que se llama FUENTE y
DRENADOR.
Sobre las ventanas de fuente y drenador se depositan contactos
metálicos.
Sobre el óxido y encima del espacio que separa fuente y
drenador se deposita un contacto metálico que denominamos
como PUERTA.
De esta forma se tiene un dispositivo formado por tres capas
sucesivas, una de las cuales es de Metal, debajo una de
Oxido y debajo una de Semiconductor: un transistor MOS.
Pero ... ¿cómo funciona?
Al darle un potencial positivo a la
puerta, los electrones de la FUENTE
son atraídos y, como no pueden llegar a
ella pues se lo impide la capa de óxido,
se quedan debajo, de modo que si el
DRENADOR es también positivo
pueden pasar hacia él estableciéndose
una corriente de la fuente al drenador.
Es como si se hubiese formado un canal de tipo N
entre la fuente y el drenador
Por este motivo a este transistor se le llama
“transistor
Mos de canal N de incremento”
Si la puerta no tiene potencial o es negativa,
evidentemente, no se forma el canal anterior y no
hay corriente de fuente a drenador.
También se puede tener un transistor
formado a partir de un sustrato de
tipo N en el que se forman dos islas
de tipo P.
Los portadores mayoritarios serán
ahora los huecos y las polaridades de
funcionamiento contrarias al caso
anterior.
Este transistor recibe el nombre
de transistor MOS de canal P de
incremento.
Los transistores MOS de canal N y de canal
P son complementarios porque el mismo
potencial pone a uno en estado de
conducción y al otro en estado de corte.
Existe una evidente analogía en cuanto al
funcionamiento entre los transistores MOS y los
que hemos explicado inicialmente (bipolares):
BIPOLAR
EMISOR
BASE
COLECTOR
MOS
PROPORCIONA LOS e-
CONTROLA LOS e-
RECIBE LOS e-
FUENTE
PUERTA
DRENADOR
Una aplicación sencilla:
LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN
La forma en que está disponible la energía eléctrica de nuestros
hogares no es la adecuada para los aparatos que todos
conocemos, ya que la mayor parte de estos aparatos necesitan
corriente continua para funcionar, mientras que de la que
disponemos en nuestros enchufes es de corriente alterna .
Tenemos dos soluciones, la primera es usar pilas o baterías, pero
esto nos saldría muy caro y la segunda es transformar la corriente
alterna en continua.
Esta transformación recibe el nombre técnico de "rectificación".
Una fuente de alimentación se encarga de rectificar la corriente
y mejorar las características de la corriente rectificada hasta
aproximarla lo mas posible a una corriente continua estable y
uniforme. Para ello se basa en el comportamiento de los diodos
y de algunos otros componentes como los condensadores y,
ocasionalmente las bobinas.
En una fuente de alimentación, la primera etapa consiste en
reducir el potencial de la corriente alterna de entrada que,
generalmente, es demasiado elevado para su empleo en los
dispositivos que se pretende alimentar. Esta reducción de
tensión se lleva a cabo por medio de un aparato llamado
transformador.
Símbolo de un transformador
El rectificador mas elemental es el rectificador de media onda:
Entrada
Carga
Salida
Tiene el inconveniente de que desaprovecha la mitad de la
corriente de entrada
El aprovechamiento de la onda completa se logra añadiendo
un segundo diodo
De una forma mas completa se lleva a cabo usando un puente
de cuatro diodos
Pero aun existe un problema:
La tensión que entrega un rectificador no es del todo
útil debido a su constante variación a lo largo del
tiempo. Además, sus oscilaciones van desde un valor
tope, o máximo, hasta "cero " y este es otro
inconveniente ya que en el momento en que la tensión
es cero, no se entrega energía alguna.
Gracias al uso de un filtro conseguiremos "alisar" esas
ondulaciones en la tensión, a fin de obtener una tensión lo más
parecida a una constante; además el valor mínimo no será cero
sino que tendrá un valor algo positivo.
El filtro mas sencillo consiste en añadir un condensador
El efecto logrado con el condensador es debido a que el
condensador cuando se carga almacena energía que luego le
entrega al circuito en el momento adecuado y se consigue
así que la corriente no sea cero en ningún momento.
Añadiendo otros componentes se logra estabilizar de una forma
casi total la tensión de salida.
En resumen:
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CORRIENTE ELÉCTRICA