Curso de Doctorad0

1
COMPONENTES ELECTRICOS Y ELECTRÓNICOS Breve
sumario
Componentes básicos pasivos y
fuentes Resistencias Condensadores Inductancias
o bobinas Transformadores Fuentes de
alimentación (Tensión y corriente)
2
ELEMENTOS AUXILIARES DE INTERÉS RESISTENCIAS
3
ELEMENTOS AUXILIARES DE INTERÉS RESISTENCIAS
4
ELEMENTOS AUXILIARES DE INTERÉS CONDENSADORES
Un condensador está formado por un aislante
(dieléctrico) colocado entre dos conductores
(p.e. condensador de placas planas).
Los condensadores tienen capacidad de almacenar
energía en campo electrostático.
Símbolo
El parámetro C indica la capacidad de un elemento
de almacenar energía. Se define como la carga
necesaria para provocar una variación de una
unidad de tensión.
Placas
Dieléctrico
La capacidad C depende de la geometría del
condensador y de la permitividad (?) del
aislante. p.e. para un condensador de placas
planas
De donde se obtiene la conocida relación
diferencial entre la tensión y la corriente de
un condensador. Los condensadores se oponen a las
variaciones bruscas de tensión.
5
ELEMENTOS AUXILIARES DE INTERÉS CONDENSADORES

• En función del material dieléctrico podemos
  tener
• Condensadores de aire (Air dielectric capacitors)
• Condensadores de Mica (Silver mica capacitors)
• Condensadores cerámicos (Ceramic capacitors)
• Condensadores de papel (Paper capacitors)
• Condensadores plásticos (Plastic film capacitors)
• Condensadores electrolíticos (Electrolytic
  capacitors)

?O 0.0885 x 10-10 F/m
6
ELEMENTOS AUXILIARES DE INTERÉS BOBINAS
7
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS
8
Semiconductores elementales Germanio (Ge) y
Silicio (Si) Compuestos IV Si C y Si
Ge Compuestos III-V Binarios Ga As, Ga P, Ga
Sb, Al As, Al P, Al Sb, In As, In P y In
Sb Ternarios Ga As P, Al Ga As Cuaternarios In
Ga As P Compuestos II-VI Zn S, Zn Se, Zn Te, Cd
S, Cd Se y Cd Te
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SEMICONDUCTORES TIPO N Dopantes grupo V (p.e. Sb)
Cada átomo dopante aporta al cristal un electrón
libre. Cada átomo dopante aporta un ión positivo
fijo (no se puede mover). Al igual que en un
semiconductor intrínseco habrá pares electrón
hueco generados a la forma convencional. No
obstante, el número de huecos disminuirá
bastante, al tener un gran número de electrones
libres "pululando" por el cristal.
-

Sb
El Sb tiene 5 electrones en la última capa. El
Sb sustituye al Ge en la estructura
cristalina. Le queda un electrón ligeramente
unido al átomo del dopante. Con muy poca energía
(0.01 eV - 0.05 eV puede liberarse. A
temperatura ambiente todos los átomos de Sb han
perdido su electrón. El átomo de Sb está fijo en
la estructura cristalina y no se puede mover (no
es un hueco)
-

10
SEMICONDUCTORES TIPO N Dopantes grupo V (p.e. Sb)
Muchos electrones libres


Tipo N



Iones positivos Fijos en el cristal No se pueden
Mover
Muy pocos Huecos
COMENTARIO Darse cuenta que un trozo de
Semiconductor N por si solo tiene poca utilidad.
Simplemente es un regular conductor (una
determinada resistencia)
11
SEMICONDUCTORES TIPO P Dopantes grupo III (p.e.
In)
Cada átomo dopante aporta al cristal un
hueco. Cada átomo dopante aporta un ión negativo
fijo (no se puede mover). Al igual que en un
semiconductor intrínseco habrá pares electrón
hueco generados a la forma convencional. No
obstante, el número de electrones disminuirá
bastante, al tener un gran número de huecos el
cristal.

-
In
El In tiene 3 electrones en la última capa. El
In sustituye al Ge en la estructura
cristalina. Le queda un enlace covalente
"huerfano" de electrón. Con muy poca energía
(0.01 eV - 0.05 eV puede "robar" un electrón a un
enlace covalente vecino. A temperatura ambiente
todos los átomos de In han "robado" un
electrón. El átomo de In está fijo en la
estructura cristalina y no se puede mover (no es
un electrón/carga libre)
-

12
SEMICONDUCTORES TIPO III Dopantes grupo III
(p.e. In)
Muchos huecos
-
-
Tipo P
-
-
-
Iones negativos Fijos en el cristal No se pueden
Mover
Muy pocos electrones
COMENTARIO Darse cuenta que un trozo de
Semiconductor P por si solo también tiene poca
utilidad. Simplemente es un regular conductor
(una determinada resistencia)
13

• LOS DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS SURGEN DE UNIR
  TROZOS DE SEMICONDUCTOR P Y N.
• LOS FENÓMENOS "ESPECIALES" QUE SURGEN SE
  APROVECHAN PARA MUY DIVERSAS APLICACIONES Y HAN
  DADO LUGAR AL FRUCTÍFERO MUNDO DE LA ELECTRÓNICA.
• COMUNICACIONES
• ORDENADORES
• MÚSICA
• TELEVISIÓN
• ELECTROMEDICINA
• SENSORES
• ETC

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DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES (PANORÁMICA)
Diodo Zener, Diodo LED, Diodo Schottky, diodo
Tunel (Gunn), diodo Varicap
1 unión PN
DIODOS
Bipolares, Fototransistores, Transistores
multiemisor, JFET y MOSFET
SCR, TRIAc, DIAC, GTO
TIRISTORES
TRANSISTORES
varias uniones PN
2 uniones PN
ASOCIACIÓN DE DISPOSITIVOS IGBT, optoacoplador,
Display, puentes rectificadores,
Darlington CIRCUITOS INTEGRADOS
15
DIODO
Idealmente, permite corriente directa (se
comporta como un cable) y bloquea o no permite la
corriente inversa (se comporta como un cable roto)
I
I

P
V
N
-
V
ANÉCDOTA Un símil hidráulico podría ser una
válvula anti-retorno, permite pasar el agua
(corriente) en un único sentido.
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DIODOS ESPECIALES
Diodo Zener (Zener diode)
La ruptura no es destructiva. (Ruptura
Zener). En la zona Zener se comporta como una
fuente de tensión (Tensión Zener). Necesitamos,
un límite de corriente inversa. Podemos añadir
al modelo lineal la resistencia
Zener. Aplicaciones en pequeñas fuentes de
tensión y referencias.
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DIODOS ESPECIALES
Diodo emisor de Luz Light Emitter Diode
Diodo LED (LED diode)
El semiconductor es un compuesto III-V (p.e. Ga
As). Con la unión PN polarizada directamente
emiten fotones (luz) de una cierta longitud de
onda. (p.e. Luz roja)
A
A
K
K
18
DIODOS ESPECIALES
Los diodos basados en compuestos III-V, presentan
una corriente de fugas proporcional a la luz
incidente (siendo sensibles a una determinada
longitud de onda). Estos fotodiodos se usan en
el tercer cuadrante. Siendo su aplicaciones
principales Sensores de luz (fotómetros) Comu
nicaciones
Fotodiodos (Photodiode)
COMENTARIO Los diodos normales presentan
variaciones en la corriente de fugas
proporcionales a la Temperatura y pueden ser
usados como sensores térmicos
El modelo puede ser una fuente de corriente
dependiente de la luz o de la temperatura según
el caso
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DIODOS ESPECIALES
Cuando incide luz en una unión PN, la
característica del diodo se desplaza hacia el 4º
cuadrante. En este caso, el dispositivo puede
usarse como generador.
Células solares (Solar Cell)
i
VCA
V
Zona uso
iCC
20
DIODOS ESPECIALES
Diodo Varicap (Varicap , Varactor or Tuning
diode)
La unión PN polarizada inversamente puede
asimilarse a un condensador de placas planas
(zona de transición). Esta capacidad se llama
Capacidad de Transición (CT). Notar, que al
aumentar la tensión inversa aumenta la zona de
transición. Un efecto parecido al de separar las
placas de un condensador (CT disminuye). Tenemos
pues una capacidad dependiente de la tensión
inversa. Un diodo Varicap tiene calibrada y
caracterizada esta capacidad. Uso en equipos de
comunicaciones (p.e. Control automático de
frecuencia en sintonizadores)
Dieléctrico
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DIODOS ESPECIALES
Diodo Schottky (Schottky diode)
Unión Metal-semiconductor N. Produciéndose el
llamado efecto schottky. La zona N debe estar
poco dopada. Dispositivos muy rápidos
(capacidades asociadas muy bajas). Corriente de
fugas significativamente mayor. Menores
tensiones de ruptura. Caídas directas mas bajas
(tensión de codo ? 0.2 V). Aplicaciones en
Electrónica Digital y en Electrónica de Potencia
El efecto Schottky fue predicho teóricamente en
1938 por Walter H. Schottky
22
DIODOS ESPECIALES
Diodo tunel y diodo GUNN (Gunn diode and Tunnel
diode)
Tienen dopadas mucho las dos zonas del diodo (105
veces mayor). Aparece un efecto nuevo conocido
como efecto túnel. (Descubierto por Leo Esaki en
1958). Un efecto parecido (GUNN) se produce en
una cavidad tipo N de Ga As. El diodo GUNN fue
descubierto por Ian Gunn en 1962. Los efectos se
traducen en una zona de resistencia negativa en
la característica directa del diodo. Esta zona
se aprovecha para hacer osciladores de
microondas. (El diodo GUNN aparece en el
oscilador local del receptor del radar. Está
presente en todos los radares marinos actuales).
Zona de resistencia negativa. Efecto Túnel
Diodo GUNN
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ASOCIACIÓN DE DIODOS
DISPLAY
24
APLICACIONES DE DIODOS
Detectores reflexión de objeto
Detectores de barrera
Detectores reflexión de espejo
25
APLICACIONES DE DIODOS
Sensores de luz Fotómetros Sensor de lluvia en
vehículos Detectores de humo Turbidímetros Sensor
de Color
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TRANSISTORES (Panorámica)
NPN PNP
BIPOLARES
CANAL N (JFET-N) CANAL P (JFET-P)
TRANSISTORES
UNIÓN
EFECTO DE CAMPO
CANAL N (MOSFET-N) CANAL P (MOSFET-P)
METAL-OXIDO-SEMICONDUCTOR
FET Field Effect Transistor
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TRANSISTOR BIPOLAR NPN (NPN bipolar transistor)
Base (B)
Emisor (E)
Colector (C)
Descubiertos por Shockley, Brattain y Barden en
1947 (Laboratorios Bell)
C
E
SÍMBOLO
B
BASE
COMENTARIO Un símil podría ser un grifo de
agua. La corriente de base hace el papel del
mando de grifo (aumentar la máxima capacidad de
agua - corriente- del grifo).
28
CARACTERÍSTICAS DE UN TRANSISTOR NPN
IC mA
IB mA
30
3000
? 100
20
2000
10
1000
0
VCE
29
TRANSISTOR BIPOLAR PNP (PNP bipolar transistor)
Base (B)
IC mA
IB mA
Emisor (E)
Colector (C)
30
3000
? 100
C
E
20
2000
SÍMBOLO
B
10
1000
0
VEC
COMENTARIO Un símil podría ser un grifo de
agua. La corriente de base hace el papel del
mando de grifo (aumentar la máxima capacidad de
agua - corriente- del grifo).
30
FOTOTRANSISTOR (Phototransistor)
La luz (fotones de una cierta longitud de onda)
al incidir en la zona de base desempeñan el papel
de corriente de base
El terminal de Base, puede estar presente o
no. No confundir con un fotodiodo.
31
ASOCIACIÓN DE TRANSISTORES
OPTOACOPLADOR
Conjunto fotodiodo fototransistor
OBJETIVO Proporcionar aislamiento galvánico y
protección eléctrica. Detección de obstáculos.
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APLICACIÓN TÍPICA DE LOS OPTOACOPLADORES "Encoder
" óptico para medida de velocidad y posicionado
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TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO (FET - Field
Effect Transistor)
CANAL N (JFET-N) CANAL P (JFET-P)
UNIÓN
EFECTO DE CAMPO
CANAL N (MOSFET-N) CANAL P (MOSFET-P)
METAL-OXIDO-SEMICONDUCTOR
Dr Julius Lilienfield (Alemania) en 1926 patentó
el concepto de "Field Effect Transistor". 20
años antes que en los laboratorio Bell fabricaran
el primer transistor bipolar.
34
JFET DE CANAL N (Característica real de salida)
ID
UGSV
VDS
SE COMPORTA COMO UN TRANSISTOR BIPOLAR DONDE LA
TENSIÓN DE PUERTA (UGS) JUEGA EL PAPEL DE LA
CORRIENTE DE BASE. PODEMOS DECIR QUE ES UN
DISPOSITIVO CONTROLADO POR TENSIÓN.
35
JFET DE CANAL P (Característica real de salida)
S
ID
G
USGV
D
VSD
SE COMPORTA COMO UN TRANSISTOR BIPOLAR DONDE LA
TENSIÓN DE PUERTA (USG) JUEGA EL PAPEL DE LA
CORRIENTE DE BASE. PODEMOS DECIR QUE ES UN
DISPOSITIVO CONTROLADO POR TENSIÓN.
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MOSFET DE CANAL N
D
D
ID
UGSV
G
G
15 V
S
10 V
S
5 V
0 V
Diodo parásito (Substrato - Drenador)
VDS
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MOSFET DE CANAL P
S
S
ID
USGV
G
G
15 V
D
10 V
D
5 V
0 V
Diodo parásito (Substrato - Drenador)
VSD
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MOSFET (precauciones con la puerta)
D
La puerta (G) es muy sensible. Puede perforarse
con tensiones bastante pequeñas (valores típicos
de 30 V). No debe dejarse nunca al aire y debe
protegerse adecuadamente.
ID
- 30 V
30 V
VGS
G
S
CAUTION, ELECTROSTATIC SENSITIVE !!!
39
TIRISTORES (Thyristor)
Los tiristores son dispositivos especialmente
populares en Electrónica de Potencia. Son sin
duda los dispositivos electrónicos que permiten
alcanzar potencias mas altas, son dispositivos
realmente robustos.
En 1956 se desarrollo el primer Tiristor Bell
Telephoned Laboratory. Inicialmente fue llamado
Transistor PNPN (hoy conocido como SCR)
40
Definición y tipos
- Dispositivo de 4 capas con estados estables de
conducción y bloqueo - Interruptor de potencia
muy alta - Potencias y tensión muy altas -
Frecuencias de conmutación no superiores a 2kHz
SCR (Silicon Controlled Rectifier).
Interruptor unidireccional GTO (Gate
Turn-off) Interruptor unidireccional. Apagado
por puerta TRIAC (Triode AC) Interruptor
bidireccional DIAC. (Diode AC) Interruptor
bidireccional ( Control de tiristores)
41
SCR Un modelo ideal sencillo
Podemos decir que es un interruptor
unidireccional que se cierra con un pulso de
corriente de puerta (disparo) y se abre cuando la
corriente pasa por cero
A
A
A
G
G
C
C
MODELO IDEAL DE UN SCR
NOTA El disparo por tensión directa (VB) se
considera indeseable y, como norma general, debe
seleccionarse el SCR para que esto no ocurra
G
C
42
SCR Algunos ejemplos
TO 200 AF B 20
TO 209 AD B 7
TO 208 Ac B 2
500 V 24A
1300 V 1800A
500 V 100A
43
EL SCR es el dispositivo electrónico mas robusto
que existe. Puede manejar tensiones y corrientes
realmente impresionantes. Algunos ejemplos son
realmente espectaculares.
Unos de los 12 SCR para un pequeño
rectificador trifásico de 500 MW y 500
KV (Inga-Shaba, ZAIRE)
44
TRIAC Un modelo ideal sencillo
Podemos decir que es un interruptor bidireccional
que se cierra con un pulso de corriente de puerta
(disparo) y se abre cuando la corriente pasa por
cero. La puerta es ahora bidireccional (2 diodos
en anti-serie)
T2
G
T1
MODELO IDEAL DE UN TRIAC
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DIAC Diode AC

• Dispositivo auxiliar (p.e. disparo de
  tiristores)
• Soporta picos de corrientes elevados
• Se debe conocer la Tensión de cebado (p.e. 33V
  en el DB3)
• DB3 Diac comercial muy popular

IT
VB
-VB
VT
Característica
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DIAC Algunos elementos similares
Recinto de descarga
Gránulos de óxidos metálicos sinterizadas (Óxido
de cinc, etc)
DESCARGADOR DE GAS
VARISTOR
47
DIAC Uso como elemento de protección
Sobretensión
I
F
Equipo a proteger
Ve
TRIAC, VARISTOR, DESCARGADOR,...
NOTA Seguramente el VARISTOR es el elemento mas
popular para esta aplicación
48
GTO (Gate Turn-off)
La especial estructura del dispositivo permite el
apagado por puerta (con un pulso negativo). Por
lo demás es similar al SCR.
G
C
Vista desde abajo
Estructura de un GTO simétrico
49

• MCT, tiristor controlado por MOS
• Puesta en conducción por tensión negativo en
  puerta
• Apagado por tensión positiva en puerta.
• Ganancia elevada de tensión de control
• Disponibles hasta 1000V y 100A.
• Potencias medias bajas

Símbolo
NOTA Tiene una funcionalidad similar a la del
GTO, pero gobernado con tensión
50

• LASCR, Tiristor controlado por luz.
• Son Tiristores activados por luz
• Utilizados en Alta tensión
• Frecuencias de conmutación de hasta 2KHz
• Tensiones elevadas 6000V y 1500A

NOTA Normalmente disponen de conexiones
especiales para ser disparados con fibra óptica.
Son interesantes en entornos de corrientes y
tensiones elevadas, permitiendo un elevado
aislamiento entre el circuito de potencia y el de
gobierno.
51
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS PEQUEÑOS Y GRANDES
SEGÚN LA APLICACIÓN
EL MAS PEQUEÑO
UNO GRANDE
Unos de los 12 SCR para un pequeño
rectificador trifásico de 500 MW y 500
KV (Inga-Shaba, ZAIRE)
52
Circuitos Integrados (Integrated Circuits - IC)
En un IC se implementa un circuito electrónico
completo (Resistencias, condensadores, diodos,
transistores, etc) realizado sobre el mismo
circuito semiconductor (Substrato).
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Transistor
2 Transistores
42 millones de transistores
2.300 Transistores
1948 Transistor Lab. Bell Schokley, Brattain,
Bardeen
1958 Primer IC Kilby
1971 Primer ?P 4004 INTEL
2001 Pentium IV INTEL
1960 MOSFET
1945 ENIAC 1er Computador válvulas
La evolución del tamaño de los circuitos
integrados ha sido espectacular. Teniendo sus
máximos de capacidad de integración, en el mundo
de la Electrónica Digital (Microprocesadores)
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LOS CIRCUITOS INTEGRADOS PUEDEN LLEGAR A TENER
MUCHÍSIMOS COMPONENTES REALIZADOS SOBRE EL MISMO
CIRCUITO INTEGRADO
Buscando errores sobre un esquema de un Circuito
Integrado
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EJEMPLO TÍPICO DE CIRCUITO INTEGRADO DE PROPÓSITO
GENERAL
DIP-8
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DATOS EN EL ENCAPSULADO DE UN CIRCUITO INTEGRADO
ENCAPSULADO D,P Plástico J, N Cerámico M
Metálico
?A 741 I P
FABRICANTE AD Analog Devices ?A
Fairchild CR RCA LM National
Semiconductor MC Motorola NE/SE
Signetics OP Precision Monolithics RC/RH
Raytheon SG Silicon General TL
Texas Instrument
RANGO TEMPERATURA C Comercial 0ºC hasta
70ºC I Industrial -40ºC hasta 85 ºC M
Militar -55ºC hasta 125 ºC
DESIGNADOR Nombre/función del dispositivo 741
Amplificador de propósito general 081
Amplificador entrada FET 311 Comparador rápido
57
DATOS EN EL ENCAPSULADO DE UN CIRCUITO INTEGRADO
Pin número 1
Orden para numerar los pines
Encapsulado típico DIL - 6
DIL Dual In Line SIL Serial In Line