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Universidad Autónoma de Nuevo León Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica

Electrónica I

Tarea #5 Resumen y ejemplos

Maestro: M.C. Faustino Zúñiga Reyes

Hugo Gerardo Jimenez Arzave Salón Elec I Hora: V3

Viernes 23 Abril 2018 Ciudad Universitaria, San Nicolás de los Garza, Nuevo León. México

Semiconductores Son elementos, como el germanio y el silicio, que a bajas temperaturas son aislantes. Pero a medida que se eleva la temperatura o bien por la adicción de determinadas impurezas resulta posible su conducción. Su importancia en electrónica es inmensa en la fabricación de transistores, circuitos integrados, etc... Los semiconductores tienen valencia 4, esto es 4 electrones en órbita exterior ó de valencia. Los conductores tienen 1 electrón de valencia, los semiconductores 4 y los aislantes 8 electrones de valencia. Los 2 semiconductores mas usados son Silicio y el Germanio:

A partir de la década de 1950, los dispositivos semiconductores -conocidos también como dispositivos de estado sólido- remplazaron los tubos electrónicos de la industria tradicional. Por la enorme reducción de tamaño, consumo de energía y costo, acompañada de una mucho mayor durabilidad y confiabilidad, los dispositivos semiconductores significaron un cambio revolucionario en las telecomunicaciones, la computación, el almacenamiento de información, etc. Desde el punto de vista de su forma de operación, el dispositivo semiconductor más simple

y fundamental es el diodo; todos los demás dispositivos pueden entenderse en base a su funcionamiento.

Unión PN: el diodo. Aplicaciones: Cuando se unen dos semiconductores dopados, P y N, aparece un fenómeno interesante: los electrones libres del semiconductor N que están cerca de la unión saltan a los huecos del semiconductor P para completar los enlaces covalentes que faltaban. Por cada electrón que salta de N a P aparece una carga negativa en la zona P (la carga del electrón que ha saltado) y aparece una carga positiva en N (la del núcleo del átomo al que pertenecía el electrón fugado). Al cabo de un cierto tiempo la zona P, cerca de la unión, se queda cargada negativamente y la zona N cargada positivamente. Estas cargas producen un campo eléctrico dirigido de N a P el cual se opone a que pasen más electrones de N a P. Los electrones que han conseguido saltar a P se mantienen cerca de la unión ya que son atraidos por los núcleos positivos de la zona N.

La unión de los dos semiconductores P y N se denomina diodo. Si se conecta un generador de continua a un diodo, ocurren fenómenos que tienen gran aplicación. La conexión de un generador de continua a un diodo se denomina polarización del diodo. La polarización de un diodo puede ser directa o inversa y el comportamiento del diodo depende de esta polarización

Recortadores Los circuitos recortadores se utilizan para eliminar parte de una forma de onda que se encuentre por encima o por debajo de algún nivel de referencia. También se conocen como limitadores, selectores de amplitud o rebanadores.

En este análisis se encontrarán cuatro tipos de recortadores en paralelo, en los dos primeros solo cambia la polaridad del diodo y, la fuente de dc queda con la misma polaridad; en los dos recortadores siguientes el diodo conserva la misma polaridad, mientras que la fuente de dc invierte su polaridad para cada recortador restante. Cada circuito recortador se encuentra en función de la batería (fuente de dc), los recortadores positivo y negativo se pueden realizar simultáneamente. El resultado es un recortador polarizado en paralelo, que se diseña utilizando dos diodos y dos fuentes de tensión. Pero en este análisis solo se van a utilizar una fuente de tensión de dc y un solo diodo para cada onda de salida (positiva y negativa).

SUJETADORES En un circuito sujetador de voltaje, se utiliza un capacitor, un dido, y una fuente de directa para realizar el desplazamiento del nivel. El capacitor tiene como función permitir que la señal que depende del tiempo circule hacia la carga y al mismo tiempo, bloquea la directa para impedir que llegue a la fuente de señal, el diodo y la fuente de directa tienen como función desplazar el nivel de directa hacia el valor deseado.

Los circuitos sujetadores añaden una componente continua a una señal de entrada A.C. Como vimos la función principal de estos es desplazar el valor de la señal. Se analizan considerando el diodo en corte y conducción durante los intervalos respectivos y tomando en cuenta los tiempos de carga y descarga del capacitor, reemplazamos por el circuito equivalente para hallar los valores de corrientes y voltajes, Así determinando cual de las polaridades de entrada es la que produce la conducción del diodo.

Configuración base común: La señal se aplica al emisor del transistor y se extrae por el colector. la base se conecta a las masas tanto de la señal de entrada como a la de salida. En esta configuración se tiene ganancia sólo de tensión.

Características:

Amplificador en colector común: La corriente entra por la base y sale por el emisor. Este amplificador se caracteriza por tener una muy alta impedancia de entrada, una muy baja impedancia de salida, una ganancia de voltaje ligeramente menor a la unidad y ganancia de corriente alta. Todas estas características lo hacen útil como acoplador de impedancias.

Colector común: Es muy útil pues tiene una impedancia de entrada muy alta y una impedancia de salida baja. La impedancia de entrada alta es una característica deseable en un amplificador pues, el dispositivo o circuito que lo alimenta no tiene que entregarle mucha corriente (y así cargarlo) cuando le pasa la señal que se desea amplificar Este circuito no tiene resistencia en el colector y la salida está conectada a la resistencia del emisor

Características:

Aplicaciones: La base común se suele utilizar para adaptar fuentes de señal de baja impedancia de salida como, por ejemplo, micrófonos dinámicos. Con un montaje en Colector Común logramos una muy baja distorsión sobre la señal de salida y, junto con el montaje en Base Común, es bastante idóneo a la hora de diseñar adaptadores de impedancia.

EJEMPLO 2.1 Para la configuración del diodo en serie de la figura 2.3a, que emplea las características de la figura 2.3b, determine: a.Vd y Id. b. VR.

ID VD Q

Solución: a. Ecuación (2.2):

VD = E ƒI = 0 A = 10 V ID =E/RV = 0 V=10 V /0.5 kOhms = 20 mA D

D

Ecuación (2.3): La recta de carga resultante aparece en la figura 2.4. La intersección entre la recta de carga y la curva de las características define el punto Q como El nivel de VD es ciertamente una estimación y la escala seleccionada limita la precisión de ID. Un mayor grado de precisión requeriría una gráfica mucho más grande y tal vez compleja de manejar. b. VR = IRR = IDQR = 118.5 mA211 kÆ2 = 18.5 V

ID _ 18.5 mA VD _ 0.78 V Q

Q

EJEMPLO 2.2 Repita el ejemplo 2.1 utilizando el modelo equivalente aproximado del diodo semiconductor de silicio. Solución: La recta de carga se trazó de nuevo como se muestra en la figura 2.5 y con las mismas intersecciones definidas en el ejemplo 2.1. En la misma gráfica también se trazaron las características del circuito equivalente aproximado del diodo. El punto Q resultante es

VD = 0.7 V ID = 18.5 mA Q

Q

EJEMPLO 2.3 Repita el ejemplo 2.1 utilizando el modelo de diodo ideal. Solución: Como se muestra en la figura 2.6, la recta de carga es la misma aunque ahora las características ideales cortan la recta de carga en el eje vertical. Por consiguiente, el punto Q está definido por

ID = 20 mA VD = 0 V Q

Q

EJEMPLO 2.10 Determine Vo, I1, e para la configuración de diodos en paralelo de la figura 2.28.

Solución: Para el voltaje aplicado la “presión” de la fuente actúa para establecer una corriente a través de cada diodo en la misma dirección que se indica en la figura 2.29. Como la dirección de la corriente resultante coincide con la de la flecha del símbolo de cada diodo y el voltaje aplicado es mayor que 0.7 V, ambos diodos están “encendidos”. El voltaje a través de los elementos en paralelo siempre es el mismo y

Vo = 0.7 V La corriente es Considerando diodos de características similares, tenemos 𝑉 𝐸 − 𝑣 10 − 0.7 𝐼= = = = 28.18𝑚𝐴 𝑅 𝑅 . 33 Considerando diodos de características similares, tenemos 1 28.18 1𝐷 = 117 = = = 14.09𝑚𝐴 2 2 EJEMPLO 2.12 Determine el voltaje de Vo para la red de la figura 2.35. Solución: Inicialmente parecería que el voltaje aplicado “encendería” ambos diodos porque el voltaje aplicado (“presión”) está tratando de establecer una corriente convencional a través de cada diodo que sugeriría el estado “encendido”. Sin embargo, si ambos estuvieran encendidos, habría más de un voltaje a través de los diodos en paralelo, lo que viola una de las reglas básicas del análisis de redes: el voltaje debe ser el mismo a través de los elementos en paralelo. La acción resultante se explica mejor recordando que hay un periodo de incremento del voltaje de alimentación de 0 V a 12 V aun cuando ello requiera milisegundos o microsegundos. En el instante en que el voltaje de alimentación alcanza 0.7 V el diodo se silicio se “enciende” y mantiene el nivel de 0.7 V puesto que la característica es vertical con este voltaje; la corriente del diodo de silicio alcanza el nivel definido. El resultado es que el voltaje a través del LED verde nunca será de más de 0.7 V y permanecerá en el estado de circuito abierto equivalente como se muestra en la figura 2.36. El resultado es

Vo = 12 V - 0.7 V = 11.3 V

EJEMPLO 2.16 a. Trace la salida vo y determine el nivel de cd para la red de la figura 2.49. b. Repita la parte (a) con el diodo ideal reemplazado por un diodo de silicio. c. Repita las partes (a) y (b) si Vm se incrementa a 200 V, y compare las soluciones usando las ecuaciones (2.7) y (2.8).

Solución: a. En esta situación el diodo conducirá durante la parte negativa de la entrada como se muestra en la figura 2.50, donde también aparecerá vo. Durante todo del periodo, el nivel de cd es

Vcd = -0.318Vm = -0.318120 V2 = _6.36 V

El signo negativo indica que la polaridad de la salida es opuesta a la polaridad definida de la figura 2.49. b. Para un diodo de silicio, la salida tiene la apariencia de la figura 2.51 y

Vcd _ -0.3181Vm - 0.7 V2 = -0.318119.3 V2 _ _6.14 V La caída resultante en el nivel de cd es de 0.22 V, o alrededor de 3.5%. Vcd = -0.318 Vm = -0.3181200 V2 = _63.6 V Vcd = -0.3181Vm - VK2 = -0.3181200 V - 0.7 V2 = -10.31821199.3 V2 = -63.38 V EJEMPLO 2.20 Determine vo para la red de la figura 2.82. Solución: Paso 1: En este ejemplo la salida se define a través de la combinación en serie de la fuente de 4 V y el diodo, no a través del resistor. Paso 2: La polaridad de la fuente de cd y la dirección del diodo indican firmemente que el diodo estará “encendido” durante una buena parte de la región negativa de la señal de entrada. De hecho, es interesante notar que como la salida es directamente a través de la combinación en serie, cuando el diodo actúa como cortocircuito el voltaje de salida será directamente a través de la fuente de cd de 4 V, por lo que se requiere que la salida tenga un valor fijo de 4 V. En otras palabras, cuando el diodo está encendido la salida será de 4 V. Por otra parte, cuando el diodo actúa como circuito abierto, la corriente a través de la red en serie será de 0 mA y la caída de voltaje a través del resistor será de 0 V. Eso ocasiona que vo _ vi siempre que el diodo esté apagado. Paso 3: El nivel de transición del voltaje de entrada se determina a partir de la figura 2.83 sustituyendo el equivalente de cortocircuito y recordando que la corriente a través del diodo es de 0 mA en el instante de la transición. El resultado es un cambio de estado cuando

vi = 4 V Paso 4: En la figura 2.84 el nivel de transición se traza junto con vo _ 4 V cuando el diodo está encendido. Para vi Ú 4 V, vo = 4 V, y la forma de onda se repite en la gráfica de salida.

EJEMPLO 2.24 Determine los voltajes de referencias provistos por la red de la figura 2.103, la cual utiliza un LED blanco para indicar que está encendida. ¿Cuál es el nivel de la corriente a través del LED y la potencia suministrada por la fuente? ¿Cómo consume el LED la potencia en comparación con el diodo Zener de 6 V? Solución: En primer lugar debemos comprobar que el voltaje aplicado es suficiente para encender todos los elementos de diodos en serie. El LED blanco tendrá una caída de alrededor de 4 V a través de él; los diodos Zener de 6 V y 3.3 V hacen un total de 9.3 V, y el diodo de silicio polarizado en directa tiene 0.7 V para un total de 14 V. Entonces los 40 V aplicados bastan para encender todos los elementos y, esperamos, establecer una corriente de operación apropiada. Observe que se utilizó el diodo de silicio para crear un voltaje de referencia de 4 V debido a que

Vo = VZ + VK = 3.3 V + 0.7 V = 4.0 V Si el voltaje del diodo Zener de 6 V se combina con los 4 V el resultado es Vo = Vo + VZ = 4 V + 6 V = 10 V Por último, los 4 V a través del LED blanco producirán un voltaje de 40 V _ 14 V _ 26 V a través del resistor, y IR = ILED =VR/R = 40 V - Vo – V/1.3Kohms = 40 V - 10 V - 4 V/1.3 Kohms = 26 V/1.3 KOhms = 20 mA 1

2

2

1

1

2

EJEMPLO 2.25 La red de la figura 2.104 se diseñó para limitar el voltaje a 20 V durante la parte positiva del voltaje aplicado, y a 0 V durante una excursión negativa del voltaje aplicado. Compruebe su operación y trace la forma de onda del voltaje a través del sistema con la señal aplicada. Suponga que la resistencia de entrada del sistema es muy alta, por lo que no afectará el comportamiento de la red. Solución: Para voltajes positivos aplicados menores que el potencial Zener de 20 V el diodo Zener estará en su estado aproximado de circuito abierto y la señal de entrada se distribuirá a través de los elementos, con la mayor parte a través del sistema por su alto nivel de resistencia.

Cuando el voltaje a través del diodo Zener llegue a 20 V el diodo Zener se encenderá como se muestra en la figura 2.105a y el voltaje a través del sistema se mantendrá a 20 V. A través del resistor en serie aparecerán incrementos adicionales del voltaje aplicado con el voltaje a través del sistema y el diodo polarizado en directa fijo a 20 V y 0.7 V, respectivamente. El voltaje a través del sistema se mantiene fijo a 20 V, como se muestra en la figura 2.105a, porque el diodo de 0.7 V no está entre las terminales de salida definidas. Por tanto, el sistema es seguro contra cualquier incremento adicional del voltaje aplicado. Para la región negativa de la señal aplicada el diodo de silicio se polariza en inversa y presenta un circuito abierto a la combinación en serie de elementos. El resultado es que toda la señal negativa aplicada aparecerá a través del diodo que actúa como circuito abierto y el voltaje negativo a través del sistema fijo a 0 V, como se muestra en la figura 2.104b. De este modo, el voltaje a través del sistema aparecerá como se muestra en la figura 2.105c.

EJEMPLO 2.27 a. Para la red de la figura 2.113, determine los intervalos de RL e IL que hagan que VRL se mantenga en 10 V. b. Determine el valor nominal máximo de potencias del diodo en watts.

Solución: a. Para determinar el valor de RL que encenderá el diodo Zener, aplique la ecuación (2.20):

RL =RVZ/Vi - VZ =(1 Kohms) (10 V)/ 50v – 10v= 50 V - 10 V =10Kohms/ 40 V= 250 Ohms El voltaje a través del resistor R se determina entonces con la ecuación (2.22): VR = Vi - VZ = 50 V - 10 V = 40 V y la ecuación (2.23) da la magnitud de IR: IR =VR/R =40 V/1 kOhms= 40 mA El nivel mínimo de IL se determina luego con la ecuación (2.25): IL = IR - IZM = 40 mA - 32 mA = 8 mA Con la ecuación (2.26) se determina el valor máximo de RL: RL =VZ / IL =10 V/ 8 mA = 1.25 Kohms En la figura 2.114a aparece una gráfica de VL contra RL y de VL contra IL en la figura 2.114b. P=V*I= 110 V2132 mA2 = 320 mW min

min

máx

mín

Conclusiones: Con esta practica se pude ver sobre el uso y avances de circuitos basados con semiconductores y ademas del comportamiento de los recortadores y sujetadores en su funcionamiento y función de la vida diaria al igual que sus comportamientos en diferentes situaciones entre ellos cuando tiene un mayor voltaje o una entra y salida de corriente al igual cuando en los 2 casos se combinan. Y además el saber del sentido y cambio de los de las configuraciones en los circuitos y saber como funcionan en los ejemplos vistos

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