SEMICONDUCTOR

SEMICONDUCTORUn semiconductor es una sustancia que se comporta como conductor o como aislante dependiendo de la temperatura del ambiente en el que se encuentre. Los elementos qumicos semiconductores de la tabla peridica se indican en la tabla siguiente.

ElementoGrupoElectrones enla ltima capa

CdII B2 e-

Al, Ga, B, InIII A3 e-

Si, GeIV A4 e-

P, As, SbV A5 e-

Se, Te, (S)VI A6 e-

El elemento semiconductor ms usado es el silicio, aunque idntico comportamiento presentan las combinaciones de elementos de los grupos II y III con los de los grupos VI y V respectivamente (AsGa, PIn, AsGaAl, TeCd, SeCd y SCd). De un tiempo a esta parte se ha comenzado a emplear tambin el azufre. La caracterstica comn a todos ellos es que son tetravalentes, teniendo el silicio una configuracin electrnica sp.

Conduccin Elctrica

Para que la conduccin de la electricidad sea posible es necesario que haya electrones que no estn ligados a un enlace determinado (banda de valencia), sino que sean capaces de desplazarse por el cristal (banda de conduccin). La separacin entre la banda de valencia y la de conduccin se llama banda prohibida, porque en ella no puede haber portadores de corriente. As podemos considerar tres situaciones:

Los metales, en los que ambas bandas de energa se superponen, son conductores.

Los aislantes (o dielctricos), en los que la diferencia existente entre las bandas de energa, del orden de 6 eV impide, en condiciones normales el salto de los electrones.

Los semiconductores, en los que el salto de energa es pequeo, del orden de 1 eV, por lo que suministrando energa pueden conducir la electricidad; pero adems, su conductividad puede regularse, puesto que bastar disminuir la energa aportada para que sea menor el nmero de electrones que salte a la banda de conduccin; cosa que no puede hacerse con los metales, cuya conductividad es constante, o ms propiamente, poco variable con la temperatura.

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 adiccin de determinadas impurezas resulta posible su conduccin. Su importancia en electrnica es inmensa en la fabricacin de transistores, circuitos integrados, etc...

Los semiconductores tienen valencia 4, esto es 4 electrones en rbita exterior de valencia. Los conductores tienen 1 electrn de valencia, los semiconductores 4 y los aislantes 8 electrones de valencia.

Los 2 semiconductores que veremos sern el Silicio y el Germanio:

Como vemos los semiconductores se caracterizan por tener una parte interna con carga + 4 y 4 electrones de valencia.

Cristales de silicio

Semiconductores extrnsecos

Son los semiconductores que estn dopados, esto es que tienen impurezas. Hay 2 tipos dependiendo de que tipo de impurezas tengan:

Semiconductor tipo nEs el que est impurificado con impurezas "Donadoras", que son impurezas pentavalentes. Como los electrones superan a los huecos en un semiconductor tipo n,

reciben el nombre de "portadores mayoritarios", mientras que a los huecos se les denomina "portadores minoritarios".Al aplicar una tensin al semiconductor de la figura, los electrones libres dentro del semiconductor se mueven hacia la izquierda y los huecos lo hacen hacia la derecha. Cuando un hueco llega al extremo derecho del cristal, uno de los electrones del circuito externo entra al semiconductor y se recombina con el hueco.

Los electrones libres de la figura circulan hacia el extremo izquierdo del cristal, donde entran al conductor y fluyen hacia el positivo de la batera.

Semiconductor tipo pEs el que est impurificado con impurezas "Aceptoras", que son impurezas trivalentes. Como el nmero de huecos supera el nmero de electrones libres, los huecos son los portadores mayoritarios y los electrones libres son los minoritarios.Al aplicarse una tensin, los electrones libres se mueven hacia la izquierda y los huecos lo hacen hacia la derecha. En la figura, los huecos que llegan al extremo derecho del cristal se recombinan con los electrones libres del circuito externo.

En el circuito hay tambin un flujo de portadores minoritarios. Los electrones libres dentro del semiconductor circulan de derecha a izquierda. Como hay muy pocos portadores minoritarios, su efecto es casi despreciable en este circuito.El diodo no polarizado

Los semiconductores tipo p y tipo n separados no tienen mucha utilidad, pero si un cristal se dopa de tal forma que una mitad sea tipo n y la otra mitad de tipo p, esa unin pn tiene unas propiedades muy tiles y entre otras cosas forman los "Diodos".

El tomo pentavalente en un cristal de silicio (Si) produce un electrn libre y se puede representar como un signo "+" encerrado en un circulo y con un punto relleno (que sera el electrn) al lado.

El tomo trivalente sera un signo "-" encerrado en un circulo y con un punto sin rellenar al lado (que simbolizara un hueco).

Entonces la representacin de un SC tipo n sera:

Y la de un SC tipo p:

La unin de las regiones p y n ser:

Al juntar las regiones tipo p y tipo n se crea un "Diodo de unin" o "Unin pn".

Zona de deplexin

Al haber una repulsin mutua, los electrones libres en el lado n se dispersan en cualquier direccin. Algunos electrones libres se difunden y atraviesan la unin, cuando un electrn libre entra en la regin p se convierte en un portador minoritario y el electrn cae en un hueco, el hueco desaparece y el electrn libre se convierte en electrn de valencia. Cuando un electrn se difunde a travs de la unin crea un par de iones, en el lado n con carga positiva y en el p con carga negativa.

Las parejas de iones positivo y negativo se llaman dipolos, al aumentar los dipolos la regin cerca de la unin se vaca de portadores y se crea la llamada "Zona de deplexin".

Barrera de potencial

Los dipolos tienen un campo elctrico entre los iones positivo y negativo, y al entrar los electrones libres en la zona de deplexin, el campo elctrico trata de devolverlos a la zona n. La intensidad del campo elctrico aumenta con cada electrn que cruza hasta llegar al equilibrio.

El campo elctrico entre los iones es equivalente a una diferencia de potencial llamada "Barrera de Potencial" que a 25 C vale:

0.3 V para diodos de Ge.

0.7 V para diodos de Si.

Polarizar: Poner una pila.No polarizado: No tiene pila, circuito abierto o en vaco.z.c.e.: Zona de Carga Espacial o zona de deplexin (W).

Polarizacin directa

Si el terminal positivo de la fuente est conectado al material tipo p y el terminal negativo de la fuente est conectado al material tipo n, diremos que estamos en "Polarizacin Directa".

La conexin en polarizacin directa tendra esta forma:

En este caso tenemos una corriente que circula con facilidad, debido a que la fuente obliga a que los electrones libres y huecos fluyan hacia la unin. Al moverse los electrones libres hacia la unin, se crean iones positivos en el extremo derecho de la unin que atraern a los electrones hacia el cristal desde el circuito externo.

As los electrones libres pueden abandonar el terminal negativo de la fuente y fluir hacia el extremo derecho del cristal. El sentido de la corriente lo tomaremos siempre contrario al del electrn.

Lo que le sucede al electrn: Tras abandonar el terminal negativo de la fuente entra por el extremo derecho del cristal. Se desplaza a travs de la zona n como electrn libre.

En la unin se recombina con un hueco y se convierte en electrn de valencia. Se desplaza a travs de la zona p como electrn de valencia. Tras abandonar el extremo izquierdo del cristal fluye al terminal positivo de la fuente.Polarizacin inversa

Se invierte la polaridad de la fuente de continua, el diodo se polariza en inversa, el terminal negativo de la batera conectado al lado p y el positivo al n, esta conexin se denomina "Polarizacin Inversa".

En la siguiente figura se muestra una conexin en inversa:

El terminal negativo de la batera atrae a los huecos y el terminal positivo atrae a los electrones libres, as los huecos y los electrones libres se alejan de la unin y la z.c.e. se ensancha.

A mayor anchura de la z.c.e. mayor diferencia de potencial, la zona de deflexin deja de aumentar cuando su diferencia de potencial es igual a la tensin inversa aplicada (V), entonces los electrones y huecos dejan de alejarse de la unin.

A mayor la tensin inversa aplicada mayor ser la z.c.e.

Existe una pequea corriente en polarizacin inversa, porque la energa trmica crea continuamente pares electrn-hueco, lo que hace que halla pequeas concentraciones de portadores minoritarios a ambos lados, la mayor parte se recombina con los mayoritarios pero los que estn en la z.c.e. pueden vivir lo suficiente para cruzar la unin y tenemos as una pequea corriente.

La zona de deplexin empuja a los electrones hacia la derecha y el hueco a la izquierda, se crea as una la "Corriente Inversa de Saturacin"(IS) que depende de la temperatura.

Adems hay otra corriente "Corriente Superficial de Fugas" causada por las impurezas del cristal y las imperfecciones en su estructura interna. Esta corriente depende de la tensin de la pila (V VP).

Entonces la corriente en inversa (I IR) ser la suma de esas dos corrientes:

RECTIFICACION NO CONTROLADAOBJETIVOS

Conectar un circuito rectificador de media onda y onda completa.

Determinar las formas de onda de entrada y salida.

Determinar la forma de onda de la tensin de salida, cuando se conecta un filtro capacitivo.

Determinar el valor de la tensin de rizado.

Determinar la influencia de la carga sobre la tensin de rizado en los circuitos rectificadores.

INTRODUCCIN. Existen circuitos electrnicos capaces de convertir potencia de corriente alterna a potencia de corriente directa y hay otros que convierten potencia de corriente directa a potencia de corriente alterna, los primeros se llaman rectificadores y los otros son los inversores. En este laboratorio se vern los rectificadores no controlados, es decir, no se vara la potencia de entrada o salida. La rectificacin se clasifica ya sea como de media onda o de onda completa.

Rectificador de media onda.La Figura 5.1 muestra un rectificador de media onda simple. Cuando la tensin de entrada es positiva, el diodo se polariza en directa y se puede reemplazar por un cortocircuito (suponiendo que sea ideal). Si la tensin de entrada es negativa, el diodo se polariza en inversa y se puede reemplazar por un circuito abierto (siempre que la tensin no sea muy negativa como para romper la unin). Por tanto cuando el diodo se polariza en directa, la tensin de salida a travs del resistor de carga se puede encontrar a partir de la relacin de un divisor de tensin. Por otra parte, en condicin de polarizacin inversa, la corriente es cero de manera que la tensin tambien.

Figura 5.1: "Rectificador de media onda.

El rectificador de media onda se puede utilizar para crear una salida de CD casi constante si se filtra la forma de

onda de la Figura 5.1. La rectificacin de media onda no es muy eficiente. Durante la mitad de cada ciclo, la entrada se bloquea completamente desde la salida. Si se pudiera transferir energa de la entrada a la salida durante este medio ciclo, se podra incrementar la potencia de salida para una entrada determinada.

Rectificador de onda completa.Un rectificador de onda completa transfiere energa de la entrada a la salida durante todo el ciclo y proporciona mayor corriente promedio por cada ciclo en relacin con la que se obtiene utilizando un rectificador de media onda. Por lo general, al construir un rectificador de onda completa se utiliza un transformador con el fin de obtener polaridades positivas y negativas. En la Figura 5.2 se muestran un circuito representativo y la curva de tensin de

salida.

Fig. 5.2 Rectificador de onda completa.

Es posible hacer la rectificacin de onda completa sin utilizar transformador para lo que se utiliza un rectificador puente (Figura 5.5).

Los circuitos rectificadores, proporcionan una tensin en CD pulsante en la tensin de salida. Estas pulsaciones (conocidas como rizo de salida) se pueden reducir considerablemente filtrando la tensin de salida del rectificador. La tensin de salida filtrada para un rectificador de onda completa se muestra en la Figura 5.3.

La ecuacin para encontrar el capacitor es:

5 VMAX C = ----------- Ecuacin 5.1

DIODOS RECTIFICADORES

El funcionamiento de este diodo, a grandes rasgos es la siguiente:En la zona directa se puede considerar como un generador de tensin continua, tensin de codo (0.5-0.7 V para el silicio y 0.2-0.4 V para el germanio). Cuando se polariza en inversa se puede considerar como un circuito abierto. Cuando se alcanza la tensin inversa de disrupcin (zona inversa) se produce un aumento drstico de la corriente que puede llegar a destruir al dispositivo.Este diodo tiene un amplio margen de aplicaciones: circuitos rectificadores, limitadores, fijadores de nivel, proteccin contra cortocircuitos, demoduladores, mezcladores, osciladores, bloqueo y bypass en instalaciones fotovoltaicas, etc..

Cuando usamos un diodo en un circuito se deben tener en cuenta las siguientes consideraciones (a partir de las hojas de caractersticas suministradas por el fabricante):

1. La tensin inversa mxima aplicable al componente, repetitiva o no (VRRR mx o VR mx, respectivamente) ha de ser mayor (del orden de tres veces) que la mxima que este va a soportar.

2. La corriente mxima en sentido directo que puede atravesar al componente, repetitiva o no (IFRM mx e IF mx respectivamente), he de ser mayor (del orden del doble) que la mxima que este va a soportar.

3.La potencia mxima que puede soportar el diodo (potencia nominal) ha de ser mayor (del orden del doble) que la mxima que este va a soportar.

2.- Rectificador a diodos

El rectificador es el que se encarga de convertir la tensin alterna que sale del transformador en tensin continua. Para ello se utilizan diodos. Un diodo conduce cuando la tensin de su nodo es mayor que la de su ctodo. Es como un interruptor que se abre y se cierra segn la tensin de sus terminales:

El rectificador se conecta despus del transformador, por lo tanto le entra tensin alterna y tendr que sacar tensin continua, es decir, un polo positivo y otro negativo:

La tensin Vi es alterna y senoidal, esto quiere decir que a veces es positiva y otras negativa. En un osciloscopio veramos esto.

La tensin mxima a la que llega Vi se le llama tensin de pico y en la grfica figura como Vmax. la tensin de pico no es lo mismo que la tensin eficaz pero estan relacionadas, Por ejemplo, si compramos un transformador de 6 voltios son 6 voltios eficaces, estamos hablando de Vi. Pero la tensin de pico Vmax vendr dada por la ecuacin:

Vmax = Vi * 1,4142Vmax = 6 * 1,4142 = 8,48 V2.1 Rectificador a un diodo

El rectificador mas sencillo es el que utiliza solamente un diodo, su esquema es este:

Cuando Vi sea positiva la tensin del nodo ser mayor que la del ctodo, por lo que el diodo conducir: en Vo veremos lo mismo que en Vi

Mientras que cuando Vi sea negativa la tensin del nodo ser menor que la del ctodo y el diodo no podr conducir, la tensin Vo ser cero.

Segn lo que acabamos de decir la tensin Vo tendr esta forma:

Como puedes comprobar la tensin que obtenemos con este rectificador no se parece mucho a la de una batera, pero una cosa es cierta, hemos conseguido rectificar la tensin de entrada ya que Vo es siempre positiva. Aunque posteriormente podamos filtrar esta seal y conseguir mejor calidad este esquema no se suele usar demasiado.

2.2 Rectificador en puente

El rectificador mas usado es el llamado rectificador en puente, su esquema es el siguiente:

Cuando Vi es positiva los diodos D2 y D3 conducen, siendo la salida Vo igual que la entrada Vi

Cuando Vi es negativa los diodos D1 y D4 conducen, de tal forma que se invierte la tensin de entrada Vi haciendo que la salida vuelva a ser positiva.

El resultado es el siguiente:

Vemos en la figura que todava no hemos conseguido una tensin de salida demasiado estable, por ello, ser necesario filtrarla despus.

Es tan comn usar este tipo de rectificadores que se venden ya preparados los cuatro diodos en un solo componente. Suele ser recomendable usar estos puentes rectificadores, ocupan menos que poner los cuatro diodos y para corrientes grandes vienen ya preparados para ser montados en un radiador. Este es el aspecto de la mayora de ellos:

Tienen cuatro terminales, dos para la entrada en alterna del transformador, uno la salida positiva y otro la negativa o masa. Las marcas en el encapsulado suelen ser:

~ Para las entradas en alterna+ Para la salida positiva Para la salida negativa o masa.

2.3 Rectificador a dos diodos

La forma de la onda de salida es idntica a la del rectificador en puente, sin embargo este rectificador precisa de un transformador con toma media en el secundario. Un transformador de este tipo tiene una conexin suplementaria en la mitad del arrollamiento secundario:

Normalmente se suele tomar como referencia o masa la toma intermedia, de esta forma se obtienen dos seales senoidales en oposicin de fase. dos seales de este tipo tienen la siguiente forma:

El esquema del rectificador con dos diodos es el siguiente:

Tal y como son las tensiones en A y en B nunca podrn conducir ambos diodos a la vez. Cuando A sea positiva (B negativa) el nodo de D1 estar a mayor tensin que su ctodo, provocando que D1 conduzca. Cuando B sea positiva (A negativa) el nodo de D2 estar a mayor tensin que su ctodo, provocando que D2 conduzca. Obtenindose la misma forma de Vo que con el puente rectificador:

La ventaja de este montaje es que solo utiliza dos diodos y solo conduce uno cada vez.

2.4 Cada de tensin en los diodos:

Cuando hablbamos de los diodos decamos que eran como interruptores que se abren y se cierran segn la tensin de sus terminales. Esto no es del todo correcto, cuando un diodo est cerrado tiene una cada de tensin de entre 0,7 voltios y 1 voltio, dependiendo de la corriente que este conduciendo esta cada puede ser mayor.

Esto quiere decir que por cada diodo que este conduciendo en un momento determinado se "pierde" un voltio aproximadamente.

En el rectificador de un diodo conduce solamente un diodo a la vez, por lo tanto la tensin de pico Vmax de la salida ser un voltio inferior a la de la Vmax de entrada. Por ejemplo: supn que tienes un transformador de 6 V y quieres saber la tensin de pico que te queda cuando le pones un rectificador de un diodo, la tensin de salida de pico Vmax ser la siguiente:

Vmax = 6 * 1.4142 1 = 7,5 VEn el rectificador en puente conducen siempre dos diodos a la vez, se dice que conducen dos a dos, por lo tanto la tensin de pico de la salida Vmax ser dos voltios inferior a la Vmax de entrada. Por ejemplo: supn el mismo transformador de 6 voltios y quieres saber la tensin de pico que te queda al ponerle un rectificador en puente, la tensin de salida de pico Vmax ser la siguiente:

Vmax = 6 * 1.4142 2 = 6,5 VQuizs te extrae que el rectificador en puente sea el mas usado pese a que "pierde" mas voltios. Pero ten en cuenta que la forma de onda del rectificador con un diodo y el rectificador en puente no son iguales y al final acaba rindiendo mucho mejor el puente de diodos.

3. El filtro:

La tensin en la carga que se obtiene de un rectificador es en forma de pulsos. En un ciclo de salida completo, la tensin en la carga aumenta de cero a un valor de pico, para caer despus de nuevo a cero. Esta no es la clase de tensin continua que precisan la mayor parte de circuitos electrnicos. Lo que se necesita es una tensin constante, similar a la uqe produce una batera. Para obtener este tipo de tensin rectificada en la carga es necesario emplear un filtro.

El tipo mas comn de filtro es el del condensador a la entrada, en la mayora de los casos perfectamente vlido. Sin embargo en algunos casos puede no ser suficiente y tendremos que echar mano de algunos componentes adicionales.

3.1 Filtro con condensador a la entrada:

Este es el filtro mas comn y seguro que lo conocers, basta con aadir un condensador en paralelo con la carga (RL), de esta forma:

Todo lo que digamos en este apartado ser aplicable tambin en el caso de usar el filtro en un rectificador en puente.

Cuando el diodo conduce el condensador se carga a la tensin de pico Vmax. Una vez rebasado el pico positivo el condensador se abre. Por que? debido a que el condensador tiene una tensin Vmax entre sus extremos, como la tensin en el secundario del transformador es un poco menor que Vmax el ctodo del diodo esta a mas tensin que el nodo. Con el diodo ahora abierto el condensador se descarga a travs de la carga. Durante este tiempo que el diodo no conduce el condensador tiene que "mantener el tipo" y hacer que la tensin en la carga no baje de Vmax. Esto es prcticamente imposible ya que al descargarse un condensador se reduce la tensin en sus extremos.

Cuando la tensin de la fuente alcanza de nuevo su pico el diodo conduce brevemente recargando el condensador a la tensin de pico. En otras palabras, la tensin del condensador es aproximadamente igual a la tensin de pico del secundario del transformador (hay que tener en cuenta la cada en el diodo). La tensin Vo quedar de la siguiente forma:

La tensin en la carga es ahora casi una tensin ideal. Solo nos queda un pequeo rizado originado por la carga y descarga del condensador. Para reducir este rizado podemos optar por construir un rectificador en puente: el condensador se cargara el doble de veces en el mismo intervalo teniendo as menos tiempo para descargarse, en consecuencia el rizado es menor y la tensin de salida es mas cercana a Vmax.

Otra forma de reducir el rizado es poner un condensador mayor, pero siempre tenemos que tener cuidado en no pasarnos ya que un condensador demasiado grande origina problemas de conduccin de corriente por el diodo y, por lo tanto, en el secundario del transformador (la corriente que conduce el diodo es la misma que conduce el transformador).

Efecto del condensador en la conduccin del diodo:

Como venimos diciendo hasta ahora, el diodo solo conduce cuando el condensador se carga. Cuando el condensador se carga aumenta la tensin en la salida, y cuando se descarga disminuye, por ello podemos distinguir perfectamente en el grfico cuando el diodo conduce y cuando no. En la siguiente figura se ha representado la corriente que circula por el diodo, que es la misma que circula por el transformador:

La corriente por el diodo es a pulsos, aqu mostrados como rectngulos para simplificar. Los pulsos tienen que aportar suficiente carga al condensador para que pueda mantener la corriente de salida constante durante la no conduccin del diodo. Esto quiere decir que el diodo tiene que conducir "de vez" todo lo que no puede conducir durante el resto del ciclo. Es muy normal, entonces, que tengamos una fuente de 1 Amperio y esos pulsos lleguen hasta 10 Amperios o mas. Esto no quiere decir que tengamos que poner un diodo de 10 amperios, Un 1N4001 aguanta 1 amperio de corriente media y pulsos de hasta 30 amperios.

Si ponemos un condensador mayor reducimos el rizado, pero al hacer esto tambin reducimos el tiempo de conduccin del diodo, Como la corriente media que pasa por los diodos ser la misma (e igual a la corriente de carga) los pulsos de corriente se hacen mayores:

Y esto no solo afecta al diodo, al transformador tambin, ya que a medida que los pulsos de corriente se hacen mas estrechos (y mas altos a su vez) la corriente eficaz aumenta. Si nos pasamos con el condensador podramos encontrarnos con que tenemos un transformador de 0,5 A y no podemos suministrar mas de 0,2 A a la carga (por poner un ejemplo).Valores recomendables para el condensador en un RECTIFICADOR EN PUENTE:

Si quieres ajustar el valor del condensador al menor posible esta frmula te dar el valor del condensador para que el rizado sea de un 10% de Vo (regla del 10%):

C = (5 * I) / ( * Vmax)donde:

C: Capacidad del condensador del filtro en faradios

I: corriente que suministrar la fuente

: frecuencia de la red

Vmax: tensin de pico de salida del puente (aproximadamente Vo)

Si se quiere conseguir un rizado del 7% puedes multiplicar el resultado anterior por 1,4, y si quieres un rizado menor resulta mas recomendable que uses otro tipo de filtro o pongas un estabilizador.

Ejemplo prctico:

Se desea disear una fuente de alimentacin para un circuito que consume 150 mA a 12V. El rizado deber ser inferior al 10%. Para ello se dispone de un transformador de 10 V y 2,5 VA y de un rectificador en puente. Elegir el valor del condensador:

1.- Calculamos la corriente que es capz de suministrar el transformador para determinar si ser suficiente, esta corriente tendr que ser superior a la corriente que consume el circuito que vamos a alimentar

It = 2,5 / 10 = 250 mAParece que sirve, como calcularlo resulta bastante mas complicado nos fiaremos de nuestra intuicin. Ten en cuenta siempre que el transformador tiene que ser de mas corriente de la que quieras obtener en la carga.

2.- Calculamos la Vmax de salida del puente rectificador teniendo en cuenta la cada de tensin en los diodos (conducen dos a dos).

Vmax = 10 * 1,4142 2 = 12,14 VEsta ser aproximadamente la tensin de salida de la fuente.

3.- Calculamos el valor del condensador segn la frmula del 10%, la I es de 150 mA la es 50 Hz en Europa y la Vmax es 12,14 V:

C = (5 * 0,15) / (50 * 12,14) = 0,0012355 FC = 1235,5 Ftomaremos el valor mas aproximado por encima.

(Ver tipos de condensadores3.2 Filtros Pasivos RC y LC:

Con la regla del 10 por 100 se obtiene una tensin continua en la carga con un rizado de aproximadamente el 10%. Antes de los aos setenta se conectaban filtros pasivos entre el condensador del filtro y la carga para reducir el rizado a menos del 1%. La intencin era obtener una tensin continua casi perfecta, similar a la que proporciona una pila. En la actualidad es muy raro ver filtros pasivos en diseos de circuitos nuevos, es mas comn usar circuitos estabilizadores de tensin. Sin embargo estos estabilizadores tienen sus limitaciones y es posible que no te quede mas remedio que usar un filtro pasivo.

Filtro RC:

La figura muestra dos filtros RC entre el condensador de entrada y la resistencia de carga. El rizado aparece en las resistencias en serie en lugar de hacerlo en la carga. Unos buenos valores para las resistencias y los condensadores seran:

R = 6,8 C = 1000 FCon estos valores cada seccin atena el rizado en un factor de 10, puedes poner una, dos, tres secciones. No creo que necesites mas.

La desventaja principal del filtro RC es la prdida de tensin en cada resistencia. Esto quiere decir que el filtro RC es adecuado solamente para cargas pequeas. Es muy util cuando tienes un circuito digital controlando rels, en ocasiones estos rels crean ruidos en la alimentacin provocando el mal funcionamiento del circuito digital, con una seccin de este filtro para la alimentacin digital queda solucionado el problema.

La cada de tensin en cada resistencia viene dada por la ley de Ohm:

V = I * Rdonde I es la corriente de salida de la fuente y R la resistencia en serie con la carga.

Filtro LC:

Cuando la corriente por la carga es grande, los filtros LC de la figura presentan una mejora con respecto a los filtros RC. De nuevo, la idea es hacer que el rizado aparezca en los componentes en serie, las bobinas en este caso. Adems, la cada de tensin continua en las bobinas es es mucho menos porque solo intervienen la resistencia de los arrollamientos.

Los condensadores pueden ser de 1000 F y las bobinas cuanto mas grandes mejor. Normalmente estas ltimas suelen ocupar casi tanto como el transformador y, de hecho, parecen transformadores, menos mal que con una sola seccin ya podemos reducir el rizado hasta niveles bajsimos.

4.- El regulador:

Un regulador o estabilizador es un circuito que se encarga de reducir el rizado y de proporcionar una tensin de salida de la tensin exacta que queramos. En esta seccin nos centraremos en los reguladores integrados de tres terminales que son los mas sencillos y baratos que hay, en la mayora de los casos son la mejor opcin.

Este es el esquema de una fuente de alimentacin regulada con uno de estos reguladores:

Si has seguido las explicaciones hasta ahora no te costar trabajo distinguir el transformador, el puente rectificador y el filtro con condensador a la entrada. Suele ser muy normal ajustar el condensador segn la regla del 10%, Si no sabes como repasa el filtro con condensador a la entrada.

Es muy corriente encontrarse con reguladores que reducen el rizado en 10000 veces (80 dB), esto significa que si usas la regla del 10% el rizado de salida ser del 0.001%, es decir, inapreciable.

Las ideas bsicas de funcionamiento de un regulador de este tipo son:

1. La tensin entre los terminales Vout y GND es de un valor fijo, no variable, que depender del modelo de regulador que se utilice.

2. La corriente que entra o sale por el terminal GND es prcticamente nula y no se tiene en cuenta para analizar el circuito de forma aproximada. Funciona simplemente como referencia para el regulador.

3. La tensin de entrada Vin deber ser siempre unos 2 o 3 V superior a la de Vout para asegurarnos el correcto funcionamiento.

.1 Reguladores de la serie 78XX:

Este es el aspecto de un regulador de la serie 78XX. Su caracterstica principal es que la tensin entre los terminales Vout y GND es de XX voltios y una corriente mxima de 1A. Por ejemplo: el 7805 es de 5V, el 7812 es de 12V... y todos con una corriente mxima de 1 Amperio. Se suelen usar como reguladores fijos.

Existen reguladores de esta serie para las siguientes tensiones: 5, 6, 8, 9, 10, 12, 15, 18 y 24 voltios. Se ponen siguiendo las indicaciones de la pgina anterior y ya esta, obtenemos una Vout de XX Voltios y sin rizado.

Es posible que tengas que montar el regulador sobre un radiador para que disipe bien el calor, pero de eso ya nos ocuparemos mas adelante.

Reguladores de la serie 79XX:

El aspecto es como el anterior, sin embargo este se suele usar en combinacin con el 78XX para suministrar tensiones simtricas. la tensin entre Vout y GND es de XX voltios, por eso se dice que este es un regulador de tensin negativa. La forma de llamarlos es la misma: el 7905 es de 5V, el 7912 es de 12... pero para tensiones negativas.

Una fuente simtrica es aquella que suministra una tensin de + XX voltios y otra de XX voltios respecto a masa. Para ello hay que usar un transformador con doble secundario, mas conocido como "transformador de toma media" o "transformador con doble devanado". En el siguiente ejemplo se ha empleado un transformador de 12v + 12v para obtener una salida simtrica de 12v:

El valor de C puedes ajustarlo mediante la regla del 10%.

4.2 Regulador ajustable LM317:

Este regulador de tensin proporciona una tensin de salida variable sin mas que aadir una resistencia y un potencimetro. Se puede usar el mismo esquema para un regulador de la serie 78XX pero el LM317 tiene mejores caractersticas elctricas. El aspecto es el mismo que los anteriores, pero este soporta 1,5A. el esquema a seguir es el siguiente:

En este regulador, como es ajustable, al terminal GND se le llama ADJ, es lo mismo.

La tensin entre los terminales Vout y ADJ es de 1,25 voltios, por lo tanto podemos calcular inmediatamente la corriente I1 que pasa por R1:

I1 = 1,25 / R1Por otra parte podemos calcular I2 como:

I2 = (Vout 1,25) / R2Como la corriente que entra por el terminal ADJ la consideramos despreciable toda la corriente I1 pasar por el potencimetro R2. es decir:

I1 = I21,25 / R1 = (Vout - 1,25) / R2que despejando Vout queda:

Vout = 1,25 * (1 + R2/R1)Si consultas la hoja de caractersticas del LM317 vers que la frmula obtenida no es exactamente esta. Ello es debido a que tiene en cuenta la corriente del terminal ADJ. El error cometido con esta aproximacin no es muy grande pero si quieres puedes usar la frmula exacta.

Observando la frmula obtenida se pueden sacar algunas conclusiones: cuando ajustes el potencimetro al valor mnimo (R2 = 0) la tensin de salida ser de 1,25 V. Cuando vayas aumentando el valor del potencimetro la tensin en la salida ir aumentando hasta que llegue al valor mximo del potencimetro.

Por lo tanto ya sabemos que podemos ajustar la salida desde 1,25 en adelante. En realidad el fabricante nos avisa que no pasemos de 30V.

Clculo de R1 y R2:

Los valores de R1 y R2 dependern de la tensin de salida mxima que queramos obtener. Como solo disponemos de una ecuacin para calcular las 2 resistencias tendremos que dar un valor a una de ellas y calcularemos la otra.

Lo mas recomendable es dar un valor de 240 a R1 y despejar de la ltima ecuacion el valor de R2 (el potencimetro). La ecuacin queda de la siguiente manera:

R2 = (Vout - 1,25) * (R1/1,25)Por ejemplo:

Queremos disear una fuente de alimentacin variable de 1,25 a 12v. Ponemos que R1 = 240. Solo tenemos que aplicar la ltima frmula con Vout = 12 y obtenemos R2:

R2 = (12 1,25) * (240 / 1,25) = 2064 El valor mas prximo es el de 2 K, ya tendramos diseada la fuente de alimentacin con un potencimetro R2 de 2 K y una resistencia R1 de 240 .

En teoria podemos dar cualquier valor a R1 pero son preferibles valores entre 100 y 330.

Para mas informacin consulta la hoja de caractersticas del LM317 que encontrars en la seccin Componentes, es muy completa.

4.3 Regulador Ajustable de potencia LM350:

El LM317 es muy util para conseguir tensiones variables, sin embargo no es capaz de suministrar mas de 1,5A a la carga. El LM350 es otro regulador variable que funciona exactamente igual que el LM317, con la diferencia de que este es capaz por si solo de suministrar 3A.

Para conseguir mas de 3 A podemos acudir al siguiente esquema que utiliza un transistor de paso para ampliar la corriente:

En este circuito, la resistencia de 0,6 se usa para detectar la mxima corriente que pasar por el regulador. Cuando la corriente es menor de 1 A, la tensin en bornas de los 0,6 es menor que 0,6 V y el transistor est cortado. En este caso el regulador de tensin trabaja solo.

Cuando la corriente de carga es mayor de 1 A, la tensin en bornas de los 0,6 es mayor de 0,6 V y el transistor entra en conduccin. este transistor exterior suministra la corriente de carga extra superior a 1 A. En definitiva, el regulador solamente conducir una corriente poco superior a 1 A mientras que el transistor conducir el resto, por ello podramos cambiar tranquilamente en este circuito el LM350 por un LM317.

La resistencia de 0,6 ser de 3 o 4 W dependiendo del transistor empleado.

Si montamos el circuito con un transistor TIP32 podremos obtener 4 A, ya que el TIP32 soporta una corriente mxima de 3A. Y si lo montamos con un MJ15016 podemos llegar hasta 16A. Puedes usar cualquier otro transistor de potencia PNP. En la seccin Componentes puedes encontrar las caractersticas de estos transistores as como las del LM350. 4.4 Disipacin de potencia (Calor) en los reguladores:

Cuando un regulador esta funcionando se calienta. Esto es debido a que parte de la potencia tomada del rectificador es disipada en el regulador. La potencia disipada depende de la corriente que se est entregando a la carga y de la cada de tensin que haya en el regulador.

La figura muestra un regulador funcionando. La corriente que lo atraviesa es la corriente de la carga IL. Recordemos tambin que para que un regulador funcione correctamente la tensin de entrada Vin tenia que ser mayor que la tensin de salida Vout. Por lo tanto la caida de tensin en el regulador Vr ser:

Vr = Vin VoutY la potencia disipada vendr dada por la la siguiente ecuacin:

PD = Vr * ILLos reguladores que hemos visto son capaces de disipar una potencia de 2 o 3 W como mucho por si solos. Si se llega a esta potencia es necesario montarlos sobre unos radiadores adecuados, que sern mas grandes cuanta mas potencia queramos disipar.

Para evitar que la potencia disipada sea lo menor posible tendrs que procurar que Vin no sea mucho mayor que Vout.

Ejemplo 1:

Tenemos una fuente de alimentacin variable desde 1,25v a 15v y 0,5A con un LM317. Como la tensin mxima de salida son 15v, la tensin de entrada al regulador tendr que ser de 18v mas o menos. Vamos a calcular la potencia que disipa el regulador cuando ajustamos la fuente a 15v, 4v y 2v En todos los casos la corriente de salida ser 0,5A.

a 15v la cada de tensin en el regulador ser de 18 15 = 3V, la corriente es 0,5 A luego:

PD = 3 * 0,5 = 1,5 Wa 4v la cada de tensin en el regulador ser de 18 4 = 14v, la corriente es 0,5A luego:

PD = 14 * 0,5 = 7 Wa 2v la cada de tensin en el regulador ser de 18 2 = 16v, la corriente es 0,5A luego:

PD = 16 * 0,5 = 8 WFjate que hemos hecho los clculos para el mejor de los casos en el que nos hemos preocupado de que la tensin de entrada al regulador no sea mas de la necesaria, aun as tenemos que poner un radiador que pueda disipar poco mas de 8W. Es un radiador bastante grande para una fuente de medio amperio nada mas. Este es un problema que surge cuando queremos disear una fuente con un alto rango de tensiones de salida. Prueba a hacer el clculo para una fuente variable hasta 30v y 1A, salen mas de 30 W.

Ejemplo 2:

Queremos una fuente fija con una salida de 5V y 0.5A, vamos a calcular la potencia que se disipa en el regulador usando un transformador de 7 voltios y otro de 12 voltios.

para el transformador de 7 voltios: La Vmax de salida del transformador ser 7 * 1,4142 = 9,9v descontando la caida en los diodos del puente sern 7,9v a la entrada del regulador. Como la salida es de 5v la potencia disipada PD ser:

PD = (7,9 5) * 0,5 = 1,45 Wpara el transformador de 12 voltios: La Vmax de salida del transformador ser 12 * 1,4142 = 16,9v descontando la caida en los diodos del puente sern 14,9v a la entrada del regulador. Como la salida es de 5v la potencia disipada PD ser:

PD = (14,9 5) * 0,5 = 4,95 WCon los dos transformadores estaramos consiguiendo una salida de 5v y 0,5 A, sin embargo, con el de 12V nos hara falta poner un radiador en el regulador que nos podramos haber ahorrado comprando un transformador de 7V.

ELECTRONICA INDUSTRIAL I

LABORATORIO N 1

MANEJO DEL OSCILOSCOPIO Y DEL GENERADOR DE SEALES

NOMBRE DEL ALUMNO:.........................

OBJETIVO:

El objetivo fundamental de esta practica es aprender a medir tensiones y frecuencias con el osciloscopio as como acostumbrarse al manejo del generador de seales.

Asimismo se aprender a diferenciar entre el activo y tierra.

Seal 1: VP-P = 1 V, F = 10 kHz, T = 1/F = 0.1 ms.

Seal 2: VP-P = 1.5 V, F = 200 KHZ, T = 1/F = 5 s.

1.- Completar el cuadro, con los datos requerido:

Escala de Tensin, longitud de de altura de seal, Tensin de pico - pico, Escala de

Tiempo, longitud de un ciclo (cm.), Periodo.

YX

ESCALALong. cmVP-PESCALALong. cmPeriodo

.NOMBRE DEL ALUMNO...LABORATORIO N 2 : RECTIFICACIN MEDIA Y ONDA COMPLETA

1.- Objetivo de la experiencia:

2.- Instale los siguientes circuitos de rectificacin:FIG 1

3.-Mide todas sus seales con el osciloscopio, dibjalas con un mnimo de

precisin colocando sus valores y escalas empleadas, anota la tensin

en continua que hay en la carga.

4.- Dibujo las tres formas de onda en los siguientes recuadros:

4.- Repite los procesos anteriores con el ordenador, imprime las formas de onda del osciloscopio pgalas detrs.5.- Elementos de la experiencia:

5.- Instrumentos y dispositivos usados:

a) Transformador de 220 V/ 12-0-12 VAC.

b) Diodos rectificadores 1N 4004 C) Resistencia de carga 1 K

d) conectores

e) Osciloscopio.

6.- Mediciones de la experiencia:

a) Tensin: Alterna, tensin pico-pico, tensin continua y relacin entre

ellas.

b) Medicin de corriente continua.

7.-.- Comenta tus conclusiones:

a) La curva caracterstica del diodo rectificador

b) Las caractersticas comerciales del diodo rectificador

c) El objetivo de la rectificacin en el campo de la electrnica.

8.- El uso con simuladores: Circuitmaker y Electronics Workbench, resultados de la

ExperienciaFIG 2

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