PREGUNTAS
- 1. PREGUNTA A3 DIAC – Diodo de disparo bidireccional – Diode alternative current DIAC: Control de potencia en corriente alterna (AC) El DIAC es un diodo de disparo bidireccional,especialmente diseñado para disparar TRIACs y Tiristores (es un dispositivo disparado por tensión). El TRIAC tiene dos terminales:MT1 y MT2. Ver el diagrama.El DIAC secomporta como dos diodos zener conectados en serie, pero orientados en formas opuestas. La conducción seda cuando se ha superado el valor de tensión del zener que está conectado en sentido opuesto. El DIAC normalmente no conduce, sino que tiene una pequeña corriente de fuga. La conducción aparececuando la tensión de disparo sealcanza. Cuando la tensión de disparo sealcanza,latensión en el DIAC sereduce y entra en conducción dejando pasar lacorrientenecesaria para el disparo del SCR o TRIAC. Se utiliza principalmenteen aplicaciones decontrol de potencia mediante control de fase. La curva característicadel DIAC se muestra a continuación. En la curva característicaseobserva que cuando: +V o – V es menor que la tensión de disparo,el DIAC se comporta como un circuito abierto +V o – V es mayor que la tensión de disparo,el DIAC se comporta como un cortocircuito Sus principales características son: Tensión de disparo. Corriente de disparo. Tensión de simetría (ver gráfico anterior). Tensión de recuperación. Disipación depotencia (Los DIACs se fabrican con capacidad dedisiparpotencia de0.5 a 1 watt). SCR (Silicon Controled Rectifier) SCR – Símbolo y Estructura El SCR (Silicon Controled Rectifier / Rectificador controlado desilicio) es un dispositivo semiconductor de4 capas que funciona como un conmutador casi ideal.Su símbolo y estructura se muestran en la figura. Funcionamiento básico del SCR El siguientegráfico muestra un circuito equivalentepara comprender su funcionamiento. Al aplicarseuna corrienteIG al terminal G (base de Q2 y colector de Q1), se producen dos corrientes: IC2 = IB1.
- 2. A = ánodo, G = compuerta o Gate y C = K = cátodo IB1 es la corriente basedel transistor Q1 y causa queexista una corriente de colector de Q1 (IC1) que a su vez alimenta la basedel transistor Q2 (IB2),este a su vez causa más corrienteen IC2,que es lo mismos que IB1 en la basede Q1, y …… este proceso regenerativo se repite hasta saturar Q1 y Q2 causando el encendido del SCR. Los parámetros son: VRDM: Máximo voltajeinverso de cebado (VG = 0) VFOM: Máximo voltajedirecto sin cebado (VG = 0) IF: Máxima corriente directa permitida. PG: Máxima disipación depotencia entre compuerta y cátodo. VGT-IGT: Máximo voltajeo corrienterequerida en la compuerta (G) para el cebado IH: Mínima corriente de ánodo requerida para mantener cebado el SCR dv/dt: Máxima variación devoltajesin producir cebado. di/dt: Máxima variación decorriente aceptada antes de destruir el SCR. Curva característica del SCR En la figura inferior demuestra la dependencia entre el voltajede conmutación y la corrientede compuerta. Cuando está polarizado en inversa secomporta como un diodo común (ver la corrientede fuga característica quese muestra en el gráfico).En la región de polarización en directo, secomporta también como un diodo común, siempre que ya haya sido activado (On).Ver los puntos D y E. Para valores altos decorrientede compuerta (IG) (ver punto C), el voltajede ánodo a cátodo es menor (VC). Si la IGdisminuye, el voltajeánodo-cátodo aumenta. (Ver el punto B y A, y el voltajeánodo-cátodo VB y VA). Concluyendo, al disminuir lacorrientede compuerta IG, el voltajeánodo-cátodo tenderá a aumentar antes de que conduzca (se ponga en On / esté activo)
- 3. Triac, SCR – Control de potencia en AC A1: Ánodo 1, A2: Ánodo 2, G: Compuerta El Triac es un dispositivo semiconductor que pertenece a la familia delos dispositivosdecontrol:los tiristores. El Triac es en esencia la conexión de dos tiristores en paralelo pero conectados en sentido opuesto y compartiendo la misma compuerta. (Ver imagen). Este componente sólo seutiliza en corriente alterna y al igual queel tiristor, se disparapor la compuerta. Como el Triac funciona en corriente alterna,habrá una parte de la onda que será positiva y otra negativa. Funcionamiento del Triac La parte positiva dela onda (semiciclo positivo) pasarápor el Triac siempre y cuando haya habido una señal de disparo en la compuerta, de esta manera la corriente circularádearriba hacia abajo (pasará por el tiristor que apunta hacia abajo),de igual manera: La parte negativa de la onda (semiciclo negativo) pasarápor el Triac siempre y cuando haya habido una señal de disparo en la compuerta, de esta manera la corriente circulará deabajo hacia arriba (pasarápor el tiristor que apunta hacia arriba).Para ambos semiciclos laseñal dedisparo seobtiene de la misma patilla (lapuerta o compuerta). Lo interesante es, que se puede controlar el momento de disparo deesta patillay así,controlar el tiempo que cada tiristor estará en conducción.Recordar que un tiristor sólo conducecuando ha sido disparada(activada) lacompuerta y entre sus terminales hay un voltajepositivo de un valor mínimo para cada tiristor). Entonces, si se controla el tiempo que cada tiristor está en conducción,sepuede controlar la corriente que se entrega a una carga y por consiguientela potencia que consume. Ejemplo: Una aplicación muy común es el atenuador luminoso de lámparas incandescentes (circuito decontrol de fase). Dónde: Ven: Voltajeaplicado al circuito (A.C.) L: lámpara P: potenciómetro C: condensador (capacitor) R: Resistor T: Triac A2: Ánodo 2 A3: Ánodo 3 G: Gate, puerta o compuerta
- 4. El Triac controla el paso de la corrientealterna a la lámpara (carga),pasando continuamente entre los estados de conducción (cuando la corrientecirculapor el Triac) y el de corte (cuando la corrienteno circula).Si sevaría el potenciómetro, se varía el tiempo de carga de un capacitor causando quese incremente o reduzca la diferencia de fasede la tensión de alimentación y la quese aplica a la compuerta Notas: La diferencia de faseo la faseentre dos señales u ondas se define como el ángulo (diferencia de tiempo) que existeentre los dos orígenes de las mismas. En este documento se utiliza el término tiristor como sinónimo de SCR. TRANSISTOR BIPOLAR El transistor bipolar es el más común de los transistores, y como los diodos,puede ser de germanio o silicio.En ambos casos el dispositivo tiene3 patillas y son:el emisor, la basey el colector. Existen dos tipos transistores: el NPN y el PNP, y la dirección del flujo dela corriente en cada caso,lo indica laflecha quese ve en el gráfico de cada tipo de transistor.El transistor es un dispositivo de3 patillascon los siguientes nombres: base(B), colector (C) y emisor (E), coincidiendo siempre,el emisor,con la patilla que tiene la flecha en el gráfico de transistor. El transistor bipolar es un amplificador decorriente,esto quiere decir que si le introducimos una cantidad decorriente por una de sus patillas (base),el entregará por otra (emisor) , una cantidad mayor a ésta, en un factor que se llama amplificación. Este factor de amplificación sellama ß (beta) y es un dato propio de cada transistor.Entonces: Ic (corriente que pasa por la patillacolector) es igual a ß (factor de amplificación) por Ib (corrienteque pasa por la patillabase). Ic = ß x Ib Ie (corriente que pasa por la patillaemisor) es igual a (ß+1) x Ib, pero se redondea al mismo valor que Ic, sólo que la corrienteen un caso entra al transistor y en el otro caso de saleél,o viceversa. Según la fórmula anterior las corrientes no dependen del voltajeque alimenta el circuito (Vcc),pero en la realidad si lo hace y la corrienteIb cambia ligeramentecuando se cambia Vcc. Ver la figura dela derecha.
- 5. En la figura dela derecha las corrientes de base(Ib) son ejemplos para poder entender que a más corrientela curva es más alta. TIRISTOR GTO Un Tiristor GTO o simplemente GTO (del inglés Gate Turn-Off Thyristor) es un dispositivo deelectrónica depotencia que puede ser encendido por un solo pulso decorriente positiva en la terminal puerta o gate (G), al igual queel tiristor normal ; pero en cambio puede ser apagado al aplicar un pulso decorriente negativa en el mismo terminal.Ambos estados,tanto el estado de encendido como el estado de apagado,son controlados por la corrienteen la puerta (G). El proceso de encendido es similar al del tiristor.Las característicasdeapagado son un poco diferentes. Cuando un voltaje negativo es aplicado a través de las terminales puerta (G) y cátodo (C o K), la corriente en la puerta (ig), crece. Cuando la corriente en la puerta (G) alcanza su máximo valor,IGR,la corrientede ánodo comienza a caer y el voltajea través del dispositivo (VAK), comienza a crecer. El tiempo de caída de la corrientede ánodo (IA) es abrupta,típicamente menor a 1 us. Después de esto, la corriente de ánodo varía lentamente y ésta porción de la corrientede ánodo es conocido como corriente de cola. La razón (IA/IGR) de la corriente de ánodo IA a la máxima corriente negativa en la puerta (IGR) requerida para el voltajees baja,comúnmente entre 3 y 5. Por ejemplo, para un voltajede 2500 V y una corriente de 1000 A, un GTO normalmente requiere una corriente negativa de pico en la puerta de 250 A para el apagado. Estructura y funcionamiento La estructura del GTO es esencialmente la de un tiristor convencional.Existen 4 capas desilicio (PNPN), 3 uniones (P-N, N-P y P-N) y tres terminales:ánodo (A), cátodo (C o K) y puerta (G). La diferencia en la operación radica en que una señal negativa en la puerta (G) puede apagar el GTO. Mientras el GTO se encuentre apagado y no exista señal en la puerta, el dispositivo sebloquea para cualquier polaridad en el ánodo, pero una corriente de fuga (IA leak) existe. Con un voltajede bias en directa el GTO se bloquea hasta que un voltajede ruptura VAK = VB0 es alcanzado.En este punto existeun proceso dinámico de encendido., VAK = 3V y la corrienteIA es determinada por la carga.Cuando el GTO se apaga y con la aplicación de un voltajeen inversa,solo una pequeña corriente de fuga (IA leak) existe. Una polarización en inversa VAK puede ser alcanzada cuando ocurraun corte. El valor del voltajede ruptura inverso depende del método de fabricación parala creación de una regeneración interna para facilitarel proceso de apagado.Con un voltajede polarización directo aplicado al ánodo y un pulso de corriente positiva es aplicadaa la puerta G(gate), el GTO se enciende y permanece de esa forma. Para ésta condición,existen 2 formas de apagarlo.Una forma es reduciendo la corrientede ánodo IA por medios externos hasta un valor menor a la corrientede holdingIh,en la cual,la acción regenerativa interna no es efectiva . La segunda forma de apagarlo es por medio de un pulso en el gate, y este es el método más recomendable porque proporciona un mejor control.Como el GTO tiene una conducción de corrienteunidireccional,y puede ser apagado en cualquier instante,éste se aplica en circuitos chopper (conversiones dedc- dc) y circuitos inversores(conversiones dc -ac) a niveles depotencia en los que los MOSFET's, TBJ's e IGBT's no pueden ser utilizados.Abajos niveles depotencia los semiconductores de conmutación
- 6. rápida son preferibles.En la conversión de AC - DC, los GTO's, son útiles porque las estrategias deconmutación que posee, pueden ser usadas para regularla potencia,como el factor de potencia. TRANSISTOR FET TRANSISTOR FET (Introducción). Los transistores más conocidosson losllamadosbipolares(NPN y PNP), llamados así porquela conducción tienelugar gracias al desplazamiento de portadores de dos polaridades (huecos positivosy electrones negativos), y son de gran utilidad en gran número de aplicaciones pero tienen ciertos inconvenientes, entre los que se encuentra su impedancia de entrada bastantebaja. Existen unos dispositivosqueeliminan este inconveniente en particulary que pertenece a la familia dedispositivosen los que existeun solo tipo de portador de cargas,y por tanto, son unipolares.Sellama transistor deefecto campo. 2) Explicación de la combinación de portadores. Puesto que hay una tensión positiva entre el drenador y el surtidor,los electrones fluirán desdeel surtidor al drenador (o viceversa según la configuración del mismo),aunque hay que notar que también fluye una corriente despreciableentre el surtidor (o drenador) y la puerta, ya que el diodo formado por la unión canal –puerta, esta polarizado inversamente. En el caso de un diodo polarizado en sentido inverso,donde inicialmentelos huecos fluyen hacia la terminal negativa de la batería y los electrones del material N, fluyen hacia el terminal positivo dela misma. Lo anteriormente dicho se puede aplicaral transistor FET,en donde, cuando se aumenta VDS aumenta una región con empobrecimiento de cargas libres Cuando seleccionamos un transistor tendremos que conocer el tipo de encapsulado,así como el esquema de identificación de los terminales.También tendremos que conocer una seriede valores máximos de tensiones,corrientes y potencias que no debemos sobrepasar para no destruir el dispositivo.El parámetro de la potencia disipada por el transistor es especialmentecrítico con la temperatura, de modo que esta potencia decrece a medida que aumenta el valor de la temperatura, siendo a veces necesaria la instalación deun radiador o aleta refrigeradora. Todos estos valores críticos los proporcionan losfabricantes en las hojas decaracterísticasdelos distintosdispositivos. Explicación de sus elementos o terminales. Un transistor deefecto campo (FET) típico está formado por una barrita dematerial p ó n, llamada canal,rodeada en parte de su longitud por un collardel otro tipo de material que forma con el canal una unión p-n. En los extremos del canal sehacen sendas conexiones óhmicas llamadas respectivamente sumidero (d-drain) y fuente (s- source), más una conexión llamadapuerta (g-gate) en el collar.
- 7. La figura muestra el croquis de un FET con canal N Símbolos gráficos para un FET de canal N Símbolos gráficos para un FET de canal P Fundamento de transistores de efecto de campo: Los transistores son tres zonas semiconductoras juntasdopadasalternativamentecon purezas donadoras o aceptadoras de electrones. Su estructura y representación se muestran en la tabla. Modelo de transistor FET canal n
- 8. Modelo de transistor FET canal p Las uniones Puerta-Drenador y la Surtidor-Puerta están polarizadasen inversa detal forma que no existeotra corriente que la inversa desaturación dela unión PN. La zona n (en el FET canal n) es pequeña y la amplitud dela zona de deplexión afecta a la longitud efectiva del canal .La longitud de la zona de deplexión y depende de la tensión inversa (tensión de puerta). Zonas de funcionamiento del transistor de efecto de campo (FET): ZONA ÓHMICA o LINEAL: En esta zona el transistor secomporta como una resistencia variabledependiente del valor de VGS. Un parámetro que aporta el fabricantees la resistencia quepresenta el dispositivo para VDS=0 (rds on), y distintos valores deVGS. ZONA DE SATURACIÓN: En esta zona es donde el transistor amplificay secomporta como una fuente de corriente gobernada por VGS ZONA DE CORTE: La intensidad de drenador es nula (ID=0). A diferencia del transistor BJT,los terminales drenador y surtidor del FET pueden intercambiar sus papeles sin que se altere apreciablemente la característicaV-I (setrata de un dispositivo simétrico). La operación de un FET de CANAL P es complementaria a la de un FET de CANAL N, lo que significa quetodos los voltajes y corrientes son de sentido contrario.
- 9. MOSFET El transistor de efecto de campo metal-óxido-semiconductor o MOSFET (en inglés Metal-oxide-semiconductor Field-effect transistor) es un transistor utilizado paraamplificar o conmutar señales electrónicas.Es el transistor más utilizado en la industria microelectrónica,ya sea en circuitos analógicoso digitales,aunqueel transistor deunión bipolar fuemucho más popular en otro tiempo. Prácticamente la totalidad delos microprocesadores comerciales están basadosen transistores MOSFET. El MOSFET es un dispositivo decuatro terminales llamados fuente (S, Source), drenador (D, Drain),puerta (G, Gate) y sustrato (B, Bulk). Sin embargo, el sustrato generalmente está conectado internamente al terminal de fuente y por este motivo se pueden encontrar dispositivosMOSFET de tres terminales. El término 'metal' en el nombre MOSFET es actualmente incorrecto ya que el aluminio quefue el material de la puerta hasta mediados de 1970 fue sustituido por el silicio policristalino debido a su capacidad deformar puertas auto-alineadas. Las puertas metálicas están volviendo a ganar popularidad,dada ladificultad deincrementar la velocidad de operación de los transistores sin utilizar componentes metálicos en la puerta. De manera similar,el 'óxido' utilizado como aislanteen la puerta también se ha reemplazado por otros materiales con el propósito de obtener canales fuertes con la aplicación de tensiones más pequeñas. Un transistor deefecto de campo de puerta aislada o IGFET (Insulated-gate field-effect transistor) es un término relacionado quees equivalente a un MOSFET. El término IGFET es más inclusivo,ya que muchos transistores MOSFET utilizan una puerta que no es metálica,y un aislantede puerta que no es un óxido.Otro dispositivo relacionado es el MISFET, que es un transistor deefecto de campo metal-aislante-semiconductor (Metal-insulator-semiconductor field-effect transistor). Estructura Fotomicrografía de dos MOSFETs con puerta de metal en un arreglo de prueba. Los pads para las dos puertas (G) y los tres nodos de fuente (S) y drenador (D) están indicados. Con una operación y estructura completamente distintas al transistor bipolardeunión, el transistor MOSFET fue creado al colocar una capa aislanteen la superficiedeun semiconductor y luego colocando un electrodo metálico de puerta sobre el aislante.Se utilizó silicio cristalino para el semiconductor base,y una capa de dióxido de silicio creada a través deoxidación térmica,como aislante.El MOSFET de silicio no generaba trampas de electrones localizados entrela interfaz,entre el silicio y la capa deóxido nativo,y por este motivo se veía librede la dispersión y el bloqueo de portadores que limitaba el desempeño de los transistores de efecto de campo anteriores. Después del desarrollo decuartos limpios parareducir losniveles de contaminación,y del desarrollo dela fotolitografía así como del proceso planar que permite construir circuitosen muy pocos pasos,el sistema Si-SiO2 (silicio- dióxido de silicio) obtuvo gran importancia debido a su bajo costo de producción por cada circuito,y la facilida d de integración.Adicionalmente,el método de acoplar dos MOSFET complementarios (de canal N y canal P) en un interruptor de estado alto/bajo,conocido como CMOS, implicó quelos circuitos digitales disiparan una cantidad muy baja depotencia, excepto cuando son conmutados.Por estos tres factores,los transistores MOSFET se han convertido en el dispositivo utilizado más ampliamente en la construcción de circuitos integrados. Símbolos de transistores MOSFET Existen distintos símbolos queseutilizan para representar al transistor MOSFET. El diseño básico consisteen una línea recta para dibujar el canal,con líneas quesalen del canal en ángulo recto y luego hacia afuera del dibujo deforma paralelaal canal,para indicar la fuentey el drenaje. En algunos casos,seutiliza una línea segmentada en tres partes para el canal del
- 10. MOSFET de enriquecimiento, y una línea sólida parael canal del MOSFET de empobrecimiento. Otra línea es dibujada en forma paralelaal canal para destacarla puerta. La conexión del sustrato,en los casos dondese muestra, se coloca en la partecentral del canal con una flecha que indica si el transistor es PMOS o NMOS. La flecha siempre apunta en la dirección P hacia N,de forma que un NMOS (Canal N en un sustrato P) tiene la flecha apuntando hacia adentro (desde el sustrato hacia el canal).Si el sustrato está conectado internamente a la fuente (como generalmente ocurre en dispositivos discretos) s econecta con una línea en el dibujo entre el sustrato y la fuente. Si el sustrato no se muestra en el dibujo (como generalmente ocurreen el caso delos diseños de circuitos integrados,debido a que se utiliza un sustrato común) se utiliza un símbolo de i nversión para identificar los transistores PMOS,y de forma alternativa sepuede utilizar una flecha en la fuente de forma similar a como seusa en los transistores bipolares (la flechahaciaafuera para un NMOS y hacia adentro para un PMOS). En la tabla queseguidamente se muestra se tiene una comparación entre los símbolos delos MOSFET de enriquecimiento y de empobrecimiento, junto con los símbolos para los JFETdibujados con la fuente y el drenaje ordenados de modo que las tensiones más elevadas aparecen en la parte superior del símbolo y la corrientefluye hacia abajo. Símbolos de los transistores FET y MOSFET Canal P Canal N FET de unión JFET MOSFET de Enriquecimiento (MOSFET-E) MOSFET de Enriquecimiento (sin sustrato) MOSFET de Empobrecimiento o Deplexión (MOSFET- D) Para aquellos símbolosen los que el terminal del sustrato semuestra, aquí se representa conectado internamente al terminal de fuente. Esta es la configuración típica,pero no significa quesea la única configuración importante.En general, el MOSFET es un dispositivo decuatro terminales,y en los circuitos integrados muchos delos MOSFET comparten una conexión común entre el sustrato,que no está necesariamente conectada a los terminales dela fuente de todos los transistores. Funcionamiento Existen dos tipos de transistores MOSFET, ambos basados en la estructura MOS. Los primeros son los MOSFET de enriquecimiento los cuales sebasan en la creación deun canal entre el drenador y la fuente, al aplicaruna tensión en la puerta. La tensión de la puerta atrae portadores minoritarioshacia el canal,demanera que se forma una región de inversión,es decir,una región con dopado opuesto al que tenía el sustrato originalmente. El término enriquecimiento hace referencia al incremento de la conductividad eléctrica debido a un aumento de la cantidad de portadores de carga en la región correspondienteal canal.El canal puedeformarsecon un incremento en la concentración de electrones (en un
- 11. nMOSFET o NMOS), o huecos (en un pMOSFET o PMOS). De este modo un transistor NMOS se construye con un sustrato tipo p y tiene un canal detipo n, mientras que un transistor PMOS se construyecon un sustrato tipo n y tiene un canal de tipo p. Los MOSFET de empobrecimiento o deplexión tienen un canal conductor en su estado de reposo, que se debe hacer desaparecer mediante la aplicación dela tensión eléctrica en la puerta, lo cual ocasionauna disminución dela cantidad de portadores de carga y una disminución respectiva dela conductividad. Transistor IGBT El transistor bipolar de puerta aislada (conocido por la sigla IGBT, del inglés Insulated Gate Bipolar Transistor) es un dispositivo semiconductor quegeneralmente se aplicacomo interruptor controlado en circuitosde electrónica de potencia. Este dispositivo poseelas característicasdelas señalesdepuerta de los transistores deefecto campo con la capacidad de alta corrientey bajo voltajede saturación del transistor bipolar,combinando una puerta aislada FETpara la entrada de control y un transistor bipolarcomo interruptor en un solo dispositivo.El circuito deexcitación del IGBT es como el del MOSFET, mientras que las característicasdeconducción son como las del BJT. Los transistores IGBThan permitido desarrollosqueno habían sido viables hasta entonces,en particularen los Variadores de frecuencia así como en las aplicaciones en máquinas eléctricas,convertidores depotencia, domótica y Sistemas de Alimentación Ininterrumpida,entre otras aplicaciones. Características Sección de un IGBT. El IGBT es adecuado para velocidades deconmutación de hasta 100 kHz y ha sustituido al BJTen muchas aplicaciones.Es usado en aplicacionesdealtas y medianas energías como fuente conmutada,control de la tracción en motores y cocina deinducción.Grandes módulos de IGBT consisten en muchos dispositivoscolocadosen paralelo quepueden manejar altas corrientes del orden de cientos de amperios con voltajes de bloqueo de 6.000 voltios. Se puede concebir el IGBT como un transistor Darlington híbrido.Tiene la capacidad demanejo de corriente de un bipolar pero no requiere de la corrientede basepara mantenerse en conducción. Sin embargo las corrientes transitoriasdeconmutación de la basepueden ser igualmente altas.En aplicaciones de electrónica de potencia es intermedio entre los tiristores y los MOSFET’s. Maneja más potencia que los segundos siendo más lento que ellos y lo inverso respecto a los primeros. Circuito equivalente de un IGBT. Este es un dispositivo parala conmutación en sistemas de alta tensión.La tensión de control de puerta es de unos 15 V. Esto ofrece la ventaja de controlar sistemas depotencia aplicando una señal eléctrica deentrada muy débil en la puerta.
- 12. PREGUNTA A4. Transistor El transistor es un dispositivo electrónico semiconductor utilizado para entregar una señal de salidaen respuesta a una señal de entrada. Cumple funciones de amplificador,oscilador,conmutador o rectificador.El término «transistor» es la contracción en inglés de transfer resistor («resistor de transferencia»).Actualmente se encuentra prácticamente en todos los aparatos electrónicos deuso diario tales como radios,televisores,reproductores deaudio y video, relojes de cuarzo, computadoras,lámparas fluorescentes,tomógrafos,teléfonos celulares,aunquecasi siempredentro de los llamados circuitos integrados. Funcionamiento El transistor consta detres partes dopadas artificialmente(contaminadas con materiales específicosen cantidades específicas) queforman dos uniones bipolares:el emisor que emite portadores, el colector que los recibeo recolecta y la tercera, que está intercalada entrelas dos primeras,modula el paso de dichos portadores (base).A diferencia de las válvulas,el transistor es un dispositivo controlado por corrientey del que se obtiene corrienteamplificada.En el diseño de circuitos a los transistores seles considera un elemento activo,32 a diferencia delos resistores,condensadores einductores que son elementos pasivos.33 De manera simplificada,la corrienteque circulapor el colector es función amplificadadela que se inyecta en el emisor, pero el transistor solo gradúala corriente que circula a través desí mismo, si desdeuna fuente de corriente continua se alimenta la basepara que circulela carga por el colector, según el tipo de circuito que seutilice.El factor de amplificación o ganancia logrado entrecorriente de colector y corriente de base, se denomina Beta del transistor.Otros parámetros a tener en cuenta y que son particularesdecada tipo de transistor son:Tensiones de ruptura de Colector Emisor, de Base Emisor,de Colector Base, Potencia Máxima,disipación decalor, frecuencia de trabajo,y varias tablasdondese grafican los distintos parámetros tales como corriente de base, tensión Colector Emisor, tensión BaseEmisor, corriente de Emisor, etc. Los tres tipos de esquemas(configuraciones) básicos parautilización analógicadelos transistores son emisor común, colector común y basecomún. Modelos posteriores al transistor descrito,el transistor bipolar (transistores FET,MOSFET, JFET, CMOS, VMOS, etc.) no utiliza la corrienteque se inyecta en el terminal de base para modular la corrientede emisor o colector, sino la tensión presente en el terminal de puerta y gradúa la conductanciadel canal entre los terminales deFuente y Drenaje. Cuando la conductancia es nula y el canal seencuentra estrangulado,por efecto de la tensión aplicada entreCompuerta y Fuente, es el campo eléctrico presente en el canal el responsablede impulsar loselectrones desde la fuente al drenaje.De este modo, la corrientede salidaen la carga conectada al Drenaje(D) será función amplificada dela tensión presente entre la compuerta y la fuente, de manera análoga al funcionamiento del triodo. Los transistores deefecto de campo son los que han permitido la integración a gran es cala disponiblehoy en día; para tener una idea aproximada pueden fabricarsevarioscientos de miles de transistores interconectados,por centímetro cuadrado y en varias capassuperpuestas.
- 13. Construcción Material semiconductor Características del material semiconductor Material semiconductor Tensión directa de la unión V @ 25 °C Movilidad de electrones m2/(V·s) @ 25 °C Movilidad de huecos m2/(V·s) @ 25 °C Máxima temperatura de unión °C Ge 0.27 0.39 0.19 70 a 100 Si 0.71 0.14 0.05 150 a 200 GaAs 1.03 0.85 0.05 150 a 200 Al-Si 0.3 — — 150 a 200 Los primeros transistores bipolares deunión se fabricaron con germanio (Ge). Los transistores deSilicio (Si) actualmente predominan, pero ciertas versiones avanzadasdemicroondas y de alto rendimiento ahora emplean el compuesto semiconductor de arseniuro degalio (GaAs) y la aleación semiconductora desilicio-germanio (SiGe).El material semiconductor a base de un elemento (Ge y Si) se describecomo elemental. Los parámetros en bruto de los materiales semiconductores más comunes utilizadospara fabricartransistores sedan en la tabla adjunta;estos parámetros variarán con el aumento de la temperatura, el campo eléctrico,nivel de impurezas,la tensión, y otros factores diversos. La tensión directa de unión es la tensión aplicada a la unión emisor-basedeun transistor bipolar deunión con el fin de hacer que la baseconduzca a una corrienteespecífica.La corriente aumenta de manera exponencial a medida que aumenta la tensión en directa de la unión.Los valores indicadosen la tabla son lastípicos parauna corrientede 1 mA (los mismos valores seaplican a los diodossemiconductores).Cuanto más bajo es la tensión de la unión en directa, mejor, ya que esto significa queserequiere menos energía para colocar en conducción al transistor.La tensión de unión en directa para una corriente dada disminuyecon el aumento de la temperatura. Para una unión de silicio típica,el cambio es de -2.1 mV / ° C. 34 En algunos circuitos deben usarseelementos compensadores especiales (sensistores) paracompensar tales cambios. La densidad de los portadores móviles en el canal deun MOSFET es una función del campo eléctrico que forma el canal y de varios otros fenómenos tales como el nivel de impurezas en el canal.Algunas impurezas,llamadasdopantes,seintroducen deliberadamente en la fabricación deun MOSFET, para controlar su comportamiento eléctrico. Las columnas de movilidad deelectrones y movilidad dehuecos de la tabla muestran la velocidad media con que los electrones y los huecos se difunden a través del material semiconductor con un campo eléctrico de 1 voltio por metro, aplicado a través del material.En general, mientras más alta sea la movilidad electrónica,el transistor puede funcionar más rápido.La tabla indicaqueel germanio es un material mejor que el silicio a este respecto. Sin embargo, el germanio tiene cuatro grandes deficiencias en comparación con el silicio y arseniuro degalio: 1. Su temperatura máxima es limitada. 2. Tiene una corriente de fuga relativamente alta. 3. No puede soportar altas tensiones. 4. Es menos adecuado para la fabricación decircuitos integrados.
- 14. Debido a que la movilidad delos electrones es más alta que la movilidad delos huecos para todos los materiales semiconductores,un transistor bipolar n-p-n dado tiende a ser más rápido que un transistor equivalentep-n-p. El arseniuro de galio tieneel valor más alto de movilidad deelectrones de los tres semiconductores.Es por esta razón que se utiliza en aplicaciones dealta frecuencia.Un transistor FETde desarrollo relativamente reciente, el transistor dealta movilidad de electrones (HEMT), tiene una heteroestructura (unión entre diferentes materiales semiconductores) de arseniuro degalio- aluminio (AlGaAs)-arseniuro degalio (GaAs),que tiene el doblede la movilidad delos electrones que una unión de barrera GaAs-metal. Debido a su alta velocidad y bajo nivel deruido, los HEMTs se utilizan en los receptores de satéliteque trabajan a frecuencias en torno a los 12 GHz. Los HEMTs basados en nitruro de galio y nitruro de galio aluminio (AlGaN/GaN HEMT) proporcionan una movilidad delos electrones aún mayor y se están desarrollando para diversasaplicaciones. Los valores de la columna de Máximo valor de temperatura de la unión han sido tomados a partir de las hojasdedatos de varios fabricantes.Esta temperatura no debe ser excedida o el transistor puededañarse. Los datos de la fila Al-Si dela tabla serefieren a los diodos debarrera de metal-semiconductor de alta velocidad (de aluminio-silicio),conocidos comúnmente como diodos Schottky. Esto está incluido en la tabla,ya que algunos transistor IGFET de potencia de silicio tienen un diodo Schottky inverso "parásito"formado entre la fuente y el drenajecomo parte del proceso de fabricación.Estediodo puede ser una molestia,pero a veces se utiliza en el circuito del cual forma parte. Transistor UJT – Unijuntion Transistor. Dispositivo de disparo El transistor UJT (transistor deunijuntura –Unijunction transistor) es un dispositivo con un funcionamiento diferente al de otros transistores.Es un dispositivo dedisparo.Es un dispositivo queconsistede una sola unión PN que es utilizado para hacer osciladores.Muy importante: No es un FET. Físicamente el transistor UJT consistede una barra de material tipo N con conexiones eléctricas a sus dos extremos (B1 y B2) y de una conexión hecha con un conductor de aluminio (E) en alguna partea lo largo de la barra dematerial N. En el lugar de unión el aluminio crea una región tipo P en la barra,formando así una unión PN. Ver los siguientes gráficos. Como se dijo antes este es un dispositivo dedisparo.El disparo ocurreentre el Emisor y la Base1 y el voltajeal que ocurre este disparo está dado por la fórmula:Voltaje de disparo =Vp = 0.7 + n x VB2B1. Donde: n = intrinsic standoff radio (dato del fabricante) VB2B1 = Voltaje entre las dos bases La fórmula es aproximada porqueel valor establecido en 0.7 puede variar de0.4 a 0.7 dependiendo del dispositivo y la temperatura. Dos ejemplos sencillos con el transistor UJT
- 15. Ejemplo 1.– Un UJT 2N4870 tiene un n = 0.63 y 24 voltios entre B2 y B1. ¿Cuál es el voltajede disparo aproximado? Voltajede disparo =Vp = 0.7 + (0.63 x 24) = 15.8 Voltios Ejemplo 2.– Un UJT 2N4870 tiene un n = 0.68 y 12 voltios entre B2 y B1. ¿Cuál es el voltajede disparo aproximado? Voltajede disparo =Vp = 0.7 + (0.68 x 12) = 8.86 Voltios. Notas: Un dato adicional quenos da el fabricantees la corriente necesaria quedebe haber entre E y B1 para que el UJT se dispare= Ip. Es importante hacer notar que también se ha construido el UJT donde la barra es de material tipo P (muy poco). Se le conoce como el CUJT o UJT complementario. Este se comporta de igual forma que el UJT pero con las polaridadesdelas tensiones al revés. PUT Simbolo del PUT El PUT es un semiconductor de cuatro capas (pnpn) cuyo funcionamiento es similar al del UJT. Es un tipo de tiristor y a veces se le llama “tiristor disparado por ánodo”debido a su configuración.Al igual queel UJT, se utiliza como oscilador y basede tiempos, pero es más flexible,ya que la compuerta seconecta a un divisor detensión que permita variar la frecuencia del oscilador sin modificarla constantede tiempo RC. Funcionamiento Si el PUT está polarizado directamente y aplicamos Vag=0.7 V, entra en conducción.El PUT permanece encendido hasta que el voltajeanódico es insuficiente, entonces, se apaga.El apagado sedebe a que la corrienteanódica llega un valor ligeramente menor a la corrientede sostenimiento. Conexión típica del PUT Es un dispositivo dedisparo ánodo-puerta (ánodo-compuerta) puesto que su disparo se realiza cuando la puerta tenga una
- 16. tensión más negativa que el ánodo, es decir,la conducción del PUT se realiza por control delas tensiones en sus terminales. Si el PUT es utilizado como oscilador derelajación,el voltaje de compuerta VG se mantiene desde la alimentación mediante el divisor resistivo del voltaje RB1 y RB2, y determina el voltaje de disparo Vp. En el caso del UJT, Vp está fijado por el voltaje de alimentación, pero en un PUT puede variar al modificar el valor del divisor resistivo RB1 y RB2. Si el voltaje del ánodo Va es menor que el voltajede compuerta Vg, se conservará en su estado inactivo, pero si el voltaje de ánodo excede al de compuerta más el voltaje de diodo Vag, se alcanzará el punto de disparo y el dispositivo se activará. La corriente de pico Ip y la corriente de valle Iv dependen de la impedancia equivalente en la compuerta y del voltaje de alimentación en VBB. En general Rk está limitado a un valor por debajo de 100 ohm. Rk=RB1RB2/(RB1 + RB2) Para tener un diseño exitoso,la corriente de ánodo, que la llamaremos I,debe estar entre las corrientes Ip e Iv,de no estarlo,el dispositivo no oscilará.Por ello, se debe tener cuidado al diseñarla impedancia equivalente Rg y el voltajede alimentación,ya que estos parámetros modifican directamente los valores de corrienteya mencionados. El CIRCUITO INTEGRDO TCA 785 El TCA785 es un circuito integrado de control de fase desarrollado por Siemens y posterior al TCA 780 y TCA 780D. Debido a las característicasdelas señales que es capazde proporcionar es ideal para controlar el disparo delos dispositivosdepotencia.Aunque su uso es muy variado y abarca un amplio número de aplicaciones dentro del mundo de la electrónica,sus característicashacen de él un candidato inmejorablepara formar partedel bloque de control de un sistema de potencia; en concreto formaría el enlaceentre el núcleo del bloquede control y la parte de potencia, generando las señalesoportunas en función de unas consignas deentrada.