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La electrónica
- 2. ELECTRÓNICA ANALÓGICA • SEMICONDUCTORES • COMPONENTES ELECTRONICOS • BLOQUES FUNCIONALES
- 3. SEMICONDUCTORES Unión P- N El átomo Bandas de energía El semiconductor La circulación de corriente
- 4. El átomo Np = nº protones núcle o Ne = nº electrones periferi a •Última = órbita de valencia •Enlaces = f(órbita de valencia) •Los electrones están distribuidos en órbitas de distinta energía •Para pasar de una a otra un electrón ha de absorber o liberar la siguiente energía: •E = hv h= constante de Plank v = frecuencia de radiación •Ne > Np •Ne = Np •Ne < Np •positivo •neutro •negativo •Carga del átomo •Distribución de electrones
- 5. •Cada órbita de electrones constituye una banda energética en la que pueden estar los electrones. • Entre las distintas órbitas hay bandas energéticas en las que no pueden estar los electrones. B. conducción B. prohibida B. valencia Intervalo energético donde están los electrones de la última órbita •Energía que ha de adquirir un electrón de la banda de valencia para poder moverse libremente por el material Intervalo energético donde están aquellos electrones que pueden moverse libremente B. conducción •B. prohibida B. valencia B. conducción B. valencia B. conducción •B. prohibida B. valencia
- 6. El semiconductor I • B. prohibida << • 4 de valencia • Enlaces covalentes Conductor o aislante CARACTERÍSTICAS G e S i AsG a Otro s Histórico Principal Algunas aplicaciones específicas Poco usados
- 7. El semiconductor II •Átomo de Si •Electrón de valencia •Enlace covalente
- 8. El semiconductor III + energía •Térmica •Luminosa •Eléctrica •Etc. •Número electrones = •Numero de huecosElectrón libre Hueco Par electrón-hueco •RUPTURA Energía
- 9. El semiconductor IV •Arsénico •Antimonio •Fósforo •Etc. Átomo con 5 electrones de valencia •Aluminio •Boro •Galio •Etc. Átomo con 3 electrones de valencia Tipo N Tipo P Nº de portadores = Nº de impurezas
- 10. •La circulación tiene lugar en la banda de conducción = Los conductores V+ V-
- 11. •La circulación tiene lugar en la banda de valencia V+ V-
- 12. V+ V+V+ V- V- V-
- 14. MUCHOS P N P N MUCHOS P NP N
- 15. Al juntarse un y un desaparecen ambos, apareciendo la zona despoblada P N P N Zon a desp o- blad a
- 16. •Fuerza de la barrera de potencial •Fuerza de difusión P N r a d e p o t e n c i a l s e o p o •Impureza con 3 electrones •Impureza con 5 electrones •EQUILIBRIO
- 17. Los mino ritari os NO circul P N V •Para que circulen los portadores mayoritarios ha de ser V > la tensión de la Barrera de Potencial
- 18. Los mayorit arios NO circulan ,SE •Solo hay corriente de minoritarios •D = f(V) P N V D
- 19. P N V d C = * S d •C es la capacidad • es la constante dieléctrica •S es la superficie •d es la distancia El ancho de la zona despoblada se modifica con el valor de V
- 20. P V N I I V I = I0*(exp(V/n*VT) -1) •VT = KT/q •I0 = corriente inversa de saturación •q = carga del electrón: 1,6*10-19 culombios •K = constante de Boltzman: 1,36*10-23 J/ºK •T = Temperatura en grados Kelvin •n = constante empírica ( 1-germanio; 2-silicio)
- 21. COMPONENTES •El diodo ideal •Diodos reales •El diodo de unión P-N •El diodo zener •El fotodiodo •El LED •El Optoacoplador •La función transistor •El transistor bipolar •Transistores de efecto de campo -JFET -MOSFET DIODOS TRANSISTORES
- 22. I V I V Símbol o POLARIZACIÓN DIRECTA •R = 0 •Puede circular cualquier corriente POLARIZACIÓN INVERSA •R = •No hay corriente 8
- 23. OTROS DIODOS •De Gas •De Selenio •De Óxido de cobre •De Puntas de contacto •De Unión P-N Diodo de vacío
- 24. I V I V Símbol o P V N I V I VR VC VC = 0,7 en el Si VR = Tensión de ruptura
- 25. V I VZ VZ = Tensión de funcionamiento Izmáx I V Símbol o •El diodo zener está diseñado para trabajar en la zona de ruptura, siempre que no se sobrepase su intensidad máxima. •Existen en el mercado diodos zener con diversas tensiones de funcionamiento.
- 26. Circuito típico de regulación con zener VZ V Rs RL •El zener impide que la tensión en la resistencia de carga RL supere el valor de su tensión nominal. •El zener no puede impedir que la tensión baje por debajo de su tensión nominal. •La regulación la consigue absorbiendo más o menos corriente, en función de las características del circuito. La diferencia de tensión entre la alimentación y la carga se va a RS V I VZ Izmáx
- 27. •En polarización directa se comporta como un diodo normal. •En polarización inversa sólo conduce cuando le incide luz. •Al incidir la luz se rompen muchos enlaces y por tanto se incrementa el número de minoritarios que son los responsables de la corriente inversa. Símbol o Circuito típico con fotodiodo V RL I I V LuzLuz
- 28. Símbol o Circuito típico con LED V RL I Display de 7 segmentos Light Emitting Diode
- 29. V RL I V RL I •La ventaja fundamental de un optoacoplador es el aislamiento eléctrico entre el circuito de entrada y el de salida. •El único
- 30. •Actúa como un interruptor •Se usa en electrónica digital (ordenadores, etc) •Amplifica la señal de entrada •Se usa tanto en analógica como en digital entrada salida 3 terminales
- 31. NN PE B C Símbolo Estructura E B C N PPE B C Símbolo Estructura E B C NP N PN P •El transistor bipolar sustituyó con éxito a las válvulas de vacío. •Sus principales ventajas son: más pequeño, más barato, más fiable, menos consumo y mayor tiempo de vida. •Ha sido desplazado por los FET en la mayor parte de las aplicaciones de electrónica digital, pero sigue siendo competitivo en amplificación y en alta velocidad de conmutación.
- 33. E B C IC IB IE • Aplicando la 1ª ley de Kirchoff al transistor obtenemos: IE = IB + IC • El transistor tiene un comportamiento no lineal. Existen varios modelos para describir la relación entre las tensiones y corrientes que circulan por él. El más usado es el de Everst-Mole: IC = ßIB + (1 + ß)IC0 • Normalmente IC0 es despreciable con lo que la ecuación anterior se simplifica: IC ßIB • Por otra parte como ß siempre es mayor de 10 se deduce que IB es despreciable frente a IC, por lo que: IE IC
- 34. I C VCE IB 7 IB 6 IB 5 IB 4 IB 3 IB 2 IB 1 VC C CURVAS DE SALIDA Circuito típico de amplificación con un transistor
- 35. E B C IC IB IE E B C • El transistor bipolar es un dispositivo no lineal. Pero cuando trabaja en pequeña señal su comportamiento es aproximadamente lineal. • Existen diversos circuitos que representan bien el comportamiento lineal del transistor, los cuales permiten resolver los circuitos con transistores mediante la Teoría de Circuitos. • Uno de los más usados es el modelo simplificado de parámetros H en emisor común, que se representa a continuación:
- 36. FET: Field Effect Transistor FET JFET MOSFET Canal n Canal n Canal n Canal p Canal p Canal p •El FET es un dispositivo controlado en V •Se denominan transistores unipolares porque tienen un solo portador de carga •Tienen una gran impedancia de entrada •Producen poco ruido •Ocupan poco espacio •Tienen problemas a altas frecuencias acumulación despoblamiento
- 37. G D S N P P S G D Canal N G D S P N N S G D Canal P G D S •El JFET, al contrario que el bipolar, tiene la unión G-S polarizada en inverso. Esto determina que la corriente de entrada sea mucho más pequeña. Es tanto como decir que es un dispositivo con una gran impedancia de entrada. •El surtidor emite los portadores de carga y el drenador los recibe. •La polarización inversa de puerta permite hacer el canal más ancho o más estrecho.
- 38. Acumulación S DG N N P aislante conductor S S D D G G Canal N Canal P • En el Mosfet de acumulación no existe inicialmente canal. Este se crea mediante la polarización de puerta surtidor. En el de canal N esta polarización es positiva y en el de canal P es negativa.
- 39. Despoblamiento S DG N N P aislante conductor S S D D G G Canal N Canal P • En el Mosfet de despoblamiento existe canal inicial. Esto permite dos tipos de polarización en puerta (+ y - ). Con polarización positiva se incrementa el canal. Con polarización negativa se disminuye.
- 41. ¿Por qué? V 125/220 t V t V t V t varia ción V t varia ción Alimentación de red Es preciso convertir C.A./C.C. Circuitos electrónicos ¿Cóm o? C. A. C. C. Red Transformad or Rectificado r Filtro Regulador Circuitos analógicos
- 42. Rectificador v t Circuitos analógicos v t v t v t Media Onda Onda Completa Son los que se usan en la práctica Poco interés práctico
- 43. En el semiciclo positivo si hay corriente En el semiciclo negativo no hay corriente V 125/220 t V t V t Rectificador de media onda + - + - 125/220 125/220 Circuitos analógicos
- 44. El puente de diodos está constituido por cuatro diodos encapsulados juntos. El transformador deberá tener la relación de transformación adecuada a la tensión continua que se desee. V 125/220 t V t Rectificador de onda completa Circuitos analógicos V t 125/220 Puente de diodos ~ ~ + -
- 45. Filtros Circuitos analógicos Son circuitos electrónicos que permiten seleccionar, atenuar o eliminar señales de una determinada frecuencia. = Esto se consigue usando componentes cuya respuesta sea función de la frecuencia ZC= 1 jω C ZL=jω L Ejemplos
- 46. Tipos Básicos de Filtros Circuitos analógicos 1 t R fC2fC1 1 t R fC2fC1 Filtro Paso Banda 1 t R fC 1 t R fC Filtro Paso Alto 1 t R fC 1 t R fC Filtro Paso Bajo
- 47. CUESTIÓN PREVIA Circuitos analógicos RSe SS = Se * R Cuando una señal pasa por un circuito, la señal de salida se obtiene multiplicando la señal de entrada por la función de transferencia o respuesta del circuito.
- 48. ¿Cómo actúa un filtro? Circuitos analógicos Paso Banda 1 t R fC2fC1 Paso Alto 1 t R fC Paso Bajo 1 t R fC Sa ( f < fC1 ) Sb (fC1 < f < fC2 ) Sc ( f > fC2 ) Sa ( f < fC ) Sb ( f > fC ) Sa ( f < fC ) Sb ( f > fC ) Sa ( f < fC1 )* 0 = 0 Sb (fC1 < f < fC2 )* 1 = Sb (fC1 < f < fC2 ) Sc ( f > fC2 ) )* 0 = 0 Sa ( f < fC )* 0 = 0 Sb ( f > fC )* 1 = Sb ( f > fC ) Sa ( f < fC )* 1 = Sa ( f < fC ) Sb ( f > fC )* 0 = 0
- 49. Descomposición de señales Circuitos analógicos Cualquier señal se puede descomponer en la suma de una señal continua y un conjunto de señales senoidales V t Fourier Series Transformad a = V t
- 50. Ejemplo de descomposición de una señal periódica Circuitos analógicos = V t V t V t V t V t ++ + +
- 51. Filtros + Descomposición de Señales Circuitos analógicos V t Rectificado r F. Paso- bajo V t Señal Teórica V t Señal Real Extraer una señal de una determinada frecuencia.
- 52. Filtros + Descomposición de Señales Circuitos analógicos t V t VFiltro Paso- Alto Filtro Paso- Bajo Modificar las características de una señal. t V
- 53. SS=A· Se GV Ganancia en tensión GI Ganancia en intensidad Esquema Básico Circuitos analógicos Se SS A Señal de Entrad a V ó I Señal de Salida V ó I GANANCI A A
- 54. Ze-Impedanciade entrada Zs-Impedanciadesalida Esquema Básico Circuitos analógicos Ze ZS A Otros Parámetros Importantes Los amplificadores son circuitos básicos en la transmisión de señales electrónicas, pues permiten elevar el nivel de las mismas, bien para transmitirlas o bien para recuperar señales con unos niveles muy bajos de tensión.
- 55. Cadena de Amplificación Circuitos analógicos Transduc tor de entrada A1 A2 a n s d u c t o r d e s a l i d a Aunque la señal que manejan los amplificadores es electrónica, las señales inicial y final pueden ser cualquier tipo de señal física (presión, temperatura, humedad, óptica, etc.). Los transductores se encargan de hacer las correspondientes conversiones. Esto permite usar la electrónica en el procesamiento de cualquier magnitud física. Puedencolocarsetantos ampli- ficadorescomoseanecesario
- 56. Adaptación de impedancias Circuitos analógicos Transduc tor de entrada A1 A2 a n s d u c t o r d e s a l i d a Zs1 Ze2 Zs1=Ze2
- 58. Ejemplo de Sistema Realimentado Circuitos analógicos Mando a distanci a GRUA Posiciónde lacarretilla3º piso La señal de salida viene dada por la posición de la carretilla. La señal de entrada está determinada por el piso al que se desea subir la carretilla. El operario, con su vista, compara ambas señales y si no coinciden, actúa sobre el mando a distancia hasta hacerlas coincidir.
- 59. Circuito Básico Circuitos analógicos B + - A MEZCLADOR DESEÑALES AMPLIFICADO R REDDE REALIMENTACIÓN
- 60. Análisis Circuitos analógicos B + - A Se’ = Se - B * Ss B * Ss Se Ss Ss=Se’· A Ss=(Se-B·Ss) ·A A 1 + A · B Ss Se = Característica de transferencia del sistema Ar =
- 62. Tipos de Realimentación Circuitos analógicos POS ITIV A Ar>A Esta Realimentación favorece los cambios bruscos El sistema es muy inestable Interesa cuando se desean obtener transiciones muy bruscas de una señal, como por ejemplo al generar una onda cuadrada: V t
- 63. Tipos de Realimentación Circuitos analógicos OSC ILA DO RES Ar=A El sistema puede proporcionar una señal de salida sin tener señal de entrada Interesa esta realimentación para los generadores de señal. Se usa en los osciladores. Ss = ∞ Ss = 0 = Ss Se ∞
- 65. Usos del Amplificador Operacional Circuitos analógicos Ve=-R1·i1 Vs=-R2·i2 Vs Ve = -R2 R1 i1=i2 R1 R2 i1 i2 Ve Vs - + R2 Vs - + Ve -Vcc +Vcc Ve Vs
- 66. Tipos de Generadores Circuitos analógicos Señaldeentrada Oscilado r V t Señaldesalida senoidal