Componentes Electrónicos y Circuitos

José Fernández Goicochea jantoniofg@crece.uss.edu.pe
Electrónica y Electricidad Ind.
Componentes Electrónicos
Diodos, transistores

Componentes Electrónicos
• Diodos, Transistores, Tiristores
Análisis de circuitos con componentes electrónicos:
– Circuitos Rectificadores
– Conceptos de amplificación
– Ejercicios de Electrónica analógica

ELECTRÓNICA DE POTENCIA
Manipular la energía eléctrica
V
t
1 1
0 1
1 0
1 1
1 1
V
t
Tensiones de alimentación
± 12 V, +5 V, +3.3 V
Núcleo formativo
ELECTRÓNICA ANALÓGICA
Información analógica
ELECTRÓNICA DIGITAL
Información digital
INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA
Sensores, Adaptación medidas
Formación
Avanzada
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS
PROGRAMABLES
MPU, MCU, DSP, PLD
Formación
Avanzada
SISTEMAS
ELECTRÓNICO
S PARA
ILUMINACIÓN
Lámparas,
balastos,
iluminación
Tema
específico
COMPONENTES
ELECTRÓNICOS
Formación básica
Análisis de
circuitos
electrónicos
Base formativa
FORMACIÓN ELECTRÓNICA MÁXIMA DE UN INGENIERO INDUSTRIAL
Componentes Electrónicos y
Circuitos Integrados (CECI)
Ingeniería Electrónica,
Aspectos Tecnológicos

Componentes básicos: pasivos y fuentes
Resistencias
Condensadores
Inductancias o bobinas
Transformadores
Fuentes de alimentación (Tensión y corriente)
COMPONENTES ELECTRICOS Y ELECTRÓNICOS
Breve sumario
V A

ELEMENTOS AUXILIARES DE INTERÉS: RESISTENCIAS

Tipos de resistencias
• Resistencias dependientes: Varían su valor
automáticamente en función de alguna
magnitud física. Tendremos:
– Resistencias dependientes de la luz (LDR)
– Resistencias dependientes de la temperatura (PTC y
NTC)
– Resistencias dependientes del voltaje (VDR)

• Resistencias dependientes de la luz (LDR)
Su resistencia varía en función de la
luz que reciben, de forma que cuando
aumenta la cantidad de luz que incide
sobre ella, su resistencia disminuye;
es decir, cuanta más luz menos
resistencia. Tienen un encapsulado
transparente para que la luz llegue a
su interior. Se utilizan en detectores
por interrupción de luz, fotómetros,
interruptores crepusculares, etc.

• Resistencias dependientes de la temperatura
(PTC y NTC)
Su resistencia varía con la temperatura.
En las de coeficiente de temperatura
negativo o NTC, al aumentar la
temperatura disminuye la resistencia,
mientras que en las de coeficiente de
temperatura positivo o PTC, al aumentar
la temperatura también aumenta la
resistencia. Se utilizan en termómetros,
detectores de nivel de líquidos, alarmas
contra incendios, etc.

• Resistencias dependientes de la temperatura con
coeficiente de temperatura positivo (PTC)
Su resistencia varía con la
temperatura de tal manera que,
al aumentar la temperatura
también aumenta la resistencia.
Se utilizan en termómetros,
detectores de nivel de líquidos,
alarmas contra incendios, etc.

• Resistencias dependientes de la temperatura con
coeficiente de temperatura negativo (NTC)
Su resistencia varía con la
temperatura de tal manera que,
al aumentar la temperatura
disminuye la resistencia. Se
utilizan en termómetros,
detectores de nivel de líquidos,
alarmas contra incendios, etc.

• Resistencias (Símbolos)

DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS

Semiconductores elementales:
Germanio (Ge) y Silicio (Si)
Compuestos IV:
Si C y Si Ge
Compuestos III-V:
Binarios: Ga As, Ga P, Ga Sb, Al As, Al P, Al Sb, In As, In P y In Sb
Ternarios: Ga As P, Al Ga As
Cuaternarios: In Ga As P
Compuestos II-VI:
Zn S, Zn Se, Zn Te, Cd S, Cd Se y Cd Te

Sb
Ge
Ge
Ge
Ge
-
+
+
-
Cada átomo dopante aporta al cristal un electrón
libre.
Cada átomo dopante aporta un ión positivo fijo (no
se puede mover).
Al igual que en un semiconductor intrínseco habrá
pares electrón hueco generados a la forma
convencional.
No obstante, el número de huecos disminuirá
bastante, al tener un gran número de electrones
libres "pululando" por el cristal.
SEMICONDUCTORES TIPO N:
El Sb tiene 5 electrones en la última capa.
El Sb sustituye al Ge en la estructura cristalina.
Le queda un electrón ligeramente unido al átomo
del dopante.
Con muy poca energía (0.01 eV - 0.05 eV puede
liberarse.
A temperatura ambiente todos los átomos de Sb
han perdido su electrón.
El átomo de Sb está fijo en la estructura
cristalina y no se puede mover (no es un hueco)

SEMICONDUCTORES TIPO N:
+
+
+
+
+
Tipo N
Muchos electrones libres
Muy pocos Huecos
Iones positivos
Fijos en el cristal
No se pueden Mover
COMENTARIO: Darse cuenta que un trozo de Semiconductor N por si
solo tiene poca utilidad. Simplemente es un regular conductor (una
determinada resistencia)

In
Ge
Ge
Ge
Ge
- +
+
-
Cada átomo dopante aporta al cristal un
hueco.
Cada átomo dopante aporta un ión negativo
fijo (no se puede mover).
Al igual que en un semiconductor
intrínseco habrá pares electrón hueco
generados a la forma convencional.
No obstante, el número de electrones
disminuirá bastante, al tener un gran
número de huecos el cristal.
SEMICONDUCTORES TIPO P:
El In tiene 3 electrones en la última capa.
El In sustituye al Ge en la estructura
cristalina.
Le queda un enlace covalente "huerfano" de
electrón.
Con muy poca energía (0.01 eV - 0.05 eV
puede "robar" un electrón a un enlace
covalente vecino.
A temperatura ambiente todos los átomos de
In han "robado" un electrón.
El átomo de In está fijo en la estructura
cristalina y no se puede mover (no es un
electrón/carga libre)

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

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

DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES (PANORÁMICA)
DIODOS
TRANSISTORES
TIRISTORES
2 uniones PN
varias uniones PN
1 unión PN
Diodo Zener, Diodo LED,
Diodo Schottky, diodo Tunel
(Gunn), diodo Varicap
Bipolares,
Fototransistores,
Transistores
multiemisor, JFET
y MOSFET
SCR, TRIAc, DIAC, GTO
ASOCIACIÓN DE DISPOSITIVOS
IGBT, optoacoplador, Display, puentes rectificadores, Darlington
CIRCUITOS INTEGRADOS

EL DIODO
INTRODUCCION
El diodo ideal es un componente discreto que permite la circulación de corriente
entre sus terminales en un determinado sentido (se comporta como un
cable), mientras que la bloquea en el sentido contrario (se comporta como
un cable roto)
.
Resistencia nula
Resistencia nula

- Son unos semiconductores que permite el paso de
la corriente eléctrica en una única dirección.
- Tienen dos partes A ánodo (+) y K cátodo(-)
- En sentido Ánodo-Cátodo: se comporta como
interruptor cerrado
- En sentido Cátodo-Ánodo: se comporta como
interruptor abierto

Aproximaciones o modelos del diodo
En el modelo del diodo ideal se
equipara éste a un cortocircuito o a
un circuito abierto, según cómo
esté conectado.
R
I I
I
1ª aproximación: diodo ideal
R
V
I

Aproximación lineal (2ª)
Se considera que el diodo conduce sin
resistencia por encima de la tensión umbral, y
no conduce por debajo de la misma. Esto
equivale a considerar un diodo como un
interruptor o un diodo ideal en serie con un
receptor.
VU= 0.3 V para el diodo de Ge
VU= 0.7 V para el de Si.
mA3.5
1
7.060





kR
VV
I U
VU V
I
R=1k
V0 = 6V
I VU=0.7 V
R=1k
I
V0 = 6V

Aproximación lineal (3ª)
La 3ª aproximación es
un diodo ideal con una
resistencia en serie y
una fuente de tensión.
R=1k
V0 = 6V I
Rd = 500 
VU=0.7 V
mA5.3
5001000
7.060






R
VV
I U
R=1k
V0 = 6V I
-0,05
0,05
0,15
V (V)
I(mA)
Io
0,4 0,6 0,80,2 Vu
V = Vu + IRd
DV
DI
Rd = DV/DI

ID
VD
Diodo ideal
(1ª aproximación)
Tres modelos de diodo
ID
VD
RD
RDVU
VU
Modelo lineal
(3ª aproximación)
VU
ID
VDVU
Modelo simplificado
(2ª aproximación)

DIODOS ESPECIALES
Diodo Zener (Zener diode) La ruptura no es destructiva.
(Ruptura Zener).
En la zona Zener se comporta
como una fuente de tensión
(Tensión Zener).
Necesitamos, un límite de
corriente inversa.
Podemos añadir al modelo lineal
la resistencia Zener.
Aplicaciones en pequeñas
fuentes de tensión y
referencias.
I
V
Tensión
Zener
(VZ)
Límite máximo
Normalmente, límite
de potencia máxima

Diodo Zener
El diodo Zener funciona en
polarización inversa utilizando
el fenómeno de conducción por
ruptura o avalancha.
Para una tensión inversa dada,
llamada tensión Zener, ésta se
mantiene constante aunque la
corriente varíe.
En polarización directa
funciona como un diodo
normal.
Tensión Zener
Vz
V
I

Se debe a una fuerte generación de portadores en la
zona de transición debido a estas dos causas:
• Multiplicación por avalancha
• Ruptura Zener
Región Zener
En la práctica, ambos fenómenos se confunden. Se habla
de “zona zener” y de “tensión zener” y de “zona de
avalancha” y de “tensión de avalancha”.

Vz
R
V0 Vs
Vz


diodo Zener
V
I
R
V0 Vs< Vz

No conduce
Vs< Vz
Vz
R
V0 Vs= Vz
Vs= Vz
Conduce

Diodo Zener: aplicaciones
Vz=5V
R=1k
V0 = 6V I
Las tensiones Vz [3 - 20V]
mA1
k1
56
R
VV
I z0





P = VzI = 5V·1mA = 5 mW
Vs
Vs = VZ=
5V
t
V
t
V
Vs = Vz
Regulador de
tensión
Atenuador de
rizado
Vz
V0
Vs
Vrizada

DIODOS ESPECIALES
Diodo LED (LED diode) Diodo emisor de Luz = Light Emitter Diode
El semiconductor es un compuesto III-V (p.e. Ga As). Con la
unión PN polarizada directamente emiten fotones (luz) de una
cierta longitud de onda. (p.e. Luz roja)
A KA K

DIODOS ESPECIALES
Diodo Schottky (Schottky diode)
Unión Metal-semiconductor N. Produciéndose el llamado efecto
schottky.
La zona N debe estar poco dopada.
Dispositivos muy rápidos (capacidades asociadas muy bajas).
Corriente de fugas significativamente mayor.
Menores tensiones de ruptura.
Caídas directas mas bajas (tensión de codo  0.2 V).
Aplicaciones en Electrónica Digital y en Electrónica de Potencia
El efecto Schottky fue predicho
teóricamente en 1938 por Walter H. Schottky

ASOCIACIÓN DE DIODOS
DISPLAY
Diodo de alta tensión
(Diodos en serie)
Puente rectificador
+
-
+
-
Monofásico
Trifásico

APLICACIONES DE DIODOS
Detectores reflexión de espejo
Detectores reflexión de
objeto
Detectores de barrera

TRANSISTORES (Panorámica)
BIPOLARES
NPN
PNP
EFECTO DE
CAMPO
UNIÓN
METAL-OXIDO-
SEMICONDUCTO
R
CANAL N (JFET-N)
CANAL P (JFET-P)
CANAL N (MOSFET-N)
CANAL P (MOSFET-P)
TRANSISTORES
* FET : Field Effect Transistor

TRANSISTOR BIPOLAR NPN (NPN bipolar transistor)
N P N
Colector
(C)
Base
(B)
Emisor
(E)
C E
B
SÍMBOLO
Descubiertos
por Shockley,
Brattain y
Barden en 1947
(Laboratorios
Bell)
COMENTARIO:
Un símil podría ser un grifo de agua. La corriente de
base hace el papel del mando de grifo (aumentar la
máxima capacidad de agua - corriente- del grifo).
BASE

IC [mA]
VCE
IB [mA] =
0
10
20
C
E
B
303000
2000
1000
 = 100
CARACTERÍSTICAS DE UN TRANSISTOR NPN
ZONA DE SATURACIÓN:
Comportamiento como
interruptor cerrado.
ZONA DE TRANSISTOR INVERSO:
Emisor y colector intercambias papeles.
Podemos tener una INVERSA, que en el
dispositivo ideal consideraremos cero
ZONA DE CORTE:
Comportamiento como
interruptor abierto.
ZONA ACTIVA:
Comportamiento como
Fuente de Corriente.

TRANSISTOR BIPOLAR PNP (PNP bipolar transistor)
P N P
Colector
(C)
Base
(B)
Emisor
(E)
C E
B
SÍMBOLO
IC [mA]
VEC
IB [mA] =
0
10
20
303000
2000
1000
 = 100
COMENTARIO:
Un símil podría ser un grifo de agua. La corriente de
base hace el papel del mando de grifo (aumentar la
máxima capacidad de agua - corriente- del grifo).
BASE

FOTOTRANSISTOR (Phototransistor)
La luz (fotones de una cierta longitud de onda) al incidir en la zona de
base desempeñan el papel de corriente de base
C
E
El terminal de Base, puede estar presente o no.
No confundir con un fotodiodo.

ASOCIACIÓN DE TRANSISTORES
OPTOACOPLADOR
OBJETIVO:
Proporcionar aislamiento galvánico
y protección eléctrica.
Detección de obstáculos.
Conjunto fotodiodo + fototransistor

Análisis de circuitos con componentes electrónicos
Circuitos Rectificadores
Un circuito rectificador es un circuito que tiene la capacidad de
convertir una señal C.A. en una señal C.C. pulsante,
transformando así una señal bipolar en una señal monopolar.
Se tiene dos tipos de rectificación:
Rectificación de media onda
Rectificación de onda completa

EJEMPLO DE APLICACION DEL DIODO: RECTIFICACION
La energía eléctrica generada en las centrales de potencia es de tipo alterna
sinusoidal.
En ocasiones es necesario una tensión contínua.
Esquema general de la rectificación.
Vi: tensión de entrada.
Vo:tensión de salida.
RL: resistencia asociada al aparato o "carga" que se conecta al rectificador.

ESQUEMA BÁSICO. RIZADO DE LA ONDA DE SALIDA
VO = Vi -VON
Para Vi< 0 el diodo está en corte = no existe
corriente
Se intenta que esta onda de salida se
parezca lo más posible a una línea
horizontal.
Siempre existe desviación de la ideal. Se
cuantifica por el rizado de la onda de
salida

EL CONDENSADOR EN LOS RECTIFICADORES
Funcionamiento en vacío
VD ≤ 0. El diodo nunca
conducirá > C no descarga.

Funcionamiento en carga
Para vi entre 0<wt</2
I de carga del Condensador (muy pequeña).
I de la resistencia

Mientras el diodo esté en corte, la parte derecha del circuito se comporta
independientemente con respecto al generador.
Descarga de C a través de RL

Rectificador onda completa
En semiciclo positivo de la señal: VA es mayor que VC: D1 y D3 no conducen
Circuito equivalente

Rectificador de onda completa
durante los semiciclos negativos
Mejora con filtrado por
condensador

T
4
5T
4
vS
t
vE
vE
 vC
vE
 vC
T
4 3T
4
t
vS
vEA
vEB
vEA
 vC
vEB
 vC
• Filtro con rectificador de media onda
• Filtro con rectificador de onda completa

• Generador de tensión continua o fuente de alimentación
Una aplicación del diodo: el rectificador
220 V
50 Hz
6 V
50 Hz
5 V
Fuente de alimentaciónTransformador
Rectificador
Filtro
Regulador

Transistores

I-
--
e-
-
ColectorEmisor
Base
ColectorEmisor
Base
Base poco dopada
Emisor más dopado que colector
El transistor bipolar de unión (BJT)

p
r
E
pn
V V0
r
E
Unión no polarizada

similar a dos diodos con polarización directa
p
r
E
pn
V V0
r
E
IE IB IC
IB + IC = IE
El transistor polarizado (saturación)

p
r
E
pn
V
V0
r
E
IE = IC = IB = 0
similar a dos diodos con polarización inversa
El transistor polarizado (corte)

p
r
E
pn
r
E
(P) Emisor (P) Colector(N) Base
IE
IB
InB
IBB
InC
IpB
IC
BC II 
Transistor polarizado en forma activa

IE
IB
InB
IBB
InC
IpB
IC
BC inversa puede conducir si BE directa
Los huecos que se difunden de E a B llegan a C
 factor de gananciaBC II 
Transistor polarizado en forma activa

IE
IB
InB
IBB
InC
IpB
IB = -InC + IBB +InB IC = IpB - IBB + InCIE = IpB + InB
IC
IpB, huecos que por difusión
pasan del emisor a la base.
InB, electrones que pasan
de la base al emisor.
IBB, electrones procedentes del
circuito para cubrir las
recombinaciones.
InC, débil corriente de electrones del
colector a la base.

Hay 4 variables que dependen el tipo de conexión:
Vsalida, Ventrada, Isalida, Ientrada.
Base común
Variables:
VBE, VCB, IE, IC
E
B
C
Emisor común
Variables:
VBE, VCE, IB, IC
B
E
C B E
C
Colector común
Variables:
VCB, VCE, IB, IE
Configuraciones del transistor

RC
VCCIB = 1 mA
VBB
RB
n
C
B p
n
IC = 99 mA
IE = 100 mA
E100 %
99 %
1 %
99
E
c
I
I
RC
RB
VBE VCCVBB
VCE
IC
IB
Configuración en emisor común
E
C
B

RC
RB
VBEVBB
VCE
IC
VCC
E
C
B
Curva característica de entrada
IB
VBE
IB
0,7 V
VBE = VBB - IB RB
VBE  0,7 V

Curva característica de salida
VCE (V)
IC
IB = 20 µA
IB = 40 µA
IB = 60 µA(mA)RC
RB
VBEVBB
VCE
IC
VCC
E
C
B
IB
VCE = VCC - IC RC

Variables: VBE, VCE, IB, IC
RB
RC
+VCC
Vsalida
Ventrada
RC
RB
VBE VCCVBB
VCE
IC
IBVBE  0,7 V para silicio
IC = IB
VBE = VBB - IB RB
VCE = VCC - IC RC
IC
IB
Emisor común: variables

• En región activa: unión EB con polarización directa, BC con
polarización inversa. Aplicación en amplificación.
• En región de corte: las dos uniones polarizadas inversamente:
circuito abierto.
• En región de saturación: las dos uniones polarizadas
directamente: cortocircuito.
IB = 0 µA
IB = 40 µA
IB = 20 µA
IC(mA)
VCE (V)
 Región de saturación
 Región activa
 Región de corte
 

IB = 80 µA
IB = 60 µA
RC
RB
VBE
VCCVBB VCE

 Ruptura
Curvas características del transistor
CE

VBB (V) VCE (V) Ic (mA) IB (mA)
0,7 10 0 0
0,8 9,375 0,625 6,25
0,9 8,75 1,25 12,5
1 8,125 1,875 18,75
1,2 6,875 3,125 31,25
1,4 5,625 4,375 43,75
1,6 4,375 5,625 56,25
1,8 3,125 6,875 68,75
2 1,875 8,125 81,25
2,2 0,625 9,375 93,75
2,3 0 10 100
VBE = -IB RB+ VBB
RC =1 k
RB=16 k
VBE VCC=10 V
VBB = 2 V
VCE
IC
VCE
VCC = 10 V
C
CC
R
V
IB1
IB2
IB4
IB3
 = 100 VBE  0,7 V
VCE = VCC - IC RC = 10 - 8,125 = 1,875 V
A25,81
16000
7,02
m




B
BEBB
B
R
VV
I
Ic = IB = 8,125 mA
Q
Q
Q
Saturación
Corte
IC
IB
Regiónactiva
Línea de carga y punto de funcionamiento

V BE 0,7 V VCE (V) Ic (mA)
0 12,00 5,550 6,450
1000  12 0,00
100 k
 150
12 V
5 V
43,000 IB 43,00 µA 30,1 PEB 30,10 µW
6,450 Ic 6,45 mA 35,7975 PCE 35,80 mW
6,493 IE 6,49 mA PT 35,83 mW
5,550 VCE 5,55 V
4,850 VCB 4,85 V
V CC
V B
B
R B
R C
0
2
4
6
8
10
12
14
0 2 4 6 8 10 12 14
Vcc (V)
Ic(mA)
43,00 µA 6,45 mA
6,49 mA
5,55 V
E
C
B

VCE = -IC RC+ VCC
IC
VCE
Q
O
VCE IC RC
VCC
C
CECC
C
R
VV
I


C
CC
R
V
RC
RB
VBE
VCCVBB VCE
IB1
IB2
IB4
IB3

IC
VCE
IB1
IB2
IB4
IB3
RC
RB
VBE VCCVBB
VCE
IC
IB
VCC
C
CC
R
V
Punto de funcionamiento: IB

IC
VCE
IB1
IB2
IB4
IB3
RC
RB
VBE VCCVBB
VCE
IC
IB
VCC
1C
CC
R
V
2C
CC
R
V
3C
CC
R
V
Punto de funcionamiento: RC

IC
VCE
IB1
IB2
IB4
IB3
RC
RB
VBE VCCVBB
VCE
IC
IB
VCC3
C
CC
R
V 3
C
CC
R
V 2
C
CC
R
V 1
VCC2VCC1
Punto de funcionamiento: VCC

B E
B
C
IC
VCEVCC
Si VBB , IB = , IE IC = VCC/RC
zona de saturación
cortocircuito CE VCE = 0
Si VBB = 0 o < 0,7 V, IB = 0,
IE IC  0, VCE = VCC
Zona de corte
circuito abierto VCE = VCC
El transistor como conmutador

IE
IB
P
Emisor
P
Colector
N
Base
IC
RL
A
D
VEB V
E
B
C
gm : transconductancia
DVAD = RLDIC
D(-IC) = gm DVEB
mL
EB
AD
gR
V
V

D
D
Transistor de unión: amplificador

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