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LABORATORIO DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA
DQM 1
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UNIDAD PROFESIONAL CULHUACAN
M. en C. DONACIANO QUINTERO M.
INGENIERÍA
MECÁNICA
5º SEMESTRE
LABORATORIO
ELECTRÓNICA DE POTENCIA
LIBRO DE PRÁCTICAS
ALUMNO: _____________________________ GRUPO: ______
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA
DQM 2
ASIGNATURA: Laboratorio de Electrónica de Potencia SEMESTRE: Quinto , Ingeniería Mecánica..
PROGRAMA GENERAL
OBJETIVO GENERAL:
Fomentar el desarrollo de la creatividad e ingenio del alumno en el campo de la electrónica, elaborando en el laboratorio pruebas y experimentos con los diferentes componentes electrónicos para el control de potencia eléctrica.
CONTENIDO SINTÉTICO:
I Introducción al Laboratorio de Electrónica de Potencia y Soldadura de Componentes Electrónicos. II Armado de una Fuente de Alimentación Regulada a 5 volts. III Polarización y Prueba de Diodos Semiconductores. IV Polarización y Prueba de Transistores. V El Transistor como Interruptor o Multivibrador Ajustable.
(Flip Flop) VI Control de Potencia con DIAC. VII Control de Potencia con SCR. VIII Control de Potencia con TRIAC. IX Relee Electrónico de estado sólido, (La Interfase).
METODOLOGÍA:
En el laboratorio se comprobara lo expuesto en las clases de Teoría, para cada
práctica se deberá llevar el material solicitado previamente para su construcción
y pruebas.
Se proporcionará el conocimiento necesario para que el alumno pueda efectuar
futuros circuitos electrónicos de control al realizar estas prácticas y estar en
condiciones de elaborar un proyecto de aplicación.
ACREDITACIÓN Y EVALUACIÓN:
La primera evaluación será de las 4 primeras prácticas. La segunda evaluación será de las prácticas 5,6 y 7. La tercera evaluación será de las prácticas 8 y 9.
Participación activa en clase. Asistencia y Evaluación Total del libro de Prácticas.
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BIBLIOGRAFÍA Y CONTENIDO DEL LIBRO DE PRÁCTICAS:
Manual de Laboratorio de Electrónica de Potencia. Ing. Juan Manuel Jiménez Manual de Transistores, Tiristores y Diodos, R.C.A. edit. ARBÓ. Argentina. El ABC de la Electrónica STEREM. Electrónica Aplicada, Frost, John S. Experimentos 15 y 16, pag. 127 – 144. Boylestad Robert/ Nashelsky Louis, Electrónica Teórica de los Circuitos, Prentice-Hall Hispanoamericana, S.A. México, 1997, 949 p.p. Electrónica de Potencia. Apuntes. Prof. Donaciano Quintero M. IPN. ESIMEC.
A. NUEVE (9) PRÁCTICAS:
PRACTICA 1 INTRODUCCIÓN AL LABORATORIO DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA Y
SOLDADURA DE COMPONENTES ELECTRÓNICOS. PRACTICA 2
ARMADO DE UNA FUENTE DE ALIMENTACIÓN REGULADA A 5 VOLTS CC.
PRACTICA 3 POLARIZACIÓN Y PRUEBA DE DIODOS SEMICONDUCTORES
PRACTICA 4 POLARIZACIÓN Y PRUEBA DE DIODOS TRANSISTORES
PRACTICA 5 EL TRANSISTOR COMO INTERRUPTOR O MULTIVIBRADOR AJUSTABLE
(FLIP FLOP)
PRACTICA 6 CONTROL DE POTENCIA CON DIAC
PRACTICA 7 CONTROL DE POTENCIA CON SCR
PRACTICA 8 CONTROL DE POTENCIA CON TRIAC
PRACTICA 9 RELEE ELECTRÓNICO DE ESTADO SÓLIDO (LA INTERFASE)
B. DIAGRAMAS DE CIRCUITOS DE PRACTICAS EN PCB
(“PCB” PRINTED CIRCUIT BOARD) C. RESUMEN DE CAPÍTULOS DE APUNTES DE ELECTRÓNICA DE
POTENCIA DEL PROF. D. QUINTERO M.
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Fig. 1.1
INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA
ELECTRÓNICA
Según Millman y Seely.
La definición de Electrónica admitida más ampliamente es la realizada por Millman y Seely, posteriormente adaptada por el Institute of Radio Engineers (IRE): Según el “Institute of Radio Engineers” (IRE): "El campo de la Ciencia y la Ingeniería que trata de dispositivos electrónicos y de su utilización, entendiendo por dispositivo electrónico aquel en el que tiene lugar la conducción por electrones a través del vacío, de un gas o de un medio semiconductor." Según el Diccionario de la Real Academia Española: "La ciencia que estudia dispositivos basados en el movimiento de los electrones libres en el vacío, gases o semiconductores, cuando dichos electrones están sometidos a la acción de campos electromagnéticos”.
ELECTRÓNICA ANÁLOGA Y ELECTRÓNICA DIGITAL
ELECTRÓNICA ANÁLOGA:
Se encarga del estudio de las señales analógicas o señales continuas como todas aquellas que pueden tomar una infinidad de valores en un intervalo finito. También se rige por los denominados, circuitos análogos o lineales, llamados así porque la gran variedad de señales que se presentan, pero sobre todo, por la variación continua de los valores que la configuran (ver señales análogas). Hacen parte de la misma el análisis de los circuitos con diodos, con transistores, los amplificadores, y sus aplicaciones, etc.
La señal de la figura 1.1 así lo muestra, la magnitud de voltaje “E” que varía y depende en forma continua del tiempo, (variable “t”).
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Fig. 1.2
En términos estrictos; una magnitud de voltaje que representa a la señal en el tiempo, pudiendo tomar un valor de un conjunto infinito de valores en un instante de tiempo se dice, que es una representación Análoga.
Ejemplo: El velocímetro. La velocidad de un auto varia gradualmente sobre un intervalo continuo de valores, la velocidad del auto se puede variar entre valores de 0 y 100 Km./h.
Otros ejemplos de señales análogas pueden ser:
e-at cos wt
1 / a2 (at-1 + e-at)
Una Ecuación diferencial.
ELECTRÓNICA DIGITAL:
Se encarga del estudio de las señales digitales o discretas, las cuales son llamadas también como señales binarias y se refiere únicamente a una señal discreta (moderada) que solo puede tomar dos valores (0,1).
En términos estrictos: La magnitud de Voltaje “E” que representa a la señal en tiempo, puede tomar un valor de un conjunto finito y discreto de valores para un instante determinado de tiempo, esto es una representación digital. En la figura 1.2. E toma los valores 5 ó 0 Volts según la variación de t. Ejemplo: Reloj Digital. La hora varía continuamente pero la lectura del cronometro no cambia de la misma manera. Varía en etapas.
“Digital = Discreto” (reloj numerico) (paso a paso)
“Análogo = Continuo” (reloj de manecillas)
Otros ejemplos de señales digitales pueden ser:
Código Morse. (convierte las letras del alfabeto en grupos de puntos o rayas)
Señales codificadas en forma digital (ver la figura 1. 3). a. Binaria de polaridad única (fig. 1.3)
1 1 1
0 0 0 0 0
Figura No 1. 3. Señal digital binaria con polaridad única
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ELECTRÓNICA DE POTENCIA
Una definición es: El manejo y control óptimo de la Potencia Eléctrica, regulada, operada por componentes o dispositivos que integran Circuitos Electrónicos digitales o analógicos en baja tensión (110 - 220volts.
TABLA DE DATOS Y CONCEPTOS BÁSICOS
CÓDIGO DE COLORES DE RESISTENCIAS
Las bandas decorativas que tienen las resistencias para circuitos electrónicos, indican el valor de su resistencia en ohms. Los colores de estas tres bandas indican un valor específico, por ejemplo, ver la siguiente tabla:
COLOR 1ER BANDA 2DA. BANDA 3ER. BANDA (MULTIPLICADOR)
NEGRO 0 0 1 CAFÉ 1 1 10 ROJO 2 2 100 NARANJA 3 3 1000 AMARILLO 4 4 10 000 VERDE 5 5 100 000 AZUL 6 6 1 000 000 VIOLETA 7 7 GRIS 8 8 BLANCO 9 9 Algunas veces existe una cuarta banda que indica la tolerancia de la resistencia: Oro = + - 5%, Plata=+- 10%, Ninguna= +- 20%
Pulsador N.A. (Normalmente Abierto)
Superbásico. Es un botón que cierra el contacto eléctrico entre sus patillas al
oprimirse, pueden ser normalmernte cerrado o abierto por S1.
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Su representación en el diagrama del Arduino (centro arriba) está un poco complicada y se
utiliza poco, sin embargo el pulsador que normalmente se usa es el que esta abajo de esta.
En el gráfico de arriba a la derecha, el pulsador se conecta junto a la resistencia de 10K al pin
1 del Atmega8 para configurar la etapa de Reset tal como aquí se muestra. La bolita de 5 V
señala la salida del 7805.
PROTOBOARD (Tablilla para Experimentos)
El dispositivo más básico e importante, que permite conectar elementos electronicos e
interactuar con ellos facilmente, es la protoboard. Esta hecha para poder comunicar dos
elementos conductores (alambres, patitas de los dispositivos, fuentes de voltaje, etc.) sin necesidad de soldarlos, sino simplemente al introducirlos en dos o mas agujeros que por debajo estan interconectados. No todos los agujeros de la protoboard estan comunicados entre sí. El siguiente dibujo es un diagrama simple de su funcionamiento, las franjas grises muestran lo que serán lineas de conduccion separadas: tiras metalicas dobladas para sujetar y conectar los alambres.
Asi que en los agujero de la protoboard entraran las patitas o pines de las piezas para ser conectadas entre si. Entonces lo primero es familiarizarse con la interconexión vertical y horizantal de la tablilla, entender su funcionamiento basico y como se relaciona con otras areas, ademas de poder identificar sus partes y como es representada en el diagrama de ensamblaje.
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B.- CONSTRUCCIÓN DE PRÁCTICAS
Para la elaboración de las prácticas de la 2 a la 9, se pueden
seguir dos procedimientos, a saber:
B. 1- ARMADO DE PRÁCTICAS EN MADERA TIPO
PERFOCEL
1.- Se pueden elaborar los circuitos electrónicos sobre una placa
de madera de triplay tipo PERFOCEL.
1.1- De acuerdo al tamaño del circuito elija o seleccione la
dimensión de la placa de perfocel, que puede ser de las siguientes
características: 20 x 15, 20 x 10, 15 x 15, 15 x 10 cm, etc...
1.2- Segundo paso, deberá dibujar con un lápiz, el circuito sobre
el perfocel, dejando espacio en el encabezado para rotular los
datos generales.
1.3- Instalar los dispositivos activos y pasivos, usando tornillería
de 5/32 por 1 ½ pulgadas y/o alambre calibre 20 forrado de
hule, (ejemplo alambre para amarrar las bolsas de plástico para
el pan).
1.4- Alambrar y probar, parte por parte, hasta llegar a la
integración total, para su prueba final y calificación.
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NOTAS DE ADVERTENCIA:
a. En todos los casos se recomiendo checar la polaridad de los
componentes electrónicos antes de instalarlos (una falla normal
que tienen los alumnos es cuando la prueba final, no es
afirmativa, porque los dispositivos electrónicos se conectaron
con polaridad inversa).
b. Es importante grabar o marcar su nombre, grupo y fecha, sobre
la placa de su perfocel para evitar sustracciones.
B. 2- ARMADO DE PRÁCTICAS SOBRE PLACA
FENÓLICA
Esta placa está constituida de un emparedado de una resina
fenólica (62 H5 OH) (polímero) y una lámina de cobre, que al
marcarse el circuito sobre el cobre y pasarlo por un ácido se
queda solo el circuito marcado e impreso, listo para perforarlo y
soldar los dispositivos electrónicos correspondientes.
2.1 – De acuerdo al tamaño del circuito elija o seleccione la
dimensión de la placa FENOLICA, que puede ser de las siguientes
características: 20 x 15, 20 x 10, 15 x 15, 15 x 10 cm. etc.
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2.2 - Para grabar el circuito en la lámina de cobre será necesario
buscar un programa de cómputo para su elaboración, [hay otro
procedimiento usando MARCADOR como lápiz, CON TINTA
INDELEBLE, marca AZOR Signal, donde se traza o dibuja el
circuito, y se pasa por un acido llamado cloruroférrico (seguir
instrucciones en la hoja de Steren adjuntas) para eliminar todo
el cobre de la placa fuera del contorno de este trazo, pero como
es manual el procedimiento no tiene buena calidad].
PRINTED CIRCUIT BOARD “PCB”
Buscando un procedimiento que nos proporcione una alta calidad
en los circuitos impresos, se recomienda el programa: PCB
WIZARD 3.5 para elaborar cualquier circuito electrónico de estas
y otras prácticas. Posteriormente después de elaborar este
programa se comprueba su funcionamiento con un simulador
para demostrar su funcionamiento, este programa se llama
WIRELIVE.
Entonces empezaremos por buscar una computadora y descargar
el mencionado PROGRAMA. En estos apuntes de Laboratorio ya
se tienen las ocho correspondientes prácticas en PCB, como se
muestra a continuación, y por lo tanto, para poder abrirlos se
requiere descargar en su computadora este programa, utilizando
el buscador Goole con el título: DESCARGAR PCB WIZARD 3.5,
GRATIS”.
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En caso de no poder descargar por internet este programa, favor
de solicitar al profesor su liga, ejemplo:
livewire y pcb wizard(2).exe
Descargado este programa y con las prácticas en PCB en los
archivos de su computadora, abrir PCB Wizard y dar click en
FILE, OPEN, (ícono de una carpeta en amarillo) y aparecerá un
recuadro para buscar su práctica correspondiente, para realizar
las modificaciones personalizadas, en resumen se tiene:
1. DESCARGAR PROGRAMA Y PRÁCTICAS DE LABORATORIO EN PCB WIZARD, EN SU COMPUTADORA.
2. ABRIR PCB WIZARD, DAR CLICK EN ÍCONO DE PCB.
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3. DAR CLICK EN FILE, Y OPEN…, O EN VENTANA DEL ÍCONO DE LA CARPETA AMARILLA.
4. SELECCIONAR EL ARCHIVO Y LA PRÁCTICA CORRESPONDIENTE. EJEMPLO PRÁCTICA No 9 Y DAR CLICK EN ABRIR.
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PRÁCTICAS O DIAGRAMAS DE CIRCUITOS EN PCB
(PRINTED CIRCUIT BOARD “PCB”)
PRACTICA 2.pcb PRACTICA 3 Y 4.pcb
PRACTICA 5.pcb PRACTICA 6.pcb
PRACTICA 7.pcb PRACTICA 8.pcb
PRACTICA 9.pcb YA ABIERTAS ESTAS PRACTICAS SOLO SE REQUIERE PONER EL NOMBRE DEL
ALUMNO, LA FECHA Y EL GRUPO. CON EL SIGUIENTE PROCEDIMIENTO,
PARA MODIFICAR TEXTO:
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1.- Ubicar el nombre, dar doble clic izquierdo sobre el texto seleccionado para que aparezca un recuadro y cambiarlo (teclear su nombre, grupo, fecha y teclee O. K., ejecute GUARDAR).
2.- Otra opción, seleccione el texto por cambiar, se da clic derecho, sale un recuadro, seleccionar al final “propiedades”, se da clic y aparece recuadro “Copper Label”, selecciona “Caption:___”, y solo resta cambiar el nombre, o cualquier palabra para dar O.K. y guardar.
PRACTICA No 2
RECTIFICADORES DE MEDIA ONDA Y ONDA COMPLETA
PARA IMPRIMIR EN PLACA FENÓLICA
DIAGRAMA DE CIRCUITO EN PCB (PRINTED CIRCUIT BOARD “PCB”)
(MODIFICAR NOMBRE DE ALUMNO EN PROGRAMA PCB, ANTES DE IMPRIMIR LA COPIA EN WORD EN PAPEL COUCHE MATE).
EJEMPLO DE PRACTICA No 2, en circuito PCB, buscar programa.
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Una vez realizados los cambios en las prácticas elaboradas en el PROGRAMA EN PCB, copiarlas en una página en WORD.
PAPEL COUCHE
Hechos los cambios, panear (copiar) el circuito y pegarla en una hoja en Word, ajustar tamaño de acuerdo a la placa fenólica seleccionada y mandar imprimir en papel térmico COUCHE MATE, (más adelante se da la dirección para obtener copia), para
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posteriormente recortar, planchar, lavar y retirar cobre con ácido llamado cloruroférrico (seguir instrucciones en la hoja de Steren).
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INSTRUCTIVO PARA GRABAR CIRCUITO EN PLACA DE COBRE (FENÓLICA)
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PRACTICA No 3
POLARIZACIÓN Y PRUEBA DE DIODOS SEMICONDUCTORES
PRACTICA No 4
POLARIZACIÓN Y PRUEBA DE DIODOS TRANSISTORES PARA IMPRIMIR EN PLACA FENÓLICA
DIAGRAMA DE CIRCUITO EN PCB (PRINTED CIRCUIT BOARD “PCB”)
(MODIFICAR NOMBRE DE ALUMNO EN PROGRAMA PCB, ANTES DE IMPRIMIR LA COPIA EN WORD EN PAPEL COUCHE MATE).
EJEMPLO DE PRACTICA No 3 Y 4, en circuito PCB, buscar programa.
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PRACTICA No 5
EL TRANSISTOR COMO INTERRUPTOR O MULTIVIBRADOR
AJUSTABLE (FLIP FLOP)
PARA IMPRIMIR EN PLACA FENÓLICA
DIAGRAMA DE CIRCUITO EN PCB (PRINTED CIRCUIT BOARD “PCB”)
(MODIFICAR NOMBRE DE ALUMNO EN PROGRAMA PCB, ANTES DE IMPRIMIR LA COPIA EN WORD EN PAPEL COUCHE MATE).
EJEMPLO DE PRACTICA No 5, en circuito PCB, buscar programa.
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PRACTICA No 6
CONTROL DE POTENCIA CON DIAC
PARA IMPRIMIR EN PLACA FENÓLICA
DIAGRAMA DE CIRCUITO EN PCB (PRINTED CIRCUIT BOARD “PCB”)
(MODIFICAR NOMBRE DE ALUMNO EN PROGRAMA PCB, ANTES DE IMPRIMIR LA COPIA EN WORD EN PAPEL COUCHE MATE).
EJEMPLO DE PRACTICA No 6, en circuito PCB, buscar programa.
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PRACTICA No 7
CONTROL DE POTENCIA CON SCR
PARA IMPRIMIR EN PLACA FENÓLICA
DIAGRAMA DE CIRCUITO EN PCB (PRINTED CIRCUIT BOARD “PCB”)
(MODIFICAR NOMBRE DE ALUMNO EN PROGRAMA PCB, ANTES DE IMPRIMIR LA COPIA EN WORD EN PAPEL COUCHE MATE).
EJEMPLO DE PRACTICA No 7, en circuito PCB, buscar programa.
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PRACTICA No 8
CONTROL DE POTENCIA CON TRIAC
PARA IMPRIMIR EN PLACA FENÓLICA
DIAGRAMA DE CIRCUITO EN PCB (PRINTED CIRCUIT BOARD “PCB”)
(MODIFICAR NOMBRE DE ALUMNO EN PROGRAMA PCB, ANTES DE IMPRIMIR LA COPIA EN WORD EN PAPEL COUCHE MATE).
EJEMPLO DE PRACTICA No 8, en circuito PCB, buscar programa.
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PRACTICA No 9
RELEE ELECTRÓNICO DE ESTADO SÓLIDO (LA INTERFASE)
PARA IMPRIMIR EN PLACA FENÓLICA
DIAGRAMA DE CIRCUITO EN PCB (PRINTED CIRCUIT BOARD “PCB”)
(MODIFICAR NOMBRE DE ALUMNO EN PROGRAMA PCB, ANTES DE IMPRIMIR LA COPIA EN WORD EN PAPEL COUCHE MATE).
EJEMPLO DE PRACTICA No 9, en circuito PCB, buscar programa.
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C. RESUMEN
APUNTES DE TEXTO
ELECTRÓNICA DE
POTENCIA
PROF. DONACIANO QUINTERO MEJIA
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UNIDAD 1 INTRODUCCIÓN
ELECTRÓNICA Según el Diccionario de la Real Academia Española: "La ciencia que estudia dispositivos basados en el movimiento de los electrones libres en el vacío, gases o semiconductores, cuando dichos electrones están sometidos a la acción de campos electromagnéticos”.
ELECTRÓNICA ANÁLOGA: Se encarga del estudio de las señales analógicas o señales continuas como todas aquellas que pueden tomar una infinidad de valores en un intervalo finito, ejemplos: V / t, T/ t, S/ t , e-at cos wt, 1 / a2 (at-1 + e-at), una ecuación diferencial.
ELECTRÓNICA DIGITAL: Se encarga del estudio de las señales digitales o discretas, las cuales son llamadas también como señales binarias y se refiere únicamente a una señal discreta (moderada) que solo puede tomar dos valores (0,1), cerrado-abierto, etc..
ELECTRÓNICA DE POTENCIA Una definición es: El manejo y control óptimo de la Potencia Eléctrica, regulada, operada por componentes o dispositivos que integran Circuitos Electrónicos digitales o analógicos en baja tensión.
SISTEMAS NUMÉRICOS
Es un conjunto ordenado de símbolos o dígitos, reglas con las que se combinan, para representar cualquier cantidad numérica, Tabla 1.1. Pueden ser: Binario (base 2): 20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,210…..etc. Octal (base 8): 80,81,82,83,84,85,86,87,88,89,810…..etc. Decimal (base 10): 100,101,102,103,104,105,106,107,108,109,1010….etc. y Hexadecimal (base 16): 160,161,162,163,164,165,166,167,168,169,1610…..etc.
SISTEMA DECIMAL
Su origen lo encontramos en la India y fue introducido en España por los árabes. Su base es 10. Emplea 10 caracteres o dígitos diferentes para indicar una determinada cantidad: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. El valor de cada símbolo depende de su posición dentro de la cantidad a la que pertenece. Veámoslo con un ejemplo:
012
10 106103101136
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Definiciones: Digito: es la unidad mínima básica de una cifra del 0 al 9.
Bit: es un dígito binario, 0 ó 1, (binary digit). Byte: son 8 bits. Word: son 16 bits.
DIODOS Un diodo es un dispositivo semiconductor sencillo y se puede encontrar, prácticamente en cualquier circuito electrónico, es un rectificador de corriente alterna en directa. Constan de dos partes una llamada N y la otra llamada P, separados por una juntura también llamada barrera o unión.
1.1 UNIÓN PN
Es un material tipo N (carga negativa) formado por una base de germanio o silicio, dende se le ha añadido átomos con impurezas, en este caso impurezas que tienen cinco electrones (dopado, con electrones libres) de valencia (pentavalentes), como es el caso del arsénico, antimonio o el fósforo, y el material tipo P (carga positiva) formado mediante el dopado de un cristal puro de germanio o de silicio con átomos de impurezas que cuentan con tres electrones (huecos o receptores) de valencia como el boro, el galio y el indio, estos dos tipos de material P y N se unen para formar el diodo, originando el flujo de electrones al aplicarles un cierto voltaje (0.3 ó 0.7).
1.1.2 EL DIODO IDEAL
El termino ideal se refiere a que posee características perfectas en cualquier sentido, es un dispositivo de dos terminales, de forma ideal un diodo conducirá la corriente en la dirección definida por la flecha que se muestra en su símbolo y actuara como un circuito abierto ante cualquier intento por establecer corriente en la dirección opuesta.
1.1.3 POLARIZACIÓN y CARACTERÍSTICAS
En un diodo ideal que se toma como perfecto en un sentido (directo) rectifica y en sentido
inverso se comporta como un interruptor abierto, de acuerdo a su posición o polarización.
1.1.4 POLARIZACION
Polarización en inversa; condición en la cual una unión PN bloquea el paso de la
corriente.
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Polarización directa: Es cuando la corriente que circula por el diodo sigue la ruta de la flecha
(la del diodo), o sea del ánodo al cátodo. En este caso la corriente atraviesa el diodo con
mucha facilidad comportándose prácticamente como un corto circuito.
Diodo en polarización directa
Polarización inversa: Es cuando la corriente en el diodo desea circular en sentido opuesto a
la flecha (la flecha del diodo), o se del cátodo al ánodo. En este caso la corriente no atraviesa
el diodo, y se comporta prácticamente como un circuito abierto.
Diodo en polarización inversa
1.1.5 REGIÓN ZENER
Existe en punto en la grafica de corriente y voltaje del diodo donde al aplicar un exceso mayor
de voltaje se ocasiona un cambio drástico en las características, en este punto la corriente se
incrementa de manera muy rápida con una dirección opuesta a la que tiene la región de
voltaje positivo. El potencial de polarización inversa que provoca este cambio dramático de las
características del diodo se denomina potencia zener y le asignamos el símbolo Vz.
El potencial máximo de polarización inversa que pueda aplicarse antes de ingresar en la
región zener se denomina pico inverso PIV.
1.2 DIODO DE GERMANIO Y SILICIO
Los diodos de silicio cuentan con un PIV y un índice de corriente mayor, así como un rango
de temperatura más amplio que los diodos de germanio. Los niveles de PIV para el caso de
silicio se encuentran por 1000V mientras que el valor máximo para el germanio es de 400V. El
silicio puede utilizarse para aplicaciones en las cuales la temperatura pueda elevarse hasta
200 °C mientras que el germanio posee un nivel máximo mucho menor a 100°C. La
desventaja que tiene el silicio es la de mayor voltaje en polarización directa que requiere para
alcanzar la región de conducción. Este voltaje se encuentra alrededor de 0.7V para diodos de
silicio y 0.3V para diodos de germanio.
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1.2.1.- MODELO DE DIODO
El modelo matemático más empleado es el de Shockley (en honor a William Bradford
Shockley) que permite aproximar el comportamiento del diodo en la mayoría de las
aplicaciones. La ecuación que liga la intensidad de corriente y la diferencia de potencial es:
Donde: I es la intensidad de la corriente que atraviesa el diodo y VD la diferencia de tensión entre sus extremos. IS es la corriente de saturación q es la carga del electrón T es la temperatura absoluta de la unión k es la constante de Boltzmann n es el coeficiente de emisión, dependiente del proceso de fabricación del diodo y que suele adoptar valores entre 1 (para el germanio) y del orden de 2 (para el silicio).
1.2.2.- CARACTERÍSTICAS
Al estar polarizado en directa, el diodo actúa como un interruptor cerrado y al estar polarizado
en inversa opera como un interruptor abierto.
1.2.3 CORRIENTE DE DESPLAZAMIENTO Y DE DIFUSIÓN
CORRIENTE DE DESPLAZAMIENTO. En un semiconductor los huecos y electrones responden a un campo eléctrico desplazándose en direcciones opuestas. La movilidad de los electrones está relacionada con la temperatura. En los semiconductores la corriente eléctrica es el resultado del movimiento de ambas cargas, esto está asociado a dos fenómenos físicos, el primero es la corriente de Desplazamiento (fuga); esta se origina por el movimiento de las cargas cuando se aplica un campo eléctrico. Cuando las cargas son aceleradas por el campo eléctrico se produce un aumento de energía térmica, la cual va a fomentar el movimiento de las cargas en forma aleatoria. En segundo lugar tenemos el fenómeno de difusión; por regla las cargas de electrones y huecos, se mueven de regiones de mayor concentración a regiones de menor concentración para favorecer el equilibrio de las cargas; este movimiento genera una corriente proporcional a su concentración.
CORRIENTE DE DIFUSIÓN. Las concentraciones de impurezas (huecos y electrones) se desplazan u orientan formando regiones de polarización para lograr así obtener un equilibrio. En principio, de unir estos dos semiconductores comienza un movimiento de portadores, de una región a otra, se puede observar que los electrones o portadores mayoritarios de la región N pasan a la región P y
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viceversa. Este fenómeno se conoce como Difusión, el cual genera la corriente de difusión que es la suma de la corriente de huecos y electrones.
1.2.4 CARACTERISTICAS DE TRANSICIÓN Y DE DIFUSIÓN
En el diodo semiconductor PN existen dos efectos a considerar de capacitancia que se
presenta tanto en la polarización inversa como en la directa.
En la región de polarización inversa, se presenta la capacitancia de transición o de región de
agotamiento, mientras que para la región de polarización directa tendremos la capacitancia de
difusión o de almacenamiento.
1.2.5.- TIEMPO DE RECUPERACIÓN INVERSO
Debido al alto número de portadores en cada material P y N, la corriente del diodo
sencillamente se invierte y se mantiene en este nivel perceptible durante un periodo ts (tiempo
de almacenamiento), que requieren los portadores minoritarios para regresar a su estado de
portadores mayoritarios en el material opuesto, en esencia el diodo permanecerá en el estado
de circuito cerrado con una corriente inversa determinada por los parámetros de la red.
Eventualmente cuando esta fase de almacenamiento termine, la corriente reducirá su nivel
hasta alcanzar su nivel asociado con el estado de no conducción. En este segundo periodo se
representa por tt (intervalo de transición) el tiempo de recuperación inverso será la suma de
dos intervalos. trr = ts + tt.
1.2.6.- EFECTOS DE LA TEMPERATURA
La temperatura puede ejercer un efecto marcado sobre las características de un diodo
semiconductor de silicio, de forma experimental se ha encontrado que la magnitud de la
corriente de saturación inversa Is se incrementa en una proporción doble por cada 10°C en la
temperatura. Para el silicio, los valores de Is son mucho menores que para el germanio a
niveles de corriente y de potencia similares.
1.3.- RECTIFICACIÓN DE MEDIA ONDA Y ONDA COMPLETA
Rectificación de media onda en un circuito que convierte el voltaje de entrada de una onda
senoidal de ca en un voltaje fluctuante de cd en el que ocurre una pulsación por cada ciclo de
entrada.
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Rectificación de onda completa en un circuito que convierte el voltaje de entrada de una onda
sinusoidal de ca en un voltaje fluctuante de cd en el que ocurren dos pulsaciones por cada
ciclo de entrada.
1.3.1.- FUENTES DE ALIMENTACIÓN
Debido a su capacitancia para conducir corriente en una dirección e impedir el paso de
corriente en la dirección opuesta, los diodos se utilizan en circuitos denominados
rectificadores que convierten voltaje de ca en voltaje de cd. Los rectificadores se encuentran
en todas las fuentes de alimentación de cd que operan a partir de una fuente de voltaje de ca.
1.3.2.- REGULACIÓN DE VOLTAJE
Las dos categorías fundamentales de regulación de voltaje son la regulación de línea y la
regulación de carga. La regulación de línea mantiene un voltaje de salida casi constante
cuando varía el voltaje de entrada. La regulación de carga mantiene un voltaje de salida casi
constante cuando varia la carga.
1.4.-OTROS TIPOS DE DIODOS
DIODO EMISOR DE LUZ (LED)
La conversión de energía en luz se realiza con diodos emisores llamados LED´s, que por sus
siglas en ingles:
"Light-Emitting Diodes" que se emplean por lo general en pantallas de visualización de
algunos aparatos, en la actualidad por su muy bajo consumo de energía eléctrica y alta
intensidad luminosa, su aplicación se está desarrollando en la Iluminación domestica,
ornamental, e industrial.
Entonces el LED es un diodo que produce luz visible (o invisible, infrarroja) cuando se
encuentra polarizado. El voltaje de polarización de un LED varía desde 1.8 V hasta 2.5 V, y la corriente necesaria para que emita la luz varía desde 8 mA hasta los 20 mA.
1.4.- DIODOS INDUSTRIALES
DIODO DE POTENCIA Uno de los dispositivos más importantes de los circuitos de potencia son los diodos, aunque tienen, entre otras, las siguientes limitaciones: son dispositivos unidireccionales, no pudiendo circular la corriente en sentido contrario al de conducción. El único procedimiento de control es invertir el voltaje entre ánodo y cátodo y se abre el circuito bajo protección.
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Los diodos de potencia se caracterizan porque en estado de conducción, deben ser capaces
de soportar una alta intensidad con una pequeña caída de tensión. En sentido inverso, deben
ser capaces de soportar una fuerte tensión negativa de ánodo con una pequeña intensidad de
fugas.
RESUMEN
UNIDAD 2
TRANSISTORES Y TIRISTORES
2.1 TRANSISTOR BIPOLAR
El transistor bipolar fue inventado en Diciembre de 1947 en el Bell Telephone Laboratories por John Bardeen y Walter Brattain bajo la dirección de William Shockley.
El transistor bipolar es el más común de los transistores, y como los diodos, puede ser de germanio o silicio.
2.1.1 TIPOS DE TRANSISTORES BIPOLARES
Existen dos tipos transistores: el NPN y el PNP, y la dirección del flujo de la corriente en cada caso, lo indica la flecha que se ve en el gráfico de cada tipo de transistor.
El transistor es un dispositivo de 3 patillas con 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.
Transistor NPN Transistor PNP
Un transistor de unión bipolar está formado por dos Uniones PN en un solo cristal semiconductor, separados por una región muy estrecha. De esta manera quedan formadas tres regiones que son: emisor, base y colector.
El transistor bipolar de juntura, a diferencia de otros transistores, no es usualmente un dispositivo simétrico. Esto significa que intercambiando el colector y el emisor hacen que el transistor deje de funcionar en modo activo y comience a funcionar en modo inverso.
2.1.2 EL SÍMBOLO DE UN TRANSISTOR NPN NPN es uno de los dos tipos de transistores bipolares, en los cuales las letras "N" y "P" se refieren a los portadores de carga mayoritarios dentro de las diferentes regiones del transistor.
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2.1.3 EL SÍMBOLO DE UN TRANSISTOR PNP
El otro tipo de transistor bipolar de juntura es el PNP con las letras "P" y "N" refiriéndose a las cargas mayoritarias dentro de las diferentes regiones del transistor. Pocos transistores usados hoy en día son PNP, debido a que el NPN brinda mucho mejor desempeño en la mayoría de las circunstancias.
Regiones operativas del transistor.
Los transistores bipolares de juntura tienen diferentes regiones operativas, definidas principalmente por la forma en que son polarizados:
Región activa: En esta región la corriente de colector (Ic) depende principalmente de la corriente de base (Ib), de β (ganancia de corriente, es un dato del fabricante) y de las resistencias que se encuentren conectadas en el colector y emisor. Esta región es la más importante si lo que se desea es utilizar el transistor como un amplificador de señal.
Región inversa:
En este modo, las regiones del colector y emisor intercambian roles. Debido a que la mayoría de los TBJ son diseñados para maximizar la ganancia de corriente en modo activo, el parámetro beta en modo inverso es drásticamente menor al presente en modo activo.
Región de corte: Un transistor esta en corte cuando:
Corriente de colector = corriente de emisor = 0, (Ic = Ie = 0)
En este caso el voltaje entre el colector y el emisor del transistor es el voltaje de alimentación del circuito. (Como no hay corriente circulando, no hay caída de voltaje, ver Ley de Ohm). Este caso normalmente se presenta cuando la corriente de base = 0 (Ib =0)
Región de saturación: Un transistor está saturado cuando:
Corriente de colector = corriente de emisor = corriente máxima, (Ic = Ie = Imáxima)
2.1.4 CONFIGURACIONES DEL TRANSISTOR BIPOLAR.
El transistor consta de un sustrato (usualmente silicio) y tres partes dopadas artificialmente (contaminadas con materiales específicos en cantidades específicos) que forman dos uniones bipolares, el emisor que emite portadores, el colector que los recibe o recolecta y la tercera, que está intercalada entre las dos primeras, modula el paso de dichos portadores (base).
Hay tres tipos de configuraciones típicas en los transistores, cada una de ellas con características especiales que las hacen mejor para cierto tipo de aplicación, y se dice que el transistor no está conduciendo. Normalmente este caso se presenta cuando no hay corriente de base (Ib = 0)
- Emisor común
- Colector común
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- Base común
El amplificador seguidor emisor, también llamado colector común, es muy útil pues tiene una impedancia de entrada muy alta y una impedancia de salida baja.
2.1.5 CONFIGURACIÓN DE BASE COMÚN
Para la configuración de base común con transistores PNP y NPN. La terminología de la base común se deriva del hecho de que la base es común tanto a la entrada como a la salida de la configuración.
En la región activa la unión base - colector se polariza inversamente, mientras que la unión emisor - base se polariza directamente.
La corriente ICO real es tan pequeña (microamperios) en magnitud si se compara con la escala vertical de IC = 0.
En la región de corte, tanto la unión base - colector como la unión emisor - base de un transistor tienen polarización inversa.
En la región de saturación, tanto la unión como la del emisor - base están en polarización directa.
Figura. Símbolos utilizados con la configuración común: a) transistor PNP; b) transistor NPN.
Figura. Corriente de saturación inversa.
2.1.6 CONFIGURACIÓN DE COLECTOR COMÚN
La configuración de colector común se utiliza sobre todo para propósitos de acoplamiento de impedancia, debido a que tiene una alta impedancia de entrada y una baja impedancia de salida,
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DQM 81
contrariamente a alas de las configuraciones de base común y de un emisor común.
Figura: Configuración de colector común utilizado para propósitos de acoplamiento de impedancia.
2.1.7 CONFIGURACIÓN DE EMISOR COMÚN
Se le denomina configuración de emisor común debido a que el emisor es común o hace referencia a las terminales tanto de entrada como de salida (en este caso, es común tanto a la terminal de base como a la de colector). Se necesitan dos conjuntos de características para describir por completo el comportamiento de la configuración de emisor común: uno para el circuito de entrada o base-emisor y otro para el circuito de salida o colector-emisor.
En la región activa de un amplificador de base común la unión del colector-base se encuentra polarizada inversamente, mientras que la unión base-emisor se encuentra polarizada directamente.
Para propósitos de amplificación lineal (la menor distorsión), el corte para la configuración de emisor común se definirá mediante IC = ICEO.
a) b)
Símbolos utilizados con la configuración de emisor común: a) transistor npn; b) transistor PNP.
2.1.8 DISEÑO DE CIRCUITOS CONMUTADORES
CONSIDERACIONES EL DISEÑO DE CIRCUITOS DE CONMUTACIÓN
El concepto básico en este tipo de circuitos es el de un cambio discreto de estado. Este cambio puede tomar la forma de cambio de voltaje, cambio de corriente, o ambos. Se puede emplear para llevar a cabo operaciones lógicas como en una computadora o para transferir energía como en los excitadores de relevador y en reguladores de conmutación.
Son considerados solamente dos estados en los circuitos de conmutación con transistores, el estado de apertura (ON) y el de cierre (OFF). En los circuitos saturados el estado de apertura está caracterizado por un voltaje de colector muy bajo y la corriente relativamente grande para el colector, mientras que en el estado de cierre ocurre exactamente lo contrario. La selección de voltajes y componentes que permiten este cambio se denominarán procedimiento de diseño de d-c.
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Los valores máximo y mínimo de los parámetros del transistor, se obtienen de las hojas de datos. Los valores máximo y mínimo de la resistencia y la fuente de poder son determinados mediante las siguientes relaciones:
)1(
)1(
)min(
)min(
alno
alno
XX
XX
2.1.9 ESTADO DE CORTE
El estado de corte es el punto en el que la recta de carga corta a la zona de corte de las curvas de salida. Como la corriente de colector en corte es muy pequeña, el punto de corte es casi idéntico al extremo inferior de la recta de carga. En lo sucesivo, supondremos que el punto de corte es aproximadamente igual al extremo inferior de la recta de carga.
Hay un proceso simple para hallar la tensión de corte. En el transistor de la figura 23 visualicemos un circuito abierto interno entre el colector y el emisor. Como no circula corriente en la resistencia de colector para esta situación de circuito abierto, los 15 V de la fuente de polarización de colector aparecerán en el terminal del colector. Así, la tensión entre el colector y masa será igual a 15 V. Como el emisor esta puesto a masa, la tensión colector-emisor tiene el mismo valor que la tensión colector a masa.
VCE = 15 V
La fórmula para la tensión de corte en la figura descrita es
VCE (corte) = VCC
2.1.10 ESTADO DE SATURACION
Estado de una cámara de ionización en la que prácticamente todos los iones formados son capturados (sin alcanzar la fase de multiplicación debida al gas). Este estado se alcanza cuando la diferencia de potencial entre los electrodos es suficientemente elevada (tensión de saturación).
En la región de conducción, el transistor está ya sea en estado de saturación o en estado de quasi-saturación. La transición de la región lineal al estado de saturación no es abrupta, existe una región de quasi-saturación, en la cual V decrece con el incremento de corriente de base, y en ésta no es válido el concepto de ganancia de corriente.
2.1.11 OPERACIÓN CON CARGAS
Se describirá la operación básica del transistor utilizando el transistor PNP, operación del transistor NPN es exactamente la misma que si intercambiaran las funciones que cumplen el electrón y el hueco. En la figura, se dibujo de nuevo el transistor PNP sin la polarización base - colector. El espesor de la región de agotamiento se redujo debido a la polarización aplicada,
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lo que da por resultado un flujo muy considerable de portadores mayoritarios desde el material tipo p hacia el tipo n.
Unión con polarización directa de un transistor pnp.
Una unión p-n de un transistor tiene polarización inversa, mientras que la otra tiene polarización directa.
2.1.12 RESISTIVIDAD
Se le llama resistividad al grado de dificultad que encuentran los electrones en sus desplazamientos. Se designa por la letra griega rho minúscula (ρ) y se mide en ohms por metro (Ω·m, a veces también en Ω·mm²/m).
Su valor describe el comportamiento de un material frente al paso de corriente eléctrica, por lo que da una idea de lo buen o mal conductor que es. Un valor alto de resistividad indica que el material es mal conductor mientras que uno bajo indicará que es un buen conductor.
IMPEDANCIA
La impedancia es una magnitud que establece la relación (cociente) entre la tensión y la intensidad de corriente. Tiene especial importancia si la corriente varía en el tiempo, en cuyo caso, ésta, la tensión y la propia impedancia se notan con números complejos o funciones del análisis armónico.
El formalismo de las impedancias consiste en unas pocas reglas que permiten calcular circuitos que contienen elementos resistivos, inductivos o capacitivos de manera similar al cálculo de circuitos resistivos en corriente continua. Esas reglas sólo son válidas en los casos siguientes:
Si estamos en régimen permanente con corriente alterna sinusoidal. Es decir, que todos los generadores de tensión y de corriente son sinusoidales y de misma frecuencia,
Si todos los componentes son lineales. Es decir, componentes o circuitos en los cuales la amplitud (o el valor eficaz) de la corriente es estrictamente proporcional a la tensión aplicada.
CAPACITANCIA
La capacidad o capacitancia es una propiedad de los condensadores. Esta propiedad rige la relación existente entre la diferencia de potencial existente entre las placas del capacitor y la carga eléctrica almacenada en este mediante la siguiente ecuación:
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Cabe destacar que la capacidad es siempre una cantidad positiva y que depende de la geometría del capacitor considerado
Cuanto mayor sea la constante dieléctrica del material no conductor introducido, mayor es la capacidad.
Inductancia
En un Inductor o bobina, se denomina inductancia, L, a la relación entre el flujo magnético, y la intensidad de corriente eléctrica, I:
El flujo que aparece en esta definición es el flujo producido por la corriente I exclusivamente. No deben incluirse flujos producidos por otras corrientes ni por imanes situados cerca ni por ondas electromagnéticas.
La inductancia siempre es positiva, salvo en ciertos circuitos electrónicos especialmente concebidos para simular inductancias negativas.
De acuerdo con el Sistema Internacional de Medidas, si el flujo se expresa en weber y la intensidad en amperio, el valor de la inductancia vendrá en henrio (H).
Los valores de inductancia prácticos van de unos décimos de nH para un conductor de 1 milímetro de largo hasta varias decenas de miles de Henrios para bobinas hechas de miles de vueltas alrededor de núcleos ferromagnéticos.
El término "inductancia" fue empleado por primera vez por Oliver Heaviside en febrero de 1886, mientras que el símbolo L se utiliza en honor al físico Heinrich Lenz.
REACTANCIA
Reactancia Se denomina Reactancia a la impedancia ofrecida, al paso de la corriente alterna, por un circuito en el que solo existen inductores (bobinas) o capacitancias (condensadores) puras, esto es, sin resistencias. Composición R-L-C (resistencia, inductor y capacitor).
En el análisis de circuitos R-L-C, la reactancia, representada como (X) es la parte imaginaria del número complejo que define el valor de la impedancia, mientras que la resistencia (R) es la parte real de dicho valor.
Dependiendo del valor de la reactancia se puede decir que el circuito presenta reactancia capacitiva, cuando X<0, reactancia inductiva, cuando X>0 o es puramente resistivo, cuando X=0.
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2.2 TEORÍA Y OPERACIÓN DE LOS SCR. Un rectificador controlado de silicio (SCR, rectificador controlado de silicio) es un dispositivo de tres terminales usado para controlar corrientes más bien altas para una carga. El símbolo esquemático del SCR se presenta en la figura:
Símbolo esquemático y nombres de las terminales de un SCR.
Un SCR actúa a semejanza de un interruptor. Cuando esta encendido (ON), hay una trayectoria de flujo de corriente de baja resistencia del ánodo al cátodo. Actúa entonces como un interruptor cerrado. Cuando está apagado (OFF), no puede haber flujo de corriente del ánodo al cátodo. Por tanto, actúa como un interruptor abierto. Dado que es un dispositivo de estado só1ido, la acción de conmutación de un SCR es muy rápida.
Si la señal de la compuerta es cambiada para hacer que el SCR este en ON por un periodo más largo del tiempo, entonces la corriente de carga promedio será mayor. Esto es porque la corriente ahora puede fluir de la fuente, a través del SCR, y a la carga, por un tiempo relativamente mayor. De esta manera, la corriente para la carga puede variarse ajustando la porci6n del tiempo del ciclo que el SCR permanece encendido.
Figura. Relación de circuito entre la fuente de voltaje, un SCR y la carga
Como lo sugiere su nombre, el SCR es un rectificador, por lo que pasa corriente sólo durante los semiciclos positivos de la fuente de CA. El semiciclo positivo es el semiciclo en que el ánodo del SCR es más positivo que el cátodo. Durante la otra mitad del ciclo, la polaridad de la fuente es negativa, y esta polaridad negativa hace que el SCR tenga polarización inversa, evitando el paso de cualquier corriente a la carga.
2.2.1 CARACTERÍSTICAS DE LOS SCR.
Características de la compuerta de los SCR
Un SCR es disparado por un pulso corto de corriente aplicado a la compuerta. Esta corriente de compuerta (IG) fluye por la unión entre la compuerta y el cátodo, y sale del SCR por la terminal del cátodo.
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2.3 DIAC El DIAC (Diodo para Corriente Alterna) es un dispositivo semiconductor de dos conexiones. Es un diodo bidireccional disparable que conduce la corriente sólo tras haberse superado su tensión de disparo, y mientras la corriente circulante no sea inferior al valor característico para ese dispositivo.
2.3.1 TIPOS Y CARACTERÍSTICAS. El comportamiento es fundamentalmente el mismo para ambas direcciones de la corriente. Los DIAC son una clase de tiristor, y se usan normalmente para disparar los TRIAC, otra clase de tiristor.
Existen dos tipos de DIAC:
DIAC de tres capas: El dispositivo permanece bloqueado hasta que se alcanza la tensión de avalancha en la unión del colector. Esto inyecta corriente en la base que vuelve el transistor conductor, produciéndose un efecto regenerativo. Al ser un dispositivo simétrico, funciona igual en ambas polaridades, intercambiando el emisor y colector sus funciones.
DIAC de cuatro capas. Consiste en dos diodos Shockley conectados en antiparalelo, lo que le da la característica bidireccional.
2.4 TRIAC Un TRIAC o Tríodo para Corriente Alterna es un dispositivo semiconductor, de la familia de los transistores. La diferencia con un tiristor convencional es que éste es unidireccional y el TRIAC es bidireccional. De forma coloquial podría decirse que el TRIAC es un interruptor capaz de conmutar la corriente alterna.
2.4.1 CARACTERÍSTICAS
Su versatilidad lo hace ideal para el control de corrientes alternas. Una de ellas es su utilización como interruptor estático ofreciendo muchas ventajas sobre los interruptores mecánicos convencionales.
Cuando un TRIAC se aplica voltaje de manera súbita con la compuerta apagada, el tiristor cambia su condición de desactivación a la de activación.
2.4.2 ARREGLO RC PARA PROTECCIÓN DEL TRIAC
Cuando un TRIAC se aplica voltaje de manera súbita con la compuerta apagada, el tiristor cambia su condición de desactivación a la de activación. Si la fuente de alimentación es un voltaje de CD, el tiristor puede continuar en el estado de conducción anterior hasta que se produce una interrupción del circuito. Para ello se usa un circuito amortiguador o de frenado, el cual consta de una resistencia conectada en serie con un capacitor que se coloca en paralelo con el tiristor.
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RESUMEN
UNIDAD 3
SENSORES
Un transductor es un dispositivo capaz de transformar o convertir un determinado tipo de energía de entrada, en otra diferente de salida. El nombre del transductor ya nos indica cual es la transformación que realiza, aunque no necesariamente la dirección de la misma. Es un dispositivo usado principalmente en las ciencias eléctricas para obtener la información de entornos físicos y conseguir (a partir de esta información) señales o impulsos eléctricos o viceversa.
Un transductor es un dispositivo que transforma un tipo de variable física (por ejemplo,
fuerza, presión, temperatura, velocidad, etc.) en otro.
Un sensor es un transductor que se utiliza para medir una variable física de interés.
Algunos de los sensores y transductores utilizados con más frecuencia son los calibradores de tensión (utilizados para medir la fuerza y la presión), los termopares (temperaturas), los velocímetros (velocidad).
Los transductores analógicos proporcionan una señal analógica continua, por ejemplo voltaje o corriente eléctrica. Esta señal puede ser tomada como el valor de la variable física que se mide.
Los transductores digitales producen una señal de salida digital, en la forma de un conjunto de bits de estado en paralelo o formando una serie de pulsaciones que pueden ser contadas. En una u otra forma, las señales digitales representan el valor de la variable medida. Los transductores digitales suelen ofrecer la ventaja de ser más compatibles con las computadoras digitales que los sensores analógicos en la automatización y en el control de procesos
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El objetivo del elemento de detección es responder a la magnitud o cambio en dicha magnitud de la cantidad que se este midiendo. La respuesta del sensor toma la forma de una señal de salida cuya magnitud es proporcional a la magnitud de la cantidad que se este midiendo.
Los detectores capacitivos, Se basan en la variación de capacidad que se produce en un condensador al desplazarse una de sus placas por la aplicación de presión La placa móvil tiene forma de diafragma y se encuentra situada entre dos placas fijas. De este modo se tienen dos condensadores uno de capacidad fija o de referencia y el otro de capacidad variable, que pueden compararse en circuitos oscilantes o bien en circuitos de puente de Wheatstone alimentados con corriente alterna.
Los detectores inductivos, en los que el desplazamiento de un núcleo móvil dentro de una bobina aumenta la inductancia de esta en forma casi proporcional a la porción metálica del núcleo contenida dentro de la bobina.
3.1 Transductores
El termino de sensor se refiere a un elemento que produce una señal relacionada con la
cantidad que se esta midiendo. Con frecuencia se utiliza el término de transductor en vez de
sensor. El transductor es el elemento que al someterlo a un cambio físico experimenta un
cambio relacionado a un parámetro eléctrico o condición mecánica. Por lo tanto se considera
que un transductor es un sensor.
3.1.1 Transductores de Presión
Un transductor para medir fuerza se basa en el empleo de deformímetros de resistencia
eléctrica para monitorear la deformación de cierto elemento cuando este se estira, se
comprime o se llega a doblar por la aplicación de una fuerza.
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3.1.2 Transductores de humedad (Termopares)
Cuando dos metales se unen, en el sitio de unión se produce una diferencia de potencial. Esta
depende de los metales utilizados y la temperatura de la unión. Los termopares constituyen
circuitos completos en los que hay este tipo de uniones. Si ambas uniones están a la misma
temperatura no existe fuerza electromotriz neta. En cambio si la temperatura es diferente, si
se produce una fuerza electromotriz. ( fem.)
3.2 Detectores
Es el elemento de detección (o sensor o transductor); el objetivo del elemento de detección es
responder a la magnitud o cambio en dicha magnitud de la cantidad que se este midiendo. La
respuesta del sensor toma la forma de una señal de salida cuya magnitud es proporcional a la
magnitud de la cantidad que se este midiendo.
3.2.1 Inducción
Es la producción de una fuerza electromotriz en un conductor por influencia de un campo
magnético.
3.2.2 Características generales o terminología de un transductor
Rango y Margen: el rango define los límites entre los cuales puede variar la entrada; el
margen es el valor máximo de la entrada menos el valor mínimo. Por ejemplo una celda de
carga se utiliza para medir fuerzas, podría tener un rango de 0 a 50 kN y un margen de 50 kN.
Error: es la diferencia entre el resultado de una medición y el valor verdadero de la cantidad
que se mide.
Error: valor medido- valor real
Exactitud: es el grado el cual un valor producido por un sistema de medición podría estar
equivocado. Es por lo tanto igual a la suma de todos los errores posibles más el error en la
exactitud de la calibración del transductor.
Sensibilidad: es la relación que nos indica que tanta salida se obtiene por unidad de entrada.
Error por histéresis: los transductores pueden producir distintas salidas de la misma
magnitud que se mide, si dicha magnitud se obtuvo mediante un incremento o reducción
continuos.
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DQM 90
Repetibilidad: describe la capacidad del transductor para producir la misma salida después
de aplicar varias veces el mismo valor de entrada.
Estabilidad: es la capacidad para producir la misma salida cuando se emplea para medir una
entrada constante en un período.
Banda y tiempo muerto: se considera como banda muerta al rango de valores de entrada
durante los cuales no hay salida. El tiempo muerto es el lapso que transcurre desde la
aplicación de una entrada hasta que la salida empieza a responder y a cambiar.
Impedancia de salida: debe de tener un valor que lo haga compatible con las siguientes
etapas eléctricas del sistema. Si existe incompatibilidad de impedancia, se deben agregar
dispositivos modificadores de señal al sistema para superar este problema.
Respuesta de frecuencia: debe ser capaz de responder a la velocidad máxima de cambio en
el efecto que se esta observando.
Requerimiento de potencia: Los transductores pasivos necesitan de excitación externa. Así,
si deben emplear transductores pasivos, es necesario asegurar que haya disponibles fuentes
de poder eléctricas adecuadas para operarlos.
Medio físico: el transductor seleccionado debe poder resistir las condiciones ambientales a
las que estará sujeto mientras se efectué la prueba. Parámetros tales como temperatura,
humedad y sustancias químicas podrían dañar algunos transductores y a otros no.
3.2.3 Detectores Capacitivos
La capacitancia “C” de un capacitor de placas paralelas está dada por la expresión:
C = roA / D
Donde r es la constante de permitividad relativa del material dieléctrico que esta entre las
placas, o es una constante conocida como constante dieléctrica de espacio libre, “A” es el
área de sobre posición de dos placas y “D” es la separación entre las placas. Los sensores
capacitivos se usan para monitorear desplazamientos lineales.
3.2.4 Detectores inductivos
Esta formado por un devanado enrollado en un núcleo. Al aproximar el extremo del devanado a un objeto metálico, cambia la inductancia del primero. Este cambio puede monitorearse por el efecto que produce un circuito resonante y sirve para activar un interruptor. Solo se puede usar para detectar objetos metálicos y funcionan mejor con metales ferrosos.
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3.3 Criterios de selección para un transductor
En sí este criterio de selección consta de tres proceso en el cual se involucra principalmente a las características que debe de tener el transductor y al tipo de salida. 1.- El tipo de medición que se requiere; en el cual entra características como el rango y margen de los valores, la velocidad de medición, las condiciones ambientales en las que se realizara la medición, la exactitud de la medición. 2.-El tipo de salida que se requiere medir del sensor, con lo cual se puede determinar las condiciones de acondicionamiento de la señal, a fin de contar con señales de salida idóneas para la medición 3.- Con base en lo anterior se puede identificar algunos posibles sensores, teniendo en cuenta el rango, exactitud, linealidad, velocidad de respuesta, confiabilidad, facilidad de mantenimiento, duración, requisitos de alimentación eléctrica, solidez, disponibilidad y el costo.
3.3.1 Según la distancia de detección
Los sensores de desplazamiento miden la magnitud que se desplaza un objeto, los sensores
de posición determinan la posición de un objeto en relación con un punto de referencia. Los
sensores de proximidad son una modalidad de sensor de posición y determinan en que
momento un objeto se mueve dentro de una distancia crítica del sensor. Al elegir un sensor de
desplazamiento, posición o proximidad deberán tenerse en cuenta lo siguiente: la magnitud
del desplazamiento, si el desplazamiento es lineal o angular, la resolución que se necesita, la
exactitud, el material del que se esta hecho el objeto que se mide y el costo.
Una manifestación habitual de la electricidad es la fuerza de atracción o repulsión entre dos
cuerpos estacionarios que, de acuerdo con el principio de acción y reacción, ejercen la misma
fuerza eléctrica uno sobre otro. La carga eléctrica de cada cuerpo puede medirse en
columbios. La fuerza entre dos partículas con cargas q1 y q2 puede calcularse a partir de la
ley de Coulomb:
2
21
d
qqKFelectrica
Según la fuerza es proporcional al producto de las cargas dividido entre el cuadrado de la
distancia que las separa. La constante de proporcionalidad k depende del medio que rodea a
las cargas.
3.3.2 Según las condiciones del material
Son los transductores que solo responden a determinados elementos químicos o físicos; los
cuales son llamados transductores específicos o selectivos. Dentro de estos están los
transductores de mercurio.
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3.3.3 Según las condiciones ambientales
Dependiendo en la condición ambiental en la que se encuentre el transductor, el error
producido por un transductor dependerá de esta condición; por ejemplo el caso del ruido es un
factor importante en un transductor, de detección de vibraciones, ya que este provoca
desviaciones y oscilaciones en la línea de base de la entrada de la señal; otro caso es la
temperatura en un sensor de medición de temperatura, en la cual al estar en una temperatura
muy elevada del ambiente podría provocar un error de entrada.
3.3.4 Según frecuencia de detección
Es la cantidad mínima detectable para generar una señal de salida; esta es una característica
intrínseca del detector. Mientras menor sea esta frecuencia de detección más sensible es el
transductor.
3.4 Precauciones de Montaje
Las precauciones al montar un transductor son las siguientes:
1.-Calibración del transductor: se debe calibrar la salida del transductor tomando algún
estándar conocido al emplear en las condiciones de la prueba.
2.-Se deben monitorear de forma continua los cambios en las condiciones ambientales del
transductor. Si se sigue este procedimiento, los datos medidos podrán corregirse
posteriormente para tomar en cuenta cualquier cambio en las condiciones ambientales.
3.-Controlando artificialmente el ambiente de la medición, se pueden reducir errores posibles
del transductor.
3.5 Norma
Es un documento el cual esta certificado y aprobado, por un grupo de personas, en el cual se establecen los parámetros que debe de constar un material o producto.
ORGANISMOS DE HOMOLOGACIÓN:
Hay diferentes organismos de normalización los cuales homologan dispositivos eléctricos, los sensores inductivos entre ellos, los fabricantes colocan los logotipos de estos organismos que comprueban que los productos cumplan determinados estándares
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DQM 93
UL ( UNDERWRITER´S LABORATORES )
CSA ( CANADIAN STANDARD ASSOCIATTION )
CE (Indica que el producto cumple las directivas europeas establecidas por la comisión de
la E.U.)
RESUMEN
UNIDAD 4
ACTUADORES DE ESTADO SÓLIDO
PARA ABRIR Y CERRAR CIRCUITOS
Se denominan actuadores a aquellos elementos que pueden provocar un efecto sobre un proceso automatizado.
Los actuadores son dispositivos capaces de generar una fuerza a partir de líquidos, de energía eléctrica y gaseosa. El actuador recibe la orden de un regulador o controlador y da una salida necesaria para activar a un elemento final de control como lo son las válvulas e interruptores eléctricos, etc.
Existen tres tipos de actuadores:
Hidráulicos Neumáticos Eléctricos
Los actuadores hidráulicos, neumáticos y eléctricos son usados para manejar aparatos mecatrónicos. Por lo general, los actuadores hidráulicos se emplean cuando lo que se necesita es potencia, y los neumáticos son simples posicionamientos. Sin embargo, los hidráulicos requieren mucho equipo para suministro de energía, así como de mantenimiento periódico. Por otro lado, las aplicaciones de los modelos neumáticos también son limitadas desde el punto de vista de precisión y mantenimiento.
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DQM 94
Los actuadores eléctricos también son muy utilizados en los aparatos mecatrónicos, como por ejemplo, en los robots. Los servomotores CA sin escobillas se utilizaran en el futuro como actuadores de posicionamiento preciso debido a la demanda de funcionamiento sin tantas horas de mantenimiento.
ACTUADORES ELÉCTRICOS
La estructura de un actuador eléctrico es simple en comparación con la de los actuadores hidráulicos y neumáticos, ya que sólo se requieren de energía eléctrica como fuente de poder. Como se utilizan cables eléctricos para transmitir electricidad y las señales, es altamente versátil y prácticamente no hay restricciones respecto a la distancia entre la fuente de poder y el actuador.
SENSORES Y ACTUADORES
Figura 4.1. Sensores de inclinación, nivel de líquidos, movimiento, vibración, humedad, gases, presión, proximidad.
Figura 4.2. Servos, Motores, Pistones Eléctricos, Actuadores, Alambre Muscular®, etc.
La robótica, la electrónica y el entretenimiento requerirán una mayor interacción con el mundo real. En vista de nuevas innovaciones se puede diseñar mecanismos, interfaces y controles de alta calidad, se esta incorporando una amplia línea de sensores de vibraciones, impacto, aceleración, inclinación y movimiento. Ver figura 4.3.
Sensores tilt (inclinación). Movimiento y
vibración. Tip-over. Sensores lineales de
inclinación.
Aceleración y shock. Switches de nivel de
líquidos. Sensores de
proximidad. Reed switches.
Sensores de humedad Sensores de presión Sensores de Gas Transductores de
ultrasonido
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NTC - PTCs Sensores de
Temperatura Sensores detectores
de obstáculos
Figura 4.3. Diferentes tipos de sensores.
SCADA E INTERNET
Figura 4.4. Cyber Tools es una herramienta de desarrollo de sistemas de monitoreo, control y simulación en tiempo real. Ej. Supervisa las librerías para PLC.
IPControl™
Figura 4.5. Permita a sus
productos conectarse a
internet o intranets! Adaptadores Ethernet a
RS232/485, MicroWeb
servers.
4.1 Región de Corte y Saturación
En la figura se proporcionan las características de un SCR (Diodo Controlador de Silicio)
para diversos valores de corriente de compuerta. Las corrientes y voltajes más usados se
indican en las características.
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA
DQM 96
Figura. Características del SCR.
4.2 Conmutación
Interruptor de la corriente del ánodo puede interrumpirse mediante un arreglo de
conmutación momentáneo en serie o en paralelo.
Conmutación forzada requiere básicamente forzar a la corriente de manera momentánea a
través del SCR, en dirección opuesta a la conducción directa de modo que la corriente en
directa neta se reduzca por abajo del valor de retención.
4.3 Aplicaciones del SCR
(Diodo Controlador de Silicio)
Tiene variedad de aplicaciones entre ellas están las siguientes:
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA
DQM 97
Controles de relevador. Circuitos de retardo de tiempo. Fuentes de alimentación reguladas. Interruptores estáticos. Controles de motores. Recortadores. (filtros) Inversores. Ciclo conversores. Cargadores de baterías. Circuitos de protección. Controles de calefacción. Controles de fase.
4.4 Polarización y Características del SCR
Voltaje de ruptura en directo VBR(F) . Se trata del voltaje en el cual el SCR entra a la región
de conducción en directo.
Corriente de retención IH . Este es el valor de la corriente del ánodo por abajo del cual el
SCR conmuta desde la región de conducción en directo hasta la región de bloqueo en directo.
Corriente de disparo en la compuerta IGT . La corriente de la compuerta necesaria para
conmutar el SCR desde la región de bloqueo en directo hasta la región de conducción en
directa bajo condiciones especificadas.
Corriente de directo promedio IF(PROM) . Es la máxima corriente continua del ánodo que el
dispositivo puede soportar en el estado de conducción bajo condiciones específicas.
Región de conducción en directo. Corresponde a la condición de encendido del SCR,
donde existe corriente directa del ánodo al catado, a través de la resistencia muy baja del
SCR.
Regiones de bloqueo en directa y en inversa. Corresponde a la condición de apagado del
SCR, donde la corriente en directa del ánodo al catado es bloqueada por el circuito abierto
efectivo del SCR.
Voltaje de ruptura en inversa VBD(R) . Específica el valor del valor en inversa del catado al
ánodo, en el cual el dispositivo irrumpe en la región de avalancha y comienza a conducir
intensamente. a) Pág. 548
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA
DQM 98
4.4.1 Diodo Controlador de Silicio (SCR)
Como su nombre lo indica, el SCR es un rectificador construido con material de silicio con una
tercera terminal para efecto de control. Se escogió el silicio debido a sus capacidades de alta
temperatura y potencia. La operación básica del SCR es diferente de la del diodo
semiconductor de dos capas fundamental, en que una tercera terminal, llamada compuerta,
determina cuándo el rectificador conmuta del estado de circuito abierto al de circuito cerrado.
No es suficiente sólo la polarización directa del ánodo al cátodo del dispositivo. En la región
de conducción la resistencia dinámica el SCR es típicamente de 0.01 a 0.1 . La resistencia
inversa es típicamente de 100 k o más.
Rectificador controlado de silicio (SCR)
Pertenece a la familia de los dispositivos pnpn de 4 capas. Es un rectificador construido de
silicio que cuenta con una tercera terminal para efectos de control. Estos dispositivos junto
con un dispositivo de control, forman lo que se conoce como tiristores. Esta diseñado para
controlar potencias de hasta 10MW con niveles individuales tan altos como 2000 A a 1800 V.
Su rango de frecuencia de aplicación llega a cerca de 50 KHz.
El símbolo gráfico para el SCR se muestra en la figura b, y las conexiones correspondientes a
la estructura de semiconductor de cuatro capas en la figura a.
Figura a.- Símbolo del SCR
Operación básica del SCR
La operación básica del SCR es distinta de la operación del diodo semiconductor fundamental
de 2 capas, en el hecho de que cuenta con una tercera terminal, denominada compuerta; la
compuerta determina el momento en el que el rectificador cambia del estado de circuito
abierto al de circuito cerrado. No es suficiente con simplemente polarizar de forma directa la
región del ánodo al cátodo del dispositivo. En la región de conducción, la resistencia dinámica
del SCR es por lo general de 0.01 a 0.1 Ω. La resistencia inversa es típicamente de 100 kΩ.
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA
DQM 99
4.4.2 TRIAC
El Triac es fundamentalmente una combinación paralela inversa de dos terminales de capas
de semiconductor que permiten el disparo en cualquier dirección con una terminal de
compuerta para controlar las condiciones de encendido bilateral del dispositivo en cualquier
dirección. En otras palabras, para cualquier dirección, la corriente de compuerta puede
controlar la acción del dispositivo en una forma muy similar a la mostrada para un SCR.
En la figura se muestra el símbolo grafico del dispositivo así como la distribución de las capas
de semiconductor. Para cada dirección de conducción posible, existe una combinación de
capas de semiconductor cuyo estado será controlado por la señal aplicada a la terminal de
compuerta.
4.4.3 INTERRUPTOR DE SILICIO UNILATERAL Y BIDIRECCIONAL (SUS Y SBS)
Se llama SBS (Silicon BILATERALl Switch) a una clase de tiristor bidireccional. Está formado por dos
SUS (Silicon UNILATERAL Switch) conectados en antiparalelo. A diferencia de otros tiristores, el SBS,
desde un punto de vista tecnológico, no es una versión mejorada del diodo npnp, sino que es un
circuito integrado que incorpora diodos Zener conectados a la puerta, transistores y resistencias.
4.4.5.- Interruptor controlador por compuerta GTO
Un tiristor GTO es un SCR que puede apagarse por una pulsación suficientemente grande
en su compuerta de entrada. Un tiristor
GTO requiere una mayor corriente de compuerta para encendido que un SCR común.
Para grandes aparatos de alta potencia se necesitan corrientes de compuerta del orden de 10
A o más. Para apagarlos se necesita una gran pulsación de corriente negativa de entre 20 y
30m s de duración. La magnitud de la pulsación de corriente negativa debe ser de un cuarto a
un sexto de la corriente que pasa por el aparato. Estos dispositivos se han vuelto más y más
comunes en las unidades de control de motores, puesto que ellos eliminaron la necesidad
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA
DQM 100
de componentes externos para apagar los SCR en circuitos de cc. Conocido como GTO
(gate turn-off switch).
La ventaja de este interruptor es que puede ser encendido o apagado mediante la aplicación
del pulso apropiado a la compuerta del cátodo.
Como consecuencia de la capacidad de apagado es un incremento en la magnitud de la
corriente de compuerta requerida para el dispositivo.
La corriente de pagado es ligeramente mayor que la corriente requerida para el disparo.
El tiempo de encendido es de 1µs que es igual al tiempo de apagado. Este es un dispositivo
de alta velocidad.
RESUMEN
UNIDAD 5
OPTOELECTRONICA
DEFINICIÓN
La Optoelectrónica es uno de los campos de la electrónica que estudia los dispositivos
semiconductores que emiten y detectan luz.
LUZ: Es la composición de partículas llamadas fotones que se comportan como ondas de
energía.
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA
DQM 101
5.1 ABSORSION OPTICA DE UN SEMICONDUCTOR.
Se denomina absorción al proceso por el cual una especie, en un medio transparente, capta
selectivamente ciertas frecuencias de la radiación electromagnética.
5.1.1 EMISIÓN DE LUZ.
Los fotones se producen cuando un electrón que ha sido excitado a un nivel de energía más
altos que el normal cae de regreso a su nivel normal, es decir, cuando son bombardeados por
luz, calor, electrones y otras formas de energía, la mayoría de los cristales semiconductores
emiten luz visible ó infrarroja.
5.1.2 FOTOCELDAS.
Son pequeños dispositivos que producen una variación eléctrica en respuesta a un cambio en
la intensidad de la luz. Industrialmente, las aplicaciones de las fotoceldas caen en dos
categorías generales:
a) La detección puede hacerse en una base de todo o nada, en la que el circuito de la fotocelda tiene sólo dos estados de salida que representan la presencia o la ausencia de un objeto.
b) La detección puede hacerse en una base continua, teniendo el circuito de la fotocelda una salida continuamente variable que representa la posición variable del objeto.
FOTORESISTENCIAS
También conocidas como fotoresistores LDR (dependientes de la luz). Son dispositivos que
varían su resistencia en función de la luz que incide en su superficie.
Se construyen a base de semiconductores que no tienen una unión pn, el semiconductor
principal es el sulfuro de cadmio, que tiene una sensibilidad a la luz similar a la del ojo
humano.
El fotoresistor varía la resistencia según la cantidad de luz que incida sobre su superficie,
cuando no llega luz ó es muy poca la luz incidente, su resistencia es muy alta (del orden de
mega ohms), en cambio cuando percibe luz externa, la resistencia es baja (del orden de
ciento de ohms).
Se usan principalmente en relevadores que están controlados por luz.
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA
DQM 102
FOTORESISTENCIA
5.2 DISPOSITIVOS OPTOELECTRÓNICOS BASICOS
A nivel de componentes podemos distinguir tres tipos de dispositivos:
Dispositivos emisores: emiten luz al ser activados por energía eléctrica. Son dispositivos que transforman la energía eléctrica en energía luminosa. A este nivel corresponden los diodos LED o los LÁSER.
Dispositivos detectores: generan una pequeña señal eléctrica al ser iluminados. Transforma, pues, la energía luminosa en energía eléctrica.
Dispositivos fotoconductores: Conducen la radiación luminosa desde un emisor a un receptor. No se producen transformaciones de energía.
Tras esta amena introducción, nos adentramos en el maravilloso mundo de la optoelectrónica
DISPOSITIVOS EMISORES
Los dispositivos emisores son aquellos que varían sus propiedades ópticas con la aplicación
de un determinado potencial. Estas propiedades pueden ser la emisión de luz o simplemente
la absorción o reflexión de la luz
En este apartado se presentan los siguientes componentes:
Diodos LED Diodos láser Tubo de rayos Catódicos Cristales líquidos
DISPOSITIVOS DETECTORES
Ya se ha explicado que los componentes fotodetectores son aquellos componentes que
varían algún parámetro eléctrico en función de la luz.
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA
DQM 103
Todos los componentes fotodetectores están basados en el mismo principio. Si construimos
un componente con un material semiconductor de manera que la luz pueda incidir sobre dicho
material, la luz generará pares electrón - hueco. Esta generación se realiza de manera
análoga a la generación térmica de portadores
5.2.1 DIODOS EMISORES DE LUZ (LEDS)
Un diodo emisor de luz es un dispositivo de unión PN que cuando se polariza directamente
emite luz.
Al aplicarse una tensión directa a la unión, se inyectan huecos en la capa P y electrones en la
capa N. Como resultado de ello, ambas capas tienen una mayor concentración de portadores
(electrones y huecos) que la existente en equilibrio. Debido a esto, se produce una
recombinación de portadores, liberándose en dicha recombinación la energía que les ha sido
comunicada mediante la aplicación de la tensión directa.
5.2.2 FOTODIODOS
Los fotodiodos son diodos de unión PN cuyas características eléctricas dependen de la
cantidad de luz que incide sobre la unión. En la figura siguiente se muestra su símbolo
eléctrico.
Símbolo del fotodiodo
El efecto fundamental bajo el cual opera un fotodiodo es la generación de pares electrón -
hueco debido a la energía luminosa.
5.2.3 FOTOTRANSISTOR
Se trata de un transistor bipolar sensible a la luz.
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA
DQM 104
La radiación luminosa se hace incidir sobre la unión colector base cuando éste opera en la
RAN. En esta unión se generan los pares electrón - hueco, que provocan la corriente eléctrica.
El funcionamiento de un fototransistor viene caracterizado por los siguientes puntos:
1. Un fototransistor opera, generalmente sin terminal de base (Ib=0) aunque en algunos casos hay fototransistores tienen disponible un terminal de base para trabajar como un transistor normal.
2. La sensibilidad de un fototransistor es superior a la de un fotodiodo, ya que la pequeña corriente fotogenerada es multiplicada por la ganancia del transistor.
1. Las curvas de funcionamiento de un fototransistor son las que se observan el capitulo 4. Como se puede apreciar, son curvas análogas a las del transistor BJT, sustituyendo la intensidad de base por la potencia luminosa por unidad de área que incide en el fototransistor.
5.2.4 FOTO DIACS.
El funcionamiento de un fototransistor viene caracterizado por los siguientes puntos:
1.- Un fototransistor opera, generalmente sin terminal de base (Ib = 0) aunque en algunos
casos hay fototransistores tienen disponible un terminal de base para trabajar como un
transistor normal.
2.- La sensibilidad de un fototransistor es superior a la de un fotodiodo, ya que la pequeña
corriente fotogenerada es multiplicada por la ganancia del transistor.
3.- Las curvas de funcionamiento de un fototransistor son curvas análogas a las del transistor
BJT, (Transistor de Unión Bipolar, NPN y PNP) sustituyendo la intensidad de base por la
potencia luminosa por unidad de área que incide en el fototransistor.
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA
DQM 105
5.3 OPTOACOPLADORES
Un optoacoplador combina un dispositivo semiconductor formado por un fotoemisor, un
fotoreceptor y entre ambos hay un camino por donde se transmite la luz. Todos estos
elementos se encuentran dentro de un encapsulado que por lo general es del tipo DIP.
FUNCIONAMIENTO DEL OPTOACOPLADOR
La señal de entrada es aplicada al fotoemisor y la salida es tomada del fotoreceptor. Los
optoacopladores son capaces de convertir una señal eléctrica en una señal luminosa
modulada y volver a convertirla en una señal eléctrica. La gran ventaja de un optoacoplador
reside en el aislamiento eléctrico que puede establecerse entre los circuitos de entrada y
salida.
La corriente de salida IC (corriente de colector del fototransistor) es proporcional a la corriente
de entrada IF (corriente en el diodo LED). La relación entre estas dos corrientes se llama
"razón de transferencia de corriente" (CTR) y depende de la temperatura ambiente. A mayor
temperatura ambiente, la corriente de colector en el fototransistor es mayor para la misma
corriente IF (la corriente por el diodo LED
5.3.1 OPTOACOPLADORES CON TRANSISTOR DE SALIDA
Los fotoemisores que se emplean en los optoacopladores de potencia son diodos que emiten
rayos infrarrojos (IRED) y los fotoreceptores pueden ser tiristores o transistores.
Cuando aparece una tensión sobre los terminales del diodo IRED, este emite un haz de rayos
infrarrojo que transmite a través de una pequeña guia-ondas de plástico o cristal hacia el
fotorreceptor. La energía luminosa que incide sobre el fotorreceptor hace que este genere una
tensión eléctrica a su salida. Este responde a las señales de entrada, que podrían ser pulsos
de tensión.
Optoacoplador con fototiristor (SCR)
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA
DQM 106
5.3.2 OPTOACOPLADORES CON SCR DE SALIDA
Se compone de un optoacoplador con una etapa de salida formada por un SCR.
Optoacoplador con fototiristor (SCR)
5.3.3 OPTOACOPLADORES CON TRIAC DE SALIDA
Se compone de un optoacoplador con una etapa de salida formada por un Triac.
.
5.4 INTERRUPTORES OPTICOS
Los interruptores ópticos son dispositivos sensibles a la ausencia o a la presencia de luz
Los interruptores ópticos (optos) tienen dos grandes ventajas frente a los interruptores
mecánicos convencionales: no tienen partes móviles, y pueden colocarse en espacios más
estrechos. También presentan algunas desventajas; se componen de dos piezas (en vez de
una única pieza como un micro interruptor): un transmisor (un LED que emite la luz infrarroja),
y un receptor (un fototransistor sensible a la luz infrarroja). Otra desventaja es que cuando se
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA
DQM 107
ensucian (con el infame polvillo negro de pinball), dejan de funcionar, quedando siempre
activados. Por último los LEDs pueden también quemarse como las bombillas.
5.5 FOTODETECTORES
Generan una pequeña señal eléctrica al ser iluminados. Transforma, pues, la energía
luminosa en energía eléctrica
FIBRAS OPTICAS
La fibra óptica es el medio más moderno de enviar información y que más avances
tecnológicos ha sufrido en los últimos tiempos. Emplea luz para la transmisión de señales.
Está compuesta por una región cilíndrica por la cual se efectúa la propagación, denominada
núcleo y de una zona externa y coaxial con él, y que se denomina envoltura o revestimiento.
5.6 APLICACIONES
Partiendo de que la fibra óptica transmite luz, todas las aplicaciones que se basan en la
luminosidad (bien sea por falta de esta, por difícil acceso, con fines decorativos o búsqueda
de precisión) tiene cabida este campo.
Si a todo esto sumamos la gran capacidad de transmisión de información de este medio,
(debido a su gran ancho de banda, baja atenuación, a que esta información viaja a la
velocidad de la luz, etc.) dichas aplicaciones se multiplican.
Campos tales como las telecomunicaciones, medicina, arqueología, prácticas militares,
mecánica y vigilancia se benefician de las cualidades de esta herramienta óptica.
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA
DQM 108
RESUMEN
UNIDAD 6
6.1 CARACTERÍSTICAS Y DISEÑO
Un circuito electrónico es aquel dispositivo constituido de varios elementos (tales como
resistencias, capacitores, diodos, sensores, inductores, transistores, interruptores, etc.) que en
conjunto dan una funcionalidad que por sí solos no tendrían.
Para el diseño de los circuitos electrónicos se deben tomar en cuenta diversos factores,
dependiendo de los elementos que lo van a constituir; esto es, hay que realizar varios cálculos
de acuerdo con la aplicación que va a tener el circuito. En resumen un Circuito Eléctrico o
electrónico se define como un trayecto continuo, compuesto por conductores y
dispositivos conductores, que incluye una fuente de fuerza electromotriz que
transporta la corriente eléctrica.
6.1.2 APLICACIONES
Las aplicaciones de los circuitos electrónicos es muy diversa, tiene aplicaciones a nivel hogar
(como en electrodomésticos, aparatos de audio y video, computadoras, aparatos de uso
personal.), también a nivel industrial (como en la automatización de maquinaria, en elementos
electromecánicos como brazos.) y podemos encontrar los circuitos electrónicos en el área
comercial (como en propaganda, iluminación, etc.)
En sí, las aplicaciones son casi infinitas en la actualidad ya que ahora todo o casi todo es
electrónico en vez de eléctrico.
6.1.3 PLANTEAMIENTO
Para la realización de un circuito electrónico debemos saber para que lo vamos a realizar, es
decir el objetivo de dicho diseño; que elementos lo van a constituir, como se va a realizar el
circuito, como va a estar construido, bajo que condiciones va a trabajar (sus especificaciones),
si va a tener un uso verdaderamente aplicable, etc.
El planteamiento en sí es el objetivo, planteamiento y diseño para la elaboración del circuito
electrónico.
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA
DQM 109
6.1.4 CÁLCULO DEL DISEÑO
Dependiendo del planteamiento, el cálculo para el diseño de circuitos electrónicos es la
selección de elementos que lo constituirán y esta selección se realizará después de haber
hecho los cálculos correspondientes de cada elemento. Estos cálculos dependerán del
elemento, la aplicación y las condiciones a las que va a ser sometido.
Para realizar los cálculos se emplean las fórmulas básicas de la electrónica, como la Ley de
Ohm, la Ley de Faraday, Leyes de Kirchhoff, cálculos para calcular corrientes en cada
elemento y tensión, etc. Son cálculos muy sencillos que en conjunto forman todo un
dispositivo electrónico.
6.2 MANEJO DE MANUALES TÉCNICOS
Los manuales técnicos son aquellos que acompañan a los aparatos para el buen uso del
mismo. Estos manuales nos dicen la forma de manejar el dispositivo y nos proporciona los
datos del mismo. Por ejemplo, en una T.V. su manual nos dice a que tensión, corriente,
potencia y frecuencia trabaja, también nos dice la forma de conectarla y las funciones que
tiene; tales como si es despertador, los idiomas para salidas auxiliares. Por otra parte el
manual nos indica que podemos hacer en caso de que algo falle y en su defecto a quien
acudir. En conclusión un manual técnico nos da toda la información necesaria para el buen
manejo de dispositivos electrónicos.
El manejo de manuales de electrónica para buscar elementos para el diseño de un circuito es
muy sencillo; en primera instancia buscamos el grupo o familia a la que pertenece (como
tiristores), después se tienen tablas de datos según el tipo de dispositivo que se va a emplear
(por ejemplo un TRIAC), después vienen bajo a que condiciones se va a someter dicho
dispositivo (la tensión y la corriente) y así mismo demás factores (temperatura, aislamiento,
etc.), después nos dice el código con el que se puede encontrar y si por alguna razón no se
llegará a encontrar, se encuentran tablas de equivalentes para poder tener mayor gama de
elección.
6.3 DIAGRAMA ESQUEMÁTICO
El diagrama esquemático es el que mediante la simbología de los elementos se muestran las
conexiones de dicho circuito. Es un diagrama que emplea el símbolo electrónico de cada
elemento para representar sus conexiones.
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA
DQM 110
6.4 DIAGRAMA FÍSICO
Un diagrama físico es aquel donde se muestra la conexión del circuito tal y como van las
conexiones, es decir, es el diagrama que muestra ilustrativamente los elementos o
componentes del circuito de tal manera que no haya confusión para su entendimiento
6.5 ESPECIFICACIONES
Las especificaciones son los datos que nos dicen bajo que condiciones operan los elementos;
tales como:
* tensión
* corriente
* frecuencia
* resistencia
* potencia
6.6 EJEMPLOS DE CIRCUITOS ELECTRÓNICOS
Podemos encontrar circuitos electrónicos en todas partes actualmente; en la T.V. en el
teléfono móvil, computadora e infinidad de dispositivos debido a su funcionalidad y tamaño.
GLOSARIO
GENERAL Ánodo. Parte positiva del diodo. Actuador: es un dispositivo capaz de generar una fuerza a partir de líquidos, de energía
eléctrica y gaseosa. El actuador recibe la orden de un regulador o controlador y da una salida
necesaria para activar a un elemento final de control como lo son las válvulas e interruptores
eléctricos, etc.
Apagado del dispositivo: Un SCR no puede apagarse simplemente al eliminar la señal en la
compuerta. Los dos métodos generales para apagar un SCR se catalogan como la
interrupción de la corriente del ánodo y la técnica de conmutación forzada. Conmutación
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA
DQM 111
forzada: La conmutación forzada se logra cuando se obliga a la corriente pasar a través del
SCR en la dirección opuesta a la conducción directa.
Autoinducción.- Se le llama así a la formación de corrientes inducidas en el circuito cuando
se produce en él variación del propio flujo.
Banda y tiempo muerto: se considera como banda muerta al rango de valores de entrada
durante los cuales no hay salida. El tiempo muerto es el lapso que transcurre desde la
aplicación de una entrada hasta que la salida empieza a responder y a cambiar.
Base, la intermedia, muy estrecha, que separa el emisor del colector.
Base común: La terminología de la base común se deriva del hecho de que la base es común
tanto a la entrada como a la salida de la configuración.
Bulbo. Diodo al vacío, inventado por Thomas Alba Edison
Bit: es un dígito binario, un 0 o un 1, (binary digit).
Byte: son 8 bits.
Cátodo. Parte negativa del diodo.
Capacitancia: La capacidad o capacitancia es una propiedad de los condensadores. Esta
propiedad rige la relación existente entre la diferencia de potencial existente entre las placas
del capacitor y la carga eléctrica almacenada en este.
Capacitor: Es a un dispositivo que almacena carga eléctrica, está formado por dos
conductores próximos uno a otro, separados por un aislante, de tal modo que puedan estar
cargados con el mismo valor, pero con signos contrarios
Circuito Electrónico.- define un trayecto continuo compuesto por conductores y dispositivos
conductores, que incluye una fuente de fuerza electromotriz que transporta la corriente.
Colector, de extensión mucho mayor.
Colector común: La configuración de colector común se utiliza sobre todo para propósitos de
acoplamiento de impedancia, debido a que tiene una alta impedancia de entrada y una baja
impedancia de salida, contrariamente a alas de las configuraciones de base común y de un
emisor común.
Computadora.- Es un ordenador con un sistema secuencial síncrono programable.
Conmutador.- Es el que interconecta dos o más segmentos de red,, pasando datos de un
segmento a otro en la red.
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA
DQM 112
Corriente de desplazamiento. En los semiconductores la corriente eléctrica es el resultado
del movimiento de ambas cargas, esto está asociado a dos fenómenos físicos, el primero es
la corriente de Desplazamiento (fuga).
Corriente de difusión. Las concentraciones de impurezas (huecos y electrones) se
desplazan u orientan formando regiones de polarización para lograr así obtener un equilibrio.
En principio, de unir estos dos semiconductores comienza un movimiento de portadores, de
una región a otra, se puede observar que los electrones o portadores mayoritarios de la región
N pasan a la región P y viceversa.
Corriente inversa de saturación (Is ).- Es la pequeña corriente que se establece al polarizar
inversamente el diodo por la formación de pares electrón-hueco debido a la temperatura,
admitiéndose que se duplica por cada incremento de 10º en la temperatura.
Demodulador.- Este aparato va integrado en la Terminal digital de Canal Satélite Digital y se
debe conectar a la línea telefónica. De esta forma, se pueden llevar a cabo las opciones
interactivas (como Taquilla) desde el mando a distancia.
Detectores: es el elemento de detección ( o sensor); el objetivo del elemento de detección es
responder a la magnitud o cambio en dicha magnitud de la cantidad que se este midiendo. La
respuesta del sensor toma la forma de una señal de salida cuya magnitud es proporcional a la
magnitud de la cantidad que se este midiendo.
Detectores inductivos: esta formado por un devanado enrollado en un núcleo. Al aproximar
el extremo del devanado a un objeto metálico, cambia la inductancia del primero. Este cambio
puede monitorearse por el efecto que producen un circuito resonante y sirve para activar un
interruptor. Solo se puede usar para detectar objetos metálicos y funcionan mejor con metales
ferrosos.
Diagrama: Es un tipo de gráfico de información que representa datos numéricos tabulados
Diagrama esquemático: Esta es una lista de los principales componentes de los circuitos
eléctricos, en corriente directa (C.D.).
DIAC: (Diodo para Corriente Alterna) es un dispositivo semiconductor de dos conexiones. Es
un diodo bidireccional disparable que conduce la corriente sólo tras haberse superado su
tensión de disparo, y mientras la corriente circulante no sea inferior al valor característico para
ese dispositivo.
DIAC de tres capas: Es similar a un transistor bipolar sin conexión de base y con las regiones
de colector y emisor iguales y muy dopadas. El dispositivo permanece bloqueado hasta que
se alcanza la tensión de avalancha en la unión del colector. Esto inyecta corriente en la base
que vuelve el transistor conductor, produciéndose un efecto regenerativo. Al ser un dispositivo
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA
DQM 113
simétrico, funciona igual en ambas polaridades, intercambiando el emisor y colector sus
funciones.
Difusión.- Fenómeno provocado por los electrones o portadores mayoritarios, que transfieren
de la región P a la región N y viceversa, así es como ocupan el lugar los de la región P en la
región N, sin cambiar su estado.
Digito: es la unidad mínima básica.
Diodo.- Es un dispositivo semiconductor que permite el paso de la corriente eléctrica en una
única dirección con características similares a un interruptor cuando se invierte su polaridad.
Diodos.- Es un dispositivo semiconductor que permite el paso de la corriente eléctrica en una
única dirección con características similares a un interruptor.
Disparador asimétrico (SAS: Silicon Asymmetric Switch) muy similar al SCR , con un tiempo
menor de conmutación que el del SCR y permite gran simplificación en las aplicaciones de
disparo, siendo insensible al fenómeno de la histéresis.
Diodo Tiristor o Diodo shockley: (diodo de cuatro capas, es bipolar PNPN es similar a un
SCR con solo dos terminales.
Diodo Tiristor Bidireccional (SYDAC: Bidirectional Diode Thyristors) tienen una banda de
color la cual indica el rango de voltaje a que pertenece VBO; Rojo de 45 a 60, dorado de 55 a
65, Naranja de 95 a 113, azul de 104 a 118 y verde de 110 a 125 voltios.
Diodo Zener.- Un diodo Zener, es un diodo de silicio que se ha construido para que funcione
en las zonas de rupturas. Mantienen la tensión entre sus terminales prácticamente constante
en un amplio rango de intensidad y temperatura, cuando están polarizados inversamente, por
ello, este tipo de diodos se emplean en circuitos estabilizadores o reguladores de la tensión.
Diseño de circuitos de un conmutador: El concepto básico en este tipo de circuitos es el de
un cambio discreto de estado. Este cambio puede tomar la forma de cambio de voltaje,
cambio de corriente, o ambos.
Dopar. Añadir impurezas al semiconductor.
Electrónica. La rama de la Ciencia y la Técnica que se ocupa, por un lado, del
funcionamiento de los electrones en el vacío, en presencia de campos eléctricos y magnéticos
y de las interacciones electrón—materia y electrón—radiación, lo que constituye básicamente
el estudio de los dispositivos electrónicos. Por otro lado, se ocupa del diseño de los
dispositivos y sus aplicaciones prácticas, basadas en los principios y dispositivos anteriores.
Emisor, que se diferencia de las otras dos por estar fuertemente dopada, comportándose
como un metal.
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA
DQM 114
Emisor común: Se le denomina configuración de emisor común debido a que el emisor es
común o hace referencia a las terminales tanto de entrada como de salida (en este caso, es
común tanto a la terminal de base como a la de colector).
Encendido del dispositivo: No es suficiente con establecer una conducción directa en la que
el ánodo sea positivo con respecto al cátodo; para encender el dispositivo también se tiene
que aplicar un pulso de magnitud suficiente a la compuerta para establecer una corriente de
compuerta de encendido, representada simbólicamente por I GT.
Además del disparo en la compuerta, los SCRs pueden encenderse también al elevar de
manera importante la temperatura del dispositivo, o al elevar el voltaje del ánodo al cátodo
hasta el valor de transición conductiva.
Error: es la diferencia entre el resultado de una medición y el valor verdadero de la cantidad
que se mide.
Error: valor medido- valor real
Error por histéresis: los transductores pueden producir distintas salidas de la misma
magnitud que se mide, si dicha magnitud se obtuvo mediante un incremento o reducción
continuos.
Especificación: Es un documento técnico oficial que establezca de forma clara todas las
características, los materiales y los servicios necesarios para producir componentes
destinados a la obtención de productos
Estabilidad: es la capacidad para producir la misma salida cuando se emplea para medir una
entrada constante en un período.
Estabilizador.- Es el dispositivo encargado de reducir las vibraciones en la captura de una
imagen cuando en la toma se producen movimientos no deseados.
Estado de corte: El estado de corte es el punto en el que la recta de carga corta a la zona de
corte de las curvas de salida. Como la corriente de colector en corte es muy pequeña, el punto
de corte es casi idéntico al extremo inferior de la recta de carga. En lo sucesivo, supondremos
que el punto de corte es aproximadamente igual al extremo inferior de la recta de carga.
Estado de saturación: Estado de una cámara de ionización en la que prácticamente todos
los iones formados son capturados (sin alcanzar la fase de multiplicación debida al gas). Este
estado se alcanza cuando la diferencia de potencial entre los electrodos es suficientemente
elevada (tensión de saturación).
Exactitud: es el grado el cual un valor producido por un sistema de medición podría estar
equivocado. Es por lo tanto igual a la suma de todos los errores posibles más el error en la
exactitud de la calibración del transductor.
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DQM 115
Factor de potencia. Es la potencia activa entre la potencia aparente de entrada (ƒρ = cosƟ =
Watts / Volts Ampers). Es una medida de la calidad de la energía eléctrica.
Fibra óptica: La fibra óptica es un conductor de ondas en forma de filamento, capaz de dirigir
la luz a lo largo de su longitud usando la reflexión total interna.
FOTOCELDA: es un tipo de sensor (fotoresistencia) y actuador capaz de detectar la
presencia de fotones, para mandar un impulso eléctrico que cierra el contacto normalmente
cerrado de una lámpara o foco.
Fotodetector: La definición básica de un fotodetector radica en su funcionamiento como
transductor de luz que proporciona una señal eléctrica como respuesta a la radiación óptica.
Fuentes de alimentación. una fuente de alimentación es un dispositivo o subsistema que
convierte la corriente alterna de la red de distribución de energía eléctrica en otro tipo de
corriente eléctrica adecuado para la aplicación que se le vaya a dar.
Impedancia: es una magnitud que establece la relación (cociente) entre la tensión y la
intensidad de corriente.
Impedancia de salida: debe de tener un valor que lo haga compatible con las siguientes
etapas eléctricas del sistema. Si existe incompatibilidad de impudencia, se deben agregar
dispositivos modificadores de señal al sistema para superar este problema.
Inducción: es la producción de una fuerza electromotriz en un conductor por influencia de un
campo magnético.
Inductancia: En un Inductor o bobina, se denomina inductancia, L, a la relación entre el flujo
magnético, y la intensidad de corriente eléctrica, I:
Inductores.- Es un componente pasivo de un circuito eléctrico que, debido al fenómeno de la
autoinducción, almacena energía en forma de campo magnético.
Interruptor: Mecanismo destinado a abrir o cerrar un circuito eléctrico.
Interruptor apagado por compuerta GTO (Gate Turn-off Switch): es un elemento PNPN con
tres terminales, su gran ventaja sobre el SCR es que no necesita componentes anexos al
ánodo, solo aplicando la señal sobre el cátodo se obtiene un aumento de la corriente de
compuerta necesaria para su disparo. El tiempo de disparo y apagado es aproximadamente
(1 ms) más rápido el apagado que el SCR, lo que le da ventajas en aplicaciones de alta
velocidad.
Interruptor bilateral de silicio (SBS: Silicon Bilateral Switch) tiene su aplicación en bajos
voltajes, con un comportamiento similar al Diac pero cuenta con una región de resistencia
negativa dando una mayor amplitud en aplicaciones.
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DQM 116
Interruptor Controlado de silicio (SCS: Silicon controlled Switch) es similar al SCR de
cuatro capas PNPN, tiene menor tiempo de apagado que el SCR, también mejor control y
sensibilidad de disparo, pero maneja menor potencia que el SCR y sus aplicaciones tienen
mayor alcance en la computación.
Interruptor controlador por compuerta GTO. Un tiristor GTO es un SCR que puede
apagarse por una pulsación suficientemente grande en su compuerta de entrada. Un tiristor
GTO requiere una mayor corriente de compuerta para el encendido que un SCR común. Para
grandes aparatos de alta potencia se necesitan corrientes de compuerta del orden de 10 A o
más. Para apagarlos se necesita una gran pulsación de corriente negativa de entre 20 y 30m
s de duración. La magnitud de la pulsación de corriente negativa debe ser de un cuarto a un
sexto de la corriente que pasa por el aparato. Estos dispositivos se han vuelto más y más
comunes en las unidades de control de motores, puesto que ellos eliminaron la necesidad de
componentes externos para apagar los SCR en circuitos de cc. Conocido como GTO (gate
turn-off switch).
Interruptor óptico: Son dispositivos sensibles a la ausencia o a la presencia de luz.
Interruptor unilateral de silicio SUS (Silicon Unilateral Switch): está constituido por un
transistor con compuerta de ánodo, tiene en paralelo un diodo Zenner entre la compuerta y el
cátodo, está destinado a disparar los SCR.
IRED: Diodos que trabajan con luz infrarroja.
Laser: del ingles: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation.
LDR: resistor dependiente de la luz; se originan de su nombre en inglés light-dependent
resistor.
LED: (Light-Emitting Diode) Diodo emisor de luz.
Ley de Faraday: El voltaje inducido en un circuito cerrado es directamente proporcional a la
rapidez con que cambia en el tiempo el flujo magnético que atraviesa una superficie cualquiera
con el circuito como borde.
Ley de las "mallas" o ley de tensiones de Kirchhoff: En toda malla la suma de todas las
caídas de tensión es igual a la suma de todas las subidas de tensión.
Ley de los nudos o ley de corrientes de Kirchhoff: En todo nudo, donde la densidad de la carga
no varíe en un instante de tiempo, la suma de corrientes entrantes es igual a la suma de
corrientes salientes.
Ley de ohm.- La cantidad de corriente que fluye por un circuito formado por resistencias
puras es directamente proporcional a la fuerza electromotriz aplicada al circuito, e
inversamente proporcional a la resistencia total del circuito.
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DQM 117
Luz infrarroja: radiación del espectro luminoso, que tiene mayor longitud de onda y se
encuentra más allá del rojo visible; se caracteriza por sus efectos térmicos, pero no luminosos
ni químicos. que se usan para detectar las imperfecciones de la superficie y las estructuras
ocultas.
Manual técnico: Un manual técnico es aquel que va dirigido a un público con conocimientos
técnicos sobre algún área, mientras que, por ejemplo, un manual de usuario va dirigido a un
público más general, el cual no necesariamente debe tener conocimientos específicos en el
área de interés.
Medio físico: el transductor seleccionado debe poder resistir las condiciones ambientales a
las que estará sujeto mientras se efectué la prueba. Parámetros tales como temperatura,
humedad y sustancias químicas podrían dañar algunos transductores y a otros no.
Microcontrolador. Un microcontrolador es un computador completo, aunque de limitadas
prestaciones, que está contenido en el chip de un circuito integrado y se destina a gobernar
una sola tarea.
Microprocesador (μp).- Es una CPU en un sólo circuito integrado
Norma: es un documento el cual esta certificado y aprobado, por un grupo de personas, en el
cual se establecen los parámetros que debe de constar un material o producto.
Operación básica del SCR: La operación básica del SCR es distinta de la operación del
diodo semiconductor fundamental de 2 capas, en el hecho de que cuenta con una tercera
terminal, denominada compuerta; la compuerta determina el momento en el que el rectificador
cambia del estado de circuito abierto al de circuito cerrado. No es suficiente con simplemente
polarizar de forma directa la región del ánodo al cátodo del dispositivo. En la región de
conducción, la resistencia dinámica del SCR es por lo general de 0.01 a 0.1 Ω. La resistencia
inversa es típicamente de 100 kΩ
Operación con cargas: Se describirá la operación básica del transistor utilizando el transistor
PNP, operación del transistor NPN es exactamente la misma que si intercambiaran las
funciones que cumplen el electrón y el hueco.
Oscilador.- Es un sistema capaz de crear cambios en un medio, ya sea un medio material
(sonido) o un campo electromagnético.
Optoacoplador. Un optoacoplador combina un dispositivo semiconductor formado por un
fotoemisor y un fotoreceptor y entre ambos hay un camino por donde se transmite la luz.
Todos estos elementos se encuentran dentro de un encapsulado, formando el diodo
optoacoplador.
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DQM 118
Polarización directa.- Es cuando la corriente que circula por el diodo sigue la ruta de la
flecha (la del diodo), o sea del ánodo al cátodo. En este caso la corriente atraviesa el diodo
con mucha facilidad comportándose prácticamente como un corto circuito.
Polarización inversa.- Es cuando la corriente en el diodo desea circular en sentido opuesto a
la flecha (la flecha del diodo), o sea del cátodo al ánodo. En este caso la corriente no
atraviesa el diodo, y se comporta prácticamente como un circuito abierto.
Rango y Margen: el rango define los limites entre los cuales puede variar la entrada; el
margen es el valor máximo de la entrada menos el valor mínimo. Por ejemplo una celda de
carga se utiliza para medir fuerzas, podría tener un rango de 0 a 50 kN y un margen de 50 kN.
Rectificador.- Es el elemento o circuito que permite convertir la corriente alterna en corriente
continua.
Rectificador controlado de silicio SCR: (Silicon Controller Rectifier) como el diodo solo
permite el paso de corriente durante el semiciclo positivo de la señal AC, sufre del fenómeno
de la histéresis como desventaja ante otros elementos rectificadores. Este elemento consta de
tres patas, puede controlar grandes corrientes, muy empleado en interruptores de control de
potencia, barrido horizontal en los TV y unidades de memoria.
Rectificador controlado de silicio (SCR): Pertenece a la familia de los dispositivos pnpn de
4 capas. Es un rectificador construido de silicio que cuenta con una tercera terminal para
efectos de control. Estos dispositivos junto con un dispositivo de control, forman lo que se
conoce como tiristores. Esta diseñado para controlar potencias de hasta 10MW con niveles
individuales tan altos como 2000 A a 1800 V. Su rango de frecuencia de aplicación llega a
cerca de 50 KHz.
El símbolo gráfico para el SCR se muestra en la figura b, y las conexiones correspondientes a
la estructura de semiconductor de cuatro capas en la figura a.
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DQM 119
Figura a. Construcción básica del SCR.
Figura b. Símbolo del SCR.
Rectificador de media onda.- Es un circuito empleado para eliminar la parte negativa o
positiva de una señal de corriente alterna de entrada (Vi) convirtiéndola en corriente directa de
salida (Vo).
Rectificador de onda completa. - Es un circuito empleado para convertir una señal de
corriente alterna de entrada (Vi) en corriente directa de salida (Vo) pulsante.
Región activa: Cuando un transistor no está ni en su región de saturación ni en la región de
corte entonces está en una región intermedia, la región activa.
Región inversa: Al invertir las condiciones de polaridad del funcionamiento en modo activo, el
transistor bipolar entra en funcionamiento en modo inverso.
Regulación de voltaje. La regulación de línea mantiene un voltaje de salida casi constante
cuando varía el voltaje de entrada.
Repetibilidad: describe la capacidad del transductor para producir la misma salida después
de aplicar varias veces el mismo valor de entrada.
Requerimiento de potencia: Los transductores pasivos necesitan de excitación externa. Así,
si deben emplear transductores pasivos, es necesario asegurar que haya disponibles fuentes
de poder eléctricas adecuadas para operarlos.
Respuesta de frecuencia: debe ser capaz de responder a la velocidad máxima de cambio en
el efecto que se esta observando.
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DQM 120
Resistencia: Se denomina resistencia eléctrica, R, de una sustancia, a la oposición que
encuentra la corriente eléctrica para circular a través de dicha sustancia. Su valor viene dado
en ohmios, se designa con la letra griega omega mayúscula (Ω), y se mide con el Ohmímetro.
Resistividad: grado de dificultad que encuentran los electrones en sus desplazamientos. Se
designa por la letra griega rho minúscula (ρ) y se mide en ohms por metro (Ω·m, a veces
también en Ω·mm²/m).
SCR: Un rectificador controlado de silicio (SCR, rectificador controlado de silicio) es un
dispositivo de tres terminales usado para controlar corrientes más bien altas para una carga.
SCR fotosensible LASCR: es un SCR activado por la reacción de la luz
Semiconductor.- Es un dispositivo semiconductor que permite el paso de la corriente eléctrica
en una única dirección con características similares a un interruptor.
Semiconductor tipo n. El silicio que ha sido dopado con impurezas pentavalentes se llama
semiconductor tipo n, donde n hace referencia a negativo.
Semiconductor tipo p. El silicio que ha sido dopado con impurezas trivalentes se llama
semiconductor tipo p, donde p hace referencia a positivo.
Sensibilidad: es la relación que nos indica que tanta salida se obtiene por unidad de entrada.
Señal Análoga. Una cantidad se denota por medio de otra, que se relaciona con la primera de forma continua. La señal de la figura No 1 así lo muestra, la magnitud de voltaje “E” varía y depende en forma continua de la variable tiempo “t”. Señal Digital: La cantidad no se denota por cantidades continuas sino por símbolos
denominados dígitos.
Símbolo: Es un signo sin semejanza ni contigüidad, que solamente posee un vínculo
convencional entre su significante y su denotación.
Sistemas numéricos. Es un conjunto ordenado de símbolos o dígitos, reglas con las que se
combinan.
Temperatura en los diodos (efecto).- A medida que la temperatura se incrementa las
características en polarización directa se vuelven más ideales.
Tiempo de recuperación inverso: Es la suma de los tiempos de almacenamiento y de
decaimiento, y tal periodo de tiempo nos indica el tiempo total durante el cual, después de un
cambio de polarización directa a inversa en un diodo, no obtenemos la respuesta ideal en el
dispositivo, es decir, una señal rectificada.
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DQM 121
Tiristor: El tiristor (gr.: puerta) es un componente electrónico constituido por elementos
semiconductores que utiliza realimentación interna para producir una conmutación. Se emplea
generalmente para el control de potencia eléctrica.
Tiristores: tienen una función similar a los transistores de potencia. El terminal A
corresponde al Ánodo, el terminal C al Cátodo y el terminal G al Gatillador (o electrodo de
desbloqueo), en el caso de un Tiristor bidireccional hace referencia a los Triac.
Transductores: o sensores se refiere a un elemento que produce una señal relacionada con
la cantidad que se esta midiendo. Con frecuencia se utiliza el término de transductor en vez
de sensor. El transductor es el elemento que al someterlo a un cambio químico o físico
experimenta un cambio eléctrico.
Transductores de humedad (Termopares): cuando dos metales se unen, en el sitio de
unión se produce una diferencia de potencial. Esta depende de los metales utilizados y la
temperatura de la unión. Los termopares constituyen circuitos completos en los que hay este
tipo de uniones. Si ambas uniones están a la misma temperatura no existe fuerza
electromotriz neta. En cambio si la temperatura es diferente, si se produce una fuerza
electromotriz ( f.e.m.)
Transductores de Presión: Un transductor para medir fuerza se basa en el empleo de
deformímetros de resistencia eléctrica para monitorear la deformación de cierto elemento
cuando este se estira, se comprime o se llega a doblar por la aplicación de una fuerza.
Transición.- Fenómeno provocado por los electrones que se pasan de un estado
determinado a otro totalmente diferente.
Transistor: El transistor es un dispositivo electrónico semiconductor que cumple funciones de
amplificador, oscilador, conmutador o rectificador. El término "transistor" es la contracción en
inglés de transfer resistor ("resistencia de transferencia").
Transistor.- Es un dispositivo electrónico semiconductor que cumple funciones de amplificador,
oscilador, conmutador o rectificador.
Transistor bipolar: es un amplificador de corriente, esto quiere decir que si le introducimos
una cantidad de corriente por una de sus patillas (base), el entregará por otra (emisor), una
cantidad mayor a ésta, en un factor que se llama amplificación.
Transistor bipolar de heterounión (TBH) es una mejora del TBJ que puede manejar señales
de muy altas frecuencias, de hasta varios cientos de GHz. Es un dispositivo muy común hoy
en día en circuitos ultrarrápidos, generalmente en sistemas de radiofrecuencia.
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DQM 122
Transistores de Potencia: realizan similares funciones a las de un transistor normal pero
administran una mayor capacidad en el paso de la corriente, su encapsulado es mayor y
soportan más la disipación de calor.
Transistores NPN consisten en una capa de material semiconductor dopado P (la "base")
entre dos capas de material dopado N. Una pequeña corriente ingresando a la base en
configuración emisor-común es amplificada en la salida del colector.
Transistores PNP consisten en una capa de material semiconductor dopado N entre dos
capas de material dopado P.
TRIAC o Triodo para Corriente Alterna es un dispositivo semiconductor, de la familia de los
transistores. La diferencia con un tiristor convencional es que éste es unidireccional y el
TRIAC es bidireccional. De forma coloquial podría decirse que el TRIAC es un interruptor
capaz de conmutar la corriente alterna.
TRIAC: Interruptor triodo de doble sentido, es un interruptor controlado de silicio entre
terminales, similar al SCR, cuando el Triac esta conduciendo puede manejar corrientes en
ambas direcciones, por eso es ideal para corriente alterna, pero es mecánicamente más
pequeño y funciona con corrientes y voltajes menores que el SCR, aunque con las mismas
ventajas. Al igual que los SCR no tienen rebote de contacto, no se producen arcos en
contactos parcialmente abiertos y operan mucho más rápido que los contactores mecánicos.
La mayor parte de Triacs de mediana potencia manejan un voltaje de gatillado entre 0.6 a 2 v y una corriente de gatillado entre 0.1 y 20 mA las cuales varían considerablemente con la temperatura.
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Triac: El Triac es fundamentalmente una combinación paralela inversa de dos terminales de
capas de semiconductor que permiten el disparo en cualquier dirección con una terminal de
compuerta para controlar las condiciones de encendido bilateral del dispositivo en cualquier
dirección. En otras palabras, para cualquier dirección, la corriente de compuerta puede
controlar la acción del dispositivo en una forma muy similar a la mostrada para un SCR.
En la figura se muestra el símbolo grafico del dispositivo así como la distribución de las capas
de semiconductor. Para cada dirección de conducción posible, existe una combinación de
capas de semiconductor cuyo estado será controlado por la señal aplicada a la terminal de
compuerta.
Unidad Central de Proceso (CPU).- Es el "cerebro" de una computadora, de manera más
precisa, es la parte de una computadora que se encarga de ordenar y controlar el proceso y la
transferencia de información
Word: Palabra de 16 bits.
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Nota:
Agradecemos cualquier comentario o sugerencia para la mejora continúa de estos apuntes al Profesor Quintero, en el siguiente correo electrónico:
México DF a 22 de junio de 2011 / 15 DE MAYO DE 2014.