tema 4: COMPONENTS ACTIUS: TRANSFORMADORDIODETRANSISTORREL Electrnica Bsica Manuel I. Bielsa - Enric Torres curs 2002-03 TECNOLOGIA E.S.O

TEMA 4

1.- El Transformador monofsic 2.- Els materials semiconductors3.- El Diode4.- El transistor: Bipolar, JFET i MOSFET5.- El Rel

1/tema 4

Sol ser necessari disposar de circuits elctrics de manera que la potncia disponible es puga comportar, amb relaci a la crrega, com la ms apropiada dentre multiples combinacions que es poden fer amb els valors de la corrent i la tensi. Es a dir, des duna tensi elevada amb una dbil corrent, fins a una tensi baixa amb una corrent elevada.El dispositiu elctric que realitza una funci comparable a la del variador mecnic de velocitat mitjanant engranatges es denomina TRANSFORMADOR. El TRANSFORMADOR s una mquina elctrica esttica, que transforma la potncia elctrica disponible variant la relaci tensi-corrent, grcies a la disposici dels debanats primari-secundari.El funcionament dun TRANSFORMADOR es basa en el principi de linducci electromagntica, que de manera resumida sha analitzat en la tema anterior, i consisteix en o varis bobinats que estn reciprocament influits per la corrent, doncs, la corrent que recorreix un debanat indueix una tensi en laltre. Aquest efecte demostra que existeix una inductncia mutua entre els debanats. Evidentment, aqu sols analitzem els transformadors monofsics de xicoteta o mitjana potncia, deixant de costat tots aquells de gran potncia i trifsics, doncs, ens interessa conixer aquells amb aplicacions relacionades en lmbit de lelectrnica de consum-escolar. Simbols2/tema 4

3/tema 4

4/tema 4 Constituci fisica

Donat que la Reluctncia de laire s mxima i la Permeabilitat minima, lintroducci dun nucli de Fe dalta permeabilitat en linterior dels debanats, en substituci de laire, augmenta lacoplament magntic entre i laltre debanat permitint obtenir la mxima transferncia denergia.Quant ms elevada siga lInductncia, major ser la Reactncia i al mateix etmps, menor ser la corrent magnetitzant que fa falta per a determinar lacoblament inductiu. Secci transversal dun TRF5/tema 4

6/tema 4 Eqacions Aplicacions dels TRFTransformadors tipus DOMSTIC monofsics (220v 6, 9, 12 v) Transformadors tipus INDUSTRIAL monofsic - trifsic (de BT / AT elevadors o de AT / BT reductors), Transformadors per a usos determinats: AUTOTRANSFORMADORS, AUDIOFREQNCIES, INTERETAPES, etc

Els materials semiconductors tenen lestructura dels allants monocristalins. Els ms empleats en electrnica sn el Germani (Ge) i el Silici (Si). Adems daquestos materials sutilitzen els denominats semiconductors binaris com per exemple: Arseniuro de Gali, Antimoniuro dIndi, Fosfuro dIndi, etc.Sobserva que tant el Silici com el Germani lestructura cristalina s bastant uniforme, s a dir monocristalina; per lo tant, aquestos elements, s sn extremadament purs, no sn conductors, quan no allants.La presncia de determinades impureses en la xarxa cristalina redueix la seua resistivitat, poguen dir-se que sn conductors baix determinades condicions especials.Per a obtenir les caracterstiques dun semiconductor, les impureses sincorporen artificialment, i sn substncies quimiques afegides durant la formaci a alta temperatura del monocristal.Daquest procs dependeix, la diferenciaci del semiconductor i, per tant, la possibilitat delaborar amb ell diversos components. Estructura electrnica dels toms7/tema 4

8/tema 4b) Bandes dEnergia dels materials

9/tema 4El dispositiu semiconductor ms simple s el DIODE que resulta de la uni de regions N i P, en un cristall nic de Silici.Quan saplica una tensi positiva a la regi P i altra negativa a la regi N, sestableixen corrents contraries delectrons i buits (ausncia delectrons). Els buits se localitzen en la regi P i sn repelits per la crrega positiva aplicada al terminal P i absorbits cap al terminal N, de manera que sorigina un fluix electrnic a travs de la uni N-P.Els electrons de la regi N isen repelits en direcci oposada. La forta corrent que sorigina sanomena corrent directa de diode o polaritzaci directa.Si sinverteixen les connexions del diode, els buits tendiran cap al terminal de la regi P, que ara t crrega negativa, i els electrons retrocediran cap a la regi N, cap al terminal positiu. No existeix fluix de corrent a travs de la uni. Per la qual cosa, sobserva una corrent inversa molt xicoteta, originada per alguns electrons trobats en el Silici de tipus P i per buits en el de tipus N.Els portadors de corrent minoritaris sempre estan presents, encara que la seua concentraci siga molt baixa.El DIODE mant una baixa resistncia en polaritat directa, mentres que en polaritzaci inversa s elevada. Polaritzaci directa

10/tema 4 Simbol Polaritzaci inversa

11/tema 4 Corva caracteristica dun DIODE IDEAL EqacionsID = Intensitat directa (mA)Is = Intensitat de saturaci inversa ( A)V = Tensi entre extrems del diode (volts)K = cte. Boltzmann (eV K), Tk = temperatura (K) = Tc + 273

12/tema 4 Is = Intensitat de saturaci inversa (A)VGO = Amplaria de la Banda Prohibida (juliols) K = cte. Boltzmann (eV K) Tm = temperatura (K) = Tc + 273per al Ge =1 m=2, VGO = 0,785 V.per al Si =2 m=1,5 VGO = 1,21 V. Familia de DIODES

Tipologia de DIODES13/tema 4Editorial MARCOMBO-BOIXEREU

14/tema 4

15/tema 4El TRANSISTOR (TRANSfer i resISTOR) veren ser descoberts en 1948 per John Bardeen, Walter H.Brattain i William Shockley als laboratoris Bell Telephone (EEUU).El Transistor s com una resistncia amb caracteristiques de transferncia, de manera que el seu valor resistiu intern s funci de la senyal aplicada a un electrode de control.Si afegim una tercera regi impurificada a un diode, obtenim el TRANSISTOR. Es a dir, un emparedat de la regi P entre dos N, o pel contrari, una regi N entre dos P. Aix s com naixen els transistors NPN i el PNP.Aquestes tres regions, es denominen EMISSOR, BASE i COLLECTOR.El TRANSISTOR pot considerar-se com la uni de dos diodes en a soles cristall de silici.El funcionament del Transistor est condicionat per les tensions relatives que sapliquen a les tres regions N-P-N.Existeixen altres tipus de transistors, sn els denominats: JFET i MOSFET. Funcionament del transistor bipolar NPNEl funcionament del Transistor tant siga NPN que PNP, est condicionat per les tensions relatives que sapliquen a les tres regions N-P-N.Suposem que apliquem un potencial de zero volts a lEMISSOR dun transistor NPN, a la BASE P una xicoteta tensi positiva i al COLLECTOR una tensi positiva major. LEmissor i la Base representen un diode que opera en forma directa, doncs, els h+ sn arrastrats cap lEmissor i els e- cap a la Base. En contrast, les tensions de Base i Collector presenten polaritats innadequades per a la conducci; per tant, sols una xicoteta corrent inversa de valor despreciable flueix a travs de la uni.A parti dac, el Collector no permaneix innactiu, doncs, els electrons impulsats per lEmissor cap a la Base sn transportats cap al Collector segons un procs de difussi similar a la mescla de dos gasos.En un transistor de bon disseny, quasi tots els electrons injectats se difundeixen a travs de la Base, i sorigina un considerable fluix de corrent dEmissor a Collector.Si la tensi positiva de la Base es redueix a zero, o si se connecta un potencial negatiu a la Base, la corrent directa del diode de lEmissor a la Base se suspn; adems al no ser impulsats els electrons cap a la Base, satura la corrent dEmissor a Collector, doncs, la corrent de Collector est controlada per la corrent de Base.

Variant la polaritat de la tensi aplicada a la base, pot activar-se o desactivar-se la corrent de Collector; entre aquestos dos estats, la corrent de Collector s proporcional a la corrent de Base, denominada ganncia.Normalment, la relaci entre les corrents de Base i de Collector s de 100.El principi de funcionament dun transistor PNP s idntic al descrit, per amb totes les polaritats invertides. Corves i parmetres caracteristics16/tema 4

17/tema 4 Parmetres Tipus de transistors: simbols Al llarg de les segents fitxes sanalitzarn cadasc dels transistors

18/tema 4 Transistor Bipolar

19/tema 4 Muntatges fonamentalsa) EMISSOR Com b) BASE com c) COLLECTOR com

20/tema 4 Caracteristiques dels transistors: Emissor, Base i Collector com Vent Vbe Ze = ----------- = --------- Ient Ib Impedncia dEntrada: resistncia interna en Emissor com Vsal Vce Zs = ----------- = --------- Vsal Ic Impedncia dEixida:resistncia interna en Emissor com Isal Ic = --------- = -------- Ient Ib Amplificaci de corrent: Vsal Av = ----------- Vent Amplificaci de tensi Wsal Aw = ----------- Went Amplificaci de potncia

Transistor de Efecte de Camp JFETEls transistors BIPOLARS sn de gran utilitat per tenen alguns inconvenients com per exemple la baixa impedncia dentrada.Existeixen altres dispositius que eliminen aquest inconvenient, adems que funcionen a soles amb un tipus de portador de crregues. Sn els denominats UNIPOLARS o Transistors dEfecte de Camp JFET.Existeixen dos tipus: a) Transistors dEfecte de Camp duni JFET b) Transistors dEfecte de Camp de porta allada MOSFET

Un transistor FET est format per una barreta de material P o N, denominada canal, rodejada en part de la seua longitud, per un collar de laltre tipus de material, formant aix una uni P-N.En els extrems del canal es fan les connexions hmiques denominades respectivament SUMIDER (D-Drain) i FONT (S-Source), i en el collar la connexi de la PORTA (G-Gate). 21/tema 4

TRANSISTOR FET de CANAL PTRANSISTOR FET de CANAL N Simbols Corves caracteristiques22/tema 4

23/tema 4 Transistor MOSFETExisteix una segona classe de transistors denominats TRANSISTORS dEFECTE de CAMP MOSFET.Els MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor es troben entre dos illes de silici de tipus N en un substrat de tipus P, efectuant-se les connexions directament sobre les illes, les quals reben el nom de SURTIDOR i DRENADOR respectivament.Sobre la superficie del silici i en el canal existent entre el surtidor i el drenador se forma una capa de dixid de silici SiO2 ; sobre la cap de lxid se deposita altra capa metllica, originant-se la formaci dun tercer electrode denominat PORTA.El dixide de silici presenta unes caracteristiques allants excellents, de modo que la porta no t connexi directa amb el substrat semiconductor. Pel contrari la porta est acoplada al silici per capacitncia; es a dir, el camp elctric generat per qualsevol crrega aplicada en lelectrode de la porta pot condicionar el moviment dels portadors de crrega en el canal semiconductor.En funcionament normal, surtidor i substrate estan connectats per un conductor extern, a un potencial de zero volts. Al drenador se li aplica una tensi de valor positiu. No existeix fluix electrnic entre surtidor i substrate perque ambdues estan connectats a terra; entre el drenador i el substrate apareix una xicoteta corrent inversa, com ocorreix en el diode.

Tipus de MOSFET a) MOSFET dENRIQUERIMENT (de canal N P) b) MOSFET dEMPOBRIMENT (de canal N P)

24/tema 4TRANSISTOR MOSFET dENRIQUERIMENTde CANAL NTRANSISTOR MOSFET dEMPOBRIMENT de CANAL N MOSFET de canal N

TRANSISTOR MOSFET dENRIQUERIMENT de CANAL PTRANSISTOR MOSFET dEMPOBRIMENT de CANAL P25/tema 4 MOSFET de canal P

26/tema 4El REL s un dispositiu electromecnic que permiteix el pas de corrents elevades a travs dels seus contactes a parit dun circuit de control (bobina) governat per xicotetes corrents.Observem que aquest dispositiu consta de dues parts:a) Circuit de MANDO i CONTROL (bobina) Circuit de POTNCIA (contactes)

Existeixen bsicament dos tipus de rels: els electromagntics i els electrnics ELS ELECTROMAGNTICS: funcionen a laplicar una senyal elctrica a la bobina. Disposen dun electroiman i una pea mbil que pot accionar varis contactes. ELS ELECTRNICS: tamb denominats rels destat slid, no hi ha parts mbils

Simbol