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Portafolio
Electronica Analogica
Temario:
1.-Analisis de circuitos con diodos.
2.-Transistores bipolares de unin (BJT).
3.-Amplificadores con transistores bipolares de unin.
4.-Amplificadores multietapa.
5.-amplificadores con transistores de efecto de campo.
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Conductores: oro, plata, cobre, etc.
Caracterstica principal: es un material que ofrece poca
resistencia al
movimiento de carga elctrica y en su ltima
capa hay un solo electrn de valencia.
No conductor: Madera, Vidrio, Hule, etc.
Caracterstica principal: es un material que ofrece mucha
resistencia al
movimiento de carga elctrica y en su ltima capa
tiene 8 electrones de valencia.
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Semiconductor: silicio y germanio.
Caracterstica principal: Es un elemento que se comporta como un
conductor o
como aislante dependiendo de diversos factores, como
por ejemplo el campo elctrico o magntico, la presin,
la radiacin que le incide, o la temperatura del
ambiente en el que se encuentre.
Material intrnseco: En un cristal de Silicio o Germanio que
forma una estructura tetradrica similar a la del carbono mediante
enlaces covalentes entre sus tomos, en la
figura representados en el plano por simplicidad. Cuando el
cristal se encuentra a
temperatura ambiente algunos electrones pueden absorber la
energa necesaria para
saltar a la banda de conduccin dejando el correspondiente hueco
en la banda de valencia.
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Material extrnseco: es un material semiconductor que ha sufrido
un
proceso de dopado
Materiales tipo P y N.
Se les llama semiconductores de tipo P a los semiconductores
contaminados con impurezas aceptoras. Las impurezas aceptoras son
aquellas que agregan un hueco en el material. Estas son impurezas
con 3electrones en su rbita de valencia. Al tener solo 3 electrones
queda una unin incompleta dejando un hueco para que un electrn
libre pueda tomar ese lugar. Este material es de tipo P debido a
que la conduccin elctrica se produce debido a su gran nmero de
huecos (portadores mayoritarios). Comparados con los electrones los
huecos tienen polaridad positiva. Los semiconductores tipo N son
aquellos a los que se le agregan impurezas donadoras (que donan un
electrn). Estas impurezas suelen tener 5 electrones. De estos 5
electrones 4 formaran una unin con los tomos vecinos y 1 quedara
libre. De esta forma este material contiene un mayor nmero de
electrones libres comparados con los huecos libres. Este material
es de tipo N debido a que la conduccin elctrica se produce debido a
su gran nmero de electrones (Portadores mayoritarios) de polaridad
negativa.
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En ambos casos la conduccin se hace por medio de los electrones
pero se puede decir que en el material tipo P la conduccin se
produce por el movimiento de huecos ya que los electrones se
desprenden de una unin dejando un hueco para pasar a otro.
Diodo. Un diodo es un componente electrnico de dos terminales
que permite la circulacin de la
corriente elctrica a travs de l en un solo sentido. Este trmino
generalmente se usa
para referirse al diodo semiconductor, el ms comn en la
actualidad; consta de una pieza
de cristal semiconductor conectada a dos terminales elctricos.
El diodo de vaco (que
actualmente ya no se usa, excepto para tecnologas de alta
potencia) es un tubo de vaco
con dos electrodos: una lmina como nodo, y un ctodo.
Smbolo del diodo:
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Historia del diodo:
Aunque el diodo semiconductor de estado slido se populariz antes
del diodo termoinico, ambos se desarrollaron al mismo tiempo.
En 1873 Frederick Guthrie descubri el principio de operacin de
los diodos trmicos. Guhtrie descubri que un electroscopio cargado
positivamente podra descargarse al acercarse una pieza de metal
caliente, sin necesidad de que ste lo tocara. No suceda lo mismo
con un electroscopio cargado negativamente, reflejando esto que el
flujo de corriente era posible solamente en una direccin.
El cientfico indio Jagdish Chandra Bose fue el primero en usar
un cristal semiconductor para detectar ondas de radio en 1894. El
detector de cristal semiconductor fue desarrollado en un
dispositivo prctico para la recepcin de seales inalmbricas por
Greenleaf Whittier Pickard, quin invent un detector de cristal de
silicio en 1903 y recibi una patente de ello el 20 de noviembre de
1906. Otros experimentos probaron con gran variedad de sustancias,
de las cuales se us ampliamente el mineral galena. Otras sustancias
ofrecieron un rendimiento ligeramente mayor, pero el galena fue el
que ms se us porque tena la ventaja de ser barato y fcil de
obtener. Al principio de la era del radio, el detector de cristal
semiconductor consista de un cable ajustable (el muy nombrado
bigote de gato) el cual se poda mover manualmente a travs del
cristal para as obtener una seal ptima. Este dispositivo
problemtico fue rpidamente superado por los diodos termoinicos,
aunque el detector de cristal semiconductor volvi a usarse
frecuentemente con la llegada de los econmicos diodos de germanio
en la dcada de 1950.
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Diodos termoinicos y de estado gaseoso:
Los diodos termoinicos son dispositivos de vlvula termoinica
(tambin conocida como tubo de vaco), que consisten en un arreglo de
electrodos empacados en un vidrio al vaco. Los primeros modelos
eran muy parecidos a la lmpara incandescente.
En los diodos de vlvula termoinica, una corriente a travs del
filamento que se va a calentar calienta indirectamente el ctodo,
otro electrodo interno tratado con una mezcla de Bario y xido de
estroncio, los cuales son xidos alcalinotrreos; se eligen estas
sustancias porque tienen una pequea funcin de trabajo (algunas
vlvulas usan calentamiento directo, donde un filamento de tungsteno
acta como calentador y como ctodo). El calentamiento causa emisin
termoinica de electrones en el vaco. En polarizacin directa, el
nodo estaba cargado positivamente por lo cual atraa electrones. Sin
embargo, los electrones no eran fcilmente transportados de la
superficie del nodo que no estaba caliente cuando la vlvula
termoinica estaba en polarizacin inversa. Adems, cualquier
corriente en este caso es insignificante.
En la mayora del siglo 20 los diodos de vlvula termoinica se
usaron en aplicaciones de seales anlogas, rectificadores y
potencia. Hasta el da de hoy, los diodos de vlvula
solamente se usan en aplicaciones exclusivas como rectificadores
en guitarras elctricas, amplificadores de audio, as como equipo
especializado de alta tensin.
Diodo semiconductor:
Un diodo semiconductor moderno est hecho de cristal
semiconductor como el silicio con
impurezas en l para crear una regin que contiene portadores de
carga negativa
(electrones), llamado semiconductor de tipo n, y una regin en el
otro lado que contiene
portadores de carga positiva (huecos), llamado semiconductor
tipo p. Las terminales del
diodo se unen a cada regin. El lmite dentro del cristal de estas
dos regiones, llamado una
unin PN, es donde la importancia del diodo toma su lugar. El
cristal conduce una
corriente de electrones del lado n (llamado ctodo), pero no en
la direccin opuesta; es
decir, cuando una corriente convencional fluye del nodo al ctodo
(opuesto al flujo de los
electrones).
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Al unir ambos cristales, se manifiesta una difusin de electrones
del cristal n al p (Je). Al establecerse una corriente de difusin,
aparecen cargas fijas en una zona a ambos lados de la unin, zona
que recibe el nombre de regin de agotamiento.
A medida que progresa el proceso de difusin, la regin de
agotamiento va incrementando su anchura profundizando en los
cristales a ambos lados de la unin. Sin embargo, la acumulacin de
iones positivos en la zona n y de iones negativos en la zona p,
crea un campo elctrico (E) que actuar sobre los electrones libres
de la zona n con una determinada fuerza de desplazamiento, que se
opondr a la corriente de electrones y terminar detenindolos.
Este campo elctrico es equivalente a decir que aparece una
diferencia de tensin entre las zonas p y n. Esta diferencia de
potencial (VD) es de 0,7 V en el caso del silicio y 0,3 V para los
cristales de germanio.
La anchura de la regin de agotamiento una vez alcanzado el
equilibrio, suele ser del orden de 0,5 micras pero cuando uno de
los cristales est mucho ms dopado que el otro, la zona de carga
espacial es mucho mayor.
Cuando se somete al diodo a una diferencia de tensin externa, se
dice que el diodo est polarizado, pudiendo ser la polarizacin
directa o inversa.
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Polarizacin directa del diodo:
En este caso, la batera disminuye la barrera de potencial de la
zona de carga espacial, permitiendo el paso de la corriente de
electrones a travs de la unin; es decir, el diodo polarizado
directamente conduce la electricidad.
Para que un diodo est polarizado directamente, se debe conectar
el polo positivo de la batera al nodo del diodo y el polo negativo
al ctodo. En estas condiciones podemos observar que:
El polo negativo de la batera repele los electrones libres del
cristal n, con lo que estos electrones se dirigen hacia la unin
p-n.
El polo positivo de la batera atrae a los electrones de valencia
del cristal p, esto es equivalente a decir que empuja a los huecos
hacia la unin p-n.
Cuando la diferencia de potencial entre los bornes de la batera
es mayor que la diferencia de potencial en la zona de carga
espacial, los electrones libres del cristal n, adquieren la energa
suficiente para saltar a los huecos del cristal p, los cuales
previamente se han desplazado hacia la unin p-n.
Una vez que un electrn libre de la zona n salta a la zona p
atravesando la zona de carga espacial, cae en uno de los mltiples
huecos de la zona p convirtindose en electrn de valencia. Una vez
ocurrido esto el electrn es atrado por el polo positivo de la
batera y se desplaza de tomo en tomo hasta llegar al final del
cristal p, desde el cual se introduce en el hilo conductor y llega
hasta la batera.
De este modo, con la batera cediendo electrones libres a la zona
n y atrayendo electrones de valencia de la zona p, aparece a travs
del diodo una corriente elctrica constante hasta el final.
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Polarizacin inversa del diodo: En este caso, el polo negativo de
la batera se conecta
a la zona p y el polo positivo a la zona n, lo que hace aumentar
la zona de carga espacial, y
la tensin en dicha zona hasta que se alcanza el valor de la
tensin de la batera, tal y
como se explica a continuacin:
El polo positivo de la batera atrae a los electrones libres de
la zona n, los cuales salen del cristal n y se introducen en el
conductor dentro del cual se desplazan hasta llegar a la batera. A
medida que los electrones libres abandonan la zona n, los tomos
pentavalentes que antes eran neutros, al verse desprendidos de su
electrn en el orbital de conduccin, adquieren estabilidad (8
electrones en la capa de valencia, ver semiconductor y tomo) y una
carga elctrica neta de +1, con lo que se convierten en iones
positivos.
El polo negativo de la batera cede electrones libres a los tomos
trivalentes de la zona p. Recordemos que estos tomos slo tienen 3
electrones de valencia, con lo que una vez que han formado los
enlaces covalentes con los tomos de silicio, tienen solamente 7
electrones de valencia, siendo el electrn que falta el denominado
hueco. El caso es que cuando los electrones libres cedidos por la
batera entran en la zona p, caen dentro de estos huecos con lo que
los tomos trivalentes adquieren estabilidad (8 electrones en su
orbital de valencia) y una carga elctrica neta de -1, convirtindose
as en iones negativos.
Este proceso se repite una y otra vez hasta que la zona de carga
espacial adquiere el mismo potencial elctrico que la batera.
En esta situacin, el diodo no debera conducir la corriente; sin
embargo, debido al efecto de la temperatura se formarn pares
electrn-hueco (ver semiconductor) a ambos lados de la unin
produciendo una pequea corriente (del orden de 1 A) denominada
corriente inversa de saturacin. Adems, existe tambin una denominada
corriente superficial de fugas la cual, como su propio nombre
indica, conduce una pequea corriente por la superficie del diodo;
ya que en la superficie, los tomos de silicio no estn rodeados de
suficientes tomos para realizar los cuatro enlaces covalentes
necesarios para obtener estabilidad. Esto hace que los tomos de la
superficie del diodo, tanto de la zona n como de la p, tengan
huecos en su orbital de valencia con lo que los electrones circulan
sin dificultad a travs de ellos. No obstante, al igual que la
corriente inversa de saturacin, la corriente superficial de fuga es
despreciable.
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Polarizacin inversa del diodo
Curva caracterstica del diodo:
Tensin umbral, de codo o de partida (V ). La tensin umbral
(tambin llamada barrera de potencial) de polarizacin directa
coincide en valor con la tensin de la zona de carga espacial del
diodo no polarizado. Al polarizar directamente el diodo, la barrera
de potencial inicial se va reduciendo, incrementando la corriente
ligeramente, alrededor del 1% de la nominal. Sin embargo, cuando la
tensin externa supera la tensin umbral, la barrera de potencial
desaparece, de forma que para pequeos incrementos de tensin se
producen grandes variaciones de la intensidad de corriente.
Corriente mxima (Imax ). Es la intensidad de corriente mxima que
puede conducir el diodo sin fundirse por el efecto Joule. Dado que
es funcin de la cantidad de calor que puede disipar el diodo,
depende sobre todo del diseo del mismo.
Corriente inversa de saturacin (Is ). Es la pequea corriente que
se establece al polarizar inversamente el diodo por la formacin de
pares electrn-hueco debido a la temperatura, admitindose que se
duplica por cada incremento de 10 C en la temperatura.
Corriente superficial de fugas. Es la pequea corriente que
circula por la superficie del diodo (ver polarizacin inversa), esta
corriente es funcin de la tensin aplicada al diodo, con lo que al
aumentar la tensin, aumenta la corriente superficial de fugas.
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Tensin de ruptura (Vr ). Es la tensin inversa mxima que el diodo
puede soportar antes de darse el efecto avalancha.
Tericamente, al polarizar inversamente el diodo, este conducir
la corriente inversa de saturacin; en la realidad, a partir de un
determinado valor de la tensin, en el diodo normal o de unin
abrupta la ruptura se debe al efecto avalancha; no obstante hay
otro tipo de diodos, como los Zener, en los que la ruptura puede
deberse a dos efectos:
Efecto avalancha (diodos poco dopados). En polarizacin inversa
se generan pares electrn-hueco que provocan la corriente inversa de
saturacin; si la tensin inversa es elevada los electrones se
aceleran incrementando su energa cintica de forma que al chocar con
electrones de valencia pueden provocar su salto a la banda de
conduccin. Estos electrones liberados, a su vez, se aceleran por
efecto de la tensin, chocando con ms electrones de valencia y
liberndolos a su vez. El resultado es una avalancha de electrones
que provoca una corriente grande. Este fenmeno se produce para
valores de la tensin superiores a 6 V.
Efecto Zener (diodos muy dopados). Cuanto ms dopado est el
material, menor es la anchura de la zona de carga. Puesto que el
campo elctrico E puede expresarse como cociente de la tensin V
entre la distancia d; cuando el diodo est muy dopado, y por tanto d
sea pequeo, el campo elctrico ser grande, del orden de 3105 V/cm.
En estas condiciones, el propio campo puede ser capaz de arrancar
electrones de valencia incrementndose la corriente. Este efecto se
produce para tensiones de 4 V o menores.
Para tensiones inversas entre 4 y 6 V la ruptura de estos diodos
especiales, como los Zener, se puede producir por ambos
efectos.
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Tipos de diodos:
Existen varios tipos de diodos, que pueden diferir en su aspecto
fsico, impurezas, uso de electrodos, que tienen caractersticas
elctricas particulares usados para una aplicacin especial en un
circuito. El funcionamiento de estos diodos es fundamentado por
principios de la mecnica cuntica y teora de bandas.
Los diodos normales, los cuales operan como se describa ms
arriba, se hacen generalmente de silicio dopado o germanio. Antes
del desarrollo de estos diodos rectificadores de silicio, se usaba
el xido cuproso y el selenio: su baja eficiencia le dio una cada de
tensin muy alta (desde 1,4 a 1,7V) y requeran de una gran disipacin
de calor mucho ms grande que un diodo de silicio. La gran mayora de
los diodos pn se encuentran en circuitos integrados CMOS, que
incluyen dos diodos por pin y muchos otros diodos internos.
Diodo avalancha: Diodos que conducen en direccin contraria
cuando el voltaje en inverso supera el voltaje de ruptura.
Electricmente son similares a los diodos Zener, pero funciona bajo
otro fenmeno, el efecto avalancha. Esto sucede cuando el campo
elctrico inverso que atraviesa la unin p-n produce una onda de
ionizacin, similar a una avalancha, produciendo una corriente. Los
diodos avalancha estn diseados para operar en un voltaje inverso
definido sin que se destruya. La diferencia entre el diodo
avalancha (el cual tiene un voltaje de reversa de aproximadamente
6.2V) y el diodo zener es que el ancho del canal del primero excede
la "libre asociacin" de los electrones, por lo que se producen
colisiones entre ellos en el camino. La nica diferencia prctica es
que los dos tienen coeficientes de temperatura de polaridades
opuestas.
Diodo de Silicio: Suelen tener un tamao milimtrico y, alineados,
constituyen detectores multicanal que permiten obtener espectros en
milisegundos. Son menos sensibles que los fotomultiplicadores. Es
un semiconductor de tipo p (con huecos) en contacto con un
semiconductor de tipo n (electrones). La radiacin comunica la
energa para liberar los electrones que se desplazan hacia los
huecos, estableciendo una corriente elctrica proporcional a la
potencia radiante.
Diodo de cristal: Es un tipo de diodo de contacto. El diodo
cristal consiste de un cable de metal afilado presionado contra un
cristal semiconductor, generalmente galena o de una parte de carbn.
El cable forma el nodo y el cristal forma el ctodo. Los diodos de
cristal tienen una gran aplicacin en los radio a galena. Los diodos
de cristal estn obsoletos, pero puede conseguirse todava de algunos
fabricantes.
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Diodo de corriente constante: Realmente es un JFET, con su
compuerta conectada a la fuente, y funciona como un limitador de
corriente de dos terminales anlogo al diodo Zener, el cual limita
el voltaje. Permiten una corriente a travs de ellos para alcanzar
un valor adecuado y as estabilizarse en un valor especfico. Tambin
suele llamarse CLDs (por sus siglas en ingls) o diodo regulador de
corriente.
Diodo tnel o Esaki: Tienen una regin de operacin que produce una
resistencia negativa debido al efecto tnel, permitiendo amplificar
seales y circuitos muy simples que poseen dos estados. Debido a la
alta concentracin de carga, los diodos tnel son muy rpidos, pueden
usarse en temperaturas muy bajas, campos magnticos de gran magnitud
y en entornos con radiacin alta. Por estas propiedades, suelen
usarse en viajes espaciales.
Diodo Gunn: Similar al diodo tnel son construidos de materiales
como GaAs o InP que produce una resistencia negativa. Bajo
condiciones apropiadas, las formas de dominio del dipolo y
propagacin a travs del diodo, permitiendo osciladores de ondas
microondas de alta frecuencia.
Diodo emisor de luz: En un diodo formado de un semiconductor con
huecos en su banda de energa, tal como arseniuro de galio, los
portadores de carga que cruzan la unin emiten fotones cuando se
recombinan con los portadores mayoritarios en el otro lado.
Dependiendo del material, la longitud de onda que se pueden
producir vara desde el infrarrojo hasta longitudes de onda cercanas
al ultravioleta. El potencial que admiten estos diodos dependen de
la longitud de onda que ellos emiten: 2.1V corresponde al rojo,
4.0V al violeta. Los primeros ledes fueron rojos y amarillos. Los
ledes blancos son en realidad combinaciones de tres ledes de
diferente color o un led azul revestido con un centelleador
amarillo. Los ledes tambin pueden usarse como fotodiodos de baja
eficiencia en aplicaciones de seales. Un led puede usarse con un
fotodiodo o fototransistor para formar un optoacoplador.
Diodo lser: Cuando la estructura de un led se introduce en una
cavidad resonante formada al pulir las caras de los extremos, se
puede formar un lser. Los diodos lser se usan frecuentemente en
dispositivos de almacenamiento pticos y para la comunicacin ptica
de alta velocidad.
Diodo trmico: Este trmino tambin se usa para los diodos
convencionales usados para monitorear la temperatura a la variacin
de voltaje con la temperatura, y para refrigeradores termoelctricos
para la refrigeracin termoelctrica. Los refrigeradores
termoelctricos se hacen de semiconductores, aunque ellos no
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tienen ninguna unin de rectificacin, aprovechan el
comportamiento distinto de portadores de carga de los
semiconductores tipo P y N para transportar el calor.
Fotodiodos: Todos los semiconductores estn sujetos a portadores
de carga pticos. Generalmente es un efecto no deseado, por lo que
muchos de los semiconductores estn empacados en materiales que
bloquean el paso de la luz. Los fotodiodos tienen la funcin de ser
sensibles a la luz (fotocelda), por lo que estn empacados en
materiales que permiten el paso de la luz y son por lo general PIN
(tipo de diodo ms sensible a la luz). Un fotodiodo puede usarse en
celdas solares, en fotometra o en comunicacin ptica. Varios
fotodiodos pueden empacarse en un dispositivo como un arreglo
lineal o como un arreglo de dos dimensiones. Estos arreglos no
deben confundirse con los dispositivos de carga acoplada.
Diodo con puntas de contacto: Funcionan igual que los diodos
semiconductores de unin mencionados anteriormente aunque su
construccin es ms simple. Se fabrica una seccin de semiconductor
tipo n, y se hace un conductor de punta aguda con un metal del
grupo 3 de manera que haga contacto con el semiconductor. Algo del
metal migra hacia el semiconductor para hacer una pequea regin de
tipo p cerca del contacto. El muy usado 1N34 (de fabricacin
alemana) an se usa en receptores de radio como un detector y
ocasionalmente en dispositivos analgicos especializados.
Diodo PIN: Un diodo PIN tiene una seccin central sin doparse o
en otras palabras una capa intrnseca formando una estructura
p-intrinseca-n. Son usados como interruptores de alta frecuencia y
atenuadores. Tambin son usados como detectores de radiacin
ionizante de gran volumen y como fotodetectores. Los diodos PIN
tambin se usan en la electrnica de potencia y su capa central puede
soportar altos voltajes. Adems, la estructura del PIN puede
encontrarse en dispositivos semiconductores de potencia, tales como
IGBTs, MOSFETs de potencia y tiristores.
Diodo Schottky: El diodo Schottky estn construidos de un metal a
un contacto de semiconductor. Tiene una tensin de ruptura mucho
menor que los diodos pn. Su tensin de ruptura en corrientes de 1mA
est en el rango de 0.15V a 0.45V, lo cual los hace tiles en
aplicaciones de fijacin y prevencin de saturacin en un transistor.
Tambin se pueden usar como rectificadores con bajas prdidas aunque
su corriente de fuga es mucho ms alta que la de otros diodos. Los
diodos Schottky son portadores de carga mayoritarios por lo que no
sufren de problemas de almacenamiento de los portadores de carga
minoritarios que ralentizan la mayora
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de los dems diodos (por lo que este tipo de diodos tiene una
recuperacin inversa ms rpida que los diodos de unin pn. Tienden a
tener una capacitancia de unin mucho ms baja que los diodos pn que
funcionan como interruptores veloces y se usan para circuitos de
alta velocidad como fuentes conmutadas, mezclador de frecuencias y
detectores.
Stabistor: El stabistor (tambin llamado Diodo de Referencia en
Directa) es un tipo especial de diodo de silicio cuyas
caractersticas de tensin en directa son extremadamente estables.
Estos dispositivos estn diseados especialmente para aplicaciones de
estabilizacin en bajas tensiones donde se requiera mantener la
tensin muy estable dentro de un amplio rango de corriente y
temperatura.
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Aplicaciones del diodo:
Rectificador de media onda Rectificador de onda completa
Rectificador en paralelo Doblador de tensin Estabilizador Zener Led
Limitador Circuito fijador Multiplicador de tensin Divisor de
tensin
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Recta de carga y punto de operacin del diodo semiconductor
Niveles de resistencia:
Cuando el punto de operacin Q, de un diodo semiconductor se
mueve
desde una regin a otra la resistencia del diodo tambin
cambiara
debido a la forma no lineal de la curva caracterstica del
diodo
semiconductor.
El tipo de voltaje aplicado, es decir el voltaje de corriente
directa o C.D.
y el voltaje de corriente alterna A.C. Definir el nivel de la
resistencia
de inters.
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Diodo zener:
El diodo Zener es un diodo de cromo1 que se ha construido para
que funcione en las zonas de rupturas, recibe ese nombre por su
inventor, el Dr. Clarence Melvin Zener. El diodo Zener es la parte
esencial de los reguladores de tensin casi constantes con
independencia de que se presenten grandes variaciones de la tensin
de red, de la resistencia de carga y temperatura.
Son mal llamados a veces diodos de avalancha, pues presentan
comportamientos similares a estos, pero los mecanismos involucrados
son diferentes. Adems si el voltaje de la fuente es inferior a la
del diodo ste no puede hacer su regulacin caracterstica.
Caractersticas del zener:
Si a un diodo Zener se le aplica una corriente elctrica del nodo
al ctodo (polarizacin directa) toma las caractersticas de un diodo
rectificador bsico, pero si se le suministra corriente elctrica de
ctodo a nodo (polarizacin inversa), el diodo solo dejara pasar una
tensin constante.
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En conclusin: el diodo Zener debe ser polarizado al revs para
que adopte su caracterstica de regulador de tensin.
Su smbolo es como el de un diodo normal pero tiene dos
terminales a los lados. Este diodo se comporta como un diodo
convencional en condiciones de alta corriente porque cuando recibe
demasiada corriente se quema.
Precauciones que se deben observar al usar el diodo zener:
El diodo zener requiere de una resistencia que limite su
corriente.
Se debe trabajar por debajo de la zona mxima.
Ventajas del diodo zener:
Entrega una tensin de salida constante. (Voltaje zener).
Puede trabajar con diferentes valores de corriente en caso de
que se use con fuente variable de C.D.
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Aplicaciones del diodo semiconductor.
Rectificador de media onda.
La tensin de media onda produce una corriente por la resistencia
de carga la cual es
unidireccional. Significa que solo circula en una direccin.
El valor de continua de una seal de media onda es:
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Frecuencia de salida para un rectificador de media onda:
En un rectificador de media onda la frecuencia de salida (Fout)
es la misma
que la frecuencia de entrada (Fin).
Cada ciclo de la tensin de entrada produce un solo ciclo de la
tensin de
salida.
Fout=Fin
Usando la segunda aproximacin:
Vp(out) = Vp(in) 0.7volts
A causa de la barrera de potencial del diodo, no se obtiene una
tensin de onda perfecta.
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Ejemploi 1: Para la siguiente figura obtenga:
Tensin de pico (VP)
Tensin de continua (Vcd)
La fuente de tensin de la figura, entrega un valor de tensin de
10
volts el cual es un valor eficaz o Vrms, por lo cual tenemos que
cambiar
de valor eficaz a valor de pico (VP).
Diodo ideal
VP=10v/0.707 = 14.1volts (voltaje de pico)
Vcd= VP/pi = 14.1/pi = 4.49 volts. (tensin de continua).
Usando segunda aproximacin:
VP(out)= VP(in)-0.7v = 14.1v-0.7v = 13.4volts.
Vcd=VP/pi = 13.4v/pi = 4.27volts.
Fout= Fin = 60 Hz.
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Uso del transformador en un rectificador de media onda:
Debido a que la tensin de la red elctrica es demasiado
elevada
para la mayor parte de los dispositivos empleados en
circuitos
electrnicos se emplea un transformador en casi todos los
equipos de corriente.
Puntos indicadores:
El significado de los putos indicadores que se ponen en los
extremos superiores de los arrollamientos indica la fase de
tensin en el arrollamiento secundario.
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Si el secundario tuviera en el extremo inferior el punto
indicador,
la tension en el secundario estara fuera de fase a la tension
del
primario 180.
Relacin de esperias
Para obtener la seal de tension al secundario se emplea la
siguiente formula:
V2= V1/ (N1/N2)
esta formula se puede emplear para obtener valores como:
VRMS (eficaz).
Valores de pico.
Tensiones instantneas.
Los trminos de elevar y reducir se tratan con tranasformadores
porque estos trminos relacionan la tension del secundario con la
tension del primario.
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Ejercicio 2: Encontrar la tension de pico (VP) en la carga y la
tension de continua (vcd) en la carga para la siguiente figura:
Solucin: V2=V1/ (N1/N2) = 120 VRMS / 5 = 24 Volts (valor eficaz
vrms).
Como necesitamos encontrar el valor de pico (vp) usamos:
Vp=Vrms(eficaz/).707 = 24volts=.707= 34 volts(tension de pico en la
carga)
Con la tension de pico (vp) podemos obtener la tension de
continua (vcd)= Vp/ pi = 34 v/pi = 10.8 volts (tension de continua
en la carga)
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Rectificador de onda completa:
La figura muestra un rectificador de onda completa.
la conexin intermedia (derivacin central) llevada a la tierra en
el arrollamiento secundario debido a esta conexin central, el
circuito es equivalente a dos rectificadores de media onda.
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28
cada uno de estos rectificadores, tiene una tensin de entrada
igual a la mitad de la tensin del secundario. El diodo 1 conduce
durante el semiciclo positivo y el diodo 2 conduce durante el
semiciclo negativo. Como resultado la corriente por la resistencia
de carga, circula durante ambos semiciclos.
El rectificador de onda completa actua como 2 rectificadores de
media onda superpuestos.
Propiedades del rectificador de onda completa
Valor de continua o valor medio: La seal de onda completa tiene
doble ciclos positivos, que el de media onda Valor de continua:
Vdc=2vp/pi
Frecuencia de salida: En un rectificador de onda completa la
frecuencia de salida es el doble de la frecuencia de entrada
Fout=2Fin
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29
Rectificador tipo puente
El puente rectificador es similar a un rectificador de onda
completa porque produce una tensin de salida de onda completa.
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30
Los diodos de la figura D1 y D2 conducen en la mitad positiva
del ciclo y los diodos D3 y D4 conducen durante la mitad negativa
del ciclo. Como resultado, la corriente por la resistencia de carga
(RL) circula durante ambas mitades de los ciclos. La seal de salida
es una seal de tension continua pulsante.
La ventaja del rectificador tipo puente de onda completa sobre
los dos rectificadores anteriores es que la tension del secundario
se usa en su totalidad. Valor medio o Vcd frecuencia de salida Vcd=
2vp/pi Fout=2 fin
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31
Si se usa la segunda aproximacin es decir, si tenemos valores de
0.7 volts de ambos diodos durante cada ciclo positivo y negativo,
la tension de pico de salida o vp(out) seria: Vp(out) = vp (in) 1.4
volts Ciclo positivo ciclo negativo D1 y D2 0.7+0.7= 1.4volts D3
yD4 0.7+0.7= 1.4 volts
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Transistores Bipolares.
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Transistor polarizado
El transistor sin pilarizar es similar a dos diodos
contrapuestos. Cada diodo tiene una barrera de potencial de 0.7
volts.
Si se conectan fuentes externas de tension para poder polarizar
al transistor, obtendremos corrientes a travs de las diferentes
partes del transistor.
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La figura muestra al transistor NPN polarizado por 2 fuentes de
corriente continua.
El emisor esta fuertemente dopado y su funcin consiste en
inyectar electrones libres a la base.
La base ligeramente dopada tiene el propsito de dejar pasar
hacia el colector la mayor parte de los electrones libres
inyectados por el emisor.
Por lo cual el colector recibe este nombre, porque colecta la
mayora de los electrones provenientes de la base.
La fuente VBB polariza directamente al diodo Emisor.
La fuente VCC polariza inversamente al diodo colector. Esta
forma de polarizacin produce los resultados ms tiles en un
transistor.
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Corrientes en un transistor polarizado
La corriente del colector es aproximadamente igual a la
corriente del emisor
IC =IE
La corriente de base es muy pequea comparativamente ( menor del
1% de la corriente de colector)
IB
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Parmetro alfa en continua: El parmetro alfa en continua se
define como la corriente continua de colector dividida entre la
corriente continua de emisor.
Parmetro beta en continua: El parmetro beta en continua se
define como la corriente de colector dividida entre la corriente de
base.
Existen 3 formas tiles de conectar al transistor:
Emisor comn E-C
Base comn B-C
Colector comn C-C La mas utilizada es el modo Emisor- Comun
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El circuito de la figura es un transistor NPN, conectado en modo
emisor-comn (EC), el cual tiene una resistencia de polarizacin en
la entrada de base RB, esta resistencia nos permite controlar la
corriente de salida por medio de una pequea corriente de base Rb y
la ganancia beta de continua.
Usando diferentes valores de VBB o RB se pueden calcular la
corriente de base IB, la corriente de base o IB controla a la
corriente de colector o IC.
La fuente de tensin VCC polariza inversamente al diodo colector
atreves de la resistencia RC.
Subndices sobles.
Cuando los subndices son iguales, la tension representa una
fuente por ejemplo VBB y VCC.
Cuando los subndices son diferentes representan las tensiones
entre dos puntos por ejemplo: VBE y VCE.
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Subndices simples Estos subndices se usan para representar las
tensiones de los nodos. Ejemplo:
VCE=VC-VE
VCB=VC-VB
VBE=VB-VE
Curva caracterstica de entrada del transistor.
La curva caracterstica indica los valores de corriente de base
IB que se pueden obtener a partir de la tension VBE y la
resistencia RB.
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40
si aplicamos la ley de ohm para voltajes V=IR, y despejamos en
funcin de
la corriente I=V/R, se obtiene una ecuacin que al sustituirla
por los
valores de tension a la entrada y salida de la resistencia
RB.
IB= (VBB-0.7) / RB
Calcular la tension atraves de la resistencia de base y la
corriente de
colector IC , suponer una beta de 200
IB= VBB-.07v /RB = 2v-0.7v / 10000ohms = IB=1.3x10-5
Bdc=IC/IB = IC=(200)( 1.3x10-5) = IC=2.6x10-3
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Para un transitor en modo Emisor-Comun se puede obtener la
potencia,
adems de la tensin de colector.
Aplicando la ley de kirchoff la cual seala que la suma de todas
las
tensiones a lo largo de una malla o trayectoria cerrada es igual
a cero.
Aplicando la ley de Kirchhoff al circuito de salida o VCE se
tiene:
VCE=VCC-ICRC
La ecuacin indica que la tensin de colector-emisor (VCE) es
igual a la
tensin de la fuente de polarizacin (VCC) menos la tensin que hay
en la
resistencia de colector VRC.
VRC=ICRC
La potencia del diodo del colector o PD se obtiene de la
siguiente forma:
P=VI
Donde
PD=(VCE)(IC)
Esta potencia se debe a que el transistor presenta una disipacin
de potencia
que es aproximadamente igual a PD.
El consumo de potencia debe ser menor que PD max (dato del
fabricante)
para evitar que el transistor se dae.
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Solucin grfica para la recta de carga de salida del
transistor.
Se puede obtener el punto de operacin Q, usando una solucin
grafica
basada en la recta de carga de un transistor.
Grafica de corriente de colector (IC), VS voltaje colector
emisor (VCE)
Se tiene que la ecuacin para la tensin de salida del
colector-emisor esta
expresada como:
VCE=VCC-ICRC
Dnde:
VCC: es el valor de tensin de la fuente de polarizacin de salida
del
transistor.
ICRC: es la ley de ohm aplicada para obtener la tensin a travs
de la
resistencia RC.
Para la ecuacin de salida:
VCE=VCC-ICRC
Si suponemos un valor de VCE=0
La ecuacin quedara como: VCC-ICRC=0
Esto nos ayudara para obtener la corriente de saturacin o IC
sat.
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VCC=ICRC
VCC/RC=IC
ICsat=VCC/ICRC
Ahora si suponemos un valor de IC casi cero o cero la ecuacin
VCE=VCC-ICRC
Quedar como:
VCE=VCC
Pudiendo asi obtener el valor de la tensin colector emisor de
corte o VCE
corte.
Los valores IC sat y VCE corte son el extremo superior de la
recta de carga y
el extremo inferior de la recta de carga.
Usando estos dos valores IC sat y VCE corte se obtiene una lnea
de carga, la
cual representa los valores de IC frente a VCE.
Esta recta de carga representa el efecto de carga en IC y
VCE.
La recta de carga es til porque contiene todos los puntos de
trabajo posibles
para el circuito.
Puntos de la recta de carga
Corriente de colector de saturacin: IC sat.
Voltaje colector-emisor de corte: VCE corte.
Corriente de colector del punto de operacin Q: ICQ.
Tensin colector-emisor del punto de operacin Q: VCEQ.
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Polarizacion de emisor.
Los circuitos digitales son el tipo de circuitos que se emplean
en los
ordenadores para esta aplicacin, la polarizacin de base y los
circuitos
derivados de ella son tiles.
Cuando se trata de amplificadores se necesitan circuitos cuyo
punto de
operacin Q, sean inmunes a los cambios de ganancia de corriente
Bdc=IC/IB
La figura muestra una configuracin de emisor comn con
polarizacin de
emisor (RE).
Se puede ver que la resistencia se ha cambiado del circuito de
base al circuito
emisor.
Este cambio provoca que el punto de operacin Q sea inmvil aun
cuando la
ganancia del transistor cambie de valor, el valor de Q casi no
se desplaza
sobre la recta de carga.
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La fuente de polarizacin de base o VBB, se aplica directamente
al
emisor, puesto que este ya no se encuentra directamente a la
tierra
ahora la tensin de emisor es mayor.
VE=VBB-VBE
VE=VBB-0.7v
Para obtener el punto de operacin Q primero obtenemos el valor
debe
VE=VB-VBE
Segundo, obtenemos el valor de IE por medio de la ley de
ohm.
I=V/R IE=VE/RE
Como IE=IC obtenemos tambin el valor de IC
Obtenemos el valor de VC
VC=VCC-ICRC
Para obtener la tensin de colector emisor.
VCE=VC-VE
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Recta de carga y punto de operacin Q para el circuito de
polrizacion
por divisor de tensin.
la tensin de emisor permanece constante.
El punto de operacin Q es prcticamente inmune a los cambios en
la
ganancia de corriente.
Obtencin de los parmetros de corriente de colector de saturacin
IC sat. Y
tensin de corte VCEcorte.
VCE=VC-ICRC
Suponiendo IE=0
Como IE=IC
VCE=10 v- (0 ma)(3.6k)
VCE=10 v
VCE=VCEc0rte= 10volts.
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51
BJT.
El transistor de unin bipolar (del ingls Bipolar Junction
Transistor, o sus siglas BJT) es un dispositivo electrnico de
estado slido consistente en dos uniones PN muy cercanas entre s,
que permite controlar el paso de la corriente a travs de sus
terminales. La denominacin de bipolar se debe a que la conduccin
tiene lugar gracias al desplazamiento de portadores de dos
polaridades (huecos positivos y electrones negativos), y son de
gran utilidad en gran nmero de aplicaciones; pero tienen ciertos
inconvenientes, entre ellos su impedancia de entrada bastante
baja.
Los transistores bipolares son los transistores ms conocidos y
se usan generalmente en electrnica analgica aunque tambin en
algunas aplicaciones de electrnica digital, como la tecnologa TTL o
BICMOS.
Un transistor de unin bipolar est formado por dos Uniones PN en
un solo cristal semiconductor, separados por una regin muy
estrecha. De esta manera quedan formadas tres regiones:
Emisor, que se diferencia de las otras dos por estar fuertemente
dopada, comportndose como un metal. Su nombre se debe a que esta
terminal funciona como emisor de portadores de carga.
Base, la intermedia, muy estrecha, que separa el emisor del
colector. Colector, de extensin mucho mayor.
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52
La tcnica de fabricacin ms comn es la deposicin epitaxial. En su
funcionamiento normal, la unin base-emisor est polarizada en
directa, mientras que la base-colector en inversa. Los portadores
de carga emitidos por el emisor atraviesan la base, porque es muy
angosta, hay poca recombinacin de portadores, y la mayora pasa al
colector. El transistor posee tres estados de operacin: estado de
corte, estado de saturacin y estado de actividad.
Funcionamiento.
En una configuracin normal, la unin base-emisor se polariza en
directa y la unin base-colector en inversa.1 Debido a la agitacin
trmica los portadores de carga del emisor pueden atravesar la
barrera de potencial emisor-base y llegar a la base. A su vez,
prcticamente todos los portadores que llegaron son impulsados por
el campo elctrico que existe entre la base y el colector.
Un transistor NPN puede ser considerado como dos diodos con la
regin del nodo compartida. En una operacin tpica, la unin
base-emisor est polarizada en directa y la unin base-colector est
polarizada en inversa. En un transistor NPN, por ejemplo, cuando
una tensin positiva es aplicada en la unin base-emisor, el
equilibrio entre los portadores generados trmicamente y el campo
elctrico repelente de la regin agotada se desbalancea, permitiendo
a los electrones excitados trmicamente inyectarse en la regin de la
base. Estos electrones "vagan" a travs de la base, desde la regin
de alta concentracin cercana al emisor hasta la regin de baja
concentracin cercana al colector. Estos electrones en la base son
llamados portadores minoritarios debido a que la base est dopada
con material P, los cuales generan "huecos" como portadores
mayoritarios en la base.
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La regin de la base en un transistor debe ser constructivamente
delgada, para que los portadores puedan difundirse a travs de esta
en mucho menos tiempo que la vida til del portador minoritario del
semiconductor, para minimizar el porcentaje de portadores que se
recombinan antes de alcanzar la unin base-colector. El espesor de
la base debe ser menor al ancho de difusin de los electrones.
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54
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55
JFET.
El JFET (Junction Field-Effect Transistor, en espaol transistor
de efecto de campo de juntura o unin) es un dispositivo electrnico,
esto es, un circuito que, segn unos valores elctricos de entrada,
reacciona dando unos valores de salida. En el caso de los JFET, al
ser transistores de efecto de campo elctrico, estos valores de
entrada son las tensiones elctricas, en concreto la tensin entre
los terminales S (fuente) y G (puerta), VGS. Segn este valor, la
salida del transistor presentar una curva caracterstica que se
simplifica definiendo en ella tres zonas con ecuaciones definidas:
corte, hmica y saturacin.
Fsicamente, un JFET de los denominados "canal P" est formado por
una pastilla de semiconductor tipo P en cuyos extremos se sitan dos
patillas de salida (drenador y fuente) flanqueada por dos regiones
con dopaje de tipo N en las que se conectan dos terminales
conectados entre s (puerta). Al aplicar una tensin positiva VGS
entre puerta y fuente, las zonas N crean a su alrededor sendas
zonas en las que el paso de electrones (corriente ID) queda
cortado, llamadas zonas de exclusin. Cuando esta VGS sobrepasa un
valor determinado, las zonas de exclusin se extienden hasta tal
punto que el paso de electrones ID entre fuente y drenador queda
completamente cortado. A ese valor de VGS se le denomina Vp. Para
un JFET "canal N" las zonas p y n se invierten, y las VGS y Vp son
negativas, cortndose la corriente para tensiones menores que
Vp.
As, segn el valor de VGS se definen dos primeras zonas; una
activa para tensiones negativas mayores que Vp (puesto que Vp es
tambin negativa) y una zona de corte para tensiones menores que Vp.
Los distintos valores de la ID en funcin de la VGS vienen dados por
una grfica o ecuacin denominada ecuacin de entrada.
En la zona activa, al permitirse el paso de corriente, el
transistor dar una salida en el circuito que viene definida por la
propia ID y la tensin entre el drenador y la fuente VDS. A la
grfica o ecuacin que relaciona ests dos variables se le denomina
ecuacin de salida, y en ella es donde se distinguen las dos zonas
de funcionamiento de activa: hmica y saturacin.
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Mediante la grfica de entrada del transistor se pueden deducir
las expresiones analticas que
permiten analizar matemticamente el funcionamiento de este. As,
existen diferentes expresiones
para las distintas zonas de funcionamiento.
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Tipos de Amplificadores de Potencia
Entre las diferentes tipologas de etapas de potencia
encontramos:
Clase A Clase B Clase AB Clase C Clase D Clase G BJT MOSFET
Amplificadores de potencia Clase A
Amplificador clase A. Son aquellos amplificadores cuyas etapas
de potencia consumen corrientes
altas y continuas de su fuente de alimentacin,
independientemente de si existe seal de audio o
no.
Caractersticas:
Esta amplificacin presenta el inconveniente de generar una
fuerte y constante emisin de calor. No obstante, los transistores
de salida estn siempre a una temperatura fija y sin
alteraciones.
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En general, se afirma que esta clase de amplificacin es
frecuente en circuitos de audio y en los equipos domsticos de gama
alta, ya que proporcionan una calidad de sonido potente y de muy
buena calidad.
Los amplificador de clase A a menudo consisten en un transistor
de salida conectado al positivo de la fuente de alimentacin y un
transistor de corriente constante conectado de la salida al
negativo de la fuente de alimentacin.
La seal del transistor de salida modula tanto el voltaje como la
corriente de salida. Cuando no hay seal de entrada, la corriente de
polarizacin constante fluye directamente del positivo de la fuente
de alimentacin al negativo, resultando que no hay corriente de
salida, se gasta mucha corriente. Algunos amplificador de clase A
ms sofisticados tienen dos transistores de salida en configuracin
push-pull.
Ventaja
La clase A se refiere a una etapa de salida con una corriente de
polarizacin mayor que la mxima corriente de salida que dan, de tal
forma que los transistores de salida siempre estn consumiendo
corriente. La gran ventaja de la clase A es que es casi lineal, y
en consecuencia la distorsin es menor.
Deventaja
La gran desventaja de la clase A es que es poco eficiente, se
requiere un amplificador de clase A muy grande para dar 50 W, y ese
amplificador usa mucha corriente y se pone a muy alta
temperatura.
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Amplificador de potencia clase A con acoplamiento inductivo.
Etapa de potencia, amplificador de potencia o etapa de ganancia
son los nombres que se usan para denominar a un amplificador de
audio. La funcin del amplificador es aumentar el nivel de una seal,
incrementando para ello la amplitud de la seal de entrada mediante
corrientes de polarizacin (voltaje negativo, voltaje positivo) en
el transistor de salida.
El amplificador trabaja, internamente, con corriente contnua; en
caso de ser alimentado con la tensin entregada por la red
domiciliaria se necesita un transformador y rectificador para
adaptar el nivel de voltaje y tipo de corriente a los valores
necesarios para el buen funcionamiento del equipo.
Cuando se disea un amplificador, es fundamental la refrigeracin
del mismo. Por ello, siempre encontraremos una rejilla de
ventilacin y los fabricantes habrn instalado en su interior
ventiladores (como en el ordenador). Esto es porque durante el
procesado de amplificacin, en su interior, se disipa gran cantidad
de calor.
Fsicamente, cuando vemos un amplificador, nos encontramos con un
equipo en el que habitualmente, slo hay un botn: el de
encendido/apagado.
En la parte posterior suele situarse el panel con las
correspondientes entradas y salidas. El nmero y tipo de ellas
depende de la cantidad de seales que soporte el amplificador.
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61
Caractersticas:
Las caractersticas tcnicas de cada modelo determinarn la calidad
del amplificador:
Impedancia. Factor de amortiguamiento. Potencia de salida.
Relacin seal ruido. Acoplamiento. Respuesta en frecuencia.
Respuesta de fase. Ganancia. Sensibilidad. Distorsin. Diafona.
Impedancia
La impedancia es la resistencia (oposicin) que presenta
cualquier dispositivo al paso de una corriente, en este caso,
alterna.
La impedancia de entrada de un amplificador debe ser de al
menos, 10 k. Estos 10 k se dan para que en el caso de posicionar 10
amplificadores en paralelo la carga total sea de un 1k. (10 k / 10
= 1 k).
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62
Factor de amortiguacin
Indica la relacin entre la impedancia nominal del altavoz a
conectar y la impedancia de salida del amplificador (la elctrica
que realmente presenta en su salida).
Cuanto mayor sea el factor de amortiguamiento mejor, pero por
encima de doscientos, puede significar que el amplificador est
deficientemente protegido contra cargas reactivas que pueden
deteriorarlo.
El factor de amortiguamiento se expresa: 200 sobre 8 , lo que
significara que la impedancia de salida real del amplificador es de
0,04 (8/200).
Muchos fabricantes incluyen el factor de amortiguamiento para
graves, lo que resulta muy til, porque sabemos que sa es la
respuesta en frecuencia crtica. Vendra indicado como 150 sobre 8 a
40 Hz.
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Potencia de salida
Hace referencia a la potencia elctrica, no confundir con la
potencia acstica.
Como en el altavoz, es la cantidad de energa que se puede
introducir en la etapa de potencia antes de que distorsione en
exceso o de que pueda sufrir desperfectos.
Se especifica la potencia mxima del amplificador en funcin de
una determinada impedancia, generalmente, 8 . Por ejemplo: 175 W
sobre 8 ).
Si el amplificador es estreo, hay que tener en cuenta si esa
potencia se refiere a cada uno de los canales o a ambos. Por ello,
en las especificaciones tcnicas, se aade una de estas dos
indicaciones:
con los dos canales alimentados. por canal.
En el ejemplo anterior con una potencia de salida de 175 W sobre
8 , si se aade con los dos canales alimentados significa que por
canal la potencia ser la mitad (87,5 W sobre 8 ).
Por el contrario, con una potencia de salida de 175 vatios sobre
8 ohmios por canal, tendremos 350 W sobre 8 con los dos canales
alimentados.
En los equipos que permiten modificar la impedancia de entrada,
tambin hay que tener en cuenta las modificaciones que el variar
este parmetro introducen en la potencia. En este caso se hacen
aproximaciones cercanas, nunca son absolutas, porque en el estado
actual de los amplificadores, esto no es posible. As, si tenemos un
amplificador en el que en las especificaciones tcnicas figura 175 W
sobre 8 , si reducimos la impedancia a 4 , la potencia ser cercana
al doble, los 350 W (en un amplificador ideal, debera ser
justamente estos 350 W).
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64
Dentro de la potencia se diferencia entre potencia nominal y
potencia de pico.
Potencia mxima
Potencia mxima eficaz, o potencia media a rgimen continuo es la
potencia elctrica real verificable con instrumentos que puede
proporcionar la etapa de salida durante un minuto a una frecuencia
de 1 kHz (kilo hertzio) sobre la impedancia nominal especificada
por el fabricante (normalmente 4, 6 u 8 Ohmios) y viene dada por la
expresin Po= Vo (rms)/Zo. Donde:
Po es la potencia de salida. Vo es el voltaje (tensin elctrica)
eficaz de salida. Zo es la impedancia nominal del amplificador
Nota: para medir la potencia se emplea una resistencia pura,
pues una impedancia compleja altera el desempeo del
amplificador.
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Potencia mxima til
La potencia eficaz est limitada por la distorsin del equipo, ya
que esta crece con la potencia, de modo que se especifica la
potencia til a un nivel de distorsin nominal, como 1, 2 o 5 % (10%
en amplificadores de baja calidad) o menos de 0.25 % en otros de
alta calidad, esta medida es inferior a la anterior.
Potencia de pico, admisible o musical
Potencia mxima impulsiva (un pico de seal'), que puede soportar
cada cierto tiempo el amplificador antes de deteriorarse.
Algunos fabricantes en lugar de especificar la potencia nominal,
especifican la potencia de pico, para maquillar el alcance del
amplificador, pues la potencia de pico siempre es superior a la
potencia nominal. Hay que estar alerta a este detalle y tener en
cuenta que la potencia de pico de un amplificador es 1,4142 (raz
cuadrada de 2) veces su valor nominal.
Relacin seal/ruido
Hace referencia al voltaje de ruido residual a la salida y se
expresa en dB.
Para que la relacin seal /ruido est por debajo del umbral de
audicin, debe ser de al menos 100 dB. Mayor, 110 dB, en el caso los
amplificadores de alta potencia (por encima de los 200 vatios).
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66
Acoplamiento
Indica la forma en que el amplificador est conectado al altavoz.
Puede haber varios modos:
acoplamiento directo, cuando ambos estn acoplados directamente.
Este permite la mejor respuesta en frecuencia y el mayor
rendimiento en cuanto a potencia entregada a la carga.
acoplamiento inductivo, cuando el amplificador y su carga estn
acoplados mediante un transformador.
acoplamiento capacitivo, si el acoplamiento se realiza mediante
condensadores.
Internamente, el amplificador funciona con tensin continua, pero
a la salida convierte la seal en corriente alterna. Cuando
conectamos directamente un amplificador con el altavoz, este
acoplamiento directo debe hacerse de forma que la corriente
continua residual (DC offset) sea lo ms baja posible, no superando
los 40 milivoltios. (Los ms habituales estn en 15 milivoltios).
Respuesta en frecuencia
Calcula el lmite dentro del cual el amplificador responde de
igual forma (respuesta plana) a las audiofrecuencias (20 a 20.000
Hz) con una potencia muy baja.
La respuesta en frecuencia en los amplificadores se mide en dB
tomando como referencia potencia de 1 vatio con una impedancia de 8
ohmios. Para obtener una ptima respuesta en frecuencia, sta debe
estar en torno a 5 dB por encima (+ 5 dB) o por abajo (- 5 dB).
Muchos fabricantes, en lugar de usar slo las audiofrecuencias,
para proteger a los amplificadores de perturbaciones suprasnicas o
subsnicas, lo que hacen es medir la respuesta en frecuencia para
una banda de frecuencias superior (generalmente de 12 a 40.000 Hz).
En este caso una respuesta en frecuencia ptima debe estar en torno
a 3 dB por encima (+ 3 dB) o por abajo (- 3 dB).
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Respuesta de fase
Indica la relacin en la fase entre las frecuencias medias con
respecto a las altas o las bajas. Este desfase (adelantamiento o
retraso) en el espectro de audiofrecuencias (20 20.000 Hz) no
debera ser superior a los 15, para que no se produzca distorsin o
cancelamientos de la seal.
Existen ciertos modelos de amplificador que invierte la fase en
toda su banda de paso, lo que puede ocasionar dificultades en su
operatividad (sino lo tenemos presente podremos estar cancelando
toda la seal).
Ganancia
Es la relacin entre la potencia de salida y la potencia de
entrada de la seal. Se expresa siempre como una relacin logartmica,
y la unidad suele ser el dB, esto es, diez veces el logaritmo
decimal del cociente entre potencias (si se relaciones tensiones,
sera veinte veces en lugar de diez debido a que la potencia es
proporcional al cuadrado de la tensin).
Si la potencia de salida es 40 W (vatios) y la de entrada 20 W,
la ganancia es: 3dB. Si la tensin de salida es de 4 VRMS y la de
entrada 2 VRMS, la ganancia es: 6 dB.
Cuando la ganancia si es menor que 1, hablamos de atenuacin.
En lo relativo a amplificadores, como el decibelio siempre
expresa una comparacin hablaremos de dBW o dBu, lo que nos indicar
cual es la referencia.
dBW: La W indica que el decibelio hace referencia a vatios. Es
decir, se toma como referencia 1 W (vatio). As, a un vatio le
corresponden 0 dBw.
dBm: Cuando el valor expresado en vatios es muy elevado, se usa
el milivatio (mW). As, a un mW le corresponden 0 dBm.
dBu: El dBu expresa el nivel de seal en decibelios y referido a
774,6 mVRMS . 0,775 VRMS es la tensin aproximada que aplicada a una
impedancia de 600 , disipa una potencia de 1mW. Se emplea la
referencia de una impedancia de 600 por razones histricas.1
En un circuito en el que intervienen varios amplificadores, las
ganancias individuales expresadas en decibelios (en cualquiera de
sus frmulas tanto dB, dBw, dBm o dBu) se suman (restan si son
negativas y es atenuacin).
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Sensibilidad
Indica la cantidad de flujo elctrico necesario de entrada para
producir la mxima potencia de salida.
La sensibilidad viene indicada por dBu a una determinada
impedancia. El dBu expresa el nivel de seal en decibelios y
referido a 0,7746 VRMS. (Al hacer referencia a voltios, en muchos
manuales, principalmente norteamericanos, en lugar de dBu usan
dBV). As, 774,6 mVRMS equivaldrn a 0 dBu.
Si se supera el valor especificado por la sensibilidad la seal
de salida sufrir un recorte (tanto por arriba como por abajo), como
ocurre en los limitadores, y quedara distorsionada de tal modo que
puede causar dao en ciertos equipos como en los tweeter.
Para evitar este gran problema, la mayora de equipos
profesionales cuentan con un control de nivel de la entrada, que
nos permite atenuar la seal si resulta excesiva.
Distorsin
La distorsin (distorsin armnica) describe la variacin de la
forma de onda a la salida del equipo, con respecto a la seal que
entr y se debe a que los equipos de audio, no slo los
amplificadores, introducen armnicos en la seal.
Las causas de esta distorsin pueden ser mltiples. En el caso de
los amplificadores, la ms usual es la sobrecarga a la entrada, es
decir, sobrepasar la potencia recomendada por el fabricante, lo que
produce a la salida un recorte de la seal, queda el sonido
"roto".
La distorsin armnica total, debe ser, como mximo de 0,1 %
THD(total harmonic distortion) en todo el espectro de frecuencias
(las frecuencias altas agudos, distorsionan ms que la bajas
graves).
La distorsin tambin puede expresarse en dB en relacin a una
frecuencia. Es lo que se conoce como distorsin por intermodulacin
de transistores. Para medir esta distorsin lo que se hace calcular
la distorsin del amplificador para dos ondas senoidales diferentes
(generalmente, 19 y 20 kHz) y ver cul es la diferencia entre estas
seales expresada en dB. Los amplificadores de calidad deben estar
en los 70 dB de diferencia en ese tono diferencial de 1 kHz.
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Diafona
La diafona indica que en un sistema estreo, un canal de audio,
afecta al otro.
La diafona depende de la frecuencia. As hablaremos de que la
diafona es soportable cuando este en torno a 50 dB para graves y
agudos y 70 dB para los tonos medios.
Para eliminar problemas de diafona, los amplificadores cuentan
con rectificadores, condensadores de filtro. Adems, muchos
fabricantes introducen fuentes de alimentacin independientes para
cada canal, lo que resulta muy efectivo.
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Ejemplo (clase A)
aplicacin industrial
seal amplificada es ultrasonido (20k-60k)
seal sinttica
Es capaz de modificar los dos semiciclos de la seal de C.A.
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Amplificador clase B (CLASS-B AMPLIFIER)
Durante un semiciclo la corriente circula y es amplificada por
un transistor, y durante otro semiciclo circula y es amplificada
por otro transistor, lo cual permite un descanso de un semiciclo a
cada transistor y uno de trabajo y disipacin de potencia. Adems, no
circula corriente a travs de los transistores de salida cuando no
hay seal de audio.
El problema es que ocurre la llamada "distorsin por cruce", ya
que cuando en el primer semiciclo la tensin de la seal cae por
debajo de los 0.6 V (tensin aproximada de polarizacin de juntura
base-emisor de un BJT), se despolariza el BJT y deja de amplificar
lo cual tambin ocurre cuando en el otro semiciclo, la tensin no
llega todava a los 0.6 V. En resumen, en el caso de una senoidal,
tendramos 1.2 V no amplificados, aunque sta no es la mejor forma de
definirlo. Son aquellos amplificadores cuyas etapas de potencia
consumen corrientes altas y continuas de su fuente de alimentacin,
independientemente de si existe seal de audio o no. Esta
amplificacin presenta el inconveniente de generar una fuerte y
constante emisin de calor. No obstante, los transistores de salida
estn siempre a una temperatura fija y sin alteraciones. En general,
podemos afirmar que esta clase de amplificacin es frecuente en
circuitos de audio y en los equipos domsticos de gama alta, ya que
proporcionan una calidad de sonido potente y de muy buena calidad.
Resumiendo, los amplificadores de clase A tienen mayor calidad de
sonido, cuestan ms y son menos prcticos, ya que despilfarran
corriente, pero, devuelven seales muy limpias.
La clase A se refiere a una etapa de salida con una corriente de
polarizacin mayor que la mxima corriente de salida que dan, de tal
forma que los transistores de salida siempre estn consumiendo
corriente. La gran ventaja de la clase A es que es casi lineal, y
en consecuencia la distorsin es menor. La gran desventaja de la
clase A es que es poco eficiente, es decir que requiere un
amplificador de clase A muy grande para dar 50 W, y ese
amplificador usa mucha corriente y se pone a muy alta temperatura.
Algunos amplificadores de high-end son clase A, pero la verdadera
clase A solo est en quizs un 10 % del pequeo mercado de high-end y
en ninguno del mercado de gama media. Los amplificadores de clase A
a menudo consisten en un transistor de salida conectado al positivo
de la fuente de alimentacin y un transistor de corriente constante
conectado de la salida al negativo de la fuente de alimentacin. La
seal del transistor de salida modula tanto el voltaje como la
corriente de salida. Cuando no hay seal de entrada, la corriente de
polarizacin constante fluye directamente del positivo de la fuente
de alimentacin al negativo, resultando que no hay corriente de
salida, se gasta mucha corriente. Algunos amplificadores de clase A
ms sofisticados tienen dos transistores de salida en configuracin
push-pull.
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Ejemplo (clase B)
Amplificador de Clase AB (CLASS-AB AMPLIFIER)
Mismo caso que el amplificador B solo que existe una pequea
corriente que circula por los 2 transistores constantemente, que
los polariza reduciendo enormemente la llamada "distorsion por
cruce". Como en los amplificadores de clase A, hay una corriente de
polarizacin constante, pero relativamente baja, evitando la
distorsin de cruce (de ah su nombre: AB). En el caso de
amplificadores de sonido son los ms usados llegando a distorsiones
menores del 0.01 % (THD=0.01%)
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Amplificador de clase C (CLASS-C AMPLIFIER)
La corriente de salida solo circula durante menos de medio ciclo
de la seal de entrada. Y luego se complementa la salida con un
circuito compuesto de condensadores y bobinas (circuito
tanque).
La clase C trabaja para una banda de frecuencias estrecha y
resulta muy apropiado en equipos de radiofrecuencia. Esto es debido
al fenmeno de resonancia el cual se genera a la salida del
amplificador cuando es sintonizado (la impedancia capacitiva e
inductiva se cancelan a una frecuencia previamente calculada),
aunque no trabaja arriba de 180 grados de ciclo, este amplificador
a la salida genera una seal de ciclo completo de seal para la
frecuencia fundamental.
No se utiliza en sonido, por su gran nivel de distorsin y por
que su operacin no est destinada para amplificadores de gran seal o
gran potencia.
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Amplificador de clase D (CLASS-D AMPLIFIER)
Esta clase de operacin usa seales de pulso (digitales). El uso
de tcnicas digitales hace posible obtener una seal que vara a lo
largo del ciclo completo para producir la salida a partir de muchas
partes de la seal de entrada. La principal ventaja de la operacin
en clase D es que los transistores MOSFET de salida trabajan solo
en corte y saturacin por lo que tericamente no se disipa potencia
en forma de calor y la eficiencia general puede ser muy alta, de
entre 90 % a 99 %. En la practica los MOSFETS solo disipan potencia
cuando se encuentran conduciendo (saturacin) debido a la pequea
resistencia de encendido que poseen, llamada Rdson, de todas
maneras esta potencia es despreciable ya que Rdson es del orden de
los miliohmios. Adems disipan potencias en las transiciones de
conduccin a no conduccin (corte-saturacin), este efecto solo se
hace notable cuando los tiempos de subida y bajada son comparables
a los tiempos de corte y conduccin, es decir a considerables altas
frecuencias.
Se utilizan transistores MOSFET ya que son los nicos capaces de
conmutar a las elevadas frecuencias de trabajo, del orden de los
kHz llegando a los MHz en algunos casos.
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Ejemplos:
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Respuesta a la frecuencia de los transistores.
Las zonas de bajas frecuencias las controlamos con filtros de
paso alto.
Las zonas de altas frecuencias las controlamos con filtros de
paso bajo.
BAJA FRECUENCIA FILTRO PASO ALTO.
ALTA FRECUENCIA FILTRO PASO BAJO.
Filtro de paso alto:
Un filtro paso alto (HPF) es un tipo de filtro electrnico en
cuya respuesta en
frecuencia se atenan las componentes de baja frecuencia pero no
las de alta
frecuencia, stas incluso pueden amplificarse en los filtros
activos. La alta o baja
frecuencia es un trmino relativo que depender del diseo y de la
aplicacin
Aplicaciones
Una posible aplicacin de este tipo de filtro sera la de hacer
que las altas frecuencias de una seal de audio fuesen a un altavoz
para sonidos agudos mientras que un filtro paso bajo hara lo propio
con los graves.
Otra aplicacin sera la de eliminar los ruidos que provienen de
la red elctrica (50 o 60Hz) en un circuito cuyas seales fueran ms
altas.
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Filtro de paso Bajo.
Un filtro pasa bajo corresponde a un filtro caracterizado por
permitir el paso de las frecuencias ms bajas y atenuar las
frecuencias ms altas. El filtro requiere de dos terminales de
entrada y dos de salida, de una caja negra, tambin denominada
cuadripolo o bipuerto, as todas las frecuencias se pueden presentar
a la entrada, pero a la salida solo estarn presentes las que
permita pasar el filtro. De la teora se obtiene que los filtros
estn caracterizados por sus funciones de transferencia, as
cualquier configuracin de elementos activos o pasivos que consigan
cierta funcin de transferencia sern considerados un filtro de
cierto tipo.
En particular la funcin de transferencia de un filtro pasa bajo
de primer orden
corresponde a , donde la constante es slo una ponderacin
correspondiente a la ganancia del filtro, y la real importancia
reside en la forma de la
funcin de transferencia , la cual determina el comportamiento
del filtro. En la funcin de transferencia anterior corresponde a la
frecuencia de corte propia del filtro, aquel valor de frecuencia
para el cual la amplitud de la seal de entrada se atena 3 dB.
De forma anloga al caso de primer orden, los filtros de pasa
bajo de mayor orden tambin se caracterzan por su funcin de
transferencia, por ejemplo la funcin de transferencia de un filtro
paso bajo de segundo orden corresponde a
, donde es la frecuencia natural del filtro y es el factor de
amortiguamiento de este.
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