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LaboratoriodeElectrnicaBsica.
Prctica1Circuitoscondiodos.
Alumnos:
FernndezBobadillaHctorAlberto.RamrezCarmonaUlises.ZamarripaGonzlezJosMiguel.
Objetivos.
Observar el funcionamiento de los circuitos denominados
recortadores de voltaje y sujetador (ofijador)devoltaje.
Disearuncircuitorecortadordevoltajeyunsujetadordevoltajesencillos.
Verificar el voltaje de salida que tiene el circuito conocido
como rectificador de media onda con filtro pasabajas, obtener el
voltaje de rizo de dicha configuracin y calcular el rizo (factor de
rizo
delvoltajedesalida)paradoscondensadoresdiferentesenelfiltro.
Equipoymaterialempleado.
Unafuentedepoder.Unmultmetro.Ungeneradordefunciones.TrescablesBNCCaimn.Juegodecablescaimncaimn.Unatabletadeexperimentacin(protoboard).Resistoresde330,1ky10k.Condensadoresde10Fy100F,10Voms.Diodosdesealpequea1N4148,oequivalente.Alambreparainterconexinenlatabletadeexperimentacin.
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Informe.
Actividad4.1Recortadordevoltaje(clipper).
En esta actividad, se construyeron tres distintos circuitos
recortadores de voltaje para todos ellos, la seal de voltaje de
entrada fue una onda sinusoidal de 4 V de amplitud y 100 Hz de
frecuencia, mostrada en amarillo en las grficas de los
osciloscopios. Estos circuitos funcionan eliminando una parte de la
onda de entrada de voltaje, de acuerdo a una condicin establecida,
generalmente por un voltaje de referencia en serie con el diodo. En
este caso particular, al existir adems un divisor de tensin
resistivo, tambin se disminuye la amplitud del voltaje de
entrada,deformaproporcionalaldivisor.
El primero de ellos se muestra esquemticamente en la Figura 1.La
prctica nos peda determinar el valor de tensin de CD v2 requerido
para que existiera un voltaje de recorte de 2 V. Al realizar la
actividad experimentalmente, y posteriormente la simulacin con
Proteus ISIS, se determin el valor solicitado de v2 = 1.3 V, con lo
cual el voltaje de recorte es de 2 V la configuracin del circuito
permite una salida para todos los valores de voltaje mayores a 2 V,
conlaconsecuentedisminucindelaamplituda3V,debidaaldivisorresistivo.
La seal de salida (azul) se muestra en la Figura 2 junto con la
seal de entrada (amarillo). La salida posee un voltaje mximo de 3 V
y, como se mencion, un voltaje de recorte inferior de 2V.
Figura1.Circuitorecortadordevoltaje.
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Figura2.SealesdevoltajedelcircuitorecortadoranteriorLasealdeentradaVitieneunaamplitudde4V(amarillo)lasealdesalidaVoalcanzaelmximovalor
de3Vyserecortaen2.0V(azul).Escala:0.5V/div.
Captura1.Imagendelasgrficasobtenidasconelosciloscopio.Lasealdeentradatieneunaamplitudde4[V](amarillo)ylasalidatieneunvoltajemximoVmax=2.48[V]yunvoltajederecorteVmin=2[V](azul),
seapreciaenlaimagenquelaescalaesde2[V/div].
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Respectoalsegundocircuitorecortador,slosediferenciadelprimeroenquelapolaridaddeldiodoseencuentrainvertidalasealdesalidaconstadelospuntosdeunaondasinusoidaldeamplitud3V,menoresa2V.TalcomosemuestraenlaFigura4(azul).Enestecaso,elvalordevoltajedeCDrequeridoparaesteefectoesv2=2.75V,deacuerdoalasimulacin,aunqueenelcasodelcircuitofsico,laresolucindelafuentedepodernospermitiaplicarunvoltajev2=2.8V,obtenindoselamismasalida,aproximadamente(Captura2).
Figura.3.Circuitorecortadordevoltaje.
Figura4.Sealesdevoltajedeentradaysalidaparaelcircuitorecortadoranterior.LasealdeentradaVi(amarillo)tieneunaamplitudde4VlasealdesalidaVo(azul)tieneunvoltajederecortede2Vyun
mnimode3V.Escala:0.5V/div.
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Captura2.Enlaimagensepuedeapreciarqueelvoltajedelasealdeentradasecaya3.44[V],peroelrecorteesten2[V].
Finalmente, en esta actividad se construy un circuito doble
recortador de voltaje (esquema en la Figura 5 ), y se encontraron
los valores de tensin de CD necesarios para obtener una salida
solicitada sta consista en una seal sinusoidal de 3 V de amplitud,
recortada a + 1.5 V y a 2.1 V. Como se muestra en el esquema
(Figura 5), de acuerdo a la simulacin, estos valores
devoltajeenCDsonv1=0.75Vyv2=1.4V(Figura6).
Sin embargo, al construir fsicamente el circuito, el rango de
voltaje de la fuente utilizada no nos permiti obtener una
diferencia de potencial de 0.75 V, as que utilizamos el mnimo valor
permitido por la fuente, v2= 1 V, con lo cual se obtiene un voltaje
de recorte de + 1.75 V, como
seobservaenlafotografaanexa(Captura3).
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Figura5.Circuitodoblerecortadordevoltaje.
Figura6.Sealesdeentradaysalidadevoltajedelcircuitodoblerecortadordevoltaje.Laentrada(amarillo)esunaondasinusoidalde4Vdeamplitud,mientrasquelasalida(azul)esunasealsinusoidalde3Vde
amplitud,recortadaa2.1Vya1.5V.Escala:0.5V/div.
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Captura3.Sealesobtenidasconelosciloscopiodeldoblerecortador.Lasealdeentrada(amarillo)tieneunaamplitudde4[V],lasalida(azul)tienedosrecortes,unVmax=de1.75[V]yunVmin=2[V].Seaprecia
claramentequeelcircuitorecortosuperior,einferiormentelasealdeentrada.
Actividad4.2Sujetadordevoltaje(clamper).
Los circuitos conocidos como sujetadores de voltaje, o clampers
en ingls, utilizan un condensador el condensador adquiere
bsicamente la misma diferencia de potencial que el mximo de la seal
de tensin de alimentacin (el valor vara dependiendo del voltaje de
encendido del diodo utilizado y de si existe una fuente de voltaje
de referencia), con lo cual, al disminuir el valor de la onda de
alimentacin, la descarga del condensador se da a travs de un
circuito RC con una constante de tiempo muy grande en comparacin
con el periodo de la seal de entrada, con lo cual el voltaje en el
condensador prcticamente no vara el efecto es que la salida de
voltaje sigue a la entrada, aunque puede hallarse desplazada
verticalmente de acuerdoalaconfiguracindelcircuito.
En esta seccin de la prctica, se construyeron tres circuitos
clampers, uno con el diodo polarizado en inversa, otro con el diodo
polarizado en directa y finalmente un ltimo circuito con el diodo
polarizado en inversa, con la variante de que exista un voltaje CD
de referencia. La seal de entrada para todos ellos fue una onda
sinusoidal de 4 V de amplitud y una frecuenciade100Hz.
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El primero de estos circuitos, diodo polarizado en inversa, se
muestra esquemticamente en la Figura 7. Como se aprecia en la
grfica anexa de las seales del osciloscopio (Figura 8 y Captura 4),
la seal de salida es idntica a la de la entrada, nicamente se
encuentra desplazada verticalmente 3.25 V hacia arriba en el caso
de la simulacin en Proteus ISIS, y 3.21 V hacia arriba para el caso
del circuito fsico. En ambos casos, la amplitud de la salida
permanece como 4 V. En el caso del circuito armado fsicamente, el
pico superior de la seal de salida alcanz 7. 36 V, mientras que
para la simulacin, el mismo punto se halla a un nivel de 7.25V.
Figura7.Circuitosujetadordevoltajeconeldiodoeninversa.
Figura8.Sealesdevoltajedeentrada(amarillo)ysalida(azul)delcircuitosujetadoreninversaanterior.Escala:1V/div.
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Captura4.Grficaqueobservamosenelosciloscopioalconectarloalcircuitoanterior.Laentrada(amarillo)fueunasealsinusoidalde4[V]deamplitud,lasalida(azul)fuelamismaseal,peroconun
desplazamientode3.21[V]enelelejedelasordenadas,haciaarriba.
Enelsegundocircuitoclamperconstruido(esquemaenlaFigura9),lapolarizacindeldiodofuedirectaseapreciaenlasgrficasobtenidasparalassealesdeentradaysalidaapartirdelosciloscopio(Figura10yCaptura5)quelaondadesalidasiguealaondadeentrada,sloqueconundesplazamientoverticalhaciaabajo.Enelcasodelasimulacin,eldesplazamientofuede3.25Venelejedelasordenadas,llegandoelpicoinferiordelasalidaa7.25V.Paraelcircuitofsico,elcorrimientofuede3.20Vverticalmente,encontrndoseelpicoinferiordelasalidaen7.20V.Aligualqueenelcasoanterior,laamplituddelasalidaseconserven4V.
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Figura9.Circuitosujetadordevoltajeconeldiodoendirecta.
Figura10.Sealesdevoltajedeentrada(amarillo)ysalida(azul)delcircuitosujetadorendirectaanterior.Escala:1V/div.
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Captura5.Grficaqueobservamosenelosciloscopioalconectarloalcircuitoanterior.Laentrada(amarillo)fueunasealsinusoidalde4[V]deamplitud,lasalidafuelamismaseal,peroconun
desplazamientode3.2[V]enelelejedelasordenadas.
Posteriormente,construimosotrocircuitoclamperconeldiodopolarizadoeninversa,conladiferenciadequeenestaocasin,seagregunvoltajedereferenciaalcircuito,talycomosemuestraenlaFigura11.ElobjetivoeraencontrarelvoltajedeCDdereferenciavRconelcualelpicoinferiordelaondadesalidaseencontraraaunvoltajede+2V.Enlasimulacin(Figura12),dichovalordevoltajefuevR=2.75V,mientrasqueparaelcircuitofsicoestevaloresdevR=2.8V(Captura6),debidoalaresolucindevoltajedelafuente.Nuevamente,aligualqueenelprimercircuitosujetadorconstruido,seapreciauncorrimientoverticalenlasealdesalidarespectoalaentrada,conladiferenciadequeladiferenciadevoltajesesde+6V.Laamplitudpermaneceinalteradaa4V.
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Figura11.Circuitosujetadordevoltajeconvoltajedereferencia.
Figura12.Sealesdevoltajedeentrada(amarillo)ysalida(azul)delcircuitosujetadordevoltajeconvoltajedereferenciaanterior.Seapreciaqueelpicoinferiordelasalidatieneunvoltajede+2V,comoera
requerido.Escala:1V/div.
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Captura6.Grficatrazadaporelosciloscopiodelcircuitoanterior.Lasealdeentradaeslamismaqueladelosdosanteriores,ysedeterminelvalordelafuentededirecta.Seapreciaqueelvoltaje
mnimodelasalida(azul)eselrequerido2[V].
Actividad4.3.Rectificadordemediaonda.
Los circuitos rectificadores don de las ms grandes aplicaciones
de los diodos estos aprovechan el hecho de que el diodo permite el
flujo de corriente elctrica en una direccin, ms no en la contraria,
para eliminar la porcin negativa de la seal de entrada
(rectificador de media onda), o en otros casos, reflejarla,
volvindola positiva y as obtener una onda rectificada completa. En
esta prctica, analizamos el comportamiento de un rectificador de
media onda, como el que se muestra en la Figura 13. en la Figura 14
y en la Captura 7 puede apreciarse el efecto de este tipo de
circuito se aprecia claramente que la salida es la seccin positiva
de la entrada, a excepcin de una ligera cada de voltaje ocasionada
por el diodo. A este proceso, se le llama rectificacin de media
onda, ya que la seccin negativa de la entrada simplemente se
elimina.
Posteriormente, se agreg a este circuito rectificador un filtro
RC pasabajas (Figuras 15 y 18) esto con la finalidad de filtrar las
componentes de alta frecuencia de la seal y tratar de convertir la
entrada en una seal de CD al hacer esto, se obtiene una pequea
fluctuacin conocida como voltaje de rizo (Figuras 17 y 20). El
voltaje de directa CD medido en ambos casos fue de
cercade950[mV].
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Basndonos en la serie de Fourier del voltaje intermedio despus
del rectificador de media onda, se calcularon los voltajes de CD,
los voltajes rms del rizo y el factor de rizo para los dos valores
de capacitancia propuestos C=10 F y C=100 F. Los resultados tericos
se resumen acontinuacin:
C=10F C=100F
VCD=0.9645[V] VCD=0.9645[V]Vr.rms=0.01743[Vrms]
Vr,rms=0.00174[Vrms]
r=1.807% r=0.181%
Alserelrizomenorenelcircuitoconelcondensadorde100F,seconcluyequesteesmejor.
Figura13.Circuitorectificadordemediaonda.
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Figura14.Sealesdevoltajedeentrada(amarillo)ysalida(azul)delcircuitorectificadordemediaonda.Escala:0.5V/div
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Captura7.Grficadelcircuitorectificadordemediaondaobtenidaconelosciloscopio.Aligualqueenlasimulacin,laondadesalidasufriunrecorteademsdelrecortetambincaylaamplitud.Elvoltaje
mximodelasalida(azul),fuede3.03[V].
Figura15.RectificadordemediaondaconfiltroRC.Enestecaso,C=10F.
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Figura16Sealesdevoltajedeentrada,intermedioyCDdelcircuitorectificadordemediaondaconfiltroRC.EnestecasoC=10F.Escala:0.5V/div.
Captura8.Grficadelcircuitorecortadordemediaondamostradaporelosciloscopio.EnlagrficasepuedeapreciarqueelfiltroRC,daunasealcasiconstantealasalida(azul).
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Figura17.DetalledelvoltajederizodelcircuitorectificadordemediaondaconfiltroRCanterior(C=10F).Escala5mV/div.
Captura9.Grficadelrizodelasealdesalidaobtenidaconelosciloscopio.ElVppr=240[mV].Escala10[mV/div].
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Figura18.RectificadordemediaondaconfiltroRC.Enestecaso,C=100F.
Figura19.Sealesdevoltajedeentrada,intermedioyCDdelcircuitorectificadordemediaondaconfiltroRC.EnestecasoC=100F.Escala:0.5V/div.
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Figura20.DetalledelvoltajederizodelcircuitorectificadordemediaondaconfiltroRCanterior(C=100F).Escala2mV/div.
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Conclusiones.
FernndezBobadillaHctorAlberto.
Los diodos son los dispositivos electrnicos de comportamiento no
lineal ms simples sin embargo, permiten la creacin de nuevos
circuitos interesantes y muy tiles. La principal caracterstica de
los diodos consisten en que permiten el flujo de corriente elctrica
en una direccin, ms no en la contraria esta propiedad los vuelve
elementos determinantes para el
desarrollodecircuitoselectrnicos.
Un primer ejemplo de circuitos con diodos los encontramos en los
recortadores de voltaje en la actividad 4.1 de la presente prctica,
se construyeron tres de estos circuitos, tambin denominados
clippers en ingls.Dos de ellos eran recortadores de voltaje simples
y el ltimo fue un recortador doble. A partir de la variacin del
voltaje de CD de referencia, nos fue posible obtener la respuesta,
consistente en el voltaje de recorte, solicitada para cada circuito
en cuestin.
En el primero de ellos, el voltaje de recorte solicitado era de
2 V, el cual en nuestro caso se obtuvo al fijar la tensin directa
en 1.3 V. En el segundo, tambin el voltaje de recorte de 2 V se
obtuvo con una tensin directa de 2.8 V. Finalmente, se verific que
el doble recortador elimina secciones de la onda por arriba y por
abajo. Para obtener la respuesta solicitada, los voltajes de
directa requeridos fueron v1= 1 V (debido a la fuente, como se
explica en la seccin correspondiente), el cual genera un recorte a
+1.75 V y v2= 1.4 V, cuyo consiguiente recorte es a2.1V
Otros circuitos con diodos interesantes son los llamados
clampers, o sujetadores de voltaje en estos circuitos, la
utilizacin de un condensador, permite que la seal de salida siga a
la seal de tensin de entrada, tal y como se explica en los
resultados de dicha seccin. La principal diferencia entre estas dos
seales es que generalmente, la salida se encuentra desplazada
verticalmente respecto a la entrada, de acuerdo a la configuracin
del circuito y a la polarizacin del diodo utilizado en ste. Como
corroboramos en el tercer circuito sujetador de voltaje construido,
tambin es posible lograr una respuesta solicitada especfica,
variando para ello una tensin de referencia conectada al diodo.
Vase la seccin correspondiente para observar los
valoresyresultadosobtenidos.
Una de las aplicaciones ms importantes de los diodos es la
rectificacin de seales ste proceso consiste en eliminar la seccin
negativa de una seal de tensin, o bien, volver positiva
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a sta, de modo que al final, la forma de onda deja de ser
alterna. Este proceso es sumamente importante, ya que la transmisin
de energa elctrica se realiza a partir de voltaje alterno, pero
prcticamente todos los dispositivos utilizan corriente continua.
Tambin, este es uno de los
procesosprincipalesdelfuncionamientodeunafuentedepoder.
En la presente prctica, analizamos un circuito rectificador de
media onda, al cual posteriormente se le agreg un filtro RC
pasabajas. Para ste, utilizamos dos valores de capacitancia
distintos en uno, el condensador utilizado fue de 10 F y en el
segundo, se uso un condensador de 100 F. Observamos fsicamente y en
la simulacin el comportamiento de estos circuitos, as como el valor
de voltaje directo que se obtena a la salida y el rizo generado por
el filtro. Utilizando la serie de Fourier de la forma de onda
rectificada, se pudieron calcular tambin el voltaje eficaz de los
rizos y el factor de rizo para cada circuito con distinto valor de
capacitancia. A partir de la comparacin del rizo de los dos
circuitos, se concluye que, al ser menor el rizo para el circuito
con el condensador de 100 F (10 veces menor), este filtro es ms
eficiente.Losvaloresprecisossereportanenlaseccincorrespondientedelinforme.
Se considera con base en lo anterior que los objetivos de la
presente prctica se cumplieron en su totalidad, ya que analizamos y
comprendimos el funcionamiento de los circuitos con diodos
estudiados,losrecortadoresdevoltaje,lossujetadoresylosrectificadoresdemediaonda.
RamrezCarmonaUlises.
En la prctica pudimos observar por primera vez el comportamiento
fsico de un diodo. Los diodos son unos dispositivos electrnicos
singulares, ya que estn formados por dos elementos semiconductores
uno con una valencia de 3 (nodo) y el otro pentavalente (ctodo).
Por estar constituido de esa forma, tiene unas propiedades muy
interesantes, ya que es un elemento netamente no lineal. Dicho
elemento permite el flujo de corriente en una sola direccin cuando
se le aplica una diferencia de potencial positiva del nodo hacia el
ctodo, se comporta como un
circuitocorto.Sisepolarizaalainversa,eldiodosecomportacomocircuitoabierto.
Esas no linealidades se hicieron presentes en los circuitos que
armamos en la prctica verbigracia en el recortador de voltaje
llamado clipper, la fuente de directa que colocamos en serie con el
diodo, provoc que la parte negativa de la onda sinusoidal fuera
recortada. En ese circuito se pudo apreciar que el diodo, a la vez
que recortaba la onda, tuvo un voltaje de
encendidodeaproximadamente0.9[V].
Al realizar los experimentos del clipper, observamos que la
introduccin de una seal de directa ocasion que la seal de entrada
sufriera un recorte dependiendo de la orientacin de los diodos y la
polaridad de las fuentes. En los circuitos sujetadores de voltaje,
el condensador se cargaba y provocaba que la seal de entrada
tuviera un desplazamiento en el eje de las ordenadas positivo o
negativo para ello, las polaridades del condensador y del diodo
fueron fundamentales para determinar el valor del desplazamiento.
Como la constante de tiempo de
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descargaeramuysuperioraldecarga,elcondensadorprcticamenteestabasiemprecargado.
Por ltimo, en el rectificador de media onda con filtro RC,
calculamos los valores de riso tericos para las configuraciones de
10 y 100 [uF], respectivamente. Ah pudimos notar claramente, que el
valor de la capacitancia del condensador es inversamente
proporcional al voltaje de rizo rms por lo que el mejor filtro fue
el que tena la mayor capacitancia 100 [uF] el factor de rizo y el
voltaje de rizo rms tuvieron un factor de 10 a 1 de mejora. Al
comparar los valores tericos con los experimentales, apreciamos que
con el condensador de 10 [uF], el valor Vrrms experimental, tuvo un
error aproximado del 10 % en cambio el calculado con el de 100
[uF], fue de alrededor de 150%. El error grande del valor
experimental con el segundo condensador, lo atribuyo a que el rizo
era tan pequeo, que la escala con la que medimos tena
muchasfluctuaciones.
An as, con todo y ese error porcentual grande, puedo decir que
la prctica fue exitosa porque pudimos comprobar experimentalmente
las propiedades del diodo semiconductor y se
cumplieronlosobjetivosdelamisma.
ZamarripaGonzlezJosMiguel.
Mediante el desarrollo de la prctica pudimos analizar el
comportamiento de los diodos dentro de un circuito, comprobando lo
visto de manera terica en clases anteriores a la prctica, el diodo
idealmente permite pasar corriente a travs de l al presentarse
mayor potencial en el nodo que en el ctodo actuando como un
circuito corto, en cambio, si el potencial es mayor en el ctodo
funciona como un circuito abierto impidiendo el paso de electrones,
funcin que toma relevancia en los circuitos realizados en el
presente trabajo, en el clipper sirve para obtener una parte
deseada de la funcin de entrada segn sea la referencia, (en nuestro
caso se peda un recorte de 2V, el cual se logro con una fuente de
CD con valor de 1.3V), notndose una cada de 1V originada por el
voltaje de encendido del diodo. El doble recortador de voltaje
permite cortar el pico superior e inferior de la onda sinusoidal de
entrada a los valores deseados variando los valores de las fuentes
de CD. Los circuitos sujetadores de voltaje producen un
desplazamiento vertical de la onda sinusoidal de entrada, dicho
desplazamiento puede ser positivo (mostrado en la grfica obtenida
con el diodo en inversa) o negativo (grfica obtenida con el diodo
en directa), siendo el nico cambio que se produce en la onda.
Finalmente el rectificador de media onda nos ayuda a eliminar la
parte positiva o negativa de la seal de entrada (en nuestro caso la
parte negativa), al agregarle un filtro RC convierte el voltaje
alterno a directo,dondeentremenorseaelfactorderizohaymscalidad.
Bibliografa.
Boylestad,RobertL.Nashelsky,Louis.Electrnica:Teoradecircuitosydispositivoselectrnicos.DcimaEdicin.PearsonEducacin.Mxico,2009.