Diodos
Un diodo es un componente electrónico de dos terminales que permite la circulación de la corriente eléctrica a través de él en un solo sentido. Este término generalmente se usa para referirse al diodo semiconductor, el más común en la actualidad; consta de una pieza de cristal semiconductor conectada a dos terminales eléctricos. El diodo de vacío (que actualmente ya no se usa, excepto para tecnologías de alta potencia) es un tubo de vacío con dos electrodos: una lámina como ánodo, y un cátodo.
Los primeros diodos eran válvulas o tubos de vacío, también llamados válvulas termoiónicas constituidos por dos electrodos rodeados de vacío en un tubo de cristal, con un aspecto similar al de las lámparas incandescentes. El invento fue desarrollado en 1904 por John Ambrose Fleming, empleado de la empresa Marconi, basándose en observaciones realizadas por Thomas Alva Edison.
Al igual que las lámparas incandescentes, los tubos de vacío tienen un filamento (el cátodo) a través del cual circula la corriente, calentándolo por efecto Joule. El filamento está tratado con óxido de bario, de modo que al calentarse emite electrones al vacío circundante los cuales son conducidos electrostáticamente hacia una placa, curvada por un muelle doble, cargada positivamente (el ánodo), produciéndose así la conducción. Evidentemente, si el cátodo no se calienta, no podrá ceder electrones. Por esa razón, los circuitos que utilizaban válvulas de vacío requerían un tiempo para que las válvulas se calentaran antes de poder funcionar y las válvulas se quemaban con mucha facilidad.
Diodos termoiónicos y de estado gaseoso
Los diodos termoiónicos son dispositivos de válvula termoiónica (también conocida como tubo de vacío), que consisten en un arreglo de electrodos empacados en un vidrio al vacío. Los primeros modelos eran muy parecidos a la lámpara incandescente.
En los diodos de válvula termoiónica, una corriente a través del filamento que se va a calentar calienta indirectamente el cátodo, otro electrodo interno tratado con una mezcla de Bario y óxido de estroncio, los cuales son óxidos alcalinotérreos; se eligen estas sustancias porque tienen una pequeña función de trabajo (algunas válvulas usan calentamiento directo, donde un filamento de tungsteno actúa como calentador y como cátodo). El calentamiento causa emisión termoiónica de electrones en el vacío. En polarización directa, el ánodo estaba cargado positivamente por lo cual atraía electrones. Sin embargo, los electrones no eran fácilmente transportados de la superficie del ánodo que no estaba caliente cuando la válvula termoiónica estaba en polarización inversa. Además, cualquier corriente en este caso es insignificante.
En la mayor parte del siglo xx, los diodos de válvula termoiónica se usaron en aplicaciones de señales análogas, rectificadores y potencia. Actualmente, los diodos de válvula solamente se usan en aplicaciones exclusivas como rectificadores en guitarras eléctricas, amplificadores de audio, así como equipo especializado de alta tensión.
Un diodo semiconductor moderno está hecho de cristal semiconductor como el silicio con i
mpurezas en él para crear una región que contenga portadores de carga negativa (electrones), llamada semiconductor de tipo n, y una región en el otro lado que contenga portadores de carga positiva (huecos), llamada semiconductor tipo p. Las terminales del diodo se unen a cada región. El límite dentro del cristal de estas dos regiones, llamado una unión PN, es donde la importancia del diodo toma su lugar. El cristal conduce una corriente de electrones del lado n (llamado cátodo), pero no en la dirección opuesta; es decir, cuando una corriente convencional fluye del ánodo al cátodo (opuesto al flujo de los electrones).
mpurezas en él para crear una región que contenga portadores de carga negativa (electrones), llamada semiconductor de tipo n, y una región en el otro lado que contenga portadores de carga positiva (huecos), llamada semiconductor tipo p. Las terminales del diodo se unen a cada región. El límite dentro del cristal de estas dos regiones, llamado una unión PN, es donde la importancia del diodo toma su lugar. El cristal conduce una corriente de electrones del lado n (llamado cátodo), pero no en la dirección opuesta; es decir, cuando una corriente convencional fluye del ánodo al cátodo (opuesto al flujo de los electrones).
Al unir ambos cristales, se manifiesta una difusión de electrones del cristal n al p (Je). Al establecerse una corriente de difusión, aparecen cargas fijas en una zona a ambos lados de la unión, zona que recibe el nombre de región de agotamiento.
A medida que progresa el proceso de difusión, la región de agotamiento va incrementando su anchura profundizando en los cristales a ambos lados de la unión. Sin embargo, la acumulación de iones positivos en la zona n y de iones negativos en la zona p, crea un campo eléctrico (E) que actuará sobre los electrones libres de la zona n con una determinada fuerza de desplazamiento, que se opondrá a la corriente de electrones y terminará deteniéndolos.
Este campo eléctrico es equivalente a decir que aparece una diferencia de tensión 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.
Polarización directa de un diodo
En este caso, la batería disminuye la barrera de potencial de la zona de carga espacial, permitiendo el paso de la corriente de electrones a través de la unión; es decir, el diodo polarizado directamente conduce la electricidad.
Para que un diodo esté polarizado directamente, se debe conectar el polo positivo de la batería al ánodo del diodo y el polo negativo al cátodo. En estas condiciones podemos observar que:
- El polo negativo de la batería repele los electrones libres del cristal n, con lo que estos electrones se dirigen hacia la unión p-n.
- El polo positivo de la batería atrae a los electrones de valencia del cristal p, esto es equivalente a decir que empuja a los huecos hacia la unión p-n.
- Cuando la diferencia de potencial entre los bornes de la batería es mayor que la diferencia de potencial en la zona de carga espacial, los electrones libres del cristal n, adquieren la energía suficiente para saltar a los huecos del cristal p, los cuales previamente se han desplazado hacia la unión p-n.
- Una vez que un electrón libre de la zona n salta a la zona p atravesando la zona de carga espacial, cae en uno de los múltiples huecos de la zona p convirtiéndose en electrón de valencia. Una vez ocurrido esto el electrón es atraído por el polo positivo de la batería y se desplaza de átomo en átomo hasta llegar al final del cristal p, desde el cual se introduce en el hilo conductor y llega hasta la batería.
De este modo, con la batería cediendo electrones libres a la zona n y atrayendo electrones de valencia de la zona p, aparece a través del diodo una corriente eléctrica constante hasta el final.
Fuente:De Biohazard910 de es, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=2113066
Polarización inversa de un diodo
En este caso, el polo negativo de la batería 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 tensión en dicha zona hasta que se alcanza el valor de la tensión de la batería, tal y como se explica a continuación:
- El polo positivo de la batería 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 batería. A medida que los electrones libres abandonan la zona n, los átomos pentavalentes que antes eran neutros, al verse desprendidos de su electrón en el orbital de conducción, adquieren estabilidad (8 electrones en la capa de valencia, ver semiconductor y átomo) y una carga eléctrica neta de +1, con lo que se convierten en iones positivos.
- El polo negativo de la batería cede electrones libres a los átomos trivalentes de la zona p. Recordemos que estos átomos sólo tienen 3 electrones de valencia, con lo que una vez que han formado los enlaces covalentes con los átomos de silicio, tienen solamente 7 electrones de valencia, siendo el electrón que falta el denominado hueco. El caso es que cuando los electrones libres cedidos por la batería entran en la zona p, caen dentro de estos huecos con lo que los átomos trivalentes adquieren estabilidad (8 electrones en su orbital de valencia) y una carga eléctrica neta de -1, convirtiéndose así en iones negativos.
- Este proceso se repite una y otra vez hasta que la zona de carga espacial adquiere el mismo potencial eléctrico que la batería.
En esta situación, el diodo no debería conducir la corriente; sin embargo, debido al efecto de la temperatura se formarán pares electrón-hueco (ver semiconductor) a ambos lados de la unión produciendo una pequeña corriente (del orden de 1 μA) denominada corriente inversa de saturación. Además, existe también una denominada corriente superficial de fugas la cual, como su propio nombre indica, conduce una pequeña corriente por la superficie del diodo; ya que en la superficie, los átomos de silicio no están rodeados de suficientes átomos para realizar los cuatro enlaces covalentes necesarios para obtener estabilidad. Esto hace que los átomos 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 través de ellos. No obstante, al igual que la corriente inversa de saturación, la corriente superficial de fuga es despreciable.
Para mas información : https://es.wikipedia.org/wiki/Diodo
Transistores
El transistor es un dispositivo electrónico semiconductor utilizado para entregar una señal de salida en respuesta a una señal de entrada. Cumple funciones deamplificador, oscilador, conmutador o rectificador. El término «transistor» es la contracción en inglés de transfer resistor («resistor de transferencia»). Actualmente se encuentra prácticamente en todos los aparatos electrónicos de uso diario tales como radios, televisores, reproductores de audio y video, relojes de cuarzo,computadoras, lámparas fluorescentes, tomógrafos, teléfonos celulares, aunque casi siempre dentro de los llamados circuitos integrados.
Funcionamiento del Transistor
Un transistor puede tener 3 estados posibles en su trabajo dentro de un circuito:
- En activa : deja pasar mas o menos corriente.
- En corte: no deja pasar la corriente.
- En saturación: deja pasar toda la corriente.
Para comprender estos 3 estados lo vamos hacer mediante un símil hidráulico que es más fácil de entender.
Lo primero imaginemos que el transistor es una llave de agua como la de la figura. Hablaremos de agua para entender el funcionamiento, pero solo tienes que cambiar el agua por corriente eléctrica, y la llave de agua por el transistor y ya estaría entendido (luego lo haremos). Empecemos.
En la figura vemos la llave de agua en 3 estados diferentes. Para que la llave suba y pueda pasar agua desde la tubería E hacia la tubería C, es necesario que entre algo de agua por la pequeña tubería B y empuje la llave hacia arriba (que el cuadrado de líneas suba y permita el paso de agua). En el símil tenemos:
B = base
E = Emisor
C = Colector
- Funcionamiento en corte: si no hay presión de agua en B (no pasa agua por su tubería), la válvula esta cerrada, no se abre la válvula y no se produce un paso de fluido desde E (emisor) hacia C (colector). La válvula está en reposo y no hace nada.
- Funcionamiento en activa: si llega (metemos) algo de presión de agua por la base B, se abrirá la válvula en función de la presión que llegue, comenzando a pasar agua desde E hacia C.
- Funcionamiento en saturación: si llega suficiente presión por B se abrirá totalmente la válvula y todo el agua podrá pasar desde el emisor E hasta el colector C (la máxima cantidad posible). Por mucho que metamos más presión de agua por B la cantidad de agua que pasa de E hacia C es siempre la misma, la máxima posible que permita la tubería. Si metiéramos demasiada presión por B podríamos incluso estropear la válvula.
Como ves una pequeña cantidad de agua por B permite el paso de mucho más agua entre E y C (amplificador).
¿Entendido? Pues ahora el funcionamiento del transistor es igual, pero el agua lo cambiamos por corriente eléctrica y la llave de agua será el transistor.
En un transistor cuando no le llega nada de corriente a la base, no hay paso de corriente entre el emisor y el colector (en corte), funciona como un interruptor abierto entre el emisor y el colector, y cuando tiene la corriente de la base máxima(en saturación) su funcionamiento es como un interruptor cerrado dejando pasar la corriente, entre el emisor y el colector. Además pasa la máxima corriente permitida por el transistor entre E y C.
El tercer caso es que a la base del transistor le llegue una corriente más pequeña de la corriente de base máxima para que se abra el transistor, entonces entre Emisor y Colector pasará una corriente intermedia que no llegará a la máxima.
Como ves el funcionamiento del transistor se puede considerar como un interruptor que se acciona eléctricamente, por medio de corriente en B, en lugar de manualmente como son los normales. Pero también se puede considerar un amplificador de corriente por que con una pequeña corriente en la base conseguimos una corriente mayor entre el emisor y colector.
B = base
E = Emisor
C = Colector
- Funcionamiento en corte: si no hay presión de agua en B (no pasa agua por su tubería), la válvula esta cerrada, no se abre la válvula y no se produce un paso de fluido desde E (emisor) hacia C (colector). La válvula está en reposo y no hace nada.
- Funcionamiento en activa: si llega (metemos) algo de presión de agua por la base B, se abrirá la válvula en función de la presión que llegue, comenzando a pasar agua desde E hacia C.
- Funcionamiento en saturación: si llega suficiente presión por B se abrirá totalmente la válvula y todo el agua podrá pasar desde el emisor E hasta el colector C (la máxima cantidad posible). Por mucho que metamos más presión de agua por B la cantidad de agua que pasa de E hacia C es siempre la misma, la máxima posible que permita la tubería. Si metiéramos demasiada presión por B podríamos incluso estropear la válvula.
Como ves una pequeña cantidad de agua por B permite el paso de mucho más agua entre E y C (amplificador).
¿Entendido? Pues ahora el funcionamiento del transistor es igual, pero el agua lo cambiamos por corriente eléctrica y la llave de agua será el transistor.
En un transistor cuando no le llega nada de corriente a la base, no hay paso de corriente entre el emisor y el colector (en corte), funciona como un interruptor abierto entre el emisor y el colector, y cuando tiene la corriente de la base máxima(en saturación) su funcionamiento es como un interruptor cerrado dejando pasar la corriente, entre el emisor y el colector. Además pasa la máxima corriente permitida por el transistor entre E y C.
El tercer caso es que a la base del transistor le llegue una corriente más pequeña de la corriente de base máxima para que se abra el transistor, entonces entre Emisor y Colector pasará una corriente intermedia que no llegará a la máxima.
Como ves el funcionamiento del transistor se puede considerar como un interruptor que se acciona eléctricamente, por medio de corriente en B, en lugar de manualmente como son los normales. Pero también se puede considerar un amplificador de corriente por que con una pequeña corriente en la base conseguimos una corriente mayor entre el emisor y colector.
Las corrientes en un transistor son 3, corriente de base Ib, corriente de emisor Ie y corriente del colector Ic.
Polarización de un Transistor
Polarizar es aplicar las tensiones adecuadas a los componentes para que funcionen correctamente.
Un polo P estará polarizado directamente si se conecta al positivo de la pila, el polo N estará polarizado directamente si se conecta al polo negativo. El revés estarían polarizados inversamente.
Hay una gama muy amplia de transistores, por lo que antes de conectar deberemos identificar sus 3 patillas y saber si es PNP o NPN. En los transistores NPN se debe conectar al polo positivo el colector y la base, y en los PNP el colector y la base al polo negativo.
La unión BASE-EMISOR siempre polarizado directamente, y la unión COLECTOR–BASE siempre polarizado inversamente en los dos casos.
Polarizar es aplicar las tensiones adecuadas a los componentes para que funcionen correctamente.
Un polo P estará polarizado directamente si se conecta al positivo de la pila, el polo N estará polarizado directamente si se conecta al polo negativo. El revés estarían polarizados inversamente.
Hay una gama muy amplia de transistores, por lo que antes de conectar deberemos identificar sus 3 patillas y saber si es PNP o NPN. En los transistores NPN se debe conectar al polo positivo el colector y la base, y en los PNP el colector y la base al polo negativo.
La unión BASE-EMISOR siempre polarizado directamente, y la unión COLECTOR–BASE siempre polarizado inversamente en los dos casos.
Tiristores
El tiristor es un componente electrónico constituido por elementos semiconductores que utiliza realimentación interna para producir una conmutación . Los materiales de los que se compone son de tipo semiconductor, es decir, dependiendo de la temperatura a la que se encuentren pueden funcionar como aislantes o como conductores. Son dispositivos unidireccionales porque solamente transmiten la corriente en un único sentido. Se emplea generalmente para el control de potencia eléctrica.
El dispositivo consta de un ánodo y un cátodo, donde las uniones son de tipo P-N-P-N entre los mismos. Por tanto se puede modelar como 2 transistores típicos P-N-P y N-P-N, por eso se dice también que el tiristor funciona con tensión realimentada. Se crean así 3 uniones (denominadas J1, J2, J3 respectivamente), el terminal de puerta está conectado a la unión J2 (unión NP).
Algunas fuentes definen como sinónimos al tiristor y al rectificador controlado de silicio (SCR);2 otras definen al SCR como un tipo de tiristor, a la par que los dispositivos DIAC y TRIAC.
Este elemento fue desarrollado por ingenieros de General Electric en los años 1960. Aunque un origen más remoto de este dispositivo lo encontramos en el SCR creado por William Shockley (premio Nobel de física en 1956) en 1950, el cual fue defendido y desarrollado en los laboratorios Bell en 1956. Gordon Hall lideró el desarrollo en Morgan Stanley para su posterior comercialización por parte de Frank W. "Bill" Gutzwiller, de General Electric.
Luz: Si un haz de luz incide en las uniones de un tiristor, hasta llegar al mismo silicio, el número de pares electrón-hueco aumentará pudiéndose activar el tiristor.
Corriente de Compuerta: Para un tiristor polarizado en directa, la inyección de una corriente de compuerta al aplicar un voltaje positivo entre compuerta y cátodo lo activará. Si aumenta esta corriente de compuerta, disminuirá el voltaje de bloqueo directo, revirtiendo en la activación del dispositivo.
Térmica: Una temperatura muy alta en el tiristor produce el aumento del número de pares electrón-hueco, por lo que aumentarán las corrientes de fuga, con lo cual al aumentar la diferencia entre ánodo y cátodo, y gracias a la acción regenerativa, esta corriente puede llegar a ser 1, y el tiristor puede activarse. Este tipo de activación podría comprender una fuga térmica, normalmente cuando en un diseño se establece este método como método de activación, esta fuga tiende a evitarse.
Alto Voltaje: Si el voltaje directo desde el ánodo hacia el cátodo es mayor que el voltaje de ruptura directo, se creará una corriente de fuga lo suficientemente grande para que se inicie la activación con retroalimentación. Normalmente este tipo de activación puede dañar el dispositivo, hasta el punto de destruirlo.
Elevación del voltaje ánodo-cátodo: Si la velocidad en la elevación de este voltaje es lo suficientemente alta, entonces la corriente de las uniones puede ser suficiente para activar el tiristor. Este método también puede dañar el dispositivo.
Para mas información sobre tirirstor: http://www.profesormolina.com.ar/tutoriales/enica_pot.htm
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