Hablar de los IGBT son mayores palabras puesto que estos transistores son especiales, son de grandes prestaciones y aplicaciones de gran envergadura sobre todo en el campo industrial. Suponga que tiene un transistor bipolar en sus manos y que en vez de base tenga un pin llamado puerta. ¡pues muy bien! Este transistor que en inglés se le conoce como: INSULATED GATE BIPOLAR TRANSISTOR. Es conocido también como: TRANSISTOR BIPOLAR DE PUERTA AISLADA. Y por lo general sus aplicaciones las podemos encontrar en sistemas de electrónica de potencia y electrónica de control.

¿QUE ES?

Es un dispositivo versátil para trabajar en estas dos áreas de la electrónica por sus grandes manejos de corriente y el pequeñísimo voltaje de saturación que normalmente maneja un transistor bipolar y al igual que el transistor de efecto de campo FET, en la puerta o gate tiene las mismas características. La forma de conducción de corriente es similar a la de un transistor JFET.

De acuerdo a lo mencionado anteriormente, se puede decir que el transistor BJT y el JFET se fusionan y logran crear el IGBT, sin duda un poderoso componente electrónico.

Con un IGBT se han podido lograr grandes cosas: desde diseñar y fabricar dispositivos de control y variación hasta sistemas de optimización y generación de energía. Dentro de los dispositivos de control podemos clasificar perfectamente a los variadores de velocidad y frecuencia, que sin duda en la industria son muy importantes y necesarios para controlar la velocidad en bombas de impulsión y motores industriales como elementos finales de control o plantas, y también tenemos a las UPS o bancos de baterías que lo que hacen es proporcionarnos voltajes con muy buenas capacidades de corriente en caso de cortes de suministro eléctrico y de esta manera nos permitan trabajar de forma ininterrumpida.

        FABRICANTES

Dentro de los fabricantes de estos versátiles dispositivos tenemos como destacados a MITSUBISHI, FAIRCHILD SEMICONDUCTOR, IXYS, INFINEON TECHNOLOGIES, STMICROELECTRONICS, ya llevan varios años en el mercado mundial distribuyendo este tipo de componentes.

 CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DE LOS TRANSISTORES IGBT

Dentro de sus características más importantes destacamos su rapidez al momento de efectuar una conmutación. Aproximadamente 100khz y sustituto del transistor BJT en muchas de las aplicaciones. Usado altamente en fuentes conmutadas, control de tracción de motores, y en las famosas cocinas de inducción. Recuerden aquellas parrillas vitro-cerámicas que calientan recipientes metálicos usando campos electromagnéticos en vez de calentar mediante inducción a resistencias de fogones.

El IGBT se considera un transistor Darlington híbrido.  Tiene muy buena capacidad de manejo de corriente, pero no requiere corriente de base para entrar en conducción. Utilizado para conmutación de sistemas de alta tensión. El voltaje de compuerta o gate de excitación es de 15 volts, pero tiene la poderosa ventaja de controlar sistemas de potencia aplicando una señal eléctrica muy débil en el gate.

IGBT QUE ES- PARA QUE SIRVE- COMO FUNCIONA

¿COMO FUNCIONA?

 COMPOSICIÓN INTERNA.

La sección transversal de silicio de un IGBT, es muy similar a la de un MOSFET, exceptuando el sustrato p+. sin embargo, el comportamiento de este dispositivo es muy similar al de un BJT que al de un transistor MOSFET. Lo anterior se debe básicamente al sustrato p+ que es el responsable por decirlo así de la inyección de portadores minoritarios en la región n.

TABLA COMPARATIVA IGBT CON OTROS TRANSISTORES 

puedes consultar la siguiente tabla AQUÍ

CURVAS CARACTERÍSTICAS DE LOS IGBT

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La curva característica de un IGBT es muy similar a la de un transistor bipolar.

Dentro de las regiones de trabajo de un IGBT tenemos la zona de avalancha, saturación, corte.

Los IGBT pueden ser NPN O PNP solo puede cambiar la corriente en dirección hacia adelante es decir del colector a emisor, a diferencia de los MOSFET que tienen capacidades de conducción de corriente en forma bidireccional. Controladas hacia adelante e incontrolables hacia atrás. Se puede implementar un PWM de alto voltaje control de velocidad, fuentes de alimentación conmutadas, y conversores de CC a CA empleando energía solar que operan en el rango de KHZ.

 RENDIMIENTO DE LOS INTERRUPTORES IGBT

¿PARA QUE SIRVE?

Dispositivos usados: IRGB4062DPBF (600V/24A Trench IGBT) High Side IGBTs

• IRG4BC20SD-PBF (600V/10A S-type Planar IGBT) Low Side IGBTs
• IRS2106S (600V half bridge driver IC).
• Fuente de voltaje 200V, 3A DC
• Fuente de voltaje 20V, 100 mA DC
• Cargas de 120V/500W

Teoría de aplicación:

Una topología de circuito de puente completo se usa en este caso para construir un inversor DC/AC.

Durante el semiciclo positivo en la señal de salida, Q1 tiene forma sinusoidal, mientras que Q4 es mantenido en conducción. Durante el semiciclo negativo, Q2 tiene forma sinusoidal, mientras que Q3 se mantiene en conducción.

Las frecuencias de conmutación de los IGBTs son de 20kHz y 60 Hz. Esta técnica de conmutación produce una señal de 60 Hz senoidal a través de la capacitancia C4 y la inductancia L1. Q1 y Q2 son los IGBTs IRGB4062DPBF, ultrarrápidos, que ofrecen una conducción estable y una velocidad máxima de conmutación de 20kHz. Q3 y Q4 son IGBTs planos de tipo estándar dado que estos solo conmutan a 60 Hz.

Cada pata del puente tipo H se controla usando un sistema de alto voltaje en puerta IRS2106SPBF. El uso de este dispositivo elimina la necesidad de instalar una fuente aislada de potencia. Esto se traduce en un aumento de la eficiencia y reducción del número de componentes del sistema.

 Algunos beneficios del puente tipo H y la técnica de conmutación en este sistema son:

Alta eficiencia, dado que Q1 y Q2 no están sujetos a corriente directa y Q3 y Q4 tienen la mayor parte del periodo de conducción y poco tiempo de conmutación.

No hay posibilidad de conducción cruzada dado que la conmutación se produce en pares diagonales de IGBTs (Q1 y Q4 o Q2 y Q3).

Se opera desde un solo bus de alimentación de corriente continua eliminando la necesidad de un bus de corriente continua negativa.

Los IGBTs se manejan usando un dispositivo de alto voltaje en gate con técnica “bootstrap”. Las capacitancias tipo “bootstrap” para estos dispositivos se resetean cada ciclo de conmutación (cada 50 us). Siempre hay que arrancar el sistema aplicando un potencial de +20V tras aplicar 200V al bus de corriente continua. Con una Carga resistiva de 120V/500W conectada, la señal de salida será de 120V/60Hz

                                 SEÑAL DE SALIDA DE UN IGBT

Diseñar un circuito de excitación para un IGBT, que mantenga una corriente de puerta de 40A cuando este activado y tenga un pico de 100A en el paso a conducción. La tensión Vi soporta una tensión de 100V con un ciclo de trabajo del 50% y una frecuencia de conmutación 1000kHz. Suponemos que VGE es de 20V cuando el transistor esta en conducción.SoluciónEl valor de R1 viene determinado por la necesidad del pico inicial de corriente. Despejando R1 en la siguiente fórmula: 

La corriente de puerta en conducción en régimen permanente determina el valor de R2: 

El valor de C se calcula a partir de la constante de tiempo necesaria. Para un ciclo de trabajo del 50% a 1000 kHz, el transistor conduce durante 0,5μs. Haciendo que el tiempo de conducción del transistor sea cinco veces la constante de tiempo, t=0,1μs: 

DIAC o Diode Alternative Current. Es un dispositivo bidireccional simétrico, o sea, sin polaridad con dos electrodos principales: MT1 y MT2, y ninguno de control. Es un componente electrónico que está preparado para conducir en los dos sentidos de sus terminales, por ello se le denomina bidireccional, siempre que se llegue a su tensión de cebado o de disparo.

Símbolo del diac

Existen dos tipos de DIAC:

DIAC de tres capas: Es similar a un transistor bipolar sin conexión de base y con las regiones de colector y emisor iguales y muy dopadas. El dispositivo permanece bloqueado hasta que se alcanza latensión de avalancha en la unión del colector. Esto inyecta corriente en la base que vuelve el transistor conductor, produciéndose un efecto regenerativo. Al ser un dispositivo simétrico, funciona igual en ambas polaridades, intercambiando el emisor y colector sus funciones.

DIAC de cuatro capas. Consiste en dos diodos Shockley conectados en antiparalelo, lo que le da la característica bidireccional.

Sus principales características son:

– Tensión de disparo

– Corriente de disparo

– Tensión de simetría

– Tensión de recuperación

-Disipación de potencia (Los DIACs se fabrican con capacidad de disipar potencia de 0.5 a 1 watt.)

CARACTERÍSTICAS GENERALES Y APLICACIONES

Se emplea normalmente en circuitos que realizan un control de fase de la corriente del triac, de forma que solo se aplica tensión a la carga durante una fracción de ciclo de la alterna. Estos sistemas se utilizan para el control de iluminación con intensidad variable, calefacción eléctrica con regulación de temperatura y algunos controles de velocidad de motores.

Se emplea normalmente en circuitos que realizan un control de fase de la corriente del triac, de forma que solo se aplica tensión a la carga durante una fracción de ciclo de la alterna. Estos sistemas se utilizan para el control de iluminación con intensidad variable, calefacción eléctrica con regulación de temperatura y algunos controles de velocidad de motores.

El DIAC (Diodo para Corriente Alterna) es un dispositivo semiconductor de dos conexiones. Es un diodo bidireccional disparable que conduce la corriente sólo tras haberse superado su tensión de disparo, y mientras la corriente circulante no sea inferior al valor característico para ese dispositivo. El comportamiento es fundamentalmente el mismo para ambas direcciones de la corriente. La mayoría de los DIAC tienen una tensión de disparo de alrededor de 30 V. En este sentido, su comportamiento es similar a una lámpara de neón.Los DIAC son una clase de tiristor, y se usan normalmente para disparar los triac, otra clase de tiristor.Es un dispositivo semiconductor de dos terminales, llamados ánodo y cátodo. Actúa como un interruptor bidireccional el cual se activa cuando el voltaje entre sus terminales alcanza el voltaje de ruptura, dicho voltaje puede estar entre 20 y 36 volts según la referencia.

DIAC de tres capasExisten dos tipos de DIAC:

• DIAC de tres capas: Es similar a un transistor bipolar sin conexión de base y con las regiones de colector y emisor iguales y muy dopadas. El dispositivo permanece bloqueado hasta que se alcanza la tensión de avalancha en la unión del colector. Esto inyecta corriente en la base que vuelve el transistor conductor, produciéndose un efecto regenerativo. Al ser un dispositivo simétrico, funciona igual en ambas polaridades, intercambiando el emisor y colector sus funciones.
• DIAC de cuatro capas. Consiste en dos diodos Shockley conectados en antiparalelo, lo que le da la característica bidireccional.

CARACTERISTICAS

En la curva característica se observa que cuando- +V o – V es menor que la tensión de disparo, el DIAC se comporta como un circuitoabierto- +V o – V es mayor que la tensión de disparo, el DIAC se comporta como un cortocircuito
Sus principales características son:- Tensión de disparo- Corriente de disparo- Tensión de simetría (ver grafico anterior)- Tensión de recuperación
– Disipación de potencia (Los DIACs se fabrican con capacidad de disipar potencia de 0.5 a 1 watt.)APLICACIÓN:
 Se emplea normalmente en circuitos que realizan un control de fase de la corriente del triac, de forma que solo se aplica tensión a la carga durante una fracción de ciclo de la alterna. Estos sistemas se utilizan para el control de iluminación con intensidad variable, calefacción eléctrica con regulación de temperatura y algunos controles de velocidad de motores. La forma más simple de utilizar estos controles es empleando el circuito representado en la Figura 3, en que la resistencia variable R carga el condensador C hasta que se alcanza la tensión de disparo del DIAC, produciéndose a través de él la descarga de C, cuya corriente alcanza la puerta del TRIAC y le pone en conducción. Este mecanismo se produce una vez en el semiciclo positivo y otra en el negativo. El momento del disparo podrá ser ajustado con el valor de R variando como consecuencia el tiempo de conducción del TRIAC y, por tanto, el valor de la tensión media aplicada a la carga, obteniéndose un simple pero eficaz control de potencia.

El TRIAC es un componente electrónico semiconductor de tres terminales para controlar la corriente. Su nombre viene del término TRIode for Alternating Current = Triodo Para Corriente Alterna.

 Podríamos decir que un triac se utiliza para controlar una carga de CA (corriente alterna), semejante a como un transistor se puede utilizar para controlar una carga de CC (corriente continua). En definitiva es un interruptor electrónico pero para corriente alterna. Los triac se utilizan en muchas ocasiones como alternativas al relé.

Su funcionamiento básico es cerrar un contacto entre dos terminales (ánodo 1 y 2) para dejar pasar la corriente (corriente de salida) cuando se le aplica una pequeña corriente a otro terminal llamado “puerta” o Gate (corriente de activación).

 Se seguirá permitiendo que la corriente fluya hasta que la corriente de salida disminuya por debajo de un valor determinado, llamada corriente umbral, o se corte la corriente totalmente de alguna forma, por ejemplo con un interruptor o pulsador como luego veremos.

 En el ánodo 1 y 2 se coloca el elemento de salida que queremos controlar con el triac (una lámpara, motor, etc.).

 Fíjate en la siguiente imagen donde usamos un triac como interruptor para encender una lámpara o bombilla. Es un circuito muy básico, pero que nos sirve para entender su funcionamiento. Luego veremos como lo mejoramos.

 El Triac es un desarrollo más avanzado del famoso SCR o tiristor, pero a diferencia del tiristor, que sólo es capaz de conducir en una dirección (desde el ánodo al cátodo), el TRIAC es un dispositivo bidireccional, es por eso que te recomendamos ver el enlace anterior del tiristor, si no lo conoces antes de seguir o como mínimo, que sepas el comportamiento de un diodo.

Símbolo del Triac y Circuito Equivalente

 Si te fijas en el símbolo es como si fueran dos tiristores o scr (son lo mismo) en antiparalelo ( o dos diodos).

  El triac tiene 3 patillas, Puerta, A1, A2 (Ánodo 1 y Ánodo 2, en este caso no se llaman ánodo y cátodo). Es muy común llamar a los ánodos Terminal o Main Terminal (terminal principal) y a la Puerta Gate. Puedes encontrar el símbolo donde la puerta está hacia el otro lado, pero es exactamente lo mismo.

Funcionamiento del Triac

El disparo del TRIAC se realiza aplicando una corriente a la patilla puerta. Un pulso (corriente) en la puerta y el triac funcionará como un conductor. Conducirá corriente en una u otra dirección. Veamos porqué.

 Fíjate cuando tenemos polarizado el MT1 al positivo y el MT2 al negativo (representado en la imagen de color rojo). Hemos llamado a los dos tiristores SCR1 y SCR2. Podemos pensar también que son dos diodos aunque sean dos tiristores.

 Si pensamos como si tuviéramos dos diodos (scr1 y scr2), resulta que el scr2 está polarizado directamente y conduce, el scr1 está polarizado inversamente y no conduce o no permite el paso de la corriente a través de él. En este caso el sentido de la corriente de salida será hacia arriba, representada de color rojo.

 Si ahora cambiamos la polaridad del triac, es decir ponemos el – en MT1 y el + en MT2 (de color azul) ahora el que conduce es el scr1 y scr2 no conduce. La corriente de salida tendrá el sentido hacia abajo o la representada de color azul.

 Como ves, cualquiera que sea la dirección (o polaridad) de la corriente de salida que intenta pasar por el triac, esta puede pasar.

Cualquiera que sea la dirección de la corriente que intenta pasar por el triac, si el triac está activado, se comportará como un conductor, dejando que esta fluya. Se comporta como un interruptor cerrado.

 Si trabajamos con una corriente alterna , la polaridad del triac irá cambiando según el ciclo de la onda senoidal de la ca, pero en ambos casos el triac funciona. Por este motivo es ideal para utilizar en c.a.

 Como ves en la imagen el triac conduce en las zonas marrones de la grafica. Al principio no conduce ya que al ser dos scr o tiristores necesitan una corriente mínimo para que se comporten como conductores. Ojo esta corriente mínima no tiene nada que ver con la de activación (Igt). Es una corriente que necesita el tiristor para comportarse como conductor. Recuerda que la onda de corriente alterna senoidal tiene una frecuencia (se repite) de 50Hz, es decir se repita 50 veces cada segundo, por lo que ese pequeño espacio que no conduce casi no se nota.

¿Cuando dejará de circular corriente por el triac? Solo cuando la corriente que pasa por los diodos caiga por debajo de un cierto valor llamado corriente umbral o de mantenimiento, o si de alguna forma somos capaces de cortar la corriente totalmente. Esta segunda forma se podría hacer colocando a la salida del triac un pulsador o interruptor cerrado y al pulsarlo que se abra y corte la corriente por el triac (como en la siguiente imagen).

¡OJO! Aunque ahora dejemos otra vez el interruptor cerrado, en su posición inicial, ya no circulará corriente por el triac hasta que de nuevo volvamos a meter la corriente de activación por la puerta.

 Entonces tenemos una corriente de activación, necesaria para activar el triac a través de la puerta. Esta corriente se suele llamar Igt.

 También tenemos una corriente de salida que pasa por el triac, que puede ser en un sentido o en otro. Esta corriente se suele llamar Ih, positiva o negativa en función de su sentido. Esta se suele llamar corriente normal de trabajo.

 Estos valores dependen de cada triac y se pueden ver en la hoja de datos proporcionada por el fabricante.

 Es importante conocerlas y saber las corrientes máximas que puede soportar el triac para no sobrepasarlas ya que podríamos quemar el triac. También conocer las patillas sin son el ánodo 1, el 2 o la puerta.

 Aquí puedes ver un triac real.

 Todo esto que hemos dicho para corrientes podría trasladarse de idéntica manera para las tensiones. Por ejemplo corriente mínima de activación, se podría trasladar a tensión mínima de activación entre la puerta y otro de los dos terminales del triac o que el triac dejará de conducir cuando la tensión entre los dos ánodos baje por debajo de un umbral.

 Fíjate en la curva de disparo para tensión y corriente en un triac:

 Lógicamente un triac no tiene solo una tensión de disparo, a partir de la mínima podemos activarlo con cualquier otra tensión o corriente por gate.

 Pero todo esto explicado con las tensiones lo puedes ver mucho mejor explicado en el video de la parte de abajo.

  Aplicaciones del Triac

 El triac es fácil de usar y ofrece ventajas de coste sobre el uso de dos tiristores para muchas aplicaciones de baja potencia. Cuando se necesitan potencias superiores, casi siempre se utilizan dos tiristores colocados en “anti-paralelo“.

 Son múltiples los usos del triac, pero por citar algunos:

 – Para reguladores de luz.

 – Para controles de velocidad de un ventilador eléctrico.

 – Para el controles de motor pequeños.

 – Para el control de pequeños electrodomésticos.

 – Para el control de temperatura, control de iluminación, control de nivel de líquido, los circuitos de control de fase, interruptores de potencia, etc.

 Estas son algunas de sus principales aplicaciones.

 Probar Triac con Multímetro

  Si queremos comprobar si un triac está en perfecto estado podemos hacerlo con un simple polímetro o multímetro. Para ello sigue los siguientes pasos:

 1. Pon el multímetro en una escala de resistencia grande, por ejemplo la escala R x 100.

 2. Conecta el cable positivo del multímetro al terminal MT1 o Ánodo 1 del triac y el cable negativo al terminal MT2 o Ánodo 2 del triac (no hay ningún problema si se invierte la conexión). El multímetro mostrará una lectura de alta resistencia o infinito (indicando que es un circuito abierto). Recuerda el cable positivo del multímetro es el rojo, el negro el negativo. El cable negro insertado en el agujero negro que pone COM del polímetro y el rojo en el agujero rojo. Para saber más sobre el multímetro visita: Multímetro.

 3. Invierte las puntas del medidor, de manera que el terminal positivo del multímetro esté sobre el terminal principal 1 y el terminal negativo del multímetro sobre la terminal principal 2. El multímetro debe leer infinito.

 4. Ahora poner el interruptor de selección del multímetro en un modo de baja resistencia. Haz un puente con un simple cable entre el ánodo 1 o  MT1 y la puerta o gate.  Conéctalos al cable positivo del multímetro. Conecta el cable negativo del multímetro el ánodo 2 o MT2. El multímetro mostrará ahora una baja resistencia de lectura, prácticamente cero (que indica el interruptor ON o cerrado).

 Si las pruebas anteriores son positivas, entonces podemos suponer que el triac esta bien. De todos modos, esta prueba no es aplicable triacs que requieren altas tensiones y altas corriente de puerta para el disparo.

Tiristor Vs Triac

 Mientras que el tiristor solo puede controlar la corriente en uno de los dos ciclos de una onda de corriente alterna (onda senoidal, el positivo o el negativo) el triac puede controlar la corriente en los dos ciclos de la onda. En definitiva podemos usar el triac en el ciclo completo de la onda senoidal de corriente alterna.

 El tiristor solo puede controlar una de las dos ondas, en la otra no hay corriente (onda negativa), y el Triac puede controlar el estado en las dos ondas (+ y -).

 Como ves en la curva de la izquierda (tiristor) se activa y permite el paso de la corriente durante el ciclo positivo de la onda (ciclo de arriba) en el negativo no hay paso de corriente, solo tenemos onda positiva de salida.

 En la figura de la derecha, el triac, podemos controlar la corriente en las dos ondas y tenemos onda positiva y negativa de salida.

Es una rama especial del álgebra que se usa principalmente en electrónica digital. El álgebra booleana fue inventada en el año 1854 por el matemático inglés George Boole.

El álgebra de Boole es un método para simplificar los circuitos lógicos (o a veces llamados circuitos de conmutación lógica) en electrónica digital.

Por lo tanto, también se llama como “Cambio de álgebra“. Podemos representar el funcionamiento de los circuitos lógicos utilizando números, siguiendo algunas reglas, que son bien conocidas como “Leyes del álgebra de Boole“.

También podemos hacer los cálculos y las operaciones lógicas de los circuitos aún más rápido siguiendo algunos teoremas, que se conocen como “Teoremas del álgebra de Boole“. Una función booleana es una función que representa la relación entre la entrada y la salida de un circuito lógico.

La lógica booleana solo permite dos estados del circuito, como True y False. Estos dos estados están representados por 1 y 0, donde 1 representa el estado “Verdadero” y 0 representa el estado “Falso”.

Lo más importante para recordar en el álgebra de Boole es que es muy diferente al álgebra matemática regular y sus métodos. Antes de aprender sobre el álgebra de Boole, vamos a contar  un poco sobre la historia del álgebra de Boole y su invención y desarrollo.

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 Historia del álgebra de Boole

Como se mencionó anteriormente, el álgebra de Boole se inventó en el año de 1854, por el matemático inglés George Boole. Primero declaró la idea del álgebra de Boole en su libro “Una investigación de las leyes del pensamiento”.

Después de esto, el álgebra de Boole es bien conocida como la forma perfecta para representar los circuitos lógicos digitales.

A fines del siglo XIX, los científicos Jevons, Schroder y Huntington utilizaron este concepto para términos modernizados. Y en el año de 1936, MHStone demostró que el álgebra de Boole es ‘isomorfo’ para los conjuntos (un área funcional en matemáticas).

En la década de 1930, un científico llamado Claude Shannon desarrolló un nuevo método de álgebra tipo “Cambio de álgebra” utilizando los conceptos de álgebra de Boole, para estudiar los circuitos de conmutación.

La síntesis lógica de las herramientas modernas de automatización electrónica se representa de manera eficiente mediante el uso de funciones booleanas conocidas como “Diagramas de decisión binarios”.

El álgebra de Boole permite solo dos estados en un circuito lógico, como True y False, High and Low, Yes y No, Open and Close o 0 y 1.

 Leyes e identidades del álgebra booleana

Al formular expresiones matemáticas para circuitos lógicos es importante tener conocimiento del álgebra booleana, que define las reglas para expresar y simplificar enunciados lógicos binarios. Una barra sobre un símbolo indica la operación booleana Not, que corresponde a la inversión de una señal. 

Leyes fundamentales

OR
A + 0 = AA + 1 = 1A + A = AA + A = 1AND
A + 0 = 0A + 1 = AA + A = AA + A = 0NOT
A¨ = A
Los dos puntos en la A corresponde a dos barras de negación.

Leyes conmutativas

A + B = B + AA ∙ B = B ∙ A

Leyes asociativas

(A + B) + C = A + (B + C)(A ∙ B) ∙ C = A ∙ (B ∙ C)

Leyes distributivas

A ∙ (B + C) = (A ∙ B) + (A ∙ C)A + (B ∙ C) = (A + B) ∙ (A + C)

Otras identidades útiles

A + (A ∙ B) = AA ∙ (A +B) = AA + (A ∙ B) = A + B(A + B) ∙ (A + B) = A(A + B) ∙ (A + C) = A + (B ∙ C)A + B + (A ∙ B) = A + B(A ∙ B) + (B ∙ C) + (B ∙ C) = (A ∙ B) + C(A ∙ B) + (A ∙ C) + (B ∙ C) = (A ∙ B) + (B ∙ C)

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Ejemplo:

Se va a simplificar la siguiente expresión aplicando las leyes e identidades booleanas mencionadas:E = (X ∙ Y ∙ Z) + (Y ∙ Z) +(X ∙ Y)

Es posible aplicar la ley asociativa y la ley fundamental de que A ∙ 1 = A:E = X ∙ (Y ∙ Z) + 1 ∙ (Y ∙ Z) +(X ∙ Y)

Ahora es posible factorizar el termino (Y ∙ Z):E = (X +1) ∙ (Y ∙ Z) +(X ∙ Y)

Dado que A + 1 = 1 según las leyes fundamentales por lo tanto X + 1 = 1:E = 1 ∙ (Y ∙ Z) +(X ∙ Y)

Al realizar la operación tendremos ya simplificada la expresión:E = (Y ∙ Z) +(X ∙ Y)

Aún podemos simplificar la expresión al factorizar Y: E = Y ∙ (Z +X)

Son el corazón de la electrónica digital. Básicamente, todas las compuertas lógicas tienen una salida y dos entradas, algunas compuertas lógicas como la compuerta NOT o el inversor tienen solo una entrada y una salida. Las entradas de las compuertas lógicas están diseñadas para recibir solo datos binarios (bajo 0 o alto 1) al recibir la señal de voltaje.

El nivel lógico en bajo representa cero volts y el nivel lógico en alto representa 3 o 5 volts.

Es posible conectar cualquier número de compuertas lógicas para diseñar un circuito digital requerido. Prácticamente, implementamos una gran cantidad de compuertas lógicas en circuitos integrados, mediante las cuales podemos guardar el espacio físico ocupado por éstas. También es posible realizar operaciones complicadas a altas velocidades mediante el uso de circuitos integrados (IC).

Combinando compuertas lógicas, podemos diseñar muchos circuitos específicos, como flip flops, multiplexores, registros de desplazamiento, etc.

Niveles lógicos digitales

Un nivel lógico se define como un estado o voltaje específico de una señal, sabemos que 0 y 1 son los dos estados de compuertas lógicas. Los niveles lógicos 0 y 1 se conocen como BAJO y ALTO, respectivamente. En electrónica digital, estos niveles lógicos binarios desempeñan un papel crucial en el almacenamiento y la transferencia de datos.

En general, estos niveles lógicos se pueden entender como estados de encendido y apagado. Como se mencionó anteriormente, los niveles lógicos se introducen en la compuerta lógica mediante el voltaje de suministro.

De manera similar, si el voltaje de suministro a la compuerta lógica es de 5 voltios o 3,3 voltios (para circuitos integrados modernos), se refiere al nivel lógico alto o estado de encendido. Los fabricantes seguirán el TTL (Transistor – Transistor Logic) como nivel de voltaje estándar, mientras diseñan los circuitos integrados.

¿Qué es activo alto y activo bajo?

El pin bajo activo debe estar conectado a un nivel lógico bajo o a tierra. De la misma manera, el pin alto activo debe estar conectado a un nivel lógico alto como pudiera ser 5 voltios o 3.3 voltios.

Comprendamos esto de una manera simple. Cuando vemos el pin de habilitación CE en un IC de registro de desplazamiento, sin ninguna línea (barra), lo conectamos a una entrada activa baja, es decir, a 0 voltios de tierra. De lo contrario, si vemos el pin de habilitación con una línea como (CE) ̅, lo conectamos a la entrada alta activa, es decir, a 3,3 o 5 voltios de suministro, para habilitar el pin.

Niveles Lógicos TTL

 Los transistores son interruptores controlados eléctricamente. Los niveles de voltaje de las familias lógicas son

• VOH – mín. nivel de voltaje de salida para señal ALTA
• VOL – max. Nivel de voltaje de salida para señal BAJA
• VIH – min. nivel de voltaje de entrada de un dispositivo para ser considerado en señal ALTA
• VIL – max. Nivel de voltaje de entrada de un dispositivo para ser considerado en señal BAJA

Si observamos los niveles lógicos TTL, podemos identificar que el nivel mínimo de alto voltaje para la salida es de 2.7 voltios. Esto significa que, cuando el dispositivo está funcionando en ALTO, el voltaje debe ser de al menos 2,7 voltios.

De manera similar, el nivel del estado alto tendrá un voltaje mínimo para la entrada, el cual es de 2 voltios. Por lo tanto, los voltajes superiores a 2 voltios se considerarán como lógicos 1, en un dispositivo TTL. Los voltajes entre 0,8 voltios y 2 voltios se conocen como margen de ruido.

De manera similar, el nivel máximo de estado bajo tendrá un voltaje para la entrada, el cual es de 0,8 voltios.

Por ello, los voltajes menores a 0 voltios se considerarán como lógicos 0, en un dispositivo TTL. Entonces, cuando el dispositivo lógico recibe voltajes entre 0.8 V y 2 V, el nivel lógico del dispositivo cambiará entre Alto y Bajo. Este cambio se llama ‘Flotante’.

Niveles lógicos CMOS

Los dispositivos lógicos CMOS también se conocen como dispositivos de 3,3 voltios debido a que tendrán el nivel máximo de voltaje de 3,3 V. Esta es una tecnología avanzada que ejecutará los dispositivos con bajo suministro de energía (3,3 V en lugar de 5 V).

Sobre todo, utilizamos dispositivos de 5 V (compatibles con TTL) para diseñar compuertas lógicas, por lo que estos dispositivos CMOS se utilizan para interactuar con dispositivos TTL. Un dispositivo CMOS puede interactuar con cualquier dispositivo TTL y no requieren ningún componente adicional.

Por ejemplo, el valor mínimo para un nivel lógico alto (1) de un dispositivo CMOS es de 2,4 V. Por lo tanto, este dispositivo se puede interpretar con un dispositivo TTL que tiene una tensión de entrada mínima lógica en estado 1 como 2 V.

Pero, antes de conectar los dispositivos TTL a CMOS (3.3 V y 5 V), debemos verificar que los dispositivos de 3.3 V sean o no tolerantes a 5 V. Debido a que muchos de ellos causarán daños en el chip permanentemente cuando suministremos voltajes superiores a 3.6 V. Podemos utilizar un circuito divisor de voltaje o palancas de nivel lógico para controlar las señales de voltaje de 5 V.

Margen de ruido

El margen de ruido de un nivel lógico se define como la brecha de voltaje entre la baja tensión máxima de entrada alta (VIL máx.) y la tensión máxima de la entrada baja (VIL mín.) de una compuerta lógica. El margen de ruido también se define como la cantidad por la cual la señal de voltaje excede el nivel de umbral para el mínimo o alto exacto.

Vamos a entender esto claramente con un ejemplo. Cuando un circuito lógico está alterando entre 0 voltios y 1.2 voltios, con cualquier voltaje por debajo de 0.2 voltios se considera BAJO, es decir, 0. Y cualquier voltaje superior a 1 voltio se considera ALTO, es decir, 1.

Los dispositivos lógicos CMOS tienen mayor nivel de ruido o margen de ruido que los dispositivos lógicos TTL porque su tensión de salida mínima para alta lógica (VOH min) está más cerca de la tensión de alimentación y la tensión máxima de salida para baja lógica (VOL máx.) es aproximadamente 0. Por lo tanto, este nivel es la cantidad máxima de ruido que un circuito lógico puede soportar.

Si aplicamos un voltaje de cierto nivel de ruido, no sabemos con certeza si el circuito responderá o no. El nivel de ruido es el nivel de voltaje no deseado, causado por interferencia externa tal como fluctuaciones de voltaje de suministro y otros conductores en el circuito.

El nivel de ruido que puede tolerar un circuito se denomina “Inmunidad al ruido” o “Margen de ruido“. Para dispositivos TTL, el rango de tolerancia de los voltajes de salida es mayor que el de los voltajes de entrada.

Tipos de Compuertas Logicas

Compuerta AND

Esta compuerta es representada por una multiplicación en el Algrebra de boole. Indica que es necesario que en todas sus entradas se tenga un estado binario 1 para que la salida otorgue un 1 binario. En caso contrario de que falte alguna de sus entradas con este estado o no tenga si quiera una accionada, la salida no podrá cambiar de estado y permanecerá en 0. Esta puede ser simbolizada por dos o más interruptores en serie de los cuales todos deben estar activos para que esta permita el flujo de la corriente.

Fig. 2 Tabla, Representación y Fórmula Compuerta AND.

Compuerta OR

En el Algebra de Boole esta es una suma. Esta compuerta permite que con cualquiera de sus entradas que este en estado binario 1, su salida pasara a un estado 1 también. No es necesario que todas sus entradas estén accionadas para conseguir un estado 1 a la salida pero tampoco causa algún inconveniente. Para lograr un estado 0 a la salida, todas sus entradas deben estar en el mismo valor de 0. Se puede interpretar como dos interruptores en paralelo, que sin importar cual se accione, será posible el paso de la corriente.

Fig. 3 Tabla, Representación y Fórmula Compuerta OR.

Compuerta NOT

En este caso esta compuerta solo tiene una entrada y una salida y esta actúa como un inversor. Para esta situación en la entrada se colocara un 1 y en la salida otorgara un 0 y en el caso contrario esta recibirá un 0 y mostrara un 1. Por lo cual todo lo que llegue a su entrada, será inverso en su salida.

Fig. 4 Tabla, Representación y Fórmula Compuerta NOT.

Compuerta NAND

También denominada como AND negada, esta compuerta trabaja al contrario de una AND ya que al no tener entradas en 1 o solamente alguna de ellas, esta concede un 1 en su salida, pero si esta tiene todas sus entradas en 1 la salida se presenta con un 0.

Fig. 5 Tabla, Representación y Fórmula Compuerta NAND.

Compuerta NOR

Así como vimos anteriormente, la compuerta OR también tiene su versión inversa. Esta compuerta cuando tiene sus entradas en estado 0 su salida estará en 1, pero si alguna de sus entradas pasa a un estado 1 sin importar en qué posición, su salida será un estado 0.

Fig. 6 Tabla, Representación y Fórmula Compuerta NOR.

Compuerta XOR

También llamada OR exclusiva, esta actúa como una suma binaria de un digito cada uno y el resultado de la suma seria la salida. Otra manera de verlo es que con valores de entrada igual el estado de salida es 0 y con valores de entrada diferente, la salida será 1.

Fig. 7 Tabla, Representación y Fórmula Compuerta XOR.

Compuerta XNOR

Esta es todo lo contrario a la compuerta XOR, ya que cuando las entradas sean iguales se presentara una salida en estado 1 y si son diferentes la salida será un estado 0.

Fig. 8 Tabla, Representación y Fórmula Compuerta XNOR.

Compuerta IF

Esta compuerta no es una muy utilizada o reconocida ya que su funcionamiento en estados lógicos es parecido a si solo hubiera un cable conectado porque exactamente lo que se le coloque en la entrada, se encontrara en la salida. Pero también es conocido como un buffer, en la práctica se utiliza como amplificador de corriente o como seguidor de tensión para adaptar impedancias.

¿Qué es un Circuito Integrado?

 Un circuito integrado (CI), también conocido como chip o microchip, es un circuito electrónico complejo en forma de una pastilla pequeña de material semiconductor, encapsulado o envasado en una sola pieza. Esta pieza es una carcasa de la que salen unas patillas que servirán para conectar el circuito integrado al circuito.

 Un ejemplo de circuito integrado lo tenemos en el procesador de los ordenadores, en cuyo interior se albergan varios millones de transistores, en un espacio más pequeño que la uña de un pulgar.

 La ventaja de los circuitos integrados es que son muy baratos y se pueden usar para una gran cantidad de circuito.

El Circuito Integrado 555

 También se puede llamar circuito integrado 555, datasheet 555, temporizador 555, integrado 555, circuito generador de pulsos, timer 555, 555 chip y algún nombre más con el que suele aparecer por ahí.

 Este circuito integrado se utiliza para activar o desactivar circuitos durante intervalos de tiempo determinados, es decir se usa como temporizador. Para ello, lo combinaremos con otros componentes cuyas características y forma de conexión en el circuito, determinarán la duración de los intervalos de tiempo del 555, y si estos intervalos se repitan continuamente o no.

 Ejemplos para los que podemos usar el 555 son: luces intermitentes, regular el tiempo que tarda en apagarse una luz, ajustar el tiempo en una tostadora, etc.

 Los 555 tienen 8 patillas o pines, que se deberán conectar al circuito dependiendo cómo queremos que funcione.

 Fíjate que es muy importante identificar el circulito y la muesca para saber identificar las patillas correctamente. La patilla 1 siempre es la que está más cerca del circulito, a la izquierda de la muesca. Seguido ha esta patilla está la 2, 3 y 4.

 En la otra cara, la más alejada del circulito, y empezando por la muesca hacia arriba, tenemos la 8, 7, 6 y 5.

 OJO es muy importante no confundir las patillas. Ahora explicaremos el funcionamiento general de cada patilla, pero no te preocupes si no lo entiendes muy bien, a continuación explicaremos el 555 conectado en un circuito y verás como lo entenderás perfectamente.

¿Para qué sirve cada patilla?

Patilla 1: En esta patilla siempre se conecta la masa o el negativo de la pila (0V = cero voltios).

Patilla 8: V+, (Vcc), o el positivo de la pila. Es el pin donde se conecta el voltaje o tensión de alimentación que va de 4.5 voltios hasta 16 voltios (máximo). Alguna versión de 555 puede llegar a 18 Voltios, pero es muy raro.

 Ya sabemos como se conecta a la pila o fuente de alimentación nuestro 555. Veamos las otras patillas.

 Patilla 2: Disparo (trigger): esta patilla hará que se active o no la señal de salida de la patilla 3.

Patilla 3: es la Salida. Lo que obtendremos a la salida dependerá de como conectemos el circuito integrado 555. Luego veremos más concretamente. Lo importante es saber que en esta patilla recogemos la señal de salida del 555.

 Estas cuatro patillas son las más importantes para entender los circuitos.

 Patilla 4: Reset (reset).  Si por algún motivo esta patilla no se utiliza hay que conectarla a Vcc para evitar que el 555 se “resetee”.

 Patilla 5: Control de voltaje (control voltaje):

 Patilla 6: Umbral (threshold): Es una entrada a un comparador interno que tiene el 555 y se utiliza para poner la salida (patilla 3) a nivel bajo

 Patilla 7: Descarga (discharge): Utilizado para descargar con efectividad el condensador externo utilizado por el temporizador para su funcionamiento.

 El circuito integrado 555 se puede conectar en circuitos como Monoestable o como Astable. Veamos cada caso por separado.

Funcionamiento del Circuito Integrado 555 como Monoestable

 En este modo de funcionamiento, la patilla de salida (3) puede encontrarse en 2 estados diferentes:

 – Estado estable: o nivel bajo, es decir en la patilla 3 tendremos 0V

 – Estado inestable: o nivel alto, es decir en la patilla 3 tendremos tensiones cercanas a la de alimentación (la de la pila).

 Por ejemplo si en el circuito tenemos una pila de 9V (voltios), nivel alto será cerca de 9V y nivel bajo será 0V.

 Pero…¿como pasa de un estado a otro?.

 El circuito sólo saldrá del estado estable (0V) cuando desde la patilla de disparo (la 2) se provoque el cambio a estado inestable (V de alimentación), pero ojo, transcurrido un tiempo, volverá al estado anterior.

 Todo esto se puede explicar de esta forma:

 Cuando la patilla 2 está en nivel alto, que es su estado normal de reposo, la salida 3 se mantiene a nivel bajo (estado normal de reposo de 3). Si llevamos por un instante la patilla de disparo (2) a nivel bajo (0V), la patilla 3 o salida se pondrá a nivel alto (V alimentación). Transcurrido un tiempo, vuelve la salida vuelve a nivel bajo. Para que vuelva alcanzar el nivel alto necesitamos volver activar la patilla de entrada (2), poniéndola a nivel alto, como ya vimos.

 Fíjate en la curva de funcionamiento:

 Desactivamos 2 (disparo) y se activa la 3 (salida) durante un tiempo. Solo hace falta desactivar 2 un momento para que se active 3 durante un tiempo. Para activar la salida de nuevo, hace falta desactivar la entrada otra vez.

 El tiempo que estará activada la salida dependerá de la resistencia y del condensador que pongamos en el circuito.

555 Monostable

 Para que nuestro circuito integrado 555 funcione como monoestable debemos conectarlo de la siguiente forma:

 En E conectaremos la entrada, normalmente un pulsador, y en S conectaremos la salida, es decir lo que queramos que se active durante un tiempo determinado, o lo que es lo mismo lo que queramos temporizar. La tensión de alimentación dependerá de la pila.

 El tiempo que estará activada la salida se calcula de la siguiente forma:

T = 1,1 x R x C

 Donde R es el valor de la resistencia en ohmios, y C es la capacidad del condensador en Faradios. El tiempo con estos datos lo obtendremos en segundos.

 Veamos un ejemplo. Queremos tener encendido un led durante un tiempo cuando activemos un pulsador, y al cabo de un tiempo que el led se apague solo. Aquí tienes el circuito:

 Verás que en serie con el Led hay una resistencia, es para que no se queme. La tensión que le llegaría sería de unos 5V (la pila) y como ya debes saber, los Led funcionan a 2 voltios como máximo. Si ponemos la resistencia en serie al led solo le llegarán 2V y los otros 3V estarán en la resistencia de 220 ohmios.

 Bueno la pregunta es…¿Cuanto tiempo estará encendido el Led cuando activemos el pulsador?. Pues nada aplicamos la fórmula y listo.

  Lo primero pasaremos la Resistencia que está en Kilo ohmios a ohmios= 470 x 1000 = 470.000Ω

  Ahora pasamos los 10 microfaradios a faradios = 10 x 10^-6 = 0,00001faradios

 T = 1,1 x 470.000Ω x 0,00001 = 5,17 segundos.

 ¿Fácil no?. El Led se encenderá durante 5,17 segundos cuando pulsemos el pulsador. Para volver a encenderse deberemos volver a pulsar el pulsador.

 Siempre debes tener en cuenta la tensión máxima a la que se puede conectar tu circuito integrado 555, ya que los hay de diferentes tensiones.

Timer 555 astable

 En este modo, el 555 no tiene estado estable, la salida 3 va cambiando continuamente entre el nivel bajo y el alto continuamente, independientemente del estado de la entrada (2). El tiempo que estará la salida en alto y bajo dependerá de los componentes del circuito. Aquí tienes la curva de funcionamiento:

 Si tuviéramos un led a la salida estaría encendiéndose y apagándose todo el tiempo. Como ves se genera una señal oscilante. El periodo de la curva, es el tiempo que tarda en repetirse un estado determinado, y en este caso será:

T = t1 + t2

 t1 y t2 no tienen por que ser el mismo tiempo, aunque el la gráfica del ejemplo es así. Pero como calculamos t1 y t2. Pues nada, igual que antes con una fórmula.

 t1 = 0,693 x (R1 + R2) x C

 t2 = 0,693 x Rb x C

 t1 es el tiempo que estará en estado alto la salida (encendido el led) y t2 es el tiempo que estará en estado bajo la salida (led apagado). Pero….¿Dos resistencias?. Pues sí, en este caso el circuito es con dos resistencias, la Rb será la que nos determine el tiempo que estará la salida desactivada. Vemos el circuito de conexión del 555 como astable:

 Otro dato importante con el circuito integrado 555 como astable es la frecuencia. La frecuencia es el número de veces que se repite un periodo en cada segundo. en nuestro caso nos interesa saber cuantas veces se repite cada segundo el encendido y apagado.

 F = 1 / T

 Como ves es muy fácil, solo hay que dividir entre 1 el Tiempo total del periodo (estado alto y bajo). el valor que nos da la formula será Hertzios o 1/segundos, o lo que es lo mismo las repeticiones por cada segundo.

 Veamos un ejemplo de un montaje del 555 como monoestable poniendo a la salida un led. Solo hay que conectar el Led a la salida, y ya tendremos nuestro circuito. El siguiente circuito tendrá encendido el Led de forma intermitente.

 En este caso te hemos cambiado un poco el esquema para que te acostumbres a verlo de diferentes formas, pero si te das cuenta es exactamente igual. El 555, en este caso, ponemos las patillas un poco diferentes, pero siguen siendo las mismas. El led lo hemos conectado sin resistencia en serie, y como ves hemos conectado un oscilador para ver la onda que se generaría a la salida. La pila serían dos pilas en serie, por lo que sería como una sola pila a la que se suman las dos tensiones. Pero si te fijas un poco es todo exactamente igual.

 Si calculas los tiempos y la frecuencia del circuito te saldrán los siguientes datos:

 t1 = 1.02 segundos

 t2 = 0,569 segundo

 T = 1,6 segundos

 F = 0, 625 Hz (cada 0,625 segundos se repite un ciclo de encendido y apagado del led)

Nota: Puedo poner 2 leds en paralelo pero polarizados al revés (la patilla negativa con la positiva de los dos leds y viceversa) y lo que harán en este caso en lucir de forma intermitente, cuando uno luce el otro no y al revés y así continuamente.

 Es muy normal encontrar la R2 como un potenciometro (resistencia variable), de este modo podemos cambiar los tiempos del circuito solo moviendo el potenciómetro.

 Puedes ver un vídeo aquí del montaje y funcionamiento: Timer 555.

Aplicaciones del 555

 Los usos son casi ilimitados, solo depende de la imaginación, pero poner algunos ejemplo:

 – Alarma : solo deberemos poner una zumbador a la salida en astable y tendremos una alarma sonando todo el tiempo.

 – Temporizador o Timer: es probablemente de la forma más utilizado. Se usa para temporizar cualquier cosa, por ejemplo el encendido de un lámpara, intermitentes de los coches, semáforo parpadeando, semáforos que cambian de color, etc.

 – Control de un servomotor: hay muchos circuitos con el 555 para controlar los pulsos para el control de un servomotor (sigue el enlace si quieres saber que es un servomotor)

 – Multivibrador:  Un multivibrador es un circuito generador de pulsos que produce una salida de onda rectangular, se clasifican en: astables, biestables o monoestables. Como ves el 555 es un multivibrador.

 – Detectores: Si colocamos las resistencias o resistencia (depende el caso), en lugar de fijas, que dependan de algo, por ejemplo una NTC que su valor depende de la temperatura, a más temperatura menos resistencia, podríamos construir un detector de calor. Si hace mucho calor, la resistencia es muy pequeña y por lo tanto el led parpadea muy rápido avisándonos de que hay mucho calor. Cuando disminuye la temperatura la resistencia de la NTC será mayor y el tiempo de encendido y apagado del led será menor.

 Y si colocamos una LDR (resistencia que depende de la luz). Pues tendríamos un detector de luz o obscuridad.

 – Generador de frecuencias de sonido: si la resistencia es un potenciómetro y la salida es un altavoz, al variar la resistencia del potenciómetro, el altavoz sonará de diferente forma, generando sonidos diferentes.

 – Contadores: Pues bien nos  puede servir para contar, si a la señal de salida le ponemos un circuito que cada vez que le llegue una señal, aumente el número.

El transistor de unión bipolar (del inglés bipolar junction transistor, o sus siglas BJT) es un dispositivo electrónico consistente en dos uniones PN muy cercanas entre sí, que permite aumentar la corriente y disminuir el voltaje, además de controlar el paso de la corriente a través de sus terminales. La denominación de bipolar se debe a que la conducción tiene lugar gracias al desplazamiento de portadores de dos polaridades (huecos positivos y electrones negativos), y son de gran utilidad en gran número de aplicaciones; pero tienen ciertos inconvenientes, entre ellos su impedancia de entrada bastante baja.

Los transistores bipolares son los transistores más conocidos y se usan generalmente en electrónica analógica  aunque también en algunas aplicaciones de electrónica digital, como la tecnológica TTL  o BiCMOS.

Un transistor de unión bipolar está formado por dos Uniones PN en un solo cristal semiconductor, separados por una región muy estrecha. De esta manera quedan formadas tres regiones:

• Emisor, que se diferencia de las otras dos por estar fuertemente dopada, comportándose 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 extensión mucho mayor.

La técnica de fabricación más común es la deposición epitaxial. En su funcionamiento normal, la unión base-emisor está 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 recombinación de portadores, y la mayoría pasa al colector. El transistor posee tres estados de operación: estado de corte, estado de saturación y estado de actividad.

Aplicaciones de los Transistores

Los transistores tienen multitud de aplicaciones, entre las que se encuentran:

• Amplificación de todo tipo (radio, televisión, instrumentación)
• Generación de señal (osciladores, generadores de ondas, emisión de radiofrecuencia)
• Conmutación, actuando de interruptores (control de relés, fuentes de alimentación conmutadas, control de lámparas, modulación por anchura de impulsos PWM)
• Detección de radiación luminosa (fototransistores)

Los transistores de unión (uno de los tipos más básicos) tienen 3 terminales llamados Base, Colector y Emisor, que dependiendo del encapsulado que tenga el transistor pueden estar distribuidos de varias formas.

DIAGRAMAS DE ENCAPSULADOS DE TRANSISTORES

Polarización

Emisor común

RECTA DE CARGA

EJERCICIOS

El diodo zener basa su funcionamiento en el efecto zener, de ahí su nombre. Recordaremos que, en polarización inversa y alcanzada esta zona, a pequeños aumentos de tensión corresponden grandes aumentos de corriente.

Este componente es capaz de trabajar en dicha región cuando las condiciones de polarización lo determinen y una vez hayan desaparecido éstas, recupera sus propiedades como diodo normal, no llegando por este fenómeno a su destrucción salvo que se alcance la corriente máxima de zener Imáx indicada por el fabricante.

Sus parámetros principales son:

Filtro con condensador

 Este tipo de filtros tan solo precisa de la colocación de un condensador de gran capacidad entre el diodo (o diodos) encargado de rectificar la Corriente Alterna y la salida de la misma hacia la carga (o circuito) a alimentar (R_c). En la ilustración correspondiente nos podemos hacer cargo de cómo se conecta este condensador.

Debido a las constantes de tiempo asociadas a las resistencias a través de las que se realizan las secuencias sucesivas de carga y descarga del condensador se obtiene una salida de forma bastante más “plana” que la señal que obtenemos en la salida de una etapa rectificadora.

Valores recomendables para el condensador en un RECTIFICADOR EN PUENTE:

Si quieres ajustar el valor del condensador al menor posible esta fórmula te dará el valor del condensador para que el rizado sea de un 10% de Vo (regla del 10%):

C = (5 * I) / (ƒ * Vmax) donde:

C: Capacidad del condensador del filtro en faradios

I: Corriente que suministrará la fuente

ƒ: frecuencia de la red

Vmax: tensión de pico de salida del puente (aproximadamente Vo)

Si se quiere conseguir un rizado del 7% puedes multiplicar el resultado anterior por 1,4, y si quieres un rizado menor resulta mas recomendable que uses otro tipo de filtro o pongas un estabilizador.

Filtro RC

La figura muestra dos filtros RC entre el condensador de entrada y la resistencia de carga. El rizado aparece en las resistencias en serie en lugar de hacerlo en la carga. Unos buenos valores para las resistencias y los condensadores serían: R = 6,8 O C = 1000 µF Con estos valores cada sección atenúa el rizado en un factor de 10, puedes poner una, dos, tres secciones. No creo que necesites mas. La desventaja principal del filtro RC es la pérdida de tensión en cada resistencia. Esto quiere decir que el filtro RC es adecuado solamente para cargas pequeñas. Es muy util cuando tienes un circuito digital controlando relés, en ocasiones estos relés crean ruidos en la alimentación provocando el mal funcionamiento del circuito digital, con una sección de este filtro para la alimentación digital queda solucionado el problema. La caída de tensión en cada resistencia viene dada por la ley de Ohm: V = I * R donde I es la corriente de salida de la fuente y R la resistencia en serie con la carga.

Filtro LC

Cuando la corriente por la carga es grande, los filtros LC de la figura presentan una mejora con respecto a los filtros RC. De nuevo, la idea es hacer que el rizado aparezca en los componentes en serie, las bobinas en este caso. Además, la caída de tensión 15 continua en las bobinas es es mucho menos porque solo intervienen la resistencia de los arrollamientos. Los condensadores pueden ser de 1000 µF y las bobinas cuanto mas grandes mejor. Normalmente estas últimas suelen ocupar casi tanto como el transformador y, de hecho, parecen transformadores, menos mal que con una sola sección ya podemos reducir el rizado hasta niveles bajísimos. }

Las fuentes de alimentación No Reguladas

El diseño que acabamos de ver, es una fuente de alimentación no regulada, ya que si por alguna razón cae el valor del voltaje continuo de la alimentación del coche, esa caída de voltaje se transmite proporcionalmente hacia el interior del amplificador. De esta manera, si por ejemplo la alimentación del coche cae de 14 V a 13,5 V en un instante determinado, el voltaje en los railes finales también cae de manera proporcional (recordemos que el voltaje en los railes es de un valor adecuado a la potencia máxima que pueda dar el amplificador).

Por lo tanto, si nos encontramos con que el voltaje en railes no es siempre constante, sino que puede variar, la musica amplificada asi mismo también variará su amplitud final de manera proporcional.

En resumen, el amplificador con fuente de alimentación no regulada, es sensible a las caidas de voltaje de alimentación del vehículo, de la siguiente manera:

• Si se trata de una caída continuada (digamos que pasa de 14 a 12 V, cuando el coche esta parado), el problema será que el amplificador tendrá un voltaje constante inferior en sus raíles, y por lo tanto la potencia que dará será algo menor a la que daría con 14 V. Esto no es perjudicial en términos de calidad de sonido.
• Si las caídas de voltaje son microcaídas momentáneas (debidas a picos de intensidad, resistencia en la linea de alimentación, la lentitud de respuesta del alternador del vehículo, etc… cuando el amplificador pide picos de corriente), estas microcaídas también se transmiten como microcaídas en los raíles. En este caso, sí que se percibe como perjudicial para la calidad de sonido, ya que provoca que la amplitud del sonido amplificado se “module” de acuerdo a estas microcaídas, añadiendo una cierta distorsión específica al sonido resultante, especialmente durante los transitorios musicales.

Las fuentes de alimentación Reguladas

Para solventar estas posibles caídas de voltaje entre raíles, se ideó una arquitectura que permite mantener el voltaje siempre constante entre los raíles, a costa de pedir corriente extra al sistema eléctrico del coche, en los momentos en los que el voltaje caiga por debajo del valor nominal.

Para conseguirlo, se añade una sección al diseño anterior, que monitoriza el voltaje entre railes, y si este cae por debajo del valor nominal, este controlador modificará la anchura de la señal de conmutación. Aumentando esta anchura del voltaje de conmutación,  el amplificador está “solicitando” más corriente al sistema eléctrico del coche. De esta manera, el amplificador consigue mantener el voltaje en los railes siempre constante, a costa de pedir más corriente al vehículo cuando considera necesario.

Para este tipo de diseños, se sobredimensiona la transformación en el toroidal respecto a un diseño no regulado. O sea, el toroidal hace una transformacion del voltaje de entrada , a una amplitud “superior” a la que necesitarían los railes. Y así mismo, se diseña el controlador de conmutacion, de manera que en estado normal su pulso sea mas estrecho de lo que es en un amplificador no regulado, y de esta manera, el voltaje conseguido al otro extremo del toroidal sea efectivamente el voltaje que necesitan los railes (inferior al que sería capaz de dar el toroidal si la anchura de conmutacion fuese la normal).

En caso de que haya una caida de voltaje en los railes, el controlador de pulso amplia la anchura del pulso, de manera que fuerza a subir el voltaje al otro lado del transformador, para conseguir que se mantenga el voltaje nominal.

Reguladores de la serie 78XX:

Este es el aspecto de un regulador de la serie 78XX. Su característica principal es que la tensión entre los terminales Vout y GND es de XX voltios y una corriente máxima de 1A. Por ejemplo: el 7805 es de 5V, el 7812 es de 12V… y todos con una corriente máxima de 1 Amperio. Se suelen usar como reguladores fijos.

Existen reguladores de esta serie para las siguientes tensiones: 5, 6, 8, 9, 10, 12, 15, 18 y 24 voltios. Se ponen siguiendo las indicaciones de la página anterior y ya esta, obtenemos una Vout de XX Voltios y sin rizado.

Es posible que tengas que montar el regulador sobre un radiador para que disipe bien el calor, pero de eso ya nos ocuparemos mas adelante.

Reguladores de la serie 79XX:

El aspecto es como el anterior, sin embargo este se suele usar en combinación con el 78XX para suministrar tensiones simétricas. la tensión entre Vout y GND es de – XX voltios, por eso se dice que este es un regulador de tensión negativa. La forma de llamarlos es la misma: el 7905 es de 5V, el 7912 es de 12… pero para tensiones negativas.

Una fuente simétrica es aquella que suministra una tensión de + XX voltios y otra de – XX voltios respecto a masa. Para ello hay que usar un transformador con doble secundario, mas conocido como “transformador de toma media” o “transformador con doble devanado”. En el siguiente ejemplo se ha empleado un transformador de 12v + 12v para obtener una salida simétrica de ± 12v:

El valor de C puedes ajustarlo mediante la regla del 10%.

Regulador ajustable LM317:

Este regulador de tensión proporciona una tensión de salida variable sin mas que añadir una resistencia y un potenciómetro. Se puede usar el mismo esquema para un regulador de la serie 78XX pero el LM317 tiene mejores características eléctricas. El aspecto es el mismo que los anteriores, pero este soporta 1,5A. el esquema a seguir es el siguiente:

En este regulador, como es ajustable, al terminal GND se le llama ADJ, es lo mismo.

La tensión entre los terminales Vout y ADJ es de 1,25 voltios, por lo tanto podemos calcular inmediatamente la corriente I1 que pasa por R1:

I1 = 1,25 / R1

Por otra parte podemos calcular I2 como:

I2 = (Vout – 1,25) / R2

Como la corriente que entra por el terminal ADJ la consideramos despreciable toda la corriente I1 pasará por el potenciómetro R2. es decir:

I1 = I2

1,25 / R1 = (Vout – 1,25) / R2

que despejando Vout queda:

Vout = 1,25 * (1 + R2/R1)

Si consultas la hoja de características del LM317 verás que la fórmula obtenida no es exactamente esta. Ello es debido a que tiene en cuenta la corriente del terminal ADJ. El error cometido con esta aproximación no es muy grande pero si quieres puedes usar la fórmula exacta.

Observando la fórmula obtenida se pueden sacar algunas conclusiones: cuando ajustes el potenciómetro al valor mínimo (R2 = 0O) la tensión de salida será de 1,25 V. Cuando vayas aunmentando el valor del potenciómetro la tensión en la salida irá aumentando hasta que llegue al valor máximo del potenciómetro.

Por lo tanto ya sabemos que podemos ajustar la salida desde 1,25 en adelante. En realidad el fabricante nos avisa que no pasemos de 30V.

Cálculo de R1 y R2:

Los valores de R1 y R2 dependerán de la tensión de salida máxima que queramos obtener. Como solo disponemos de una ecuación para calcular las 2 resistencias tendremos que dar un valor a una de ellas y calcularemos la otra.

Lo mas recomendable es dar un valor de 240O a R1 y despejar de la última ecuación el valor de R2 (el potenciómetro). La ecuación queda de la siguiente manera:

R2 = (Vout – 1,25) * (R1/1,25)

Por ejemplo:

Queremos diseñar una fuente de alimentación variable de 1,25 a 12v. Ponemos que R1 = 240O. Solo tenemos que aplicar la última fórmula con Vout = 12 y obtenemos R2:

R2 = (12 – 1,25) * (240 / 1,25) = 2064 O

El valor mas próximo es el de 2 KO, ya tendríamos diseñada la fuente de alimentación con un potenciómetro R2 de 2 KO y una resistencia R1 de 240 O.

En teoría podemos dar cualquier valor a R1 pero son preferibles valores entre 100O y 330O.

Es un dispositivo semiconductor que cuenta con dos terminales, un ánodo (+) y un cátodo (-) y solo permiten el flujo de la electricidad en un solo sentido. Debido a esto, el diodo presenta las mismas características que un interruptor. Su funcionamiento se le debe al popular inventor estadounidense Lee De Forest, de quien John Fleming tomó algunos principios para la creación. Los primeros diodos que aparecieron eran válvulas o tubos vacíos llamados válvulas termoiónicas y que se encontraban construidos por medio de dos electrodos rodeados de vació en un tubo de cristal, muy similares a las lámparas incandescentes.

El diodo ideal es un componente que presenta resistencia nula al paso de la corriente en un sentido determinado, y resistencia infinita en el sentido opuesto. En el siguiente ejemplo podemos notar que al tener el diodo polarizado directamente éste actúa como un interruptor cerrado, de modo contrario, al tener el diodo polarizado de manera inversa éste actúa como un interruptor abierto, lo que ocasiona que no se complete el circuito.

Composición de un diodo

Para poder hablar de la composición de un diodo, primero debemos de conocer la diferencia entre un material tipo “P” y “N”.

Un Semiconductor tipo P se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado, añadiendo átomos al semiconductor para aumentar el número de portadores de cargas (en este caso cargas positivas o huecos).

Un Semiconductor tipo N se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado, añadiendo átomos al semiconductor para aumentar el número de portadores de cargas (en este caso cargas negativas o electrones).

El diodo semiconductor está constituido fundamentalmente por una unión P-N, añadiéndole un terminal de conexión a cada uno de los contactos metálicos de sus extremos y una cápsula que aloja todo el conjunto, dejando al exterior las terminales que corresponden al ánodo (zona P) y al cátodo (Zona N).

Polarización de un diodo

Existen dos tipos de polarización para un diodo, Directa e Inversa.

Polarización Directa de un Diodo:

El ánodo se conecta al terminal positivo de la batería y el cátodo al terminal negativo. Una de las características de la polarización directa es que el diodo conduce con una caída de tensión de 0.6 a 0.7 V. El voltaje aplicado supera el potencial de contacto y reduce la región de agotamiento. El ánodo, en efecto, se convierte en fuente de huecos y el cátodo se convierte una fuente de electrones, de modo que los huecos y los electrones se generan continuamente en la unión. La corriente aumenta exponencialmente conforme el voltaje aplicado tiende al valor del potencial de contacto (0.6 a 0.7 V para el silicio). Este efecto se describe cuantitativamente con la ecuación del diodo:

I_D = I_o[e^( qV_DkT) – 1]

donde I_D es la corriente a través de la unión, I₀ es la corriente de saturación inversa, q es la carga de un electrón (1.60 x 10^-19 C), k es la constante de Boltzman (1.381 x10^-23 J/K), V_D es el voltaje de polarización directa a través de la unión y T es la temperatura absoluta de la unión en grados Kelvin.

Polarización Inversa de un Diodo:

El ánodo se conecta al terminal negativo de la batería y el cátodo al terminal positivo. Una de las características de la polarización inversa es que, el valor de la resistencia interna del diodo es muy elevado y en consecuencia actúa como un interruptor abierto. El ánodo se conecta al silicio tipo n y el cátodo al silicio tipo p, la región de agotamiento aumenta, lo que inhibe la difusión de electrones y por tanto la corriente. Aunque fluye una corriente de saturación inversa (I₀), ésta es extremadamente pequeña (del orden de 10^-9 a 10^-15A).

Características técnicas

Como todos los componentes electrónicos, los diodos poseen propiedades que les diferencia de los demás semiconductores. Es necesario conocer estas las hojas de datos  y las necesidades de diseño así lo requieren. En estos apuntes se presentarán las características más importantes desde el punto de vista práctico.

VALORES NOMINALES DE TENSIÓN:

• VF = Tensión directa en los extremos del diodo en conducción.
• VR = Tensión inversa en los extremos del diodo en polarización inversa.
• VRSM = Tensión inversa de pico no repetitiva.
• VRRM = Tensión inversa de pico repetitiva.
• VRWM = Tensión inversa de cresta de funcionamiento.

VALORES NOMINALES DE CORRIENTE:

• IF = Corriente directa.
• IR = Corriente inversa.
• IFAV = Valor medio de la forma de onda de la corriente durante un periodo.
• IFRMS = Corriente eficaz en estado de conducción. Es la máxima corriente eficaz que el diodo es capaz de soportar.
• IFSM = Corriente directa de pico (inicial) no repetitiva.
• AV= Average(promedio) RMS= Root Mean Square (raíz de la media cuadrática)

VALORES NOMINALES DE TEMPERATURA

• Tstg = Indica los valores máximos y mínimos de la temperatura de almacenamiento.
• Tj = Valor máximo de la temperatura que soporta la unión de los semiconductores.

Curva característica del diodo

La curva característica corriente-voltaje para el diodo ideal se muestra en la Imagen en color rojo. Este modelo implica que el diodo está completamente activado para cualquier voltaje mayor o igual a 0. Además, se supone que la corriente de saturación inversa es 0 cuando tiene polarización inversa. Una buena aproximación inicial para el diodo real se da por la línea de color  azul, ya que replican la caída de voltaje real de 0.6 a 0.7 V, medida a través del diodo de silicio cuando tiene polarización directa.

““Un diodo ideal tiene resistencia cero cuando está polarizado directamente y resistencia infinita cuando está polarizado de manera inversa””

Un diodo real requiere aproximadamente 0.7V de polarización directa para permitir un flujo significativo de corriente. Cuando un diodo real se polariza inversamente, puede aguantar un voltaje inverso hasta un límite conocido como voltaje de ruptura, donde el diodo fallará conforme la corriente inversa aumenta precipitadamente. 

TIPOS DE DIODO

Existen varios tipos de diodos, que pueden diferir en su aspecto físico, impurezas, uso de electrodos y algunos con características eléctricas específicas para alguna aplicación especial.

 DIODO DETECTOR

Los diodos detectores también conocidos como diodo de baja señal o de contacto puntual, están diseñado especialmente para operar en dispositivos de muy altas frecuencias y baja corriente. La capacidad de carga normalmente se encuentra con una corriente máxima de 150mA y una potencia de 500mW (Verificar hoja de datos dependiendo del dispositivo).

Podemos encontrar diodo detectores de silicio o de germanio, recordando que en el silicio su umbral es entre 0.6 a 0.7 voltios y en el germanio de 0.2 a 0.3 voltios. Dependiendo del dopado del diodo se tendrá una variación en la resistencia y también es más común tener una mayor caída de tensión en el de diodo de silicio.

 DIODO RECTIFICADOR

Los diodos rectificadores son aquellos dispositivos semiconductores que solo conducen en polarización directa y en polarización inversa no conducen. Esto permite la transformación de los voltajes de corriente alterna (CA) a corriente directa (CD) y con esto tenemos la rectificación de una señal. Existen diferentes diodos rectificadores en los cuales se puede verificar en la hoja de datos valores importantes como la corriente y el voltaje inverso que soporta.

 DIODO ZENER

Los diodos Zener se caracterizan por permitir el flujo de la corriente inversamente y por su capacidad de mantener un voltaje constante en sus terminales al polarizar inversamente, normalmente son utilizados como dispositivos de control. Los diodos Zener se pueden polarizar directamente y comportarse como un diodo norma en donde su voltaje permanece cerca de 0.6 a 0.7 V.  

El diodo Zener se puede representar de dos formas.

 DIODO EMISOR DE LUZ (LED)

EL diodo LED convierte la energía eléctrica en energía lumínica. Su proceso de fabricación consiste en un proceso de electroluminiscencia en el que los huecos y los electrones se recombinan para producir energía en forma de luz cuando el diodo LED es polarizado directamente.

El diodo LED se puede representar de dos formas.

 DIODO DE CORRIENTE CONSTANTE

El diodo de corriente constante o también conocido como diodo de regulación de corriente o diodo limitador de corriente consiste, realmente es un JFET. Este tipo de diodos permite una corriente a través de ellos para alcanzar un valor adecuado y así estabilizarse en un valor específico.

 DIODO SCHOTTKY

Los diodos Schottky también conocidos como diodos de recuperación rápida o de portadores calientes, tienen una composición de silicio y se caracterizan por una caída de voltaje muy pequeña (aproximadamente 0.25V o menos) y por tener una respuesta muy rápida. En pocas palabras el tiempo de conmutación es muy corto.

 DIODO SCHOCKLEY

El diodo Shcockley también conocido como diodo PNPN, se caracteriza por tener dos estados estables:

• Bloqueo o alta impedancia
• Conducción o baja impedancia

 DIODO DE RECUPERACIÓN DEL PASO (SRD)

El diodo de recuperación del paso o también conocido como diodo de almacenaje de carga, tiene la característica de almacenar la carga del pulso positivo y utilizan el pulso negativo de las señales sinusoidales.

 DIODO DE TÚNEL

Los diodos túnel también conocidos como diodo Esaki, son utilizados como interruptor de alta velocidad (de orden nano segundos), esto se debe por poseer una zona de agotamiento extremadamente delgada y tener en su curva una región de resistencia negativa donde la corriente disminuye a medida que aumenta el voltaje.

El diodo túnel se puede representar de dos formas.

 DIODO VARACTOR

El diodo varactor también conocido como diodo varicap o diodo de sintonía, actúa como un condensador variable controlados por voltaje y su forma de operar es inversamente. Estos diodos tienen su fama debido a su capacidad de cambiar los rangos de capacitancia dentro del circuito en presencia de un voltaje constante.

 DIODO LÁSER

El diodo láser son LEDs que emiten una luz monocromática, generalmente roja o infrarroja, la cual tiene las características de estar fuertemente concentrada, enfocada, coherente y potente.

 DIODO DE SUPRESIÓN DE TENSIÓN TRANSITORIA (TVS)

Un diodo de supresión de tensión transitoria o TVS, es un dispositivo eléctrico diseñado para derivar o desviar los picos de tensión lejos de un circuito para protegerlo, también son útiles para proteger los circuitos de las descargas electrostáticas (ESD).

 DIODO DOPADOS DE ORO

Como el nombre lo dice estos diodos son dopados con oro, teniendo la ventaja que al dopar con el elemento químico oro y al ser un gran conductor el oro, permiten que los diodos dopados de oro tengan una respuesta mucho más rápida.

 DIODO PELTIER

Consiste la unión de dos materiales de un semiconductor, genera un calor que fluye de una terminal a otra, teniendo en cuenta que el flujo del calor se realizar en una sola dirección que es igual a la dirección del flujo de corriente. Este calor se produce debido a la carga eléctrica producida por la recombinación de portadores de carga minoritaria.

 DIODO DE CRISTAL

El diodo de cristal o también conocido como bigotes de gato es un diodo de contacto, consiste de un cable de metal afilad presionado contra un cristal semiconductor. El cristal semiconductor actúa como cátodo y el alambre metálico actúa como ando (Están obsoletos).

 DIODO DE AVALANCHA

Los diodos de avalancha conducen en dirección contraria cuando el voltaje en inverso supera el voltaje de ruptura. Eléctricamente son similares a los diodos Zener, pero funcionan bajo otro fenómeno, el efecto avalancha.

 RECTIFICADOR CONTROLADO DE SILICIO

Consta de tres terminales: ánodo, cátodo y una puerta. Es similar al diodo Shockley, es utilizado para fines de control cuando se aplican pequeños voltajes en el circuito.

 DIODO DE VACÍO

El diodo de vacío fue el primer avance hacia las válvulas eléctricas, se trata de un tubo de vidrio al vacío, conteniendo dos electrodos.

NOTA: Se trata de una forma primitiva de componente electrónico semiconductor, ya que la corriente generada a través del vacío es de un solo sentido (Pueden pasar electrones desde el cátodo que sería el filamento caliente hacia el ánodo, pero nunca al revés)

 DIODO PIN

Su nombre deriva de su formación P – Material P, I – Zona intrínseca y N – Material N. Los diodos PIN se emplean normalmente como resistencias variables por voltaje.

 DIODO GUNN

Cuando aumenta la tensión en el circuito también aumenta la corriente, después de cierto nivel de voltaje la corriente disminuirá exponencialmente.

 FOTODIODO

Cuando un haz de luz de suficiente energía incide en el diodo, excita un electrón dándole movimiento y crea un hueco con carga positiva. En otras palabras, el fotodiodo es un dispositivo sensible a la luz visible e incluso a la infrarroja, por lo tanto es un diodo con sensibilidad a la luz.

 DIODO OLED

Es un diodo que se basa en una capa electroluminiscente formada por una película de componentes orgánicos que reaccionan a una determinada estimulación eléctrica, generando y emitiendo luz por sí mismos.

Un condensador también conocido como capacitor, es uno de los componentes electrónicos pasivos como las resistencias. El condensador se utiliza generalmente para almacenar carga eléctrica. La carga del condensador se almacena en forma de «campo eléctrico». Condensadores desempeñan un papel importante en muchos circuitos eléctricos y electrónicos.

Generalmente, un condensador tiene dos placas de metal paralelas que no están conectadas entre sí. Las dos placas del condensador están separadas por un aislamiento no conductor, este medio se conoce comúnmente como dieléctrico.

El capacitor consta de dos fases principales:

• Carga: se produce cuando se le añade energía eléctrica hasta que está completamente cargado.
• Descarga: sucede al liberar la energía que tenía almacenada.

Hasta cierto punto podemos entenderlo como una batería, pero su función es diferente. Una batería utiliza productos químicos para almacenar energía eléctrica y liberarla muy lentamente a través de un circuito. Un condensador, por el contrario, libera su energía mucho más rápido, a menudo en segundos o menos.

La capacidad de un condensador es medida en unidades llamadas faradios (F), conocida así por el científico inglés Michael Faraday. Un faradio es una cantidad enorme, por lo que, en la práctica, la mayoría de los condensadores son de fracciones de un faradio. Los valores más típicos son:

• Microfaradios (10^-6 F, µF)
• Nanofaradios (10^-9 F, nF)
• Picofaradios (10^-12 F, pF)

¿Cuáles son los tipos de capacitores?

Fijos.

Son aquellos que poseen un solo material en su fabricación, esto depende de la persona que los realiza o bien que los patenta, se trata de conductores o bien de condensadores, que no están creados con materiales de aleación, por lo cual, su capacidad de transmisión ya viene pre estipulada por así decirlo.

Cerámica

Este es el material dieléctrico más utilizado, después del dióxido de titanio, en este  las pérdidas de energía son casi nulas, ya que mantiene un buen equilibro en el pase de la energía, no obstante estudios de campo han determinado, que otorga inestabilidad al capacitor.

Esto se corresponde al hecho de que la cerámica es un material que posee constantes dieléctricas, lo cual permite una gran diversidad de diseño, sea mecánico o eléctrico, razón por la cual, los capacitores de este tipo, pueden ser de diferentes tamaños y venir en diversas presentaciones.

Dependiendo del tipo de cerámica, el capacitor se divide en dos grupos:

• Grupo I: El cual goza de un nivel elevado de permitividad, es decir, puede alcanzar valores altos en el nivel de capacitancia (la cual se entiende, como la capacidad de almacenamiento de la carga eléctrica, en el interior del capacitor), aún y cuando estos sean de tamaños pequeños.
• El grupo II: Por contraposición, estos no gozan de alta capacidad ni de una óptima permitividad, razón por la cual, estos deben de ser de un tamaño mayor en su estructura, para permitir el paso de cuanto corriente eléctrica sea necesaria para el dispositivo, es por ello, que se consideran unos de los capacitores más grandes del mercado.

Al utilizar cualquiera de estos tipos, se debe de tener en consideración, que las  variaciones bruscas en el voltaje, las altas temperaturas y el tiempo de uso y abuso, son  factores que pueden ir destruyendo o bien ocasionando perjuicio en el mismo,  capaces de dañarlo y tener un riesgo de explosión.

De mica

Su estructura exterior, se haya conformada por láminas de plástico moldeado (es decir, que no necesariamente ha de tratare de plástico puro, sino que bien, puede consistir en aleaciones); su material dieléctrico está formado por hojas de mica y aluminio, los cuales revisten las láminas, siendo estas capaces de equilibrarse y nivelarse ante el paso de la energía eléctrica, para evitar así riesgos y accidentes.

Por ello, es que uno de los más demandados, ya que se trata de condensadores muy equilibrados en el traspaso de energía, adicional a ello, estos cuentan con una resistencia optima que aguanta y tolera su uso y abuso en el paso del tiempo.

Electrolíticos

Son uno de los más cotizados en el mercado, prefiriéndose por encima de otros tipos de condensadores, gracias a su bajo precio, esto se corresponde, a su estructura exterior, formada por electrolitos, que son capaz de proveer un campo de seguridad eficaz, ante el paso de la corriente eléctrica. Además cuentan con una capa de óxido de aluminio, que aunque es de un grosor muy fino, actúan como excelente aislante.

Estos, están presentes en casi todos los montajes de circuitos, que se pueden hallar en diversos aparatos eléctricos, gracias a su alto nivel de capacitancia. Cabe advertir,  que al momento de trabajar con ellos, se debe de ser muy cuidadoso, pues al ser polarizados, si se conectan con la polaridad invertida, el circuito tiende a estallar.

En todo caso, como medida de protección, suelen ser cubiertos por un tubo de aluminio cerrado y para evitar otro tipo de accidentes, poseen una válvula de seguridad.

Tantalio.

Tratándose los conductores o bien los condensadores de elementos, siempre presentes en los circuitos de electricidad, es concebible que estos vayan evolucionando a medida que se demanda, condensadores de pequeños tamaños pero de alta resistencia y capacitancia.

Es por ello, que el uso de tantalio, se justifica porque este permite la creación de una pequeña lámina, pero con un alto poder de aguante ante las corrientes eléctricas de paso, convirtiéndose así en uno de los materiales más empleados en los circuitos modernos.

Capacitores variables giratorios

Son utilizados con frecuencia, en las radios que poseen manilla o eje de sintonía, su capacitancia puede ser modificada de forma electrónica o mecánica, con posterioridad a su fabricación, lo que se debe a su constitución por materiales no puros, es decir, que se trata de aleaciones.

En lo que respecta a su interior, para reducir la separación que existe entre las placas y producir un aumento constante en la dieléctrica, es utilizado el plástico, el  cual, permite manejar de forma óptima la capacitancia, haciendo que funcione de manera correcta y sin riesgos de explosiones o cualquier otro tipo de accidentes.

Autorregenerables

Son ampliamente utilizados en ambientes industriales, tratándose de una iniciativa conservadora y protectora del ambiente, en sí, este se halla revestido con papel, el cual hace que se proteja de forma un poco inexacta, muchos consideran que no deben ser sobre-utilizados, ya que existe el riesgo de sobrecarga o peor aún de explosión.

De Plástico

Funcionan perfectamente, ante los elevados niveles de temperaturas y en resistencias altas de aislamientos, sin presentársele ningún tipo de riesgo o resquebrajamiento, ello siempre dependerá de los materiales adicionales que se empleen para su fabricación.

Generalmente, se utilizan en maquinaria que requiere de un alto voltaje para el encendido y largas horas de funcionamiento, permitiendo un buen paso de corriente y demostrando niveles óptimos de capacitancia.

Código de los Condensadores

 Los condensadores tienen un código de colores, similar al de las resistencias, para calcular el valor de su capacidad, pero OJO en picofaradios (10^-12 Faradios).

 El primer color, nos dice el valor de la primera cifra de la capacidad, el segundo el de la segunda y el tercero el del factor de multiplicación, que es 10 elevado al número del código del color. 

 El cuarto color nos indica la tolerancia, el porcentaje que puede variar del valor teórico (el sacado de los 3 primeros colores) de su capacidad. Por ejemplo 10%, 20%, etc.

 Si un condensador tiene un valor de 1000pF y una tolerancia del 10%, quiere decir que el valor real puede oscilar entre un 10% mas o un 10% menos. Podría valer entre 900 y 1100 pF, aunque normalmente se ajustan bastante al valor teórico, en este caso 1000pF.

 El quinto color nos indica la tensión de trabajo del condensador, es decir tensión a la que se carga.

 El valor de los colores vienen en un tabla, iguales a los de las resistencias, que puedes ver aquí

 Sabiendo el valor de los colores, veamos un ejemplo:

 ¿Que valor tendría un condensador con los siguientes colores verde-azul-naranja?

 Verde = 5; azul = 6, Naranja = 3; por lo tanto tendrá una capacidad = 56 x 10³ picofaradios = 56000 pF = 56 nF.

 Si te ha quedado alguna duda fíjate en este otro ejemplo:

 Hay otro código que se usa en los condensadores es el llamado código japonés o código 101. Este código lleva 3 números.

 Imagina que ves un condensador como el de la figura, un condensador llamado condensador 104:

 Este condensador lleva el código Japonés. Los 2 primeros dígitos  hay que multiplicarlos por 10 elevado al tercer dígito (llamado multiplicador) para calcular su capacidad, en picofaradios (10^-12 Faradios). En este ejemplo sería 10 x 10⁴ picofaradios = 0.1 microfaradios.

 Este condensador se llamaría condensador cerámico 104.

 También se usa el código de letras, en lugar de banda de colores se imprimen en el propio condensador unas letras y números. Por ejemplo la letra K indica cerámico, pero el resto de letras nos indica la tolerancia. Al final o al principio  aparece un número que es el valor de la capacidad o de la tensión. 

 Por poner un ejemplo, pero hay muchos diferentes, si vemos un condensador marcado con las letras 47J, la J indica tolerancia del 5% y el número 47 quiere decir 47 pF.

 Otro ejemplo 4p7M; el 4p7 indica 4,7pF y la letras M tolerancia 20%.

 Hay tantas formas diferentes que no merece la pena aprenderse este código de letras.

Condensadores en Serie

Capacitores o condensadores conectados uno después del otro, están conectados en serie. Estos capacitores se pueden reemplazar por un único capacitor que tendrá un valor que será el equivalente de los que están conectados en serie. Para obtener el valor de este único capacitor equivalente se utiliza la fórmula: 1/CT=1/C1+1/C2+1/C3

Pero fácilmente se puede hacer un cálculo para cualquier número de capacitores que se conecten en serie con ayuda de la siguiente fórmula:
1/CT = 1/C1 + 1/C2 +….+ 1/CN

Donde N es el número de Capacitores que están conectados en serie. En el gráfico hay 4 capacitores en serie. Esta operación se hace de manera similar al proceso de sacar el resistor equivalente de un grupo de resistores en paralelo. Si solo tenemos dos capacitores en serie (o vamos tomándolos de a dos con capacitores equivalentes), podemos calcular la capacitancia total de una manera más simple, haciendo el cociente entre la multiplicación y la suma de ambas capacitancias.

CT = (C1 X C2) / (C1 + C2)
Tensión de capacitores en serie.-La suma de las caídas de tensión de cada capacitor da como resultado la tensión total aplicada entre los bornes A y B.VT = V1 + V2 + V3
Carga de capacitores en serie.-La carga de cada uno de los capacitores de una rama en serie es igual a la de los demás y es igual a la carga equivalente acumulada en toda la rama (entre A y B).QT = q1 = q2 = q3
A su vez, cada carga puede ser calculada como q = C·V de cada capacitor, con lo que:-q1 = C1 x V1-q2 = C2 x V2-q3 = C3 x V3 
Y la carga total (qt), que es igual a la carga sobre cualquier capacitor, se puede calcular sobre el capacitor equivalente como:Qt = CE x VAB

Condensadores en Paralelo

 En este caso la tensión de carga de cada condensador es igual a la de la batería por estar en paralelo:

 Vab = V1 = V2 = V3 …….

 La carga total almacenada en el circuito con todos los condensadores sería la suma de las cargas de todos los condensadores:

 Ct = C1 + C2 + C3 …….

El acoplamiento en paralelo se realiza conectando a todos los capacitores a los mismos bornes.

Capacidad total en paraleloLa capacidad total (o equivalente) en paralelo se calcula sumando las capacidades de cada uno de los capacitores.CT = C1 + C2 + C3
Tensión de capacitores en paraleloAl estar todos los capacitores unidos por un mismo conductor, se encuentran todos a la misma diferencia de potencial (la tensión aplicada) y por lo tanto la tensión de cada uno es igual a la de los otros e igual a la total.VT = Vc1 = Vc2 = Vc3Carga de capacitores en paraleloLa carga total es igual a suma de las cargas almacenadas en cada capacitorQT = q1 + q2 + q3
Y cada carga puede calcularse como q = C·V de cada capacitor, pero en este caso V es la misma para todos, con lo que:-q1 = C1 x V1-q2 = C2 x V2-q3 = C3 x V3 
De esta manera, al ser V la misma, puede verse que las cargas que almacena cada capacitor para una determinada tensión aplicada no son iguales si las capacidades son distintas.
CONEXIÓN DE CAPACITOR EN MIXTOUn circuito mixto es una mezcla de componentes, en este caso condensadores, que sea como dan de tal forma que llegan a formar una combinación de condensadores agrupados de tal forma que la circulación de la corriente no se hace en un solo sentido a lo largo de toda su trayectoria. en ejemplo de ello se puede apreciar en la figura 1 que muestra una combinación mixta de capacitores tanto en paralelo como en serie.

 Ct = C1 + C2 + C3 …….