La descarga está en progreso. Por favor, espere

La descarga está en progreso. Por favor, espere

Unidad 01: Análisis de Circuitos con Diodos Semiconductores ESCUELA PROFESIONAL DE FÍSICA APLICADA FACULTAD DE CIENCIAS

Presentaciones similares


Presentación del tema: "Unidad 01: Análisis de Circuitos con Diodos Semiconductores ESCUELA PROFESIONAL DE FÍSICA APLICADA FACULTAD DE CIENCIAS"— Transcripción de la presentación:

1

2 Unidad 01: Análisis de Circuitos con Diodos Semiconductores ESCUELA PROFESIONAL DE FÍSICA APLICADA FACULTAD DE CIENCIAS Prof: M.Sc. Alberto E. Cohaila Barrios Tema: TEORÍA DE SEMICONDUCTORES CURSO: CIRCUITOS ELECTRÓNICOS AÑO ACADÉMICO: II

3 ELECTRONICA ELECTRONICA ANALÓGICA DIGITAL tiempo Señal tiempo Señal Solo 2 valores Cualquier valor

4 ELECTRÓNICA ANALÓGICA SEMICONDUCTORES COMPONENTES ELECTRONICOS BLOQUES FUNCIONALES

5 SEMICONDUCTORES Unión P-N El átomo Bandas de energía El semiconductor La circulación de corriente

6 El átomo N p = nº protones núcleo N e = nº electrones periferia Última = órbita de valencia Enlaces = f(órbita de valencia) Los electrones están distribuidos en órbitas de distinta energía Para pasar de una a otra un electrón ha de absorber o liberar la siguiente energía: E = hv h= constante de Plank v = frecuencia de radiación N e > N p N e = N p N e < N p positivo neutro negativo Carga del átomo Distribución de electrones

7 Cada órbita de electrones constituye una banda energética en la que pueden estar los electrones. Entre las distintas órbitas hay bandas energéticas en las que no pueden estar los electrones. Cada órbita de electrones constituye una banda energética en la que pueden estar los electrones. Entre las distintas órbitas hay bandas energéticas en las que no pueden estar los electrones. B. conducción B. prohibida B. valencia Intervalo energético donde están los electrones de la última órbita Energía que ha de adquirir un electrón de la banda de valencia para poder moverse libremente por el material Intervalo energético donde están aquellos electrones que pueden moverse libremente B. conducción B. prohibida B. valencia B. conducción B. valencia B. conducción B. prohibida B. valencia

8 El semiconductor I B. prohibida << 4 de valencia Enlaces covalentes Conductor o aislante CARACTERÍSTICAS Ge Si AsGaOtros HistóricoPrincipal Algunas aplicaciones específicas Poco usados

9 El semiconductor II Átomo de Si Electrón de valencia Enlace covalente

10 El semiconductor III + energía Térmica Luminosa Eléctrica Etc. Número electrones = Numero de huecos Electrón libre Hueco Par electrón-hueco RUPTURA Energía

11 El semiconductor IV Arsénico Antimonio Fósforo Etc. Átomo con 5 electrones de valencia Aluminio Boro Galio Etc. Átomo con 3 electrones de valencia Tipo N Tipo P Nº de portadores = Nº de impurezas

12 La circulación tiene lugar en la banda de conducción = Los conductores La circulación tiene lugar en la banda de conducción = Los conductores V+ V-V-

13 La circulación tiene lugar en la banda de valencia V+ V-V-

14 V-

15 P N PN mayoritarios minoritarios

16 MUCHOS P N P N P N P N

17 Al juntarse un y un desaparecen ambos, apareciendo la zona despoblada P N P N Zona despo- blada

18 Fuerza de la barrera de potencial Fuerza de difusión P N La barrera de potencial se opone al paso de y Impureza con 3 electrones Impureza con 5 electrones EQUILIBRIO

19 Los minoritarios NO circulan P N V Para que circulen los portadores mayoritarios ha de ser V > la tensión de la Barrera de Potencial

20 Los mayoritarios NO circulan, SE REAGRUPAN. Solo hay corriente de minoritarios D = f(V) P N V D

21 P N V d C = * S d C es la capacidad es la constante dieléctrica S es la superficie d es la distancia El ancho de la zona despoblada se modifica con el valor de V

22 P V N I I V I = I 0 *(exp(V/n*V T ) -1) V T = KT/q I 0 = corriente inversa de saturación q = carga del electrón: 1,6* culombios K = constante de Boltzman: 1,36* J/ºK T = Temperatura en grados Kelvin n = constante empírica ( 1-germanio; 2-silicio)

23 COMPONENTES El diodo ideal Diodos reales El diodo de unión P-N El diodo zener El fotodiodo El LED El Optoacoplador La función transistor El transistor bipolar Transistores de efecto de campo -JFET -MOSFET DIODOSTRANSISTORES

24 I V I V Símbolo POLARIZACIÓN DIRECTA R = 0 Puede circular cualquier corriente POLARIZACIÓN INVERSA R = No hay corriente 8

25 OTROS DIODOS De Gas De Selenio De Óxido de cobre De Puntas de contacto De Unión P-N Diodo de vacío

26 I V I V Símbolo P V N I V I VRVR VCVC V C = 0,7 en el Si V R = Tensión de ruptura Curva real Aproximación

27 V I VZVZ V Z = Tensión de funcionamiento Aproximación I zmáx Zona de funcionamiento I V Símbolo El diodo zener está diseñado para trabajar en la zona de ruptura, siempre que no se sobrepase su intensidad máxima. Existen en el mercado diodos zener con diversas tensiones de funcionamiento.

28 Circuito típico de regulación con zener VZVZ V RsRs RLRL El zener impide que la tensión en la resistencia de carga R L supere el valor de su tensión nominal. El zener no puede impedir que la tensión baje por debajo de su tensión nominal. La regulación la consigue absorbiendo más o menos corriente, en función de las características del circuito. La diferencia de tensión entre la alimentación y la carga se va a R S V I VZVZ I zmáx

29 En polarización directa se comporta como un diodo normal. En polarización inversa sólo conduce cuando le incide luz. Al incidir la luz se rompen muchos enlaces y por tanto se incrementa el número de minoritarios que son los responsables de la corriente inversa. Símbolo Circuito típico con fotodiodo V RLRL I I V Luz

30 Símbolo Circuito típico con LED V RLRL I Display de 7 segmentos Light Emitting Diode

31 V RLRL I V RLRL I La ventaja fundamental de un optoacoplador es el aislamiento eléctrico entre el circuito de entrada y el de salida. El único contacto que hay es un haz de luz.

32 Actúa como un interruptor Se usa en electrónica digital (ordenadores, etc) Amplifica la señal de entrada Se usa tanto en analógica como en digital entrada salida 3 terminales

33 NN P E B C Símbolo Estructura E B C N P P E B C Símbolo Estructura E B C NPNPNP El transistor bipolar sustituyó con éxito a las válvulas de vacío. Sus principales ventajas son: más pequeño, más barato, más fiable, menos consumo y mayor tiempo de vida. Ha sido desplazado por los FET en la mayor parte de las aplicaciones de electrónica digital, pero sigue siendo competitivo en amplificación y en alta velocidad de conmutación.

34 EB C NPN Al estar polarizada directa- mente la unión B-E, el E inyecta electrones libres en la base. Al llegar los electrones del E a la B son arrastrados, la ma- yoría, al C, debido a la polari- zación inversa de la unión C- B y a que la base es estrecha y está poco dopada. Solo unos pocos forman la corriente de B-E, mucho más pequeña que la de E-C. En definitiva la polarización B-E, gobierna la corriente en- tre E-C. La relación entre las corrien- tes de B y C determinan la ga- nancia del transistor. Existen en el transistor otras corrientes menos importantes que no están reflejadas en este gráfico. aislante

35 E B C ICIC IBIB IEIE Aplicando la 1ª ley de Kirchoff al transistor obtenemos: I E = I B + I C El transistor tiene un comportamiento no lineal. Existen varios modelos para describir la relación entre las tensiones y corrientes que circulan por él. El más usado es el de Everst-Mole: I C = ßI B + (1 + ß)I C0 Normalmente I C0 es despreciable con lo que la ecuación anterior se simplifica: I C ßI B Por otra parte como ß siempre es mayor de 10 se deduce que I B es despreciable frente a I C, por lo que: I E I C

36 CICCIC CE V CE B7 I B7 B6 I B6 B5 I B5 B4 I B4 B3 I B3 B2 I B2 B1 I B1 V CC CURVAS DE SALIDA Circuito típico de amplificación con un transistor

37 E B C ICIC IBIB IEIE E BC El transistor bipolar es un dispositivo no lineal. Pero cuando trabaja en pequeña señal su comportamiento es aproximadamente lineal. Existen diversos circuitos que representan bien el comportamiento lineal del transistor, los cuales permiten resolver los circuitos con transistores mediante la Teoría de Circuitos. Uno de los más usados es el modelo simplificado de parámetros H en emisor común, que se representa a continuación:

38 FET: Field Effect Transistor FET JFET MOSFET Canal n Canal p El FET es un dispositivo controlado en V Se denominan transistores unipolares porque tienen un solo portador de carga Tienen una gran impedancia de entrada Producen poco ruido Ocupan poco espacio Tienen problemas a altas frecuencias acumulación despoblamiento

39 G D S N PP S G D Canal N G D S P NN S G D Canal P G D S El JFET, al contrario que el bipolar, tiene la unión G-S polarizada en inverso. Esto determina que la corriente de entrada sea mucho más pequeña. Es tanto como decir que es un dispositivo con una gran impedancia de entrada. El surtidor emite los portadores de carga y el drenador los recibe. La polarización inversa de puerta permite hacer el canal más ancho o más estrecho.

40 Acumulación SDG NN P aislante conductor S S D D G G Canal N Canal P En el Mosfet de acumulación no existe inicialmente canal. Este se crea mediante la polarización de puerta surtidor. En el de canal N esta polarización es positiva y en el de canal P es negativa.

41 Despoblamiento SDG NN P aislante conductor S S D D G G Canal N Canal P En el Mosfet de despoblamiento existe canal inicial. Esto permite dos tipos de polarización en puerta (+ y - ). Con polarización positiva se incrementa el canal. Con polarización negativa se disminuye.

42 Rectificadores Filtros Amplificadores Realimentación Operacional Generadores de señal

43 ¿Por qué? V 125/220 t V t V t V t variación V t Alimentación de red Es preciso convertir C.A./C.C. Circuitos electrónicos ¿Cómo? C.A.C.C. RedTransformador Rectificador FiltroRegulador Circuitos electrónicos

44 Rectificador v t Circuitos electrónicos v t v t v t Media Onda Onda Completa Son los que se usan en la práctica Poco interés práctico

45 En el semiciclo positivo si hay corriente En el semiciclo negativo no hay corriente V 125/220 t V t V t Rectificador de media onda /220 Circuitos electrónicos

46 El puente de diodos está constituido por cuatro diodos encapsulados juntos. El transformador deberá tener la relación de transformación adecuada a la tensión continua que se desee. V 125/220 t V t Rectificador de onda completa Circuitos electrónicos V t 125/220 Puente de diodos ~ ~ + -

47 Filtros Circuitos electrónicos Son circuitos electrónicos que permiten seleccionar, atenuar o eliminar señales de una determinada frecuencia. = Esto se consigue usando componentes cuya respuesta sea función de la frecuencia ZC=ZC= 1 j C Z L =j L Ejemplos

48 Tipos Básicos de Filtros Circuitos electrónicos 1 t R f C2 f C1 1 t R f C2 f C1 Filtro Paso Banda 1 t R fCfC 1 t R fCfC Filtro Paso Alto 1 t R fCfC 1 t R fCfC Filtro Paso Bajo

49 CUESTIÓN PREVIA Circuitos electrónicos R SeSe S S = S e * R Cuando una señal pasa por un circuito, la señal de salida se obtiene multiplicando la señal de entrada por la función de transferencia o respuesta del circuito.

50 ¿Cómo actúa un filtro? Circuitos electrónicos Paso Banda 1 t R f C2 f C1 Paso Alto 1 t R fCfC Paso Bajo 1 t R fCfC S a ( f < f C1 ) S b (f C1 < f < f C2 ) S c ( f > f C2 ) S a ( f < f C ) S b ( f > f C ) S a ( f < f C ) S b ( f > f C ) S a ( f < f C1 )* 0 = 0 S b (f C1 < f < f C2 )* 1 = S b (f C1 < f < f C2 ) S c ( f > f C2 ) )* 0 = 0 S a ( f < f C )* 0 = 0 S b ( f > f C )* 1 = S b ( f > f C ) S a ( f < f C )* 1 = S a ( f < f C ) S b ( f > f C )* 0 = 0

51 Descomposición de señales Circuitos electrónicos Cualquier señal se puede descomponer en la suma de una señal continua y un conjunto de señales senoidales V t Fourier SeriesTransformada = V t

52 Ejemplo de descomposición de una señal periódica Circuitos electrónicos = V t V t V t V t V t ++++

53 Filtros + Descomposición de Señales Circuitos electrónicos V t Rectificador F. Paso-bajo V t Señal Teórica V t Señal Real Extraer una señal de una determinada frecuencia.

54 Filtros + Descomposición de Señales Circuitos electrónicos t V t V Filtro Paso-Alto Filtro Paso-Bajo Modificar las características de una señal. t V

55 S S = A · S e G V Ganancia en tensión G I Ganancia en intensidad G V Ganancia en tensión G I Ganancia en intensidad Esquema Básico Circuitos electrónicos SeSeS A Señal de Entrada V ó I Señal de Salida V ó I GANANCIA A A

56 Z e - Impedancia de entrada Z s - Impedancia de salida Esquema Básico Circuitos electrónicos ZeZe ZSZS A Otros Parámetros Importantes Otros Parámetros Importantes Los amplificadores son circuitos básicos en la transmisión de señales electrónicas, pues permiten elevar el nivel de las mismas, bien para transmitirlas o bien para recuperar señales con unos niveles muy bajos de tensión.

57 Cadena de Amplificación Circuitos electrónicos Transductor de entrada Transductor de entrada A1 A2 Transductor de salida Transductor de salida Aunque la señal que manejan los amplificadores es electrónica, las señales inicial y final pueden ser cualquier tipo de señal física (presión, temperatura, humedad, óptica, etc.). Los transductores se encargan de hacer las correspondientes conversiones. Esto permite usar la electrónica en el procesamiento de cualquier magnitud física. Pueden colocarse tantos ampli- ficadores como sea necesario Pueden colocarse tantos ampli- ficadores como sea necesario

58 Adaptación de impedancias Circuitos electrónicos Transductor de entrada Transductor de entrada A1 A2 Transductor de salida Transductor de salida Z s1 Z e2 Z s1 = Z e2

59 Concepto Circuitos electrónicos Consiste en combinar una muestra de la señal de salida de un proceso con la entrada, para modificar las características del proceso en la forma deseada

60 Ejemplo de Sistema Realimentado Circuitos electrónicos Mando a distancia GRUA Posición de la carretilla 3º piso La señal de salida viene dada por la posición de la carretilla. La señal de entrada está determinada por el piso al que se desea subir la carretilla. El operario, con su vista, compara ambas señales y si no coinciden, actúa sobre el mando a distancia hasta hacerlas coincidir.

61 Circuito Básico Circuitos electrónicos B + - A MEZCLADOR DE SEÑALES AMPLIFICADOR RED DE REALIMENTACIÓN

62 Análisis Circuitos electrónicos B + - A S e = S e - B * S s B * S s SeSe SsSs S s = S e · A S s = (S e - B·S s ) ·A A 1 + A · B SsSs SeSe = Característica de transferencia del sistema Ar =

63 Tipos de Realimentación Circuitos electrónicos NEGATIVA Ar < A

64 Tipos de Realimentación Circuitos electrónicos POSITIVA Ar > A Esta Realimentación favorece los cambios bruscos El sistema es muy inestable Interesa cuando se desean obtener transiciones muy bruscas de una señal, como por ejemplo al generar una onda cuadrada: V t

65 Tipos de Realimentación Circuitos electrónicos OSCILADORES Ar = A El sistema puede proporcionar una señal de salida sin tener señal de entrada Interesa esta realimentación para los generadores de señal. Se usa en los osciladores. SsSs = SsSs = 0 = SsSs SeSe

66 Amplificador Operacional Circuitos electrónicos -Vcc +Vcc V 1 -V Vcc -Vcc V1V1 V2V2 V0V0 Ref

67 Usos del Amplificador Operacional Circuitos electrónicos V e = -R1·i 1 V s = -R2·i 2 VsVs VeVe = -R2 R1 i 1 =i 2 R1 R2 i1i1 i2i2 VeVe VsVs - + VsVs - + VeVe -Vcc +Vcc VeVe VsVs

68 Tipos de Generadores Circuitos electrónicos Señal de entrada Oscilador V t Señal de salida senoidal

69 Multivibradores Circuitos electrónicos Aestable V t El circuito bascula solo del nivel bajo al alto, y viceversa. Pueden regularse los tiempos en ambos estados. No tiene ningún estado estable.

70 Multivibradores Circuitos electrónicos V t El circuito sólo cambia de un estado al otro. Para salir del segundo estado precisa una señal externa. Tiene un solo estado estable. Monoestable Señales de Cambio

71 Multivibradores Circuitos electrónicos V t Para salir de cualquiera de los dos estados precisa una señal externa. Tiene dos estados estables. Biestable Señales de Cambio


Descargar ppt "Unidad 01: Análisis de Circuitos con Diodos Semiconductores ESCUELA PROFESIONAL DE FÍSICA APLICADA FACULTAD DE CIENCIAS"

Presentaciones similares


Anuncios Google