Principios Electricos

Ingeniería en Sistemas Computacionales.

Materia: Principios Eléctricos y Aplicaciones Digitales.

1.3.4. Aplicaciones con semiconductores

1.3.4.1. Rectificadores

1.3.4.2. Amplificadores

1.3.4.3. Conmutadores

1.3.4.4. Fuentes de voltaje

1.4. Amplificadores operacionales

1.4.1. Configuraciones

Aplicaciones con los Semiconductores

Las aplicaciones de los semiconductores se dan en diodos, transistores y termisores principalmente. Diodos: Al unir un semiconductor N con otro P se produce un fenómeno de difusión de cargas en la zona de contacto, que crea una barrera de potencial que impide a los demás electrones de la zona N saturar los restantes huecos positivos de la zona. Si unimos un generador como se indica en la figura los electrones libres de la zona N son repelidos por el polo negativo y los huecos de la zona P por el polo positivo, hacia la región de transición, que atraviesan. La corriente pasa. No ocurriría esto si la conexión se hubiera hecho con la polaridad invertida. El dispositivo es un “diodo semiconductor” y actúa como rectificador de corriente. Transistores: Un transistor está constituida por dos zonas: 1.- Dos N separadas por una P (transistor NPN), esta disposición proporciona al conjunto unas propiedades particulares, en especial amplificadoras. 2.- Dos P separadas por una N (transistor PNP), permiten actuar sobre la intensidad de la corriente electrónica que pasa entre dos cristales semiconductores del mismo tipo, por medio de un electrodo metálico aislado por una delgada capa de óxido. Un transmisor se emplea, sobre todo, como amplificador y también en ordenadores, como interruptor rápido de la corriente. Termisores: Se llama así a los semiconductores que son sensibles a los cambios de temperatura, o mejor, a aquellos en que las variaciones tienen, frente a la composición, un gran valor. Los materiales más usados son óxidos de Cobalto (CoO), de Hierro (FeO), de Magnesio (MgO), Manganeso (MnO), Níquel (NiO) y Titanio (TiO). Se utilizan en forma de bola, disco o varilla, indicando con esto la forma en que se separa el material base del termisor. En el de bola se aplica la mezcla de óxido en forma viscosa entre dos hilos paralelos de Platino con una pequeña gotita, aproximadamente 1 mm. de diámetro y por y por cocción queda sujeta a los hilos. Cuando se usan en forma de discos o varillas se preparan por sintetizado. Sus aplicaciones son para medir la temperatura, medidas de vacío y en los circuitos de comunicaciones como reguladores de tensión y limitadores de volumen.

Rectificadores

En electrónica, un rectificador es el elemento o circuito que permite convertir la corriente alterna en corriente continua.1 Esto se realiza utilizando diodos rectificadores, ya sean semiconductores de estado sólido, válvulas al vacío o válvulas gaseosas como las de vapor de mercurio (actualmente en desuso).

Dependiendo de las características de la alimentación en corriente alterna que emplean, se les clasifica en monofásicos, cuando están alimentados por una fase de la red eléctrica, o trifásicos cuando se alimentan por tres fases.

Atendiendo al tipo de rectificación, pueden ser de media onda, cuando sólo se utiliza uno de los semiciclos de la corriente, o de onda completa, donde ambos semiciclos son aprovechados.

El tipo más básico de rectificador es el rectificador monofásico de media onda, constituido por un único diodo entre la fuente de alimentación alterna y la carga.

Rectificador de Media onda

Es construido con un diodo ya que este puede mantener el flujo de corriente en una sola dirección, se puede utilizar para cambiar una señal de ac a una de dc., se muestra un circuito rectificador de media onda. Cuando la tensión de entrada es positiva, el diodo se polariza en directo y se puede sustituir por un corto circuito. Si la tensión de entrada es negativa el diodo se polariza en inverso y se puede remplazar por un circuito abierto. Por tanto cuando el diodo se polariza en directo, la tensión de salida a través de la carga se puede hallar por medio de la relación de un divisor de tensión sabemos además que el diodo requiere 0.7 voltios para polarizarse así que la tensión de salida esta reducida en esta cantidad (este voltaje depende del material de la juntura del diodo). Cuando la polarización es inversa, la corriente es cero, de manera que la tensión de salida también es cero. Este rectificador no es muy eficiente debido a que durante la mitad de cada ciclo la entrada se bloquea completamente desde la salida, perdiendo así la mitad de la tensión de alimentación. El voltaje de salida en este tipo de rectificador es aproximadamente 0.45 voltaje máximo de la señal de entrada.

Para Vi > 0 (Semiciclo Positivo de Vi)

El análisis para este semiciclo indica que para vi>0 la salida vo es igual a vi tanto en magnitud como en fase.

Para Vi < 0 (Semiciclo Negativo de Vi)

El análisis para este semiciclo indica que para vi<0 la salida Vo es cero, con lo que se explica el truncamiento a cero de los semiciclos negativos.

Circuito Rectificador de Onda Completa

Un rectificador de onda completa convierte la totalidad de la forma de onda de entrada en una polaridad constante (positiva o negativa) en la salida, mediante la inversión de las porciones (semiciclos) negativas (o positivas) de la forma de onda de entrada. Las porciones positivas (o negativas) se combinan con las inversas de las negativas (positivas) para producir una forma de onda parcialmente positiva (negativa).

Este circuito genera una señal de c.c. a partir de una señal de c.a. con todos los semiciclos de la señal, invirtiendo todos los semiciclos de una misma polaridad para igualarlos a la otra.

El transformador convierte la tensión alterna de entrada en otra tensión alterna del valor deseado, esta tensión es rectificada durante el primer semiciclo por el diodo D1 y durante el segundo semiciclo por el diodo D2, de forma que a la carga R le llega una tensión continua pulsante muy impura ya que no está filtrada ni estabilizada. En este circuito tomamos el valor de potencial 0 en la toma intermedia del transformador.

Rectificador de onda completa tipo puente doble de Graetz

Se trata de un rectificador de onda completa en el que, a diferencia del anterior, sólo es necesario utilizar transformador si la tensión de salida debe tener un valor distinto de la tensión de entrada.

A fin de facilitar la explicación del funcionamiento de este circuito vamos a denominar D-1 al diodo situado más arriba y D-2, D-3 y D-4 a los siguientes en orden descendente.

Durante el semiciclo en que el punto superior del secundario del transformador es positivo con respecto al inferior de dicho secundario, la corriente circula a través del camino siguiente:

Punto superior del secundario --> Diodo D-1 --> (+) Resistencia de carga R(-) --> Diodo D-4 --> punto inferior del secundario.

En el semiciclo siguiente, cuando el punto superior del secundario es negativo y el inferior positivo lo hará por:

Punto inferior del secundario --> Diodo D-2 --> (+) Resistencia de carga R (-) --> Diodo D-3 --> punto superior del secundario.

En este caso, vemos como circula corriente por la carga, en el mismo sentido, en los dos semiciclos, con lo que se aprovechan ambos y se obtiene una corriente rectificada más uniforme que en el caso del rectificador de media onda, donde durante un semiciclo se interrumpe la circulación de corriente por la carga.

En ambos tipos de rectificadores de onda completa, la forma de onda de la corriente rectificada de salida, será la de una corriente continua pulsatoria, pero con una frecuencia de pulso doble de la corriente alterna de alimentación.

Filtrado

Como se puede apreciar en las Figuras 2 y 3 la corriente obtenida en la salida de los rectificadores no es propiamente continua y dista mucho de ser aceptablemente constante, lo que la inutilizaría para la mayoría de las aplicaciones electrónicas.

Para evitar este inconveniente se procede a un filtrado para eliminar el rizado de la señal pulsante rectificada. Esto se realiza mediante filtros RC (resistencia-capacitancia) o LC (inductancia-capacitancia), obteniéndose finalmente a la salida una corriente continua con un rizado que depende del filtro y la carga, de modo que sin carga alguna, no existe rizado. Debe notarse que este filtro no es lineal, por la existencia de los diodos que cargan rápidamente los condensadores, los cuales a su vez, se descargan lentamente a través de la carga.

La tensión de rizado (Vr) será mucho menor que V si la constante de tiempo del condensador R•C es mucho mayor que el período de la señal. Entonces consideraremos la pendiente de descarga lineal y, por tanto, Vr = Vpico•T / (R•C) Siendo R•C la cte de tiempo del condensador, T el período de la señal y Vpico la tensión de pico de la señal.

Rectificación monofásica controlada

Es un tipo de regulación mucho más complicada de implementar, pero proporciona un control total de la carga. El esquema de este tipo de rectificadores seria como el de los anteriormente expuestos, añadiendo entre la carga y la salida rectificada, de forma conceptual, un interruptor. Este 'interruptor' denominados tiristores (SCR) permitiría o cortar el paso de la señal dentro de un ángulo correspondiente entre 0 y 180 grados de la onda Senoidal , permitiendo un

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