NOTAS
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¿Cuantos tipos de capacitores hay?
Muchos y cada uno tiene una función específica.
Capacitor elemental
El capacitor esta construido con dos laminas metálicas separadas por aire. Experimentalmente se puede demostrar que cuando mas grandes son las laminas mayor es la capacidad del capacitor y que lo mismo ocurre cuando mas cerca está una lamina de la otra. Con las laminas esféricas es evidente que la superficie enfrentada varia constantemente y la capacidad que se obtiene es muy baja.
Botella de Leyden
Pieter van Musschenbroek físico y científico holandés que nació en Leyden, Holanda el 14 de marzo de 1692 y murió en 1761. Durante el año de 1746 construye el primer capacitor práctico y lo llama, en honor a la Universidad y Ciudad de donde era oriundo, “Botella de Leyden”. El nombre de la “Botella de Leyden” quedó en la historia como uno de los grandes descubrimientos de la ciencia y consistía en una botella de vidrio con delgadas láminas metálicas que la cubrían por dentro y por fuera. Una varilla metálica atravesaba la tapa aislante haciendo contacto con la lámina interna. Entre las placas interna y externa se aplicaba una diferencia de potencial que hacía que la “Botella de Leyden” se cargara. Una vez cargada se la podía descargar acercando el conductor central a la placa externa, produciendo la perforación dieléctrica del aire mediante una chispa.
Lo que se busca al diseñar un capacitor, es que exista una gran superficie de enfrentamiento entre los dos cuerpos metálicos que ofician de placas. Pero ¿por qué Musschenbroek utilizo el vidrio para separar las placas metálicas? Porque observó que la capacidad era fuertemente dependiente del material utilizado para separar los cuerpos metálicos o placas y que llamó “dielectrico”.
Sabemos que un capacitor acumula energía eléctrica. Pero en donde esta acumulada esa energía eléctrica ¿en las placas o en el dieléctrico? Musschenbroek estaba seguro que era en las placas como parece indicar la lógica y para demostrarlo fabricó un capacitor desarmable con dos chapas cuadradas y un vidrio que podía retirase a voluntad para reemplazarlo por otro vidrio. Armó el capacitor lo cargó con varios KV, sacó el vidrio y coloco un vidrio virgen; probó si sacaba chispas y se sorprendió al ver que el capacitor estaba descargado. Volvió a colocar el primer vidrio y observó que el capacitor produjo chispas al unir las placas con un conductor.
Es decir que la energía estaba en el dieléctrico, lo cual explicaba que la capacidad dependiera del mismo. De sus estudios y experimentos dedujo que la energía no podía estar acumulada en las placas porque un metal no puede tener diferencias de potencial en su interior debido a la movilidad de los electrones. En cambio, en el dieléctrico, si los electrones son reubicados se quedan en esa misma posición por una infinita cantidad de tiempo si el dieléctrico es ideal (no tiene fugas). Se puede decir que en el dieléctrico existe un campo eléctrico con zonas donde hay un exceso de electrones a zonas donde hay una ausencia de electrones. Todo el dieléctrico es neutro pero sus diferentes zonas tienen lo que se llama un gradiente de potencial que va variando linealmente de una zona positiva a otra negativa.
La capacidad de un capacitor es directamente proporcional a la superficie enfrentada de las placas e inversamente proporcional a la separación o espesor del dieléctrico. La constante de proporcionalidad es un coeficiente que depende del dieléctrico utilizado y se llama constante dieléctrica. Cuando se requieren grandes capacidades se recurre a realizar dieléctricos de muy bajo espesor y placas de mucha superficie. Algo muy común es realizar placas y dieléctricos muy largos y luego enrollarlas sobre si misma. Otro modo es realizar mas de dos capas metálicas planas y unir todas las placas pares y todas las placas impares. Más adelante volveremos sobre la tecnología de los capacitores.
La capacidad de un capacitor se mide en Faradios (F), siendo 1 faradio la capacidad de un condensador al que, sometidas sus armaduras a una d.d.p. de 1V éste adquiere una carga eléctrica de 1 Culombio de electricidad.
Un capacitor de 1 faradio es mucho más grande que la mayoría de los capacitores utilizados en electrónica, por lo que en la práctica se suele indicar la capacidad en submúltiplos del F. Los supercondensadores son la excepción. Están hechos de carbón activado para conseguir una gran área relativa y tienen una separación molecular entre las “placas”. Así se consiguen capacidades del orden de cientos o miles de faradios. Uno de estos condensadores se incorpora en el reloj Kinetic de Seiko, con una capacidad de 1/3 de Faradio, haciendo innecesaria la pila. También se están utilizando en los prototipos de automóviles eléctricos.
El valor de la capacidad viene definido por la fórmula siguiente
Q = C . V
en donde:
Ahora imagínese al capacitor como un recipiente de electrones cuando mas tensión V le aplica mas electrones entran en el mismo. Lo mismo ocurre cuando mas grande es el recipiente “C”.
Capacitores cerámicos
Los capacitores cerámicos sueles ser de dos tipos diferentes. Los cerámicos disco son los mas comunes y tienen una forma muy simple: se trata de un disco de material aislante cerámico de elevada constante dieléctrica metalizado en sus dos caras. Sobre el metalizado se sueldan los dos chicotes de conexión resultando un dispositivo como el mostrado en la figura 3 en donde se observa el capacitor si su baño final de pintura epoxi que tapa el disco y parte de los terminales.
Este tipo de capacitor se provee desde capacidades de 2,2 pF hasta .1 uF en tensiones relativamente bajas de 63V. Existen también capacitores cerámicos disco de mayor tensión para aplicaciones especiales que llegan a valores de 2 KV.
Este tipo de capacitor se utiliza en constantes de tiempo bajas del orden del uS o menores aun. La tolerancia mas común es del 5% y los de valores bajos hasta 100 pF no varían con la temperatura y se denominan NP0. Los valores mayores pueden tener coeficientes de variación con la temperatura positivos o negativos que algunas veces se utilizan para compensar el coeficiente del resistor y lograr una constante de tiempo fija que no varíe con la temperatura.
Por lo general estos capacitores están marcados con lo que se llama el método Japonés que consiste en utilizar un código de 3 cifras en donde las dos primeras cifras indican el valor absoluto del capacitor y la tercera indica la cantidad de ceros que se deben agregar a las dos primeras cifras, para obtener la capacidad en pF. Por ejemplo un capacitor marcado 223 es de 22.000 pF. Para que no existan confusiones con los capacitores de bajos valores cuando se utiliza este código se lo escribe subrayado (en nuestro ejemplo 223). Si un capacitor es de 220 con subrayado es de 22 pF y si no lo está es de 220pF. Observe que el mismo capacitor de 22 pF podría estar marcado 220 o 22.
Otra tecnología muy parecida es la de los capacitores Plate que se caracterizan por tener una forma rectangular en lugar de la clásica circular como la de los disco. En realidad la palabra Plate es una marca registrada de Philips. Pero su uso es tan común que se lo toma como un denominación de tipo. Están construidos igual que los disco con una pastilla cerámica plateada en sus dos caras en donde se sueldan posteriormente los terminales de alambre de cobre. La marcación de estos capacitores es simplemente escribir el valor en una unidad cómoda utilizándola la letra de la unidad como una coma decimal. Por ejemplo un capacitor marcado 4n7 es un capacitor de 4,7 nF. Se puede observar que los capacitores posee su cabeza pintada de un color que determina la variación de la capacidad con la temperatura. Por ejemplo una cabeza negra significa que es un capacitor NP0 que no varía con la temperatura.
Los dos tipos de capacitores tratados suelen tener versiones multicapa que poseen una elevada capacidad en un pequeño tamaño.
Capacitores con dieléctrico de plástico
Por lo general se fabrican partiendo de dos finos folios de polyester que se enrollan junto con dos láminas también muy finas de aluminio, para formar las placas del capacitor. Una variante para lograr tamaños mas pequeños consiste en metalizar el plástico usado como dieléctrico. La primer versión suele utilizarse para capacitores que requieran una elevada corriente circulando por ellos, debido a que la presencia de las laminas metálicas ayudan a extraer el calor interno y el mayor tamaño ayuda a disipar el calor que llega al exterior. La segunda versión se utiliza donde solo existen bajas corrientes.
El tipo de dieléctrico utilizado se presta para construir capacitores de elevada tensión de aislación que está estandarizada en 250V, 400V y 630V. En cuanto a la banda de capacidades que se pueden construir; esta suele comenzar en 1.000 pF y llegar hasta 0,47 uF (habitualmente se dice .47 uF) o 1 uF.
Existe dos modos de marcar estos capacitores de acuerdo al fabricante.
Capacitores electrolíticos
Donde se requiera un pequeño tamaño son indispensables los capacitores electrolíticos cuya faja de capacidades suele empezar en .47 uF y llegar hasta 10 mF. Un capacitor electrolítico esta construido enrollando dos laminas de aluminio y dos láminas de papel mojado en agua acidulada llamada electrolito. El electrolito es un camino de relativamente baja resistencia es decir que inmediatamente después de fabricado, no tenemos un capacitor sino un dispositivo sin terminar que se llama protocapacitor. El protocacitor se conecta a una fuente de corriente de modo que el ácido oxide a una de las placas de aluminio. Como el óxido es un aislador, un tiempo después se forma un capacitor electrolitico polarizado en donde la placa positiva esta oxidada.
El valor de capacidad y de tensión no solo depende de las características geométricas de las placas sino que depende fuertemente de este interesante proceso de formación que no es permanente. En efecto el único componente electrónico con fecha de vencimiento es el electrolítico ya que si se lo deja mucho tiempo sin aplicarle tensión se desforma variando su capacidad y su tensión de aislación.
Podríamos decir que un electrolítico (normalmente se obvia la palabra capacitor) es un componente vivo que se alimenta del equipo. Y si el equipo no se usa por mucho tiempo los electrolíticos fallan y hasta inclusive explotan si son circulados por una corriente excesiva. Por lo común el buen diseñador tiene en cuenta el problema y suele (cuando el circuito lo permite) agregar algún pequeño resistor en serie para evitar la explosión. De este modo por lo general el electrolítico se hincha en su cara superior y en su tapón de goma inferior por la presión de los gases generados en su interior, pero no llega a explotar.
Si el lector tiene educación informática sabe que muchos de los problemas de un motherboard se arreglan al cambiar los electrolíticos, sobre todo si estos se ven hinchados o si existen derrames de líquido a su alrededor.
Cuando se reemplaza un electrolítico, se debe prestar la mayor atención al valor de tensión del mismo. Existe una falsa información muy difundida en nuestro gremio que indica: un electrolítico de mayor tensión puede reemplazar siempre a otro de menor tensión. Esto es cierto con el fin de realizar una prueba; pero luego es conveniente realizar un reemplazo definitivo sin exceder el rango de tensión. La razón de esto obedece al fenómeno de la deformación de un electrolítico que tiene aplicada una tensión muy pequeña para su valor de trabajo.
Si Ud. posee experiencia en la reparación, habrá observado que los electrolíticos de bajo valor son mas susceptibles de fallar que los de valor m´ss elevado. Esto parecería no tener una explicación simple. Pero la tiene. Sucede que cuando un fabricante tiene que hacer capacitores de bajo valor se encuentra con un problema; con unas cuantas vueltas ya se pasa de capacidad. Entonces hace circular corriente por mucho tiempo para que la capa de oxido sea de mayor espesor; de este modo controla la capacidad pero no puede evitar que el capacitor fabricado tenga una tensión de trabajo elevada. Como el comprador pide de un valor mas bajo, lo marca con ese valor para dejarlo conforme, pensando en que las pruebas de control de calidad va a dar bien de cualquier modo. Y en efecto así es, pero ese capacitor ya tiene la simiente de la falla marcada en su cuerpo. Donde dice 12V debería tal ves decir 250V. Si el equipo provee 6V es prácticamente como si el capacitor estuviera sin alimentar y unos pocos meses después falla catastróficamente por deformación.
Debido a todos estos problemas, el electrolítico es el dispositivo de mayores tolerancia que usamos en la electrónica. En efecto la tolerancia normal es de -30% +100%. También son muy susceptibles de variar de acuerdo a la temperatura. Por todas estas razones su uso se ve limitado solo a alisar tensiones de fuente y solo cuando las fluctuaciones son muy lentas, porque su construcción enrollada los hace comportar mas como inductores (que serán estudiados en la próxima entrega) que como capacitores.
Otro problema es su polarización. Un electrolítico debe recibir la tensión positiva en el terminal marcado + . Si por error se conecta al revés, se produce una elevada circulación de corriente ya que el electrolítico intenta formarse con la polaridad inversa, se calienta y explota. Si el circuito puede invertir su tensión se deberán utilizar electrolíticos no polarizados (internamente poseen dos electrolíticos en inversa dentro de una misma cápsula).
El problema de la tolerancia y la variación con la temperatura se resuelve utilizando placas de un metal llamado tantalio, que tiene una elevada resistencia al ataque de los ácidos. De este modo una ves formado el electrolítico de tantalio es muy difícil que se deforme con el tiempo. Su costo elevado hace que solo se lo utilice en circuitos especiales donde se requiera una estrecha tolerancia.
Un capacitor de tantalio sigue siendo polarizado. Por esas razones cuando se requiere un capacitor no polarizado y estable se recurre a colocar dos electrolíticos de tantalio en oposición dentro de la misma cápsula.
Capacitores de precisión
En muchos casos se deben emplear capacitores de precisión (por ejemplo al 1%) y cuya capacidad prácticamente no varíe con la temperatura. En esos casos si se trata de capacitores para constantes de tiempo altas, del orden del uS, se recurre a capacitores enrollados con un dieléctrico de plástico especial llamado Macrofol con carga de mica pulverizada (a la izquierda en la figura). Pero cuando se trata de constantes de tiempo mas pequeñas, se recurre a los auténticos capacitores de mica/plata que se construyen con un tubo de mica metalizado en su interior y su exterior con plata pura.
Los capacitores de Macrofol suelen partir de unos pocos pF y llegar a valores del orden de los 1000 pF, en tanto que los capacitores de mica/plata no suelen sobrepasar los 220 pF, ambos con bajas tensiones de trabajo del orden de los 50V.
El rotulado de los Macrofol es simplemente por impresión, en cambio los capacitores mica/plata muchas veces no están rotulados, ya que suelen estar ocultos dentro de los inductores blindados y son muy pequeños como para recibir una simple impresión.
Capacitores variables
Los capacitores variables se utilizan para lograr la sintonía de un dispositivo. En este sector solo los nombramos porque su tratamiento completo será analizado cuando realicemos nuestro trabajo práctico sobre la fabricación de una radio elemental.
Capacitores SMD
En los equipos actuales, en la secciones de señal, se utiliza el armado por componentes SMD (surface mounting device o componentes de montaje superficial). De todos los capacitores nombrados hasta aquí los que mas se prestan para el montaje superficial son los capacitores cerámicos. Los capacitores electrolíticos tienen una versión enteramente SMD pero su costo es casi prohibitivo. Por esa razón simplemente se coloca un electrolítico común (con sus terminales cortados) en una base cerámica y se los utiliza como SMD.
Estos capacitores se identifican por su dimensiones; por ejemplo los de tipo 0805 tienen una largo de 8 mm y un ancho de 5mm. Puede ocurrir que no tengan ninguna marcación sobre su cuerpo porque el fabricante los identifica por el tamaño y el color. Otros fabricantes los marcan con un sistema codificado o de código reducido debido a su pequeño tamaño.
La codificación del valor consiste en una letra seguida por un número, la letra corresponde a la mantisa o valor significativo indicado en la tabla inferior y el número corresponde a la cantidad de ceros que se deben agregar a la mantisa, obteniéndose el resultado en pF.
Tabla para la lectura de capacitores cerámicos
Ejemplos:
Los capacitores cerámicos SMD requieren un trato muy especial porque es suficiente con tocarlos con un soldador sobrecalentado para alterar su valor o fisurarlos. Inclusive muchas veces son afectados por un inapropiado proceso de soldadura (shock térmico) que los afecta de modo tal que suelen fallar algunos meses después de su salida de la planta de producción.
El Transistor
CONCEPTO
El Transistor es un dispositivo electrónico semiconductor que cumple funciones de amplificador, oscilador, conmutador o rectificador. El término "transistor" es la contracción en inglés de “transfer resistor” (resistencia de transferencia). Actualmente se los encuentra prácticamente en todos los enseres domésticos de uso diario: radios, televisores, grabadores, reproductores de audio y vídeo, hornos de microondas, lavadoras, automóviles, equipos de refrigeración, alarmas, relojes de cuarzo, computadoras, calculadoras, impresoras, lámparas fluorescentes, equipos de rayos X, tomógrafos, ecógrafos, reproductores mp3, celulares, etc.
Sustituto de la válvula termoiónica de tres electrodos o triodo, el transistor bipolar fue inventado en los Laboratorios Bell de EEUU en diciembre de 1947 por John Bardeen, Walter Houser Brattain y William Bradford Shockley, quienes fueron galardonados con el Premio Nobel de Física en 1956.
CLASIFICACIÓN
Los transistores se clasifican por:
• Material semiconductor: germanio, el silicio, arseniuro de galio, el carburo de silicio, etc.
• Estructura: BJT, JFET, IGFET (MOSFET), IGBT, "otros tipos".
• Polaridad: NPN, PNP en los BJTs; N-canal, P-canal en los FETs.
• Potencia máxima calificación: bajo, medio, alto.
• Frecuencia máxima de funcionamiento: bajo, medio, alto, la frecuencia de radio (RF), de microondas, etc.
• Aplicación: cambiar, de propósito general, audio, de alta tensión, super-beta, par.
• Física embalaje: a través de agujeros de metal, a través de agujeros de plástico, montaje en superficie, la bola de la red matriz, módulos de potencia.
• Factor de amplificación Hfe.
Así, un transistor puede describirse como: silicio, de montaje superficial, BJT, NPN, de baja potencia, el interruptor de alta frecuencia, de propósito general.
ESTRUCTURAS DE LOS TRANSISTORES
BJT
El transistor de unión bipolar (del inglés Bipolar Junction Transistor, o sus siglas BJT) es un dispositivo electrónico de estado sólido consistente en dos uniones PN muy cercanas entre sí, que permite controlar el paso de la corriente a través de sus terminales. Los transistores bipolares se usan generalmente en electrónica analógica. También en algunas aplicaciones de electrónica digital como la tecnología TTL (Del acrónimo en Inglés de Transistor-Transistor Logic o "Lógica Transistor a Transistor") 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 forma quedan formadas tres regiones:
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, que por ser 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.
JFET
El JFET (Junction Field-Effect Transistor, en español transistor de efecto de campo de unión) es un circuito que, según unos valores eléctricos de entrada, reacciona dando unos valores de salida. En el caso de los JFET, al ser transistores de efecto de campo eléctrico, estos valores de entrada son las tensiones eléctricas, en concreto la tensión entre los terminales S (fuente) y G (puerta), VGS. Según este valor, la salida del transistor presentará una curva característica que se simplifica definiendo en ella tres zonas con ecuaciones definidas: corte, óhmica y saturación.
Físicamente, un JFET de los denominados canal n está formado por una pastilla de semiconductor tipo P en cuyos extremos se sitúan dos patillas de salida (drenador y fuente) flanqueada por dos regiones con dopaje de tipo N en las que se conectan dos terminales conectados entre sí (puerta). Al aplicar una tensión negativa (en inversa) VGS entre puerta y fuente, las zonas N crean a su alrededor sendas zonas en las que el paso de electrones (corriente ID) queda cortado, llamadas zonas de exclusión. Cuando esta VGS sobrepasa un valor determinado, las zonas de exclusión se extienden hasta tal punto que el paso de electrones ID entre fuente y drenador queda completamente cortado. A ese valor de VGS se le denomina Vp. Para un JFET canal p las zonas p y n se invierten, y las VGS y Vp son positivas, cortándose la corriente para tensiones mayores que Vp.
Así, según el valor de VGS se definen dos primeras zonas; una activa para tensiones negativas mayores que Vp (puesto que Vp es también negativa) y una zona de corte para tensiones menores que Vp. Los distintos valores de la ID en función de la VGS vienen dados por una gráfica o ecuación denominada ecuación de entrada.
En la zona activa, al permitirse el paso de corriente, el transistor dará una salida en el circuito que viene definida por la propia ID y la tensión entre el drenador y la fuente VDS. A la gráfica o ecuación que relaciona estás dos variables se le denomina ecuación de salida, y en ella es donde se distinguen las dos zonas de funcionamiento de activa: óhmica y saturación.
IGFET
Transistor de efecto de campo con electrodo de control aislado o "Insulated Gate FET" (IGFET), se caracteriza por tener el gate aislado del canal por una capa de oxido de silicio.
Actualmente se fabrican entre otros, los siguientes dispositivos IGFET:
MOSFET o "MOS" ("Metal Oxide Semiconductor FET"), cuyo nombre deriva de los tres materiales que aparecen al realizar un corte vertical en su estructura, según puede observarse en la figura.
Hasta hace poco los términos IGFET y MOS eran sinonimos.
SILICON GATE FET, difiere de MOS en que el gate es de silicio policristalino, en lugar de ser metálico. Se consigue así controlar la conductividad del canal a partir de tensiones de gate mas bajas.
SOS("Silicon On Saphire FET"), en el cual el canal semiconductor de silicio esta depositado sobre un sustrato aislante de zafiro, en lugar de un sustrato semiconductor de silicio. De esta manera se alcanzan velocidades de conmutación mas altas.
DMOS (MOS de Doble Difusión), que presenta un canal de corta longitud para permitir muy altas velocidades de conmutación, gracias al breve tiempo de transito de los portadores por el citado canal.
Una segunda clasificación tiene en cuenta la conductancia del canal cuando al gate no se le aplica ninguna tensión. Asi se tiene:
FET de Canal Normalmente Conductor o de "vaciamiento" ("Depletion FET"), que permite en las condiciones mencionadas el pasaje de corriente entre los extremos drain y source del canal, cuando entre los mismos se aplica tensión. Los JFET solo admiten este tipo de funcionamiento, que también puede darse en los IGFET. Se representa este FET por una línea llena entre los terminales D y S que simboliza la continuidad citada.
FET de Canal Normalmente Abierto, o no conductor, o de "enriquecimiento" (enhancement FET): en este FET sin tensión en el gate no circula prácticamente corriente entre los terminales drain y source al aplicárseles tensión. Se simboliza con una línea de trazos entre drain y source. La manera de representarlos es la siguiente:
Por último, por la naturaleza del canal conductor, los transistores de efecto de campo pueden ser de dos tipos:
FET de Canal P: Los portadores mayoritarios que circulan por el canal son lagunas.
FET de Canal N: Los portadores que circulan por el canal son electrones.
Un MOS de canal P o "PMOS" se indica con una flecha dirigida hacia el sustrato, señalando que el mismo es de tipo N, aunque el canal será de tipo P. Del mismo modo, un MOS tipo N o "NMOS" se indica con una flecha saliendo del sustrato.
En los circuitos digitales integrados se emplean los IGFET, que reúnen las propiedades enunciadas. En conmutación se prefiere el FET de "enriquecimiento", que conduce corriente solo cuando la tensión aplicada al gate supera cierto nivel. Con referencia a la velocidad de conmutación, los NMOS son mas rápidos que los PMOS, puesto que la movilidad de los electrones es mas que el doble de la de las lagunas.
IGBT
El transistor bipolar de puerta aislada (IGBT, del inglés Insulated Gate Bipolar Transistor) es un dispositivo semiconductor que generalmente se aplica como interruptor controlado en circuitos de electrónica de potencia.
Este dispositivo posee la características de las señales de puerta de los transistores de efecto campo con la capacidad de alta corriente y voltaje de baja saturación del transistor bipolar, combinando una puerta aislada FET para la entrada e control y un transistor bipolar como interruptor en un solo dispositivo. El circuito de excitación del IGBT es como el del MOSFET, mientras que las características de conducción son como las del BJT.
Los transistores IGBT han permitido desarrollos hasta entonces no viables en particular en los Variadores de frecuencia así como en las aplicaciones en maquinas eléctricas y convertidores de potencia que nos acompañan cada día y por todas partes, sin que seamos particularmente conscientes de eso: automóvil, tren, metro, autobús, avión, barco, ascensor, electrodoméstico, televisión, Sistemas de Alimentación Ininterrumpida, etc.
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutación de hasta 20 KHz y ha sustituido al BJT en muchas aplicaciones. Es usado en aplicaciones de altas y medias energía como fuente conmutada, control de la tracción en motores y cocina de inducción. Grandes módulos de IGBT consisten en muchos dispositivos colocados en paralelo que pueden manejar altas corrientes del orden de cientos de amperios con voltajes de bloqueo de 6.000 voltios.
Se puede concebir el IGBT como un transistor darlington híbrido. Tiene la capacidad de manejo de corriente de un bipolar pero no requiere de la corriente de base para mantenerse en conducción. Sin embargo las corrientes transitorias de conmutacion de la base pueden ser igualmente altas. En aplicaciones de electronica de potencia es intermedio entre los tiristores y los mosfet. Maneja más potencia que los segundos siendo más lento que ellos y lo inverso respecto a los primeros.
Este es un dispositivo para la conmutación en sistemas de alta tensión. La tensión de control de puerta es de unos 15 V. Esto ofrece la ventaja de controlar sistemas de potencia aplicando una señal eléctrica de entrada muy débil en la puerta.
POLARIDAD DE LOS TRANSISTORES
NPN
NPN es uno de los dos tipos de transistores bipolares, en los cuales las letras "N" y "P" se refieren a los portadores de carga mayoritarios dentro de las diferentes regiones del transistor. La mayoría de los transistores bipolares usados hoy en día son NPN, debido a que la movilidad del electrón es mayor que la movilidad de los "huecos" en los semiconductores, permitiendo mayores corrientes y velocidades de operación.
Los transistores NPN consisten en una capa de material semiconductor dopado P (la "base") entre dos capas de material dopado N. Una pequeña corriente ingresando a la base en configuración emisor-común es amplificada en la salida del colector.
La flecha en el símbolo del transistor NPN está en la terminal del emisor y apunta en la dirección en la que la corriente convencional circula cuando el dispositivo está en funcionamiento activo.
PNP
El otro tipo de transistor bipolar de juntura es el PNP con las letras "P" y "N" refiriéndose a las cargas mayoritarias dentro de las diferentes regiones del transistor. Pocos transistores usados hoy en día son PNP, debido a que el NPN brinda mucho mejor desempeño en la mayoría de las circunstancias.
Los transistores PNP consisten en una capa de material semiconductor dopado N entre dos capas de material dopado P. Los transistores PNP son comúnmente operados con el colector a masa y el emisor conectado al terminal positivo de la fuente de alimentación a través de una carga eléctrica externa. Una pequeña corriente circulando desde la base permite que una corriente mucho mayor circule desde el emisor hacia el colector.
La flecha en el transistor PNP está en el terminal del emisor y apunta en la dirección en que la corriente convencional circula cuando el dispositivo está en funcionamiento activo.
TIPOS DE TRANSISTOR
Los transistores mas comunes son:
Pero también existen otros como:
MATERIALES DE FABRICACIÓN
Materiales semiconductores
Las primeras BJTs fueron hechas de germanio (Ge) y algunos tipos de alta potencia todavía están hechos con este material, otros tipos son de Silicio (Si), pero actualmente predominan ciertos materiales avanzados de microondas de alto rendimiento y las versiones ahora emplean el compuesto material semiconductor de arseniuro de galio (GaAs) y la aleación de semiconductores de silicio y germanio (SiGe). Siendo estos materiales elementales para fabricación de semiconductores (Ge y Si).
Características de los materiales semiconductores:
NOMENCLATURA
Todos los semiconductores tienen serigrafiados números y letras que especifican y describen de que tipo de dispositivo se trata. Existen varias nomenclaturas o códigos que pretenden darnos esta preciada información. De todas destacan tres:
PROELECTRON
Consta de dos letras y tres cifras para los componentes utilizados en radio, televisión y audio o de tres letras y dos números para dispositivos industriales. La primera letra precisa el material del que está hecho el dispositivo y la segunda letra el tipo de componente. El resto del código, números generalmente, indica la aplicación general a la que se aplica. Para la identificación de estos dispositivos se utiliza la tabla siguiente:
La primera letra indica el material semiconductor utilizado en la construcción del dispositivo.
A Germanio.
B Silicio.
C Arseniuro de Galio.
D Antimoniuro de Indio.
R Material de otro tipo.
La segunda letra indica la construcción y utilización principal del dispositivo.
A Diodo de señal (diodo detector, de conmutación a alta velocidad, mezclador).
B Diodo de capacidad variable (varicap).
C Transistor, para aplicación en baja frecuencia.
D Transistor de potencia, para aplicación en baja frecuencia.
E Diodo túnel.
F Transistor para aplicación en alta frecuencia.
L Transistor de potencia, para aplicación en alta frecuencia.
P Dispositivo sensible a las radiaciones.
R Dispositivo de conmutación o de control, gobernado eléctricamente y teniendo un efecto de ruptura (tiristor).
S Transistor de aplicación en conmutación.
T Dispositivo de potencia para conmutación o control, gobernado eléctricamente y teniendo un efecto de ruptura (tiristor).
U Transistor de potencia para aplicación en conmutación.
X Diodo multiplicador (varactor).
Y Diodo de potencia (rectificador, recuperador).
Z Diodo Zener o de regulación de tensión.
La serie numérica consta:
a) De tres cifras (entre 100 a 999) para dispositivos proyectados principalmente en aparatos de aplicación doméstica (radio, TV, registradores, amplificadores).
b) Una letra (X,Y,Z), seguida de dos cifras (de 10 a 99) para los dispositivos proyectados para usos principales en aplicaciones industriales y profesionales.
Ejemplos:
BC107 Transistor de silicio de baja frecuencia, adaptado principalmente para usos generales.
BSX 51 Transistor de silicio de conmutación, adaptado principalmente para aparatos industriales.
En algunos casos, para indicar variaciones de un tipo ya existente, la serie numérica puede ir seguida de una letra:
BSX51A Transistor similar al BSX51, pero especificado para una tensión más alta.
JEDEC
En Estados Unidos se utiliza la nomenclatura de la JEDEC (Joint Electronic Devices Engineering Council) regulado por la EIA (Electronic Industries Association), fue creado en 1960 para trabajar junto con la EIA y NEMA, para proteger la estandarización de dispositivos semiconductores y luego expandido en 1970 para incluir circuitos integrados. Esta nomenclatura consta de un número, una letra y un número de serie (este último sin significado técnico). El significado de los números y letras es el siguiente:
1N Diodo o rectificador 2N Transistor o tiristor 3N Transistor de Efecto de Campo FET o MOSFET
JIS
Los fabricantes japoneses utilizan el código regulado por la JIS (Japanese Industrial Standards), que consta de un número, dos letras y número de serie (este último sin ningún significado técnico). El número y letras tienen el siguiente significado:
Numero Primera Letra Segunda Letra.
0 Foto transistor S Semiconductor A Transistor PNP de A.F.
1 Diodo, rectificador o varicap B Transistor PNP de B.F.
2 Transistor, tiristor C Transistor NPN de A.F.
3 Semiconductor con dos puertas D Transistor NPN de B.F.
F Tiristor de puerta P
G Tiristor de puerta N
J FET de canal P
K FET de canal N
Ejemplo.- 2SG150: Tiristor de puerta N
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| TDA2003 |
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Este amplificador es ideal para el laboratorio personal, ya que lo podemos utilizar para proyectos.
 
Con sólo un circuito integrado como elemento activo y una fuente simple que puede ser de 8V hasta 18V, este circuito es capaz de proporcionar hasta 10W de potencia sobre una carga que puede estar comprendida entre 2 y 8 ohmios.
Materiales IC TDA 2003 C1 10 uf 25v C2 470 uf 25v C3 100 nf (104) C4 1000 uf 25v C5 100 nf (104) C6 100 uf 25v Cx 39 nf (39) R1 220 ohm 1/2 watt R2 2,2 ohm 1/2 watt R3 1 ohm 1 watt Rx 39 ohm 1/2 watt Parlante de 4 a 8 ohmios a 15 watt Fuente de voltage entre 8v a 18v 3 amperios
Esta es la máscara negativa del circuito impreso.
Como es lógico el circuito integrado debe ser colocado con un adecuado disipador de calor para evitar daños a sus componentes internos por sobre temperatura en la cápsula. A maxima potencia el circuito necesita 2,5 amperios para trabajar correctamente.
 
Los 10W se obtienen en el punto óptimo de trabajo con una fuente de 12V 2,5A y una carga de 4 ohmios. La entrada debe ser de al menos de 1Vpp para lograr este rendimiento.
Ejemplo de circuito montado. 
Video de ensayo en el protoboard.
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Este excepcional circuito integrado muy difundido en nuestros días nació hace más de 30 años y continúa utilizándose actualmente.
Fue introducido primero por la Signetics Corporation, y es similar a los amplificadores operacionales de propósito general, porque el 555 es confiable, fácil de usar y de bajo costo.
Se puede usar para operar con voltajes entre +5v a +18v, por lo tanto sirve con circuitos TTL (lógica de transistor - transistor), como con amplificadores operacionales. Se encuentra en aplicaciones como: osciladores, generadores de pulso, generadores de rampa u onda cuadrada, multivibrador de disparo, alarmas contra robo y monitor, etc.…
Disposición de los pines y su función.
1. Tierra o masa. Se conecta a cero voltios.
2. Disparo: Es en este pin, donde se establece el inicio del tiempo de retardo, si el 555 es configurado como monoestable. Este proceso de disparo ocurre cuando este pin va por debajo del nivel de 1/3 del voltaje de alimentación. Este pulso debe ser de corta duración, pues si se mantiene bajo por mucho tiempo la salida se quedará en alto hasta que la entrada de disparo pase a alto otra vez.
3. Salida: Aquí veremos el resultado de la operación del temporizador, ya sea que esté conectado como monoestable, astable u otro. Cuando la salida es alta, el voltaje será el voltaje de aplicación (Vcc) menos 1.7 Voltios. Esta salida se puede obligar a estar en casi 0 voltios con la ayuda del pin 4 (reset).
4. Reset: Si se pone a un nivel por debajo de 0.7 Voltios, pone la salida pin 3 a nivel bajo. Si por algún motivo este pin no se utiliza hay que conectarla a Vcc para evitar que el 555 se "resetee".
5. Control de voltaje: Cuando el temporizador se utiliza en el modo de controlador de voltaje, el voltaje en este pin puede variar casi desde Vcc (en la práctica como Vcc 1 voltio) hasta casi 0 V (aprox. 2 Voltios). Así es posible modificar los tiempos en que el pin 3 está en alto o en bajo independiente del diseño (establecido por las resistencias y condensadores conectados externamente al 555). El voltaje aplicado en el pin 5 puede variar entre un 45 y un 90 % de Vcc en la configuración monoestable. Cuando se utiliza la configuración astable, el voltaje puede variar desde 1.7 voltios hasta Vcc.
Modificando el voltaje en este pin en la configuración astable causará la frecuencia original del astable sea modulada en frecuencia (FM). Si esta patilla no se utiliza, se recomienda ponerle un condensador de 0.01uF para evitar las interferencias.
6. Umbral: Es una entrada a un comparador interno que tiene el 555 y se utiliza para poner la salida (Pin # 3) a nivel bajo.
7. Descarga: Utilizado para descargar con efectividad el condensador externo, utilizado por el temporizador para su funcionamiento.
8. V+: También llamado Vcc, es el pin donde se conecta el voltaje de alimentación que va de 4.5 voltios hasta 16 voltios (máximo). Hay versiones militares de este integrado que llegan hasta 18 Voltios.
El temporizador 555 se puede conectar para que funcione de diferentes maneras, entre los más importantes están: como multivibrador astable y como multivibrador monoestable.
Multivibrador Monoestable.
En este caso el circuito entrega a su salida un solo pulso de un ancho establecido por el diseñador (tiempo de duración).
El esquema de conexión es el que se muestra. La fórmula para calcular el tiempo de duración (tiempo que la salida está en nivel alto) es:
Observar que es necesario que la señal de disparo, sea de nivel bajo y de muy corta duración en el PIN # 2 del C.I. para iniciar la señal de salida.
El circuito básico.
A continuación tenemos un diagrama un poco más detallado mostrando los tiempos apropiados para el multivibrador monoestable 555:
El funcionamiento del circuito:
En el pin de entrada T (trigger) que viene siendo el pin 2, la aplicación momentánea de un pulso breve de voltaje hace que el voltaje de salida Vout a partir de un tiempo t2 se dispare hasta el máximo valor, a la vez que el condensador C se irá cargando (siguiendo una curva suave) con un voltaje Vc hasta alcanzar el valor máximo de voltaje de la fuente, que en este caso viene siendo de +10 volts, en un tiempo t3.
Una vez que el voltaje en el condensador llega a su máximo, el voltaje a la salida Vout se precipita permaneciendo el circuito de aquí en adelante en una condición estable hasta que reciba otro pulso breve de voltaje en el pin de entrada 2.
La duración del pulso de voltaje a la salida en el pin 3 dependerá de los valores conjuntos de la resistencia R y el condensador C, o mejor dicho en el valor RC que es el que determina la constante de tiempo del circuito.
A continuación tenemos el mismo diseño, pero con valores asignados a los componentes eléctricos, el cual tiene a su salida un diodo emisor de luz LED para efectos visuales. Al ser cerrado momentáneamente el interruptor que está en el extremo izquierdo del circuito, se aplica un pulso de entrada (input pulse) instantáneo en el pin 2 y el diodo LED se enciende, permaneciendo encendido por un lapso de tiempo hasta que termina apagándose.
Una de sus designaciones más conocidas es la de NE555, la cual le fue dada por la empresa Signetics, otros fabricantes han construído sus propias versiones de este circuito integrado, las cuales en principio son compatibles entre sí. La siguiente lista proporciona las designaciones que varios de los fabricanes más conocidos le han dado a su propia versión del temporizador 555:
 El diagrama esquemático interno de un timer 555 típico muestra que este contiene una variedad de componentes tanto analógicos como digitales. 
Sin embargo, resulta mucho más instructivo analizar el diagrama de bloques funcionales implementados por los componentes electrónicos con los cuales está construído el timer 555.
Como puede apreciarse en el esquemático funcional del circuito, su diseño incorpora dos amplificadores operacionales no muy diferentes al amplificador operacional. Pero además incorpora otro componente que nos debe resultar conocido: un flip-flop R-S.
En el diagrama, lo podemos ver identificado como "Control FF" (Flip Flop de Control).
Por lo tanto, este es el tipo de circuito que en su interior incorpora electrónica tanto analógica como digital.
Al igual que en el caso del amplificador operacional, es necesario agregarle externamente componentes eléctricos adicionales para poder utilizarlo en alguna tarea específica.
Generalmente el componente de rigor es un condensador C de alta capacidad que debe ir conectado del pin 6 del timer 555 a "tierra eléctrica", la cual va conectada al pin1 del componente. Además de este condensador, se requiere una resistencia de valor elevado, la cual debe ir conectada por un lado a el pin 7 del componente, y por el otro lado al voltaje que alimenta al componente en el pin 8. El pin 2 es la terminal que se utiliza para "disparar" la acción del circuito.
Un flip-flop R-S en combinación con una línea de retardo puede ser convertido ya sea en un multivibrador mono-estable o en un multivibrador astable.
El timer 555 nos permite la realización teórica de este principio, excepto que en este caso usamos a modo de "línea de retardo" un condensador C conectado en serie con una resistencia R, siendo la base un circuito como el siguiente:
El principio detrás de este circuito eléctrico analógico es que al aplicar un voltaje de corriente directa (Vs en el diagrama esquemático) el condensador C no se carga de inmediato sino que se va cargando siguiendo una curva exponencial como la siguiente:
hasta que llega un momento en el cual el condensador está completamente cargado y el voltaje Vout a través del mismo es igual al voltaje Vs aplicado al circuito.
La forma de la curva (los tiempos de carga) dependerá de los valores de la resistencia R y del condensador C conectados en serie; entre mayores sean ambos tanto más tiempo tardará el condensador en cargarse hasta su máxima capacidad.
Un parámetro físico usado para describir el comportamiento del circuito es la constante de tiempo formada por el producto de la resistencia (en ohms) R y el valor de la capacitancia C(en farads), o sea RC, la cual tiene unidades de tiempo en segundos.
Al haber transcurrido un tiempo RC, el condensador se habrá cargado a un 63 por ciento de su capacidad. Y al haber transcurrido unas cinco constantes de tiempo RC, el condensador estará prácticamente cargado en su totalidad.
Si además del circuito básico arriba mostrado tenemos un voltaje de referencia Vref en contra del cual el voltaje ascendiente a través del condensador se pueda ir comparando constantemente (para esto podemos usar un comparador de voltaje) conforme el condensador se va cargando antes de llegar al punto en el cual el condensador alcanza su carga máxima Qmax, de modo tal que cuando después de un tiempo tg el voltaje a través del condensador alcance y supere al voltaje Vref y la salida de "1" del comparador nos indique que ha llegado el momento preciso de producir alguna acción: 
tenemos entonces todos los elementos suficientes para poder construír un temporizador.
Naturalmente, el diseño puede ser mejorado agregando un flip-flop R-S para que el circuito pueda "recordar" la condición de activación. Y a excepción de la resistencia R y el condensador C que deben ser proporcionados externamente por el diseñista, esto es precisamente lo que tenemos dentro de un temporizador como el timer 555.
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