Componentes electrónicos activos

Hacemos aquí una breve introducción sobre componentes activos básicos, centrándonos en diodos y transistores, y un ligero repaso a otro dispositivo muy importante como es el amplificador operacional. El diodo es el dispositivo no lineal más simple de dos terminales, y que tiene diversas aplicaciones en la electrónica. Por su parte, dentro de los transistores, nos encontramos con el BJT y el FET. Los transistores bipolares de unión son dispositivos activos que desempeñan un papel importante fundamentalmente en el diseño de amplificadores electrónicos de banda ancha y en circuiteria digital rápida.

Los transistores de efecto de campo son dispositivos sensibles al voltaje, con gran impedancia de entrada y usados como fuentes controladas por voltaje en el diseño de amplificadores e interruptores. Dejando los componentes activos básicos, nos encontramos con uno de los circuitos integrados más importante en las aplicaciones análogicas, el Amplificador Operacional.

El funcionamiento de este diodo, a grandes rasgos es la siguiente:

En la zona directa se puede considerar como un generador de tensión continua, tensión de codo (0.5-0.7 V para el silicio y 0.2-0.4 V para el germanio). Cuando se polariza en inversa se puede considerar como un circuito abierto. Cuando se alcanza la tensión inversa de disrupción (zona inversa) se produce un aumento drástico de la corriente que puede llegar a destruir al dispositivo.

Cuando usamos un diodo en un circuito se deben tener en cuenta las siguientes consideraciones (a partir de las hojas de características suministradas por el fabricante):

1. La tensión inversa máxima aplicable al componente, repetitiva o no (VRRR máx o VR máx, respectivamente) ha de ser mayor (del orden de tres veces) que la máxima que este va a soportar.
2. La corriente máxima en sentido directo que puede atravesar al componente, repetitiva o no (IFRM máx e IF máx respectivamente), he de ser mayor (del orden del doble) que la máxima que este va a soportar.
3. La potencia máxima que puede soportar el diodo (potencia nominal) ha de ser mayor (del orden del doble) que la máxima que este va a soportar.

El funcionamiento de este diodo, a grandes rasgos es la siguiente:

En la zona directa lo podemos considerar como un generador de tensión continua (tensión de codo). En la zona de disrupción, entre la tensión de codo y la tensión zener (Vz nom) lo podemos considerar un circuito abierto. Cuando trabaja en la zona de disrupción se puede considerar como un generador de tensión de valor Vf= -Vz.

Podemos distinguir:

1. Vz nom,Vz: Tensión nominal del zener (tensión en cuyo entorno trabaja adecuadamente el zener).
2. Iz min: Mínima corriente inversa que tiene que atravesar al diodo a partir de la cual se garantiza el adecuado funcionamiento en la zona de disrupción (Vz min).
3. Iz max: Máxima corriente inversa inversa que puede atravesar el diodo a partir de la cual el dispositivo se destruye (Vz max).
4. Pz: Potencia nominal que no debe sobrepasar el componente. Aproximadamente se corresponde con el producto de Vz nom y Iz max.

Cuando usamos un diodo zener en un circuito se deben tener en cuenta las siguientes consideraciones (a partir de las hojas de características suministradas por el fabricante):

1. Para un correcto funcionamiento, por el zener debe circular una corriente inversa mayor o igual a Iz min.
2. La corriente máxima en sentido inverso ha de ser siempre menor que Iz max.
3. La potencia nominal Pz que puede disipar el zener ha de ser mayor (del orden del doble) que la máxima que este va a soportar en el circuito.

El diodo LED presenta un comportamiento análogo al diodo rectificador (diodo semiconductor p-n), sin embargo, su tensión de codo tiene un valor mayor, normalmente entre 1.2-1.5 V.

Según el material y la tecnología de fabricación estos diodos pueden emitir en el infrarojo (diodos IRED), rojo, azul, amarillo y verde, dependiendo de cual sea la longitud de onda en torno a la cual emita el LED.

Resulta dificil distinguir, por pura inspeccioón visual, el modelo del LED así como el fabricante: los valores máximos de tensión y corriente que puede soportar y que suministra el fabricante seran por lo general desconocidos. Por esto, cuando se utilice un diodo LED en un circuito, se recomienda que la intensidad que lo atraviese no supere los 20 mA, precaución de caracter general que resulta muy válida.

Los diodos de unión p-n y los zener tienen características constructivas que los diferencian de otros. Su tamaño, en muchos casos, no supera el de una resistencia de capa o de película de 1/4W y aunque su cuerpo es cilíndrico, es de menor longitud y diametro que las resistencias. Aunque existen gran variedad de tipos, sólo algunos especiales difieren de su aspecto. No ocurre lo mismo con el tamaño, pues es funcion de la potencia que pueden disipar.

Es característico encontrarse un anillo en el cuerpo que nos indica el cátodo. Para aquellos cuyo tipo concreto viene señalado por una serie de letras y números, el cátodo es marcado mediante un anillo en el cuerpo, próximo a este terminal. Otros usan códigos de colores, y en ellos el cátodo se corresponde con el terminal más próximo a la banda de color más gruesa.

Existen fabricantes que marcan el cátodo con la letra “K” o el ánodo con la “a”. Los diodos de punta de germanio suelen encapsularse en vidrio. En cuanto a los diodos LED, se encuentran encapsulados en resinas de distitos colores, segun sea la longitud de onda con la que emita. El ánodo de estos diodos es más largo que el cátodo, y usualmente la cara del encapsulamiento próxima al cátodo es plana.

Una forma práctica de determinar el cátodo consiste en aplicar un polímetro en modo óhmetro entre sus terminales. Si el terminal de prueba se aplica de ánodo a cátodo, aparecen lecturas del orden de 20-30Ω. Si se invierten los terminales, estas lecturas son del orden de 200-300 KΩ para el Ge, y de varios MΩ para el Si. Si con el polímetro utilizamos el modo de prueba de diodos, obtenemos el valor de la tensión de codo del dispositivo. Con ello conseguimos identificar los dos terminales (ánodo y cátodo), y el material del que esta hecho (0.5-0.7 V para el el Si, 0.2-0.4 para el germanio y 1.2-1.5 para la mayoria de los LED.

Cuando seleccionamos un transistor tendremos que conocer el tipo de encapsulado, así como el esquema de identificación de los terminales. También tendremos que conocer una serie de valores máximos de tensiones, corrientes y potencias que no debemos soprepasar para no destruir el dispositivo. El parametro de la potencia disipada por el transistor es especialmente crítico con la temperatura, de modo que esta potencia disminuye a medida que crece el valor de la temperatura, siendo a veces necesario la instalacion de un radiador o aleta refrigeradora. Todos estos valores críticos los proporcionan los fabricantes en las hojas de características de los distintos dispositivos. Una forma de identificar un transistor NPN o PNP es mediante un polímetro: Este dispone de dos orificios para insertar el transistor, uno para un NPN y otro para el PNP. Para obtener la medida de la ganancia es necesario insertarlo en su orificio apropiado, con lo que queda determinado si es un NPN o un PNP.

Zonas de funcionamiento del transistor bipolar:

1. ACTIVA DIRECTA: El transistor sólo amplifica en esta zona, y se comporta como una fuente de corriente constante controlada por la intensidad de base (ganancia de corriente). Este parámetro lo suele proporcionar el fabricante dandonos un máximo y un mínimo para una corriente de colector dada (Ic); además de esto, suele presentar una variación acusada con la temperatura y con la corriente de colector, por lo que en principio no podemos conocer su valor. Algunos polímetros son capaces de medir este parámetro pero esta medida hay que tomarla solamente como una indicación, ya que el polímetro mide este parámetro para un valor de corriente de colector distinta a la que circulará por el BJT una vez en el circuito.
2. SATURACIÓN: En esta zona el transistor es utilizado para aplicaciones de conmutación (potencia, circuitos digitales, etc.), y lo podemos considerar como un cortocircuito entre el colector y el emisor.
3. CORTE: el transistor es utilizado para aplicaciones de conmutación (potencia, circuitos digitales, etc.), y podemos considerar las corrientes que lo atraviesan practicamente nulas (y en especial Ic).
4. ACTIVA INVERSA: Esta zona se puede considerar como carente de interés.

El transistor PNP es complemento del NPN de forma que todos los voltajes y corrientes son opuestos a los del transistor NPN.

Para encontrar el circuito PNP complementario:

1. Se sustituye el transistor NPN por un PNP.
2. Se invierten todos los voltajes y corrientes.

Cuando seleccionamos un transistor tendremos que conocer el tipo de encapsulado, así como el esquema de identificación de los terminales. También tendremos que conocer una serie de valores máximos de tensiones, corrientes y potencias que no debemos soprepasar para no destruir el dispositivo. El parámetro de la potencia disipada por el transistor es especialmente crítico con la temperatura, de modo que esta potencia decrece a medida que aumenta el valor de la temperatura, siendo a veces necesario la instalacion de un radiador o aleta refrigeradora. Todos estos valores críticos los proporcionan los fabricantes en las hojas de características de los distintos dispositivos.

Zonas de funcionamiento del transistor de efcto de campo (FET):

1. ZONA ÓHMICA o LINEAL: En esta zona el transistor se comporta como una resistenci variable dependiente del valor de VGS.Un parámetro que aporta el fabricante es la resistencia que presenta el dispositivo para VDS=0 (rds on), y distintos valores de VGS.
2. ZONA DE SATURACIÓN: En esta zona es donde el transistor amplifica y se comporta como una fuente de corriente gobernada por VGS
3. ZONA DE CORTE: La intensidad de drenador es nula (ID=0).

A diferencia del transistor BJT, los terminales drenador y surtidor del FET pueden intercambiar sus papeles sin que se altere apreciablemente la característica V-I (se trata de un dispositivo simétrico).

La operación de un FET de CANAL P es complementaria a la de un FET de CANAL N, lo que sigmifica que todos los voltajes y corrientes son de sentido contrario.

Entre las principales aplicaciones de este dispositivo podemos destacar: 

La necesidad de amplificar las señales es casi una necesidad constante en la mayoría de los sistemas electrónicos. En este proceso, los transistores desarrollan un papel fundamental, pues bajo ciertas condiciones, pueden entregar a una determinada carga una potencia de señal mayor que la que absorben.

El analisis de un amplificador mediante su asimilación a un cuadripolo (red de dos puertas), resulta interesante ya que permite caracterizarlo mediante una serie de parámetros relativamente simples que nos proporcionan información sobre su comportamiento.

De esta forma podemos definir los siguientes parámetros:

1. Ganancia de tensión (normalmente en decibelios): Av = Vo / Vi
2. Impedancia de entrada (ohmios): Zi = Vi / Ii
3. Impedancia de salida (ohmios): Zo = Vo / Io (para Vg = 0)
4. Ganancia de corriente (normalmente en decibelios): Ai = Io / Ii
5. Ganancia de potencia (normalmente en decibelios): Ap = Po / Pi

En cuanto a la frecuencia, los amplificadores dependen de ésta, de forma que lo que es válido para un margen de frecuencias no tiene porqué serlo necesariamente para otro. De todas formas, en todo amplificador existe un margen de frecuencias en el que la ganancia permanece practicamente constante (banda de paso del amplificador).

El margen dinámico de un amplificador es la mayor variación simétrica de la señal que es capaz de presentar sin distorsión a la salida; normalmente expresado en voltios de pico (Vp) o voltios pico-pico (Vpp).

El amplificador operacional es uno de los circuitos integrados más importantes y usados en las aplicaciones analógicas. Tiene como ventajas más interesantes su bajo coste, su pequeño tamaño y su versatilidad, que permite un uso generalizado en amplificación, filtros, computación analógica, comparación, rectificación, etc..

Un amplificador operacional (desde ahora AO) tiene básicamente tres terminales, tal y como vemos en la ilustración. Estos son las dos entradas (una negativa y otra positiva) y la salida. Por supuesto tiene otros terminales como los destinados a su alimentación y compensación.

Según observamos en el modelo, el AO se puede representar por una impedancia de entrada (muy alta), otra de salida (baja) y una ganancia de voltaje (muy alta). A continuación vemos una tabla con los parámetros típicos de los AO.

Según observamos en el modelo anterior, el AO se puede representar por una impedancia de entrada (muy alta), otra de salida (baja) y una ganancia de voltaje (muy alta). A continuación vemos una tabla con los parámetros típicos de los AO.