Inversor AC to DC

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  • 1. Tercer Parcial Electrónica de Potencia Circuito Conversor de DC a AC1.- IntroducciónLa Electrónica de Potencia es una de las ramas de la Electrónica que más se hadesarrollado en los últimos años. Ello se puede atribuir, entre otras cosas, a la invencióndel tiristor en el inicio de la década de los años 60. Las limitaciones de tamaño,fragilidad mecánica y, sobretodo excesivos tiempos de des ionización, no permitieron alas válvulas de vacío, empleadas en el pasado, ser competitivas en muchas aplicacionesfrente, por ejemplo, a grupos motor-generador.Con el creciente número y variedades de circuitos y equipos electrónicos en diversasáreas de aplicación, hoy en día la Electrónica de Potencia es muy importante, dado quees el campo de la ingeniería responsable de la conversión de la energía eléctrica. Enotras palabras, la Electrónica de Potencia es la disciplina que estudia los sistemas depotencia, encargados de realizar la transformación de la energía eléctrica en sus distintasformas (corriente continua, corriente alterna).2.- Objetivos2.1.- Objetivo General  Implementar un circuito de electrónica de potencia capaz de transformar la corriente continua en corriente alterna, mediante dispositivos de potencia2.2.- Objetivos específicos  Investigar acerca de un circuito de conversión de electrónica de Potencia.  Implementar el circuito.  Verificar el buen funcionamiento del circuito.  Mostrar los resultados de manera gráfica.  Elaborar un documento del trabajo.3.- Marco teórico3.1.- Electrónica de PotenciaCon el creciente número y variedades de circuitos y equipos electrónicos en diversasáreas de aplicación, hoy en día la Electrónica de Potencia es muy importante, dado quees el campo de la ingeniería responsable de la conversión de la energía eléctrica. Enotras palabras, la Electrónica de Potencia es la disciplina que estudia los sistemas depotencia, encargados de realizar la transformación de la energía eléctrica en sus distintasformas (corriente continua, corriente alterna).La mayor flexibilidad y controlabilidad de los dispositivos electrónicossemiconductores hace que se apliquen para resolver procesos cada vez más complejos.Un equipo electrónico de potencia consta fundamentalmente de dos partes: 1. Un circuito de Potencia, compuesto de semiconductores de potencia yelementos pasivos, que conecta la fuente primaria de alimentación con la carga. 1
  • 2. 2. Un circuito de control, que procesa la información proporcionada por elcircuito de potencia y genera las señales de excitación que determinan el estado de lossemiconductores, controlados con una fase y secuencia conveniente.En la Electrónica de Potencia, el objetivo principal es conseguir un elevado rendimientoen la transformación de energía. Para ello, se utilizan dispositivos semiconductores quetrabajan en conmutación, a modo de interruptores. Para obtener un rendimiento elevado,se evita que los semiconductores trabajen en la zona lineal. Los semiconductores,trabajando en conmutación, deben cumplir las siguientes características: • Tener 2 estados claramente definidos, uno de alta impedancia (bloqueo) y otro de baja impedancia (conducción). • Poder controlar el paso de un estado a otro con facilidad y con reducida potencia de control. • Ser capaces de soportar altas tensiones cuando están bloqueados y elevadas intensidades, con pequeñas caídas de tensión entre sus extremos, cuando están en conducción. • Rapidez de funcionamiento para pasar de un estado a otro.Así podemos definir la Electrónica de Potencia de la siguiente manera: Electrónica dePotencia es la parte de la electrónica encargada del estudio de dispositivos, circuitos,sistemas y procedimientos para el procesado, control y conversión de la energíaeléctrica.Podemos decir que se requieren sistemas electrónicos de potencia, por las siguientesrazones, entre otras: • La forma en que se suministra la energía no coincide con la forma en que se desea consumir. Por ejemplo, imagínese la alimentación de un ordenador personal, en el que sus circuitos necesitan alimentación de tensión continua de 3V, 5V, -5V, 12V y –12V, pero se parte de la red monofásica alterna (240V, 50Hz). Evidentemente es necesario disponer de un sistema electrónico que transforme dicha energía para adaptarla a las necesidades del equipo que se está alimentando. • En determinadas aplicaciones resulta rentable cambiar la forma de la energía, por ejemplo, para transmitirla. Es el caso de la transmisión de energía en corriente continua (CC) trabajando en alta tensión, conocida como transmisión HVDC (“High Voltage Direct Current”). • No se puede hacer de otra forma. Supóngase por ejemplo el sistema dealimentación de un satélite. Éste está formado por baterías, las cuales pueden cargarse mediante paneles solares. En este caso es necesario un sistema electrónico que adapte dichas necesidades. • Se requieren nuevas prestaciones por parte de los consumidores de energía. Por ejemplo, el caso de la conversión de una tensión alterna CA fija que llega a una industria proveniente directamente de una subestación, en una tensión variable en amplitud y frecuencia, necesaria para el control de la velocidad y posición del accionamiento de los motores de una cinta transportadora. Como se puede notar en este último ejemplo, la Electrónica de Potencia es un área multidisciplinar, ya que para el desarrollo de dicha aplicación se debe tener conocimiento de máquinas (motor CA), de automática (control) y de electrónica. 2
  • 3. Por tanto, cuando se habla en EP, se habla necesariamente de: • POTENCIA, refiriéndose a equipos para operación y distribución de potencia eléctrica. • ELECTRÓNICA, refiriéndose a dispositivos de estado sólido y circuitos de procesado de señal para alcanzar los objetivos de control deseados. • CONTROL, refiriéndose a las características estáticas y dinámicas de sistemas de control en lazo cerrado.3.2.- ResistenciaCualquier material natural ofrece oposición al paso de la corriente eléctrica a través deella. Este efecto se llama resistividad.Los materiales conductores presentan una resistividad casi nula, los aislantes nopermiten el flujo de corriente y los resistivos presentan cierta resistencia. Lasresistencias son componentes eléctricos pasivos en lo que la tensión que se les aplica esproporcional a la intensidad que circula por ellos.Generalmente la resistencia de un material aumenta cuando crece la temperatura.También la resistencia de conductor es proporcional a la longitud de ésta e inversamenteproporcional a su sección.Hay que puntualizar, para que no haya malos entendidos, que a veces llamarlasresistencias se le denominan resistores.La medición en resistencias se hace en ohmios, su símbolo que es este  =3.2.1.- Características de la ResistenciasTodas las resistencias tienen una tolerancia, esto es el margen de valores que rodean elvalor nominal y en el que se encuentra el valor real de la resistencia. Su valor vienedeterminado por un porcentaje que va desde 0.001% hasta 20% el más utilizada es el de10%. Esta tolerancia viene marcada por un código de colores. 3
  • 4. Las resistencias tienen un coeficiente de temperatura, este valor dependerá de latemperatura que alcance la resistencia cuando empiece a circular el flujo de electrones.Como cualquier elemento eléctrico y electrónico tiene un rango de trabajo y por tantoun límite de funcionamiento que vendrá determinado por su capacidad de disipar calor,la tensión y por su temperatura máxima; por tanto será la temperatura máxima con lacual podrá trabajar sin deteriorarse.Tiene también un coeficiente de tensión que limitará el paso de la corriente eléctricaentre sus dos extremos que será la variación relativa de cambio de tensión al que sesometa.Un factor también importante es el ruido que se debe a los cambios repentinos deaumento y disminución de corrientes continuos. La capacidad de la resistencia es lacapacidad de mantener en el transcurso del tiempo el valor nominal de la resistenciaserá sometido a los cambios ambientales, largos periodos del funcionamiento que nodeberá afectarla para nada.Los materiales empleados para la fabricación de las resistencias son muy variados perolos más comunes son aleaciones de cobre, níquel y zinc en diversas proporciones decada uno lo que hará variar la resistividad. Quien determinará un aumento de estaresistividad será el níquel, ya que si la aleación lleva porcentaje alto de éste, laresistencia tendrá gran resistividad.Las aleaciones de cobre níquel y níquel-hierro tiene una resistividad de 10 a 30 vecesmayor que el cobre y las aleaciones de níquel-cromo serán de 60 a 70 veces mayor quelas de cobre y con un gran comportamiento en temperaturas elevadas.También se puede utilizar el carbono ya que su resistividad entre 400 y 2.400 veces ladel cobre, por este motivo se utiliza en las escobillas de los motores eléctricos.3.2.2.- Código de ColoresHay varios tipos de resistencias vienen determinados por una representación de códigosde colores. Esto se realiza por medio de la estampación de unos anillos de colores en elcuerpo de la resistencia.Estos anillos son cuatro o cinco y vienen especificados según se muestra en lasilustraciones. 4
  • 5. 3.2.3.- Tipos de ResistenciasHay varios tipos de resistencias pero en definitiva se agrupan en fijas y variables. Lasfijas se denominan de esta forma:  Bobinadas.Suelen venir así para disipar potencia. Se fabrican sobre una base aislante en formacilíndrica para enrollar un hilo de alta resistividad (wolframio, manganina, constatán).La longitud y sección del hilo darán su resistividad juntamente con la composición deéste. Suelen venir marcadas en la superficie y se utilizan para las grandes potencias perocon el inconveniente de ser inductivas.  Aglomeradas.Están realizadas de una pasta con granos muy finos de grafito. Estas son de las másutilizadas. Sus valores vienen determinados por el código de colores.Al igual que las bobinadas constan de un hilo enrollado pero se le somete a un procesode vitrificación a alta temperatura (barniz especial) cuyo cometido es proteger el hiloresistivo y evitar que entren en contacto las espiras enrolladas. Es en este barniz dondese marca el código de colores.  Película de Carbono.Se pone una fina capa de pasta de grafito encima de una base cilíndrica de cerámica. Lasección y su composición determinarán el valor de la resistencia. 5
  • 6.  Pirolíticas.Son muy parecidas a las anteriores, pero con una película de carbón rayada en forma dehélice para ajustar el valor de la resistencia. Son inductivas.El otro tipo de resistencias son variables, nos interesa obtener una resistencia cuyo valorpueda variarse según la aplicación. Se fabrican bobinadas o de grafito, deslizantes ogiratorias.3.2.4.- TermistorUn termistor es un sensor resistivo de temperatura. Su funcionamiento se basa en lavariación de la resistividad que presenta un semiconductor con la temperatura. Eltérmino termistor proviene de Thermally Sensitive Resistor. Existen dos tipos determistor: · NTC (Negative Temperature Coefficient) – coeficiente de temperatura negativo · PTC (Positive Temperature Coefficient) – coeficiente de temperatura positivo3.2.4.1.- CaracterísticasSu funcionamiento se basa en la variación de la resistencia de un semiconductor con latemperatura, debido a la variación de la concentración de portadores. Para lostermistores NTC, al aumentar la temperatura, aumentará también la concentración deportadores, por lo que la resistencia será menor, de ahí que el coeficiente sea negativo.Para los termistores PTC, en el caso de un semiconductor con un dopado muy intenso,éste adquirirá propiedades metálicas, tomando un coeficiente positivo en un margen detemperatura limitado. Usualmente, los termistores se fabrican a partir de óxidossemiconductores, tales como el óxido férrico, el óxido de níquel, o el óxido de cobalto.Sin embargo, a diferencia de los sensores RTD, la variación de la resistencia con latemperatura es no lineal. Para un termistor NTC, la característica es hiperbólica. Parapequeños incrementos de temperatura, se darán grandes incrementos de resistencia. Porejemplo, el siguiente modelo caracteriza la relación entre la temperatura y la resistenciamediante dos parámetros:Dónde:  RT es la resistencia del termistor NTC a la temperatura T (K)  R0 es la resistencia del termistor NTC a la temperatura de referencia T0 (K)  B es la temperatura característica del material, entre 2000 K y 5000 KPor analogía a los sensores RTD, podría definirse un coeficiente de temperaturaequivalente α, que para el modelo de dos parámetros quedaría:Puede observarse como el valor de este coeficiente varía con la temperatura. Porejemplo, para un termistor NTC con B = 4000 K y T = 25 °C, se tendrá un coeficiente 6
  • 7. equivalente α = -0.045 K − 1, que será diez veces superior a la sensibilidad de un sensorPt100 con α = 0.00385 K − 1.El error de este modelo en el margen de 0 a 50 °C es del orden de ±0.5 °C. Existenmodelos más sofisticados con más parámetros que dan un error de aproximación aúnmenor.En la siguiente figura se muestra la relación tensión – corriente de un termistor NTC, enla que aparecen los efectos del autocalentamiento.A partir del punto A, los efectos del autocalentamiento se hacen más evidentes. Unaumento de la corriente implicará una mayor potencia disipada en el termistor,aumentando la temperatura de éste y disminuyendo su resistencia, dejando de aumentarla tensión que cae en el termistor. A partir del punto B, la pendiente pasa a ser negativa.3.3.- PotenciómetroUn potenciómetro es un resistor cuyo valor de resistencia es variable. De esta manera,indirectamente, se puede controlar la intensidad de corriente que fluye por un circuito sise conecta en paralelo, o la diferencia de potencial al conectarlo en serie.Normalmente, los potenciómetros se utilizan en circuitos de poca corriente. Paracircuitos de corrientes mayores, se utilizan los reóstatos, que pueden disipar máspotencia.3.3.1.- TiposExisten dos tipos de potenciómetros según su construcción:  Potenciómetros impresos, realizados con una pista de carbón o de cermet sobre un soporte duro como papel baquelizado, fibra, alúmina, etc. La pista tiene sendos contactos en sus extremos y un cursor conectado a un patín que se desliza por la pista resistiva.  Potenciómetros petados. Consiste en un arrollamiento toroidal de un hilo resistivo (por ejemplo, constantán) con un cursor que mueve un patín sobre el mismo.Según su aplicación se distinguen varios tipos:  Potenciómetros de mando. Son adecuados para su uso como elemento de control en los aparatos electrónicos. El usuario acciona sobre ellos para variar los parámetros normales de funcionamiento. Por ejemplo, el volumen de una radio.  Potenciómetros de ajuste. Controlan parámetros pre ajustados, normalmente en fábrica, que el usuario no suele tener que retocar, por lo que no suelen ser accesibles desde el exterior. Existen tanto encapsulados en plástico como sin cápsula, y se suelen distinguir potenciómetros de ajuste vertical, cuyo eje de giro es vertical, y potenciómetros de ajuste horizontal, con el eje de giro paralelo al circuito impresoSegún la ley de variación de la resistencia R = ρ(θ): 7
  • 8.  Potenciómetros lineales. La resistencia es proporcional al ángulo de giro.  Logarítmicos. La resistencia depende logarítmicamente del ángulo de giro.  Senoidales. La resistencia es proporcional al seno del ángulo de giro. Dos potenciómetros senoidales solidarios y girados 90° proporcionan el seno y el coseno del ángulo de giro. Pueden tener topes de fin de carrera o no.  Antilogarítmicos En los potenciómetros impresos la ley de resistencia se consigue variando la anchura de la pista resistiva, mientras que en los bobinados se ajusta la curva a tramos, con hilos de distinto grosor.Potenciómetros multivuelta. Para un ajuste fino de la resistencia existen potenciómetrosmultivuelta, en los que el cursor va unido a un tornillo desmultiplicador, de modo quepara completar el recorrido necesita varias vueltas del órgano de mando.  Potenciómetros rotatorios. Se controlan girando su eje. Son los más habituales pues son de larga duración y ocupan poco espacio.  Potenciómetros deslizantes. La pista resistiva es recta, de modo que el recorrido del cursor también lo es. Han estado de moda hace unos años y se usa, sobre todo, en ecualizadores gráficos, pues la posición de sus cursores representa la respuesta del ecualizador. Son más frágiles que los rotatorios y ocupan más espacio. Además suelen ser más sensibles al polvo.  Potenciómetros múltiples. Son varios potenciómetros con sus ejes coaxiales, de modo que ocupan muy poco espacio. Se utilizaban en instrumentación, autorradios, etc.  Potenciómetros digitales Se llama potenciómetro digital a un circuito integrado cuyo funcionamiento simula el de un potenciómetro Analógico. Se componen de un divisor resistivo de n+1 resistencias, con sus n puntos intermedios conectados a un multiplexor analógico que selecciona la salida. Se manejan a través de una interfaz serie (SPI, I2C, Microwire, o similar). Suelen tener una tolerancia en torno al 20% y a esto hay que añadirle la resistencia debida a los switches internos, conocida como Rwiper. Los valores más comunes son de 10K y 100K aunque varía en función del fabricante con 32, 64, 128, 512 y 1024 posiciones en escala logarítmica o lineal. Los principales fabricantes son Maxim, Intersil y Analog Devices. Estos dispositivos poseen las mismas limitaciones que los conversores DAC como son la corriente máxima que pueden drenar, que está en el orden de los mA, la INL y la DNL, aunque generalmente son monotónicos. 8
  • 9. 3.4.- DiodoUn diodo (del griego "dos caminos") es un dispositivo semiconductor que permite elpaso de la corriente eléctrica en una única dirección con características similares a uninterruptor. De forma simplificada, la curva característica de un diodo (I-V) consta dedos regiones: por debajo de cierta diferencia de potencial, se comporta como un circuitoabierto (no conduce), y por encima de ella como un corto circuito con muy pequeñaresistencia eléctrica.Debido a este comportamiento, se les suele denominar rectificadores, ya que sondispositivos capaces de convertir una corriente alterna en corriente continua. Suprincipio de funcionamiento está basado en los experimentos de Lee De Forest.Los primeros diodos eran válvulas grandes en chips o tubos de vacío, también llamadasválvulas termoiónicas constituidas por dos electrodos rodeados de vacío en un tubo decristal, con un aspecto similar al de las lámparas incandescentes.El invento fue realizado en 1904 por John Ambrose Fleming, de la empresa Marconi,basándose en observaciones realizadas por Thomas Alva Edison.- Al igual que laslámparas incandescentes, los tubos de vacío tienen un filamento (el cátodo) a través delque circula la corriente, calentándolo por efecto Joule. El filamento está tratado conóxido de bario, de modo que al calentarse emite electrones al vacío circundante;electrones que son conducidos electrostáticamente hacia una placa característicacurvada por un muelle doble cargada positivamente (el ánodo), produciéndose así laconducción. Evidentemente, si el cátodo no se calienta, no podrá ceder electrones. Poresa razón los circuitos que utilizaban válvulas de vacío requerían un tiempo para que lasválvulas se calentaran antes de poder funcionar y las válvulas se quemaban con muchafacilidad.Tipos de válvula diodo  Diodo de alto vacío  Diodo de gas  Rectificador de mercurio3.4.1.- Diodo pn o Unión pnLos diodos pn, son uniones de dos materiales semiconductores extrínsecos tipos p y n,por lo que también reciben la denominación de unión pn. Hay que destacar que ningunode los dos cristales por separado tiene carga eléctrica, ya que en cada cristal, el númerode electrones y protones es el mismo, de lo que podemos decir que los dos cristales,tanto el p como el n, son neutros. (Su carga neta es 0). 9
  • 10. Al unir ambos cristales, se manifiesta una difusión de electrones del cristal n al p (Je).Al establecerse estas corrientes aparecen cargas fijas en una zona a ambos lados de launión, zona que recibe diferentes denominaciones como zona de carga espacial, deagotamiento, de deplexión, de vaciado, etc. A medida que progresa el proceso dedifusión, la zona de carga espacial va incrementando su anchura profundizando en loscristales a ambos lados de la unión. Sin embargo, la acumulación de iones positivos enla zona n y de iones negativos en la zona p, crea un campo eléctrico (E) que actuarásobre los electrones libres de la zona n con una determinada fuerza de desplazamiento,que se opondrá a la corriente de electrones y terminará deteniéndolos.Este campo eléctrico es equivalente a decir que aparece una diferencia de tensión entrelas zonas p y n. Esta diferencia de potencial (V0) es de 0,7 V en el caso del silicio y 0,3V si los cristales son de germanio. La anchura de la zona de carga espacial una vezalcanzado el equilibrio, suele ser del orden de 0,5 micras pero cuando uno de loscristales está mucho más dopado que el otro, la zona de carga espacial es mucho mayor.Al dispositivo así obtenido se le denomina diodo, que en un caso como el descrito, talque no se encuentra sometido a una diferencia de potencial externa, se dice que no estápolarizado. Al extremo p, se le denomina ánodo, representándose por la letra A,mientras que la zona n, el cátodo, se representa por la letra C (o K). Existen tambiéndiodos de protección térmica los cuales protegen son capaces de proteger cables. 10
  • 11. 3.4.2.- PolarizaciónCuando se somete al diodo a una diferencia de tensión externa, se dice que el diodo estápolarizado, pudiendo ser la polarización directa o inversa3.4.2.1.- Polarización DirectaEn este caso, la batería disminuye la barrera de potencial de la zona de carga espacial,permitiendo el paso de la corriente de electrones a través de la unión; es decir, el diodopolarizado directamente conduce la electricidad.Para que un diodo esté polarizado directamente, tenemos que conectar el polo positivode la batería al ánodo del diodo y el polo negativo al cátodo. En estas condicionespodemos observar que:  El polo negativo de la batería repele los electrones libres del cristal n, con lo que estos electrones se dirigen hacia la unión p-n. 11
  • 12.  El polo positivo de la batería atrae a los electrones de valencia del cristal p, esto es equivalente a decir que empuja a los huecos hacia la unión p-n.  Cuando la diferencia de potencial entre los bornes de la batería es mayor que la diferencia de potencial en la zona de carga espacial, los electrones libres del cristal n, adquieren la energía suficiente para saltar a los huecos del cristal p, los cuales previamente se han desplazado hacia la unión p-n.  Una vez que un electrón libre de la zona n salta a la zona p atravesando la zona de carga espacial, cae en uno de los múltiples huecos de la zona p convirtiéndose en electrón de valencia.  Una vez ocurrido esto el electrón es atraído por el polo positivo de la batería y se desplaza de átomo en átomo hasta llegar al final del cristal p, desde el cual se introduce en el hilo conductor y llega hasta la batería.De este modo, con la batería cediendo electrones libres a la zona n y atrayendoelectrones de valencia de la zona p, aparece a través del diodo una corriente eléctricaconstante hasta el final.3.4.2.2.- Inversa 12
  • 13. En este caso, el polo negativo de la batería se conecta a la zona p y el polo positivo a lazona n, lo que hace aumentar la zona de carga espacial, y la tensión en dicha zona hastaque se alcanza el valor de la tensión de la batería, tal y como se explica a continuación:· El polo positivo de la batería atrae a los electrones libres de la zona n, los cuales salendel cristal n y se introducen en el conductor dentro del cual se desplazan hasta llegar a labatería. A medida que los electrones libres abandonan la zona n, los átomospentavalentes que antes eran neutros, al verse desprendidos de su electrón en el orbitalde conducción, adquieren estabilidad (8 electrones en la capa de valencia, versemiconductor y átomo) y una carga eléctrica neta de +1, con lo que se convierten eniones positivos.El polo negativo de la batería cede electrones libres a los átomos trivalentes de la zonap. Recordemos que estos átomos sólo tienen 3 electrones de valencia, con lo que unavez que han formado los enlaces covalentes con los átomos de silicio, tienen solamente7 electrones de valencia, siendo el electrón que falta el denominado hueco. El caso esque cuando los electrones libres cedidos por la batería entran en la zona p, caen dentrode estos huecos con lo que los átomos trivalentes adquieren estabilidad (8 electrones ensu orbital de valencia) y una carga eléctrica neta de -1, convirtiéndose así en ionesnegativos.· Este proceso se repite una y otra vez hasta que la zona de carga espacial adquiere elmismo potencial eléctrico que la batería.En esta situación, el diodo no debería conducir la corriente; sin embargo, debido alefecto de la temperatura se formarán pares electrón-hueco (ver semiconductor) a amboslados de la unión produciendo una pequeña corriente (del orden de 1 µA) denominadacorriente inversa de saturación. Además, existe también una denominada corrientesuperficial de fugas la cual, como su propio nombre indica, conduce una pequeñacorriente por la superficie del diodo; ya que en la superficie, los átomos de silicio noestán rodeados de suficientes átomos para realizar los cuatro enlaces covalentesnecesarios para obtener estabilidad. Esto hace que los átomos de la superficie del diodo,tanto de la zona n como de la p, tengan huecos en su orbital de valencia con lo que loselectrones circulan sin dificultad a través de ellos. No obstante, al igual que la corrienteinversa de saturación, la corriente superficial de fuga es despreciable.3.4.3.- Curva de RespuestaUn diodo es un dispositivo electrónico de dos terminales cuya respuesta tensión-corriente es no lineal. Un diodo ideal es aquel que permite el flujo de corriente endirecta y lo impide en inversa. En cambio, en un diodo real la diferencia de potencial(umbral) es no nula y depende del material semiconductor del diodo. A temperaturaambiente, en los diodos de germanio el umbral es aproximadamente 0, 3V mientras queen los diodos de silicio es aproximadamente 0, 7V.Es interesante destacar, que en la curva característica de un diodo real, una pequeñacorriente circula en polarización inversa. Esta corriente es denominada corriente de fugay es principalmente causada por las impurezas (no buscadas) en el material. Tambiénpuede notarse una región, a la que se denomina tensión de ruptura, que corresponde a latensión máxima con la que se puede polarizar en inversa el diodo. Este valor de tensiónpor lo general es del orden de los 50V. 13
  • 14. Existen distintos tipos de diodos: los diodos Zener, los diodos optoelectrónicos,Schottky, varicap, etc. Los diodos Zener, contrariamente a los diodos comunesanteriormente descriptos, son diodos que han sido especialmente diseñados para quefuncionen en la zona de ruptura. El diodo Zener también es llamado diodo de avalanchay su principal utilización es en reguladores de tensión.3.5.- CapacitoresSe llama capacitor a un dispositivo que almacena carga eléctrica. El capacitor estáformado por dos conductores próximos uno a otro, separados por un aislante, de talmodo que puedan estar cargados con el mismo valor, pero con signos contrarios.En su forma más sencilla, un capacitor está formado por dos placas metálicas oarmaduras paralelas, de la misma superficie y encaradas, separadas por una lámina noconductora o dieléctrico. Al conectar una de las placas a un generador, ésta se carga einduce una carga de signo opuesto en la otra placa. Por su parte, teniendo una de lasplacas cargada negativamente (Q-) y la otra positivamente (Q+) sus cargas son iguales yla carga neta del sistema es 0, sin embargo, se dice que el capacitor se encuentracargado con una carga Q.Los capacitores pueden conducir corriente continua durante sólo un instante (por lo cualpodemos decir que los capacitores, para las señales continuas, es como uncortocircuito), aunque funcionan bien como conductores en circuitos de corrientealterna. Es por esta propiedad lo convierte en dispositivos muy útiles cuando se debeimpedir que la corriente continua entre a determinada parte de un circuito eléctrico, perosi queremos que pase la alterna.Los capacitores se utilizan junto con las bobinas, formando circuitos en resonancia, enlas radios y otros equipos electrónicos. Además, en los tendidos eléctricos se utilizangrandes capacitores para producir resonancia eléctrica en el cable y permitir latransmisión de más potencia.Además son utilizados en: Ventiladores, motores de Aire Acondicionado, enIluminación, Refrigeración, Compresores, Bombas de Agua y Motores de CorrienteAlterna, por la propiedad antes explicada. 14
  • 15. Los capacitores se fabrican en gran variedad de formas y se pueden mandar a hacer deacuerdo a las necesidades de cada uno. El aire, la mica, la cerámica, el papel, el aceite yel vacío se usan como dieléctricos, según la utilidad que se pretenda dar al dispositivo.Pueden estar encapsulados en baquelita con válvula de seguridad, sellados, resistentes ala humedad, polvo, aceite; con terminales para conector hembra y/o soldadura. Tambiénexisten los capacitores de Marcha o Mantenimiento los cuales están encapsulados enmetal. Generalmente, todos los Capacitores son secos, esto quiere decir que sonfabricados con cintas de plástico metalizado, autoregenerativos, encapsulados enplástico para mejor aislamiento eléctrico, de alta estabilidad térmica y resistentes a lahumedad.El primer capacitor es la botella de Leyden, el cual es un capacitor simple en el que lasdos placas conductoras son finos revestimientos metálicos dentro y fuera del cristal dela botella, que a su vez es el dieléctrico. La magnitud que caracteriza a un capacitor essu capacidad, cantidad de carga eléctrica que puede almacenar a una diferencia depotencial determinado.La botella de Leyden, uno de los capacitores más simples, almacena una carga eléctricaque puede liberarse, o descargarse, juntando sus terminales, mediante una varillaconductora. La primera botella de Leyden se fabricó alrededor de 1745, y todavía seutiliza en experimentos de laboratorio.Para un capacitor se define su capacidad como la razón de la carga que posee uno de losconductores a la diferencia de potencial entre ambos, es decir, la capacidad esproporcional a la carga e inversamente proporcional a la diferencia de potencial:C = Q / V, medida en Farad (F).La diferencia de potencial entre estas placas es igual a: V = E * d ya que depende de laintensidad de campo eléctrico y la distancia que separa las placas. También: V =q / e *d, siendo q carga por unidad de superficie y d la diferencia entre ellas. Para un capacitorde placas paralelas de superficie S por placa, el valor de la carga en cada una de ellases q * S y la capacidad del dispositivo: C = q * S / (q * d / e ) = e * S / dSiendo d la separación entre las placas.La energía acumulada en un capacitor será igual al trabajo realizado para transportar lascargas de una placa a la otra venciendo la diferencia de potencial existente ellas: D W = V * D q = (q / C) * D qLa energía electrostática almacenada en el capacitor será igual a la suma de todos estostrabajos desde el momento en que la carga es igual a cero hasta llegar a un valor dado dela misma, al que llamaremos Q. W = V * dq = ( 1 / C) * ( q * dq) = 1 / 2 (Q2 / C)Si ponemos la carga en función de la tensión y capacidad, la expresión de la energíaalmacenada en un capacitor será: W = 1/2 * C * V2 medida en unidades de trabajo.Dependiendo de superficie o área de las placas su fórmula de capacidad esC = e * A / 4p d, donde he es la constante dieléctrica. 15
  • 16. 3.5.1.- Tipos de Capacitores FijosEstos capacitores tienen una capacidad fija determinada por el fabricante y su valor nose puede modificar. Sus características dependen principalmente del tipo de dieléctricoutilizado, de tal forma que los nombres de los diversos tipos se corresponden con losnombres del dieléctrico usado.De esta forma podemos distinguir los siguientes tipos:  Cerámicos.  Plástico.  Mica.  Electrolíticos.  De doble capa eléctrica.Capacitores cerámicosEl dieléctrico utilizado por estos capacitores es la cerámica, siendo el material másutilizado el dióxido de titanio. Este material confiere al condensador grandesinestabilidades por lo que en base al material se pueden diferenciar dos grupos:Grupo I: caracterizados por una alta estabilidad, con un coeficiente de temperatura biendefinido y casi constante.Grupo II: su coeficiente de temperatura no está prácticamente definido y además depresentar características no lineales, su capacidad varía considerablemente con latemperatura, la tensión y el tiempo de funcionamiento. Se caracterizan por su elevadapermitividad.Las altas constantes dieléctricas características de las cerámicas permiten ampliasposibilidades de diseño mecánico y eléctrico.Capacitores de plásticoEstos capacitores se caracterizan por las altas resistencias de aislamiento y elevadastempeeraturas de funcionamiento.Según el proceso de fabricación podemos diferenciar entre los de tipo k y tipo MK, quese distinguen por el material de sus armaduras (metal en el primer caso y metalvaporizado en el segundo).Según el dieléctrico usado se pueden distinguir estos tipos comerciales:KS: styroflex, constituidos por láminas de metal y poliestireno como dieléctrico.KP: formados por láminas de metal y dieléctrico de polipropileno.MKP: dieléctrico de polipropileno y armaduras de metal vaporizado.MKY: dieléctrco de polipropileno de gran calidad y láminas de metal vaporizado.MKT: láminas de metal vaporizado y dieléctrico de teraftalato de polietileno(poliéster).MKC: makrofol, metal vaporizado para las armaduras y policarbonato para eldieléctrico. 16
  • 17. A nivel orientativo estas pueden ser las características típicas de los capacitores deplástico: TIPO CAPACIDAD TOLERANCIA TENSION TEMPERATURA KS 2pF-330nF +/-0,5% +/-5% 25V-630V -55ºC-70ºC KP 2pF-100nF +/-1% +/-5% 63V-630V -55ºC-85ºC MKP 1,5nF-4700nF +/-5% +/-20% 0,25KV-40KV -40ºC-85ºC MKY 100nF-1000nF +/-1% +/-5% 0,25KV-40KV -55ºC-85ºC MKT 680pF-0,01mF +/-5% +/-20% 25V-630V -55ºC-100ºC MKC 1nF-1000nF +/-5% +/-20% 25V-630V -55ºC-100ºCCapacitores de micaEl dieléctrico utilizado en este tipo de capacitores es la mica o silicato de aluminio ypotasio y se caracterizan por bajas pérdidas, ancho rango de frecuencias y altaestabilidad con la temperatura y el tiempo.Capacitores electrolíticosEn estos capacitores una de las armaduras es de metal mientras que la otra estáconstituida por un conductor iónico o electrolito. Presentan unos altos valorescapacitivos en relación al tamaño y en la mayoría de los casos aparecen polarizados.Podemos distinguir dos tipos:  Electrolíticos de aluminio: la armadura metálica es de aluminio y el electrolito de tetraborato armónico.  Electrolíticos de tántalo: el dieléctrico está constituido por óxido de tántalo y nos encontramos con mayores valores capacitivos que los anteriores para un mismo tamaño. Por otra parte las tensiones nominales que soportan son menores que los de aluminio y su coste es algo más elevado.Capacitores de doble capa eléctricaEstos capacitores también se conocen como supercapacitores o CAEV debido a la grancapacidad que tienen por unidad de volumen. Se diferencian de los capacitoresconvencionales en que no usan dieléctrico por lo que son muy delgados. Lascaracterísticas eléctricas más significativas desde el punto de su aplicación como fuenteacumulada de energía son: altos valores capacitivos para reducidos tamaños, corrientede fugas muy baja, alta resistencia serie, y pequeños valores de tensión.3.5.2.- Identificación De CapacitoresVamos a disponer de un código de colores, cuya lectura varía según el tipo decondensador, y un código de marcas, particularizado en los mismos. Primerodeterminaremos el tipo de condensador (fijo o variable) y el tipo concreto dentro deestos.Las principales características que nos vamos a encontrar en los capacitores van a ser lacapacidad nominal, tolerancia, tensión y coeficiente de temperatura, aunquedependiendo de cada tipo traerán unas características u otras. 17
  • 18. En cuanto a las letras para la tolerancia y la correspondencia número-color del códigode colores, son lo mismo que para resistencias. Debemos destacar que la fuente másfiable a la hora de la identificación son las características que nos proporciona elfabricante.Capacitores cerámicos tipo placa, grupo 1 y 2.Capacitores cerámicos tipo disco, grupo 1. 18
  • 19. Capacitores cerámicos tipo disco, grupo 2.Capacitores cerámicos tubulares.CÓDIGO DE COLORES 19
  • 20. CÓDIGO DE MARCASCapacitores de plástico.CÓDIGO DE COLORES 20
  • 21. CÓDIGO DE MARCASCapacitores electrolíticosEstos capacitores siempre indican la capacidad en microfaradios y la máxima tensión detrabajo en voltios. Dependiendo del fabricante también pueden venir indicados otrosparámetros como la temperatura y la máxima frecuencia a la que pueden trabajar.Tenemos que poner especial atención en la identificación de la polaridad. Las formasmás usuales de indicación por parte de los fabricantes son las siguientes:Capacitores de tantalioActualmente estos capacitores no usan el código de colores (los más antiguos, sí). Conel código de marcas la capacidad se indica en microfaradios y la máxima tensión detrabajp en voltios. El terminal positivo se indica con el signo +: 21
  • 22. 3.6.- TransistoresEl transistor es un dispositivo electrónico semiconductor que cumple funcionesdeamplificador, oscilador, conmutador o rectificador. El término "transistor" es lacontracción eninglés de transfer resistor ("resistencia de transferencia"). Actualmente selos encuentraprácticamente en todos los enseres domésticos de uso diario: radios,televisores,grabadoras, 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.Vienen a sustituir a las antiguas válvulas termoiónicas de tres electrodos o tríodo,eltransistor bipolar fue inventado en los Laboratorios Bell de EE. UU. En diciembre de1947 porJohn Bardeen, Walter Houser Brattain y William Bradford Shockley, quienesfuerongalardonados con el Premio Nobel de Física en 1956. Gracias a ellos fue posiblelaconstrucción de receptores de radio portátiles llamados comúnmente"transistores",televisores que se encendían en un par de segundos, televisores en color...Antes deaparecer los transistores, los aparatos a válvulas tenían que trabajar contensiones bastantealtas, tardaban más de 30 segundos en empezar a funcionar, y enningún caso podíanfuncionar a pilas, debido al gran consumo que tenían.El transistor consta de un sustrato (usualmente silicio) y tres partes dopadasartificialmente(contaminadas con materiales específicos en cantidades específicos) queforman dosuniones bipolares, el emisor que emite portadores, el colector que los recibeo recolecta y latercera, que está intercalada entre las dos primeras, modula el paso dedichos portadores(base). A diferencia de las válvulas, el transistor es un dispositivocontrolado por corriente ydel que se obtiene corriente amplificada. En el diseño decircuitos a los transistores se lesconsidera un elemento activo, a diferencia de losresistores, capacitores e inductores que sonelementos pasivos. Su funcionamiento sólopuede explicarse mediante mecánica cuántica.De manera simplificada, la corriente que circula por el "colector" es funciónamplificada de laque se inyecta en el "emisor", pero el transistor sólo gradúa la corrienteque circula a travésde sí mismo, si desde una fuente de corriente continua se alimenta la"base" para que circulela carga por el "colector", según el tipo de circuito que se utilice.El factor de amplificaciónlogrado entre corriente de base y corriente de colector, sedenomina Beta del transistor.Otros parámetros a tener en cuenta y que son particulares de cada tipo de transistor son:Tensiones de ruptura de Colector Emisor, de Base Emisor, de Colector Base, PotenciaMáxima, disipación de calor, frecuencia de trabajo, y varias tablas donde se grafican losdistintos parámetros tales como corriente de base, tensión Colector Emisor, tensiónBase, Emisor, corriente de Emisor, etc. Los tres tipos de esquemas básicos parautilizaciónanalógica de los transistores son emisor común, colector común y basecomún.Modelos posteriores al transistor descrito, el transistor bipolar (transistores FET,MOSFET,JFET, CMOS, VMOS, etc.) no utilizan la corriente que se inyecta en elterminal de "base"para modular la corriente de emisor o colector, sino la tensiónpresente en el terminal depuerta o reja de control y gradúa la conductancia del canalentre los terminales de Fuente yDrenador. De este modo, la corriente de salida en lacarga conectada al Drenador (D) seráfunción amplificada de la Tensión presente entre laPuerta (Gate) y Fuente (Source). Sufuncionamiento es análogo al del tríodo, con lasalvedad que en el triodo los equivalentes aPuerta, Drenador y Fuente son Reja, Placa yCátodo. 22
  • 23. Los transistores de efecto de campo, son los que han permitido la integración a granescalaque disfrutamos hoy en día, para tener una idea aproximada pueden fabricarsevarios milesde transistores interconectados por centímetro cuadrado y en varias capassuperpuestasLos transistores de unión (uno de los tipos más básicos) tienen 3 terminales llamadosBase,Colector y Emisor, que dependiendo del encapsulado que tenga el transistorpueden estardistribuidos de varias formas3.6.1.- Tipos de transistores. SimbologíaExisten varios tipos que dependen de su proceso de construcción y de las aplicacionesalasque se destinan. Aquí abajo mostramos una tabla con los tipos de uso más frecuentey susimbología:  Transistor bipolar de unión (BJT)  Transistor de efecto de campo, de union (JFET)  Transistor de efecto de campo, de metal oxido semiconductor (MOSFET)  23
  • 24.  FototransistorTransistor de punta de contacto. Primer transistor que obtuvo ganancia, inventadoen1947 por J. Bardeen y W. Brattain. Consta de una base de germanio sobre la queseapoyan, muy juntas, dos puntas metálicas que constituyen el emisor y el colector.Lacorriente de emisor es capaz de modular la resistencia que se "ve" en el colector,deahí el nombre de "transfer resistor". Se basa en efectos de superficie, pococonocidosen su día. Es difícil de fabricar (las puntas se ajustaban a mano), frágil (ungolpe podíadesplazar las puntas) y ruidoso. Sin embargo convivió con el transistor deunión (W.Shockley, 1948) debido a su mayor ancho de banda. En la actualidadhadesaparecido.Transistor de unión bipolar, BJT por sus siglas en inglés, se fabrica básicamente sobreun monocristal de Germanio, Silicio o Arseniuro de Galio, que tienen cualidades desemiconductores, estado intermedio entre conductores como los metales y los aislantescomo el diamante. Sobre el sustrato de cristal, se contaminan en forma muycontroladatres zonas, dos de las cuales son del mismo tipo, NPN o PNP, quedandoformadas dosuniones NP.La zona N con elementos donantes de electrones (cargas negativas) y la zona Pdeaceptadores o "huecos" (cargas positivas). Normalmente se utilizan comoelementosaceptadores P al Indio (In), Aluminio (Al) o Galio (Ga) y donantes N alArsénico (As) oFósforo (P).La configuración de uniones PN, dan como resultado transistores PNP o NPN, donde laletraintermedia siempre corresponde a la característica de la base, y las otras dos alemisor y alcolector que, si bien son del mismo tipo y de signo contrario a la base, tienendiferentecontaminación entre ellas (por lo general, el emisor está mucho máscontaminado que elcolector).El mecanismo que representa el comportamiento semiconductor dependerá dedichascontaminaciones, de la geometría asociada y del tipo de tecnología decontaminación(difusión gaseosa, epitelial, etc.) y del comportamiento cuántico de launión. Fototransistor, sensible a la radiación electromagnética, en frecuencias cercanas alade la luz.· Transistor de unión unipolar.· Transistor de efecto de campo, FET, que controla la corriente en función deunatensión; tienen alta impedancia de entrada. 24
  • 25. Transistor de efecto de campo de unión, JFET, construido mediante una uniónPN.oTransistor de efecto de campo de compuerta aislada, IGFET, en el que lacompuerta seaísla del canal mediante un dieléctrico.§ Transistor de efecto de campo MOS, MOSFET, donde MOS significaMetal-Óxido-Semiconductor, en este caso la compuerta es metálica yestá separada del canalsemiconductor por una capa de óxido.Transistores y electrónica de potenciaCon el desarrollo tecnológico y evolución de la electrónica, la capacidad de losdispositivossemiconductores para soportar cada vez mayores niveles de tensión ycorriente ha permitidosu uso en aplicaciones de potenciaLos 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 alimentaciónconmutadas, control de lámparas, modulación por anchura de impulsos PWM)  Detección de radiación luminosa (fototransistores)  Se usan generalmente en electrónica analógica y en la electrónica digital como latecnología TTL o BICMOS.  Son empleados en conversores estáticos de potencia, controles para motores y llaves de alta potencia (principalmente inversores), aunque su principal uso está basado enla amplificación de corriente dentro de un circuito cerrado3.6.2.- Transistor bipolarEl transistor de unión bipolar (del inglés Bipolar Junction Transistor, o sus siglas BJTfueinventado en 1947) es un dispositivo electrónico de estado sólido consistente en dosunionesPN muy cercanas entre sí, que permite controlar el paso de la corriente a travésde susterminales. El transistor bipolar está formado por una unión PN y por otra NP,característicaque hace que un semiconductor de determinado tipo se encuentre entre dosde tipo opuestoal primero, como se muestra en la figura 1. Lo que se obtiene con estaconfiguración es unasección que proporciona cargas(de huecos o de electrones) que soncaptadas por otrasección a través de la sección media. El electrodo que proporciona lascargas es el emisor yel que las recoge es el colector. La base es la parte de en medio yforma las dos uniones,una con el colector y otra con el emisor. Además, la base controlala corriente en el colector.Este tipo de transistores recibe el nombre de transistores deunión.De esta manera quedan formadas tres regiones:  Emisor, que se diferencia de las otras dos por estar fuertemente dopada,comportándose como un metal.  Base, la intermedia, muy estrecha, que separa el emisor del colector.  Colector, de extensión mucho mayor. 25
  • 26. Cuando el transistor bipolar, fue considerado una revolución. Pequeño, rápido, fiable,pococostoso, sobrio en sus necesidades de energía, reemplazó progresivamente a laválvulatermoiónica durante la década de 1950, pero no del todo. En efecto, durante losaños 60,algunos fabricantes siguieron utilizando válvulas termoiónicas en equipos deradio de gamaalta, como Collins y Drake; luego el transistor desplazó a la válvula de lostransmisores perono del todo de los amplificadores de radiofrecuencia. Otrosfabricantes, de equipo de audioesta vez, como Fender, siguieron utilizando válvulastermoiónicas en amplificadores de audiopara guitarras.FuncionamientoEn una configuración normal, la unión emisor-base se polariza en directa y la uniónbasecolectoren inversa. Debido a la agitación térmica los portadores de carga del emisorpuedenatravesar la barrera de potencial emisor-base y llegar a la base. A su vez,prácticamentetodos los portadores que llegaron son impulsados por el campo eléctricoque existe entre labase y el colector.Un transistor NPN puede ser considerado como dos diodos con la región delánodocompartida. En una operación típica, la juntura base-emisor está polarizada endirecta y lajuntura base-colector está polarizada en inversa. En un transistor NPN, porejemplo, cuandouna tensión positiva es aplicada en la juntura base-emisor, el equilibrioentre los portadoresgenerados térmicamente y el campo eléctrico repelente de la regiónagotada sedesbalancea, permitiendo a los electrones excitados térmicamente inyectarseen la región dela base. Estos electrones "vagan" a través de la base, desde la región dealta concentracióncercana al emisor hasta la región de baja concentración cercana alcolector. Estos electronesen la base son llamados portadores minoritarios debido a quela base está dopada conmaterial P, los cuales generan "hoyos" como portadoresmayoritarios en la base.La región de la base en un transistor debe ser constructivamente delgada, para quelosportadores puedan difundirse a través de esta en mucho menos tiempo que la vidaútil delportador minoritario del semiconductor, para minimizar el porcentaje deportadores que serecombinan antes de alcanzar la juntura base-colector. El espesor de labase debe ser menoral ancho de difusión de los electrones.Control de tensión, carga y corrienteLa corriente colector-emisor puede ser vista como controlada por la corriente base-emisor(control de corriente), o por la tensión base-emisor (control de voltaje). Esto esdebido a larelación tensión-corriente de la juntura base-emisor, la cual es la curvatensión-corrienteexponencial usual de una juntura PN (es decir, un diodo).En el diseño de circuitos analógicos, el control de corriente es utilizado debido a que esaproximadamente lineal. Esto significa que la corriente de colector es aproximadamenteβ veces la corriente de la base. Algunos circuitos pueden ser diseñados asumiendo quelatensión base-emisor es aproximadamente constante, y que la corriente de colector es βveces la corriente de la base. No obstante, para diseñar circuitos utilizando TBJ conprecisióny confiabilidad, se requiere el uso de modelos matemáticos del transistor comoel modeloEbers-Moll.3.6.3.- 2N2222 26
  • 27. El 2N2222, también identificado como PN2222, es un transistor bipolar NPN de bajapotencia de uso general.Sirve tanto para aplicaciones de amplificación como de conmutación. Puede amplificarpequeñas corrientes a tensiones pequeñas o medias; por lo tanto, sólo puede tratarpotencias bajas (no mayores de medio vatio). Puede trabajar a frecuenciasmedianamente altas.Por todas esas razones, es un transistor de uso general, frecuentemente utilizados enaplicaciones de radio por los constructores aficionados de radios. Es uno de lostransistores oficiales utilizados en el BITX. Su versatilidad ha permitido incluso al clubde radioaficionados Norcal lanzar en 1999 un desafío de construir un transceptor deradio utilizando únicamente hasta 22 ejemplares de este transistor - y ningún circuitointegrado.Las hojas de especificaciones señalan como valores máximos garantizados 500miliamperios, 50 voltios de tensión de colector, y hasta 500 milivatios de potencia. Lafrecuencia de transición es de 250 a 300 MHz, lo que permite utilizarlo en aplicacionesde radio de alta frecuencia (hasta 300 MHz). La beta (factor de amplificación, hFe) deltransistor es de por lo menos 100; valores de 150 son típicos.El 2N2222 es fabricado en diferentes formatos, los más comunes son los TO-92, TO-18,SOT-23, y SOT-223.Su complemento PNP es el 2N2907. El 2N3904 es un transistor de característicassimilares pero que sólo puede transportar un décimo de la corriente que el 2N2222puede transportar; puede usarse como reemplazo del 2N2222 en caso de señalespequeñas.Otro transistor de características similares, pero de mayor potencia es el 2N2219. Es untransistor en formato TO-39, con una frecuencia de transición de 300 MHz, por lo cualpuede ser usado en transmisores y amplificadores para HF, VHF y una cierta parte deUHF (300 MHz) con una potencia de salida de 1 a 2 watts, sabiendo que la máximapotencia que puede llevar a cabo es de 3 watts. Su complementario PNP es el 2N2905 aligual que el 2N2907. También existe otro transistor que es de similares características,el cual es el 2N3053, pero su potencia es de 1w y es sólo para aplicaciones entre 50 y100 mhz. 27
  • 28. 3.7.- TransformadorLa invención del transformador, data del año de 1884 para ser aplicado en los sistemasde transmisión que en esa época eran de corriente directa y presentaban limitacionestécnicas y económicas. El primer sistema comercial de corriente alterna con fines dedistribución de la energía eléctrica que usaba transformadores, se puso en operación enlos Estados Unidos de América. En el año de 1886 en Great Barington, Mass., en esemismo año, al protección eléctrica se transmitió a 2000 volts en corriente alterna a unadistancia de 30 kilómetros, en una línea construida en Cerchi, Italia. A partir de estaspequeñas aplicaciones iniciales, la industria eléctrica en el mundo, ha recorrido en talforma, que en la actualidad es factor de desarrollo de los pueblos, formando parteimportante en esta industria el transformador.El transformador, es un dispositivo que no tiene partes móviles, el cual transfiere laenergía eléctrica de un circuito u otro bajo el principio de inducción electromagnética.La transferencia de energía la hace por lo general con cambios en los valores de voltajesy corrientes.Un transformador elevador recibe la potencia eléctrica a un valor de voltaje y la entregaa un valor más elevado, en tanto que un transformador reductor recibe la potencia a unvalor alto de voltaje y a la entrega a un valor bajo.Principios de inducción electromagnética. La electricidad magnetismo en un electroimán, que es distinto de un imánpermanente, y que el Campo magnético se produce sólo cuando las espiras dealambre arrolladas alrededor del núcleo magnético, transportan corriente eléctrica. Paradeterminar la polaridad de un electroimán se puede usar la llamada regla de la manoizquierda.Principio de funcionamiento del transformador.El principio de funcionamiento del transformador, se puede explicar por medio delllamado transformador ideal monofásico, es decir, una máquina que se alimenta pormedio de una corriente alterna monofásica.A reserva de estudios con mayor detalle, la construcción del transformador,sustancialmente se puede decir que un transformador está constituido por un núcleo de 28
  • 29. material magnético que forma un circuito magnético cerrado, y sobre de cuyascolumnas o piernas se localizando devanados, uno denominado “primario” que recibela energía y el otro el secundario, que se cierra sobre un circuito de utilización alcual entrega la energía. Los dos devanados se encuentran eléctricamente asilado entresí.El voltaje en un generador eléctrico se induce, ya sea cuando una bobina se mueve através de un campo magnético o bien cuando el campo producido en los polos enmovimiento cortan una bobina estacionaria. En ambos casos, el flujo total essustancialmente contante, pero hay un cambio en la cantidad de flujo que eslabona a labobina. Este mismo principio es válido para el transformador, solo que en este caso lasbobinas y el circuito magnético son estacionarios (no tienen movimiento), en tanto queel flujo magnético cambio continuamente.El cambio en el flujo se puede obtener aplicando una corriente alterna en la bobina. Lacorriente, a través de la bobina, varía en magnitud con el tiempo, y por lo tanto, el flujoproducido por esta corriente, varia también en magnitud con el tiempo.El flujo cambiante con el tiempo que se aplica en uno de los devanados, induce unvoltaje E1 (en el primario). Si se desprecia por facilidad, la caída de voltaje porresistencia del devanado primario, el valor de E1 será igual y de sentido opuesto alvoltaje aplicado V1. De la ley de inducción electromagnética, se sabe que este voltajeinducido E1 en el devanado primario y también al índice de cambio del flujo en labobina. Se tienen dos relaciones importantes.V1 = - E1E1 a N1 (0/T)El mismo tiempo que el flujo cambia en la bobina primaria, también cambia en labobina secundaria, dado que ambas bobinas se encuentran dentro del mismo mediomagnético, y entonces el índice de cambio del flujo magnético en ambas bobinas esexactamente el mismo. Este cambio en el flujo inducirá un flujo E2 en la bobinasecundaria que será proporcional al número de espiras en el devanado secundario N2. Sise considera que no se tiene carga conectada al circuito secundario, el voltaje inducidoE2 es el voltaje que aparece en las terminales del secundario, por lo que se tienen dosrelaciones adicionales.E2 a N2 (0/T)E2 = V2En virtud de que armas bobinas se encuentran devanadas en el mismo circuitomagnético, los factores de proporcionalidad para las ecuaciones de voltaje son iguales,de manera que si se dividen las ecuaciones para E1 y E2 se tiene:E1 = N1E2 N2Además como numéricamente deben ser iguales E1 y V2 o V2 - A ecuación anterior sepuede escribir como:V1 = Ng 29
  • 30. V2 N2Relación de corriente.Si se conecta una carga al secundario del transformador, el voltaje inducido Eghace quecircule una corriente I2 en el devanado secundario.Debido a la circulación de corrientes, se tiene en el devanado secundario una fuerzamagnetomotriz (FMM) N2 I2 opuesta a la del primario N1 I1. Es conveniente recordarque el voltaje inducido en el primario E1 es siempre directamente proporcional al flujo0 y también es igual al voltaje aplicado V1, considerando como antes, todos estosvalores como eficaces. Dado que el voltaje aplicado no cambia, el flujo en el núcleodebe ser constante, cualquier incremento en la corriente secundaria, será balanceado porun incremento en la corriente primaria, de manera que el flujo de energizaciónproducido por la corriente en el primario tendrá un valor efectivo constante durante laoperación del transformador. En los transformadores de potencia de valor relativamentepequeño, se puede decir que prácticamente el flujo que eslabona al devanado primario,es el mismo que eslabona al secundario y de aquí que la corriente de vacío o deenergización representa sólo el 2% o 3% de la corriente primaria de plena carga ya sepuede decir que los ampere-espira del primario son iguales a los ampere-espira delsecundario, es decir: N1 I = N2 I2 I1 N2 I2 = N1La aplicación de los circuitos equivalentes.Cuando los transformadores se usan dentro de una red compleja para estudiar elcomprometido por lo que se refiere a la distribución de la carga, las caídas de tensión, elcorto circuito, etc. conviene, con relación hasta lo ahora expuesto sobre elfuncionamiento del transformador, considerando con lo que se conoce como “Elcircuito equivalente” que en su forma más completa está constituido por untransformador “ideal” (de relación N1/N2) conectado a las resistencias R0, R1 y R2 y alas reactancias X0, X1 y X2.Diagrama equivalente de un transformador monofásico.La resistencia Ro representa el efecto disipativo, debido a las pérdidas en vacío, R1 es laresistencia del devanado primario, R2 la del secundario.En forma análoga Xo representa el efecto de absorción de la corriente de magnetización,en tanto que X1 y X2 representan los efectos de los flujos dispersos en los devanadosprimario y secundario.Para algunos estudios, no se requiere considerar los efectos de la saturación del núcleodel transformador y son despreciables, en cambio en otros se requiere de mayorprecisión y entonces a Ro y Xo se les atribuyen propiedades no lineales.Como se mencionó antes, para algunos estudios es conveniente hacer referencia a losvalores de tensiones y corrientes referidos a un devanado a un lado del transformador, 30
  • 31. por lo general, el primario que es el de alimentación. En estos casos el esquemaequivalente se simplifica a un circuito “T”.CIRCUITO EQUIVALENTE DEL TRANSFORMADOR REFERIDO AL LADOPRIMARIO.La resistencia y reactancia secundarias se refieren al devanado primario de acuerdo conlas relaciones: R21 = R2 (N1)2 N2 X21 = X2 (N2)2 N2En forma análoga la resistencia y reactancia primaria se pueden referir al secundario.Determinación las constantes del transformador.Los valores reales de resistencia y reactancia de los devanados de un transformador, sepueden obtener de pruebas de laboratorios mediante mediciones y algunos cálculosrelativamente simples y que son la base de los valores usados en los circuitosequivalente son la base de los valores usados en los circuitos equivalentes. Algunos deestos valores o parámetros del transformador obtenidos para el transformador pueden noexistir físicamente, pero pueden ayudar a comprender la operación del transformador.La prueba de corto circuito en el transformador.La prueba de corto circuito consiste en cerrar o poner en corto circuito, es decir, con unaconexión de resistencia despreciable, las terminales de uno de los devanados y alimentarel otro con un voltaje reducido (aplicado en forma regulada_ de un valor reducido detensión que representa un pequeño porcentaje del voltaje del devanado por alimentar, detal forma, que en los devanados circulen las corrientes nominales. En estas condicionesse miden las corrientes nominales y la potencia absorbida.Debido a que la tensión aplicada es pequeña en comparación con la tensión nominal, laspérdidas en vacío o en el núcleo se pueden considerar como despreciables, de maneraque toda la potencia absorbida es debida a las pérdidas por efecto joule en losdevanados primario y secundario.Diagrama para la prueba de cortocircuito de un transformador monofásico.Wattmetor que indica la potencia de pérdidas por efecto de circulación de las corrientesen los devanados primario y secundario.Conexión de corto circuito entre las terminales del devanado. 31
  • 32. Voltaje de alimentación de valor reducido, de manera que se hagan circular lascorrientes I1, I2 de valor nominal en cada devanado.El voltaje aplicado (Vc) es regulado y se varía como se indicó antes, hasta que circule lacorriente de plena carga en el primario. De los valores medidos se obtiene “laimpedancia total” del transformador como: Zg Vcc I1Dónde: I1 = Corriente nominal primaria. Vcc = Voltaje de corto circuito aplicado en laprueba. Zt = Impedancia total interna referida a devanadoprimario.Esta impedancia se conoce también como impedancia equivalente del transformador. Perdida en los devanados a plena carga.Debido a que el flujo es directamente proporcional al voltaje, el flujo mutuo en eltransformador bajo las condiciones de prueba de corto circuito es muy pequeño, demanera que las pérdidas en el núcleo son despreciables. Sin embargo, la corriente quecircula a través de la resistencia de los devanados produce las mismas pérdidas en estos,que cuando opera en condiciones de plena carga, esto se debe a que en ambosdevanados e hace circular la corriente nominal.En el circuito para la prueba de corto circuito, si el wattmetor se conecta en el devanadoprimario o de alimentación, entonces se “miden” las pérdidas en los devanados ya queno ha otras pérdidas consideradas, de este valor que se toma de las pérdidas, se puedecalcular “la resistencia equivalente” del transformador como: RT Pcc (I1)2Dónde:Pcc = Pérdidas en los devanados y que se obtienende la lectura del Wattmetro.Se deben tener siempre en mente, que el valor de la resistencia Rt, no eslasuma aritmética de las resistencias en los devanados primario y secundario. Es unvalor que se determina del circuito equivalente y por tal motivo se le denomina "“laresistencia equivalente del transformador”.Estos valores están por lo general referidos al devanado de alto voltaje, debido a que seacostumbra poner en corto circuito el devanado de bajo voltaje, es decir las medicionesse hacen en el devanado de alto voltaje. Esto es por lo general el método normal deprueba. Las razones principales para esto:1. La corriente nominal en le devanado de alto voltaje es menor que la corrientenominal en el devanado de bajo voltaje. Por lo tanto, son menos peligrosas y por otraparte es más fácil encontrar instrumentos de medición dentro del rango. 32
  • 33. 2. Debido a que el voltaje aplicado es por lo general menor que el 5% del valor delvoltaje nominal del devanado alimentado, se obtiene una lectura del vóltimeto con unade flexión apropiada para el rango de voltajes que se miden.Regulación del transformador.La regulación de un transformador se define como al diferencia entre los voltajessecundarios en vacío y a plena carga, medidos en terminales, expresada esta diferenciacomo un porcentaje del voltaje a plena carga. Para el cálculo del voltaje en vacío sedebe tomar en consideración el factor de potencia de la carga.POTENCIA Y RENDIMIENTO DE LOS TRANSFORMADORESMONOFASICOS Y TRIFASICOS.La potencia de los transformadores.Como se sabe, la potencia en corriente alterna monofásica está dada como el productode la tensión por la corriente y por el factor de potencia, de acuerdo a la expresión.P = VI cos 9Esta fórmula expresa la “potencia real” que se mide en watts, el producto del voltaje(solo) por la corriente da la denominada potencia aparente.P = VILas normas para transformadores cuando hablan de potencia nominal, se refieren a unapotencia que es el producto de la corriente por el voltaje en vacío. La potencia nominales por lo tanto una “potencia aparente” que es la misma, ya sea que se considere eldevanado primario o el devanado secundario. La razón de esta definición que es sóloconvencional, se debe al hecho de que se caracteriza a la máquina desde el punto devista del dimensionamiento. Las prestaciones de una máquina eléctrica están limitadaspor el calentamiento de sus componentes, las cuales está causadas por las pérdidas quetiene. En particular, en un transformador se tienen las pérdidas en el núcleo y alpérdidas en los devanados.Para el núcleo magnético, las pérdidas dependen de la inducción magnética B, la cual esproporcional a la tensión inducida, en los devanados, las pérdidas son proporcionales alcuadrado de la corriente.La prueba de corto circuito del transformador, permite obtener las pérdidas a plan cargacon los devanados, a parir de éstas se pueden calcular para cualquier otro valor de carga.La llamada prueba de “circuito abierto” en el transformador, permite obtener el valor delas llamadas pérdidas en vacío o pérdidas den el núcleo, que como se mencionó,consisten de dos partes, las pérdidas por histéresis y las pérdidas por corrientecirculantes.En la prueba de circuito abierto, el devanado que se alimenta es por lo general el de bajovoltaje, debido a que resulta el más conveniente par a la medición. 33
  • 34. La eficiencia en los transformadores.En general, la eficiencia de cualquier máquina eléctrica, se calcula como: Pot. Salida Pot. SalidaEficiente Pot. Entrada = Pot. Salida + PérdidasEn virtud de que la capacidad de un transformador está basada en su potencia de salida,esta ecuación se puede escribir como: KVA salida x FPEficiente = KVA salida por FP Perd. Núcleo + perd. devanadosEficiencia diaria de los transformadores.Dependiendo de la aplicación de los transformadores, con frecuencia se usan paraoperar las 24 horas por día, aun cuando la carga no sea contínua en el período total deoperación. En estas condiciones un transformador tiene dos conceptos de eficiencia, unaglobal para condición de plena carga y otro para distintas cargas al día, es decir, lallamada eficiencia diaria. Esta eficiencia diaria se expresa como la relación de la energíade salida a la energía de entrada durante el período de 24 horas.Transformadores trifasicos.La mayoría de las redes de distribución son trifásicas y también un buen número deusuarios de tipo comercial e industrial hacen uso de sistemas de alimentación tfifásicos,esto hace que sea necesario considerar la importancia que tienen los sistemas trifásicosen las instalaciones eléctricas y en consecuencia los transformadores trifásicos en estas.La energía de un sistema trifásico se puede transformar, ya sea por medio de trestransformadores monofásicos (formando un banco trifásico) o bien mediante el uso deun transformador trifásico. Por razones de tipo económico, de espacio en lasinstalaciones y confiabilidad en los equipos, se puede decir, que en general, es preferidala solución del uso de transformadores trifásicos en las instalaciones eléctricas querequieren de este tipo de alimentación.Los transformadores trifásicos normalmente están constituidos de un núcleo que tiene 3piernas o columnas, sobre cada una de las cuales se encuentra dispuestas los devanadosprimarios y secundarios de la misma fase. Estos devanados para cada una de las fasesese pueden conectar en estrella, delta a Zig-Zag.La conexiones entre los devanados secundarios pueden ser iguales o distintas deaquellas que se usen entre las fases del primario por lo que en teoría puede haber nuevecombinaciones de conexión. En la práctica se pueden usar las siguientes conexionesentre los devanados primario y secundario: Estrella-estrella, delta-estrella, estrella/zig-zag, estrella-delta, delta-delta. 34
  • 35. Relación de transformación para los transformadores trifásicos.Cuando los devanados primario y secundario de un transformador trifásico tienenconexiones distintas, la relación entre las dos tensiones de vacío (sin carga) en lasterminales, no es igual a la relación entre las espiras de una fase primaria y secundaria.Esto depende de los tipos de conexiones que se seleccionen, debido a que, como se hanotado, cada tipo de conexión corresponde una determinada realización entre lastensiones concatenadas y las tensiones de fase.Si se considera por ejemplo un transformador con devanado primario en delta ydevanado primario en delta y devanado secundario en estrella. Si se designan por V1 yV2 las tensiones de una fase del primario y de una fase del secundario respectivamentey con V1 y V2, los voltajes concatenados (indicados) en terminales del primario ysecundario, respectivamente.En el devanado primario, por estar conectado en delta se tiene:V1 = V1En el devanado secundario conectado en estrella:V2 = 3 V2 = 1,732 V2, por lo tanto, la relación entre las tensiones envacío en las terminales será: V1 = V1 V20 1,732 V20Hasta ahora, se ha hablado de transformadores monofásicos, y en estos, la relación entrelas tensiones primaria y secundaria en vacío se le conoce como “relación detransformación” (se designa con la letra A) y esta relación es válida también para lenúmero de espiras primarias N1 y secundarias N2. Si se le quiere dar el significado derelación de transformación a la relación entre espiras: A = N1 N24.- Marco PrácticoLa tensión de batería se aplica al circuito a través de un fusible de 10 A, el diodo LEDindica que esta conexión está realizada, el condensador C6 filtra el ruido que puedanllevar la línea de alimentación de 12v, la llevar la línea de alimentación de 12v, lamisión de diodo D2 es la de proteger al convertidor contra inversiones de polaridad alconectar la batería, si se intercambiasen al conectar la batería los cables de conexión a lamisma, el diodo los cables de conexión a la misma , el diodo D2 es de proteger alconvertidor contra inversiones de polaridad al conectar la batería, si se intercambiasenlos cables de conexión a la misma , el diodo D2 quedaría conectado en directo,actuando casi como un corto circuito y se fundiría el fusible que protege el al equipo.Bastara sustituir el fusible y conectar correctamente los cables. 35
  • 36. La resistencia R7 de 220R y el diodo zener estabilizan la tensión de alimentación deloscilador para que la frecuencia sea estable, los condensadores C1 y C2 son filtros deesta alimentación 9v.El oscilador está formado por el circuito integrado, un 4047 y sus componentesasociados; se trata de un multivibrador astable cuya frecuencia depende de los valoresdel condensador C4, de la resistencia R5 y de la posición del curso del potenciómetro.R1, este circuito tiene dos salidas, una negada de la otra, es decir, cuando una de ellas seencuentra a nivel alto la otra está a nivel bajo. La corriente que pueda entregar cada unade estas salidas es muy pequeña y se amplifica utilizando transistores T1 y T2; estos, asu vez, excitan a los transistores de salida T3 y T4 llevándolos alternativamente a lasaturación y al propio tiempo, excitan a los transistor de salida T5 y T6, que actúancomo si de interruptores se tratase, cada uno de ellos puede conducir como máximounos 20 A sin estropearse, pero no es conveniente llegar a estos límites. Los diodos D3y D4 evitan que en el momento de la desconexión circulen corrientes inversas quedañen los transmisores de potencia.Para poder conducir mucha corriente, los transistores finales deben tener una tensióncolector-emisor lo más reducida posible, de esta manera se obtiene también elrendimiento máximo, máximo lo cual se consigue haciendo que estos transistorestrabajen en saturación cuando la salida del oscilador que corresponde este nivel tan alto.Si, se logra que la tensión colecto-emisor sea de 1.1v, cuando circulan por el transistordebe disipar es tan solo 4.4w y ello solamente durante uno de los semiciclos de la ondapor lo que el transistor apenas se calentara, pasemos ahora a la elección deltransformador. El equipo fue diseñado para un transformador de 100w de potenciautilizable a la salida para obtener esta tensión de salida se necesita un transformador de9.3v, en el primario y 220v en el secundario y preparado para trabajar a 50 Hz y porsupuesto de 100 wattios. Este transformador no se encuentra como componenteestandarizado en las tiendas del ramo sin embargo hemos encontrado un transformadorde alimentación de uso corriente con primario a 220v y el secundario de 10 + 10 comoprimario y el 220v cuando la tensión de alimentación de batería es de exactamente 12vy con el circuito cargado al 75% con una lámpara incandescente de 60w/220v, seobtuvo una tensión de 204v, con el automóvil en marcha la tensión suele subir hastaunos 13.5v por lo que la tensión de salida es de salida es de unos 226v. Normalmente,los equipos soportan sin problemas variaciones en la tensión de red del 15%, en estecaso entre 187v y 235v. La salida se protege con un varistor de 270v que causaría lafusión del fusible de protección si la salida superarse esta tensión y también absorbe lospicos de tensión.Queda por indicar que la forma de onda de salida es cuadrada, lo que no supone unproblema para casi ningún equipo pues, los motores de tipo universal (con escobillas),las lámparas y equipos basados en elementos resistivos, tales como el soldador,funcionaran correctamente. 36
  • 37. 5.- CONCLUCIONES Y RECOMENDACIONESSe ha logrado realizar una investigación acerca de un circuitode potencia conversor DCa AC,la implementación del mismo, capaz de convertir la corriente continua de unabatería de 12v a una corriente alterna de 110v, analizar el circuito, expresarlo de maneragráfica y se elaboró el documento informe final, se evidencio que al variar laresistividad del termistor variara la frecuencia de nuestra corriente alterna.Se recomienda utilizar unos componentes de calidad y un transformador de granamperaje para más conexiones.Se recomienda tener precaución en los disipadores de calor para los transistores depotencia.Tener las precauciones necesarias debido a que se trabaja con corrientes altas.6.- BIBLIOGRAFIA  ANALISIS DE CIRCUITOS DE INGENIERIA W. H. Hayt, Jr. Y L.E. Kemmerly 5° Edición., Ed. Mc. Graw Hill, 1995.  CIRCUITOS ELECTRICOS J. W. Nilsson. Ed. Addison Wesley Iberoamericana  ANALISIS BASICO DE CIRCUITOS ELECTRICOS D.E. Jonson, J.L. Hilburn y J.R. Johnson. Ed. Prentice Hall.  http://www.inele.ufro.cl/bmonteci/semic/apuntes/capacitores/capacitores.htm  http://www.uma.es/investigadores/grupos/electronica_potencia/laboratorio/index .php?option=com_content&view=article&id=63&Itemid=105  http://spanish.alibaba.com/products/electric-potentiometers.html  http://www.terra.es/personal2/equipos2/tcr.htm  http://www.google.com/url?sa=t&source=web&cd=6&ved=0CFEQFjAF&url=h ttp%3A%2F%2Fspanish.alibaba.com%2Fproducts%2Felectric- potentiometers.html&rct=j&q=potenciometro%20electrico&ei=bTHrTc6NFY6 37
  • 38. EtgftzM3DAQ&usg=AFQjCNFTVfqjJwz8y- tw1JzPqJyoZCAPtQ&sig2=vq2_FRzKGg_kRSqzsEWC-w&cad=rja http://ayudaelectronica.com/que-es-un-termistor/ 38