DISPOSITIVOS DE CONTROL - ceduvirt.com

1 DISPOSITIVOS DE CONTROL En la electr nica moderna se usan algunos DISPOSITIVOS semiconductores diferentes al diodo de uni n y al transistor bipolar que son muy utilizado en CONTROL de motores, de iluminaci n, de calefacci n, en alarmas, en la optoelectr nica, etc. tales semiconductores a tener en cuenta son: El transistor a efecto de campo, el transistor unijuntura, el tiristor, el triac, fuentes de luz como el LED, detectores de luz como la fotocelda, sensores de temperatura como el termistor, etc. A continuaci n se analizar n y estudiar n cada uno de ellos. 1. EL TRANSISTOR A EFECTO DE CAMPO El transistor de efecto de campo FET es un dispositivo semiconductor que combina el tama o reducido y el bajo consumo de potencia del transistor bipolar con la elevada resistencia de entrada del tubo de vac o.

2 Existen dos clases de FET: el JFET y transistor de uni n de efecto de campo) y el MOSFET (Transistor de efecto de campo de metal oxido semiconductor). Existen dos tipos : El canal N (formado por tres capas PNP) y el canal P (formado por tres capas NPN). Tiene tres terminales: DRAIN (drenaje), GATE (puerta), SOURCE (fuente) que corresponden al colector, base y emisor en un transistor bipolar. Cuando la puerta se polariza con una tensi n apropiada, esta polarizaci n influye sobre la resistencia entre el drenaje y la fuente y por lo tanto sobre la corriente entre ambos terminales. N tese que la conducci n del JFET es a lo largo del canal y no a trav s de l como en un transistor bipolar.

3 Al polarizar el JFET como se muestra abajo en la figura con VGS = 0, la resistencia a lo largo del canal aumenta y el ancho de la regi n desierta tambi n (# portadores 0). La curva caracter stica presenta tres regiones: La regi n hmica existe hasta que el valor de la polarizaci n aplicada no es suficiente para unir las regiones desiertas. La regi n de pinch off ocurre cuando las regiones desiertas se unen. En esta regi n un aumento considerable de VDS no produce gran aumento de ID, su resistencia es muy elevada. Si la polarizaci n sigue en aumento el diodo puerta canal alcanza la ruptura y en ella un peque o aumento de VDS produce un gran aumento de ID.

4 Si se usa VGS como par metro se obtiene una familia de curvas caracter sticas como se indica en la figura. Par metros: Vp = Tensi n de pinch-off gm = transconductancia rds = Resistencia de drenaje. CONFIGURACI N FUENTE COM N El punto de operaci n de un JFET para esta configuraci n, se obtiene de la misma forma que para un transistor BJT, o sea, es el corte entre la curva caracter stica seleccionada y la recta de carga. Ejemplo: Encontrar el punto de operaci n para el circuito y las curvas dadas. Si ID=0 VDS = VDD=12V Si VDS=0 ID = VDD/RD = 12/8,2K 1,5mA Con estos puntos se traza la recta de carga . VGS=VGG= -2V, entonces, el corte se tiene en: Punto Q: VDS= 8V ID=0,5mA VGS= -2V Prueba: VDS= 12-0,5(8,2) =7,9V.

5 Autopolarizaci n Consiste en eliminar la fuente VGG colocando una Rs en paralelo con un CS en la fuente. Ejemplo: Determinar el punto de operaci n del circuito utilizando la curva de transferencia. VDS=VDD- ID(RD+RS) VGS= - IDRS si VGS=0, entonces, ID=0; si ID = 3mA, VGS=-4,5V con estos puntos se traza la recta y se obtiene Q. Q: VGS= - 2,5V, ID= y VDS= 24 (6,2+1,5)= 12,45V. Si no se conoce la curva de transferencia, el punto de operaci n se obtiene de la siguiente forma: Ejemplo: Determinar el punto de operaci n del circuito de la figura. Vp = - 2, IDSS= 1,6 mA Entonces ID= 0,76mA VDS=VDD- ID(RD+RS) 18V. Polarizaci n por divisor de voltaje: Curva de transferencia: Recta de autopolarizaci n: VGS= 2 1,5ID Punto de operaci n: ID=2,5mA VGS=-1,75V VDS=VDD- ID(RD+RS)=6V Prueba: VGS= VGG-IDRS=2- 2,5(1,5)= -1,75V Circuito equivalente: Ejemplo: Para el amplificador fuente com n de la figura, determinar la Rin, Ro, Av, Ai Rin=RG=1M Ro=RD=1,2K Vo= - Av=vo/vi= - gmRD Ai=AvRin/Ro.

6 CONFIGURACI N DRENAJE COM N (SEGUIDOR DE FUENTE) Ejemplo: Determinar para el circuito Rin, Ro, Av. Vo, IDSS= 16mA, Vp= - 4V AV= Vo/Vi Vo= gmVgsRS Vgs=Vi-Vo Vgs=Vi-gmVgsRs (1+gmRs)Vgs=Vi De los c lculos de polarizaci n VGS= - 2,85V Av= 0,835<1. Vo= Av Vi = 334mV Rin=RG=1M Ro=RS||rS rS=1/gm=435W Ro= 363,2 CONFIGURACI N PUERTA COM N Ejemplo: Determinar la Rin, Ro, Av, y Vo si IDSS= 9mA, Vp = - 4,5V Ro. = RD De los c lculos de polarizaci n VGS= - 1,4V Dise o Se utiliza la curva universal de los FETS, que es la representaci n gr fica de ID/IDSS en funci n de VGS /VP. Ejemplo: Utilizando el FET 2N4220 que tiene BVGSS= 30V, Vp= -4V gm=1000 siemens IDSS=30mA dise ar el circuito para Av=10 RS=800 RG se supone = 1M A frecuencias medias por ejemplo f=1 Khz.

7 C1=C2=0,1 f OSCILADOR PHASE SHIFT Criterio de Barkhausen: Ejemplo: Dise ar un oscilador P-S si gm = 5mmhos; rd=40k; R=10k. Determinar C para f=1 Khz y RD para asegurar A>29. Ejercicios: 1. Obtenga el punto de polarizaci n del circuito. 2. Determinar el punto de operaci n del circuito si: IDSS= 12mA VP= +5V 3. Determinar la ganancia de voltaje del circuito si VP = -6V e IDSS= 6mA. 4. Determinar Rin, Ro, vo, del circuito si IDSS = 8mA y Vp= - 3V 2. EL MOSFET El transistor de efecto de campo metal xido semiconductor tiene una gran semejanza con el JFET. Su diferencia fundamental radica en la forma como se realiza la uni n de la fuente.

8 En el JFET el paso puerta fuente es una uni n PN polarizada inversamente, mientras que en el MOSFET se coloca una capa delgada de material aislante (SiO2) sobre el canal antes de colocar la puerta. Esto hace que el MOSFET tenga una resistencia de entrada superior al JFET y una corriente de entrada aproximadamente igual a cero. FUNCIONAMIENTO Debido al aislante en el circuito de puerta, el potencial de entrada no tiene restricci n en la polaridad como suced a con el JFET la cual era inversa. Por tanto, hay dos modos de funcionamiento que se denominan: modo de empobrecimiento cuando la polarizaci n es inversa y modo de enriquecimiento cuando la polarizaci n es directa.

9 Las curvas caracter sticas y sus s mbolos se dan en las figuras siguientes. El MOSFET tiene una limitaci n de puerta que debe conocerse para no da arlo. Una carga excesiva a la entrada puede perforar el aislante y da ar el transistor. Una carga excesiva puede ser la descarga electrost tica de la mano que se produce al tocarlo, la de un soldador con bajo aislamiento. En algunos tipos protegen el MOSFET con un Zener a la entrada, pero esto hace que se altere sus principales caracter sticas. Cuando la puerta no est protegida deben tomarse precauciones para no da arlo. Por ejemplo, la punta del soldador conectarla a masa, lo mismo que la persona antes de tocarlo debe descargar su electrost tica a una buena masa.

10 El MOSFET de empobrecimiento se polariza exactamente igual a un JFET. Ejemplo: Hallar el punto de operaci n del circuito. El MOSFET de enriquecimiento tiene un comportamiento diferente y se rige por las ecuaciones: gm = 2K(VGS-VT) gm=2x0,3(6-2,5) = 2,1 mhos Ejemplo: Hallar el punto de operaci n del circuito si VT=3V y K =0,3mA/V2 La caracter stica de transferencia se obtiene dibujando: El MOSFET de enriquecimiento tiene la propiedad de poderse polarizar de tal forma que la G y el D tengan la misma magnitud y polaridad. En los tubos, transistores, JFET, MOSFET de empobrecimiento no ocurre esto, lo cual da una gran aplicaci n a circuitos tales como estos: EL CMOS Una conexi n popular usada principalmente en circuitos digitales conecta los transistores PMOS y NMOS de enriquecimiento en un dispositivo complementario CMOS.