Componentes Electrónicos pasivos. Generalidades

Transcripción

1 Componentes Electrónicos pasivos Generalidades

2 Componentes Electrónicos pasivos Clasificación

3 Componentes Electrónicos Activos: Los que pueden, en alguna de sus aplicaciones, transferir energía a una señal. (Transistores, diodos, circuitos monolíticos, fibras dopadas con Erbio, etc..) Componentes Pasivos: Los que no son activos. Esto es, la potencia absorbida, es transformada en calor (Resistores, condensadores, bobinas, cables, placas de circuito impreso, fibra óptica no dopada, relés, etc )

4 Componentes pasivos: Clasificación funcional (0) Tipo de componente Propiedad característica Resistores: Resistencia Condensadores: Capacidad Inductores: Autoinducción Transformadores: Relación de transformación Relés: Conmutación de circuitos físicos. Resonadores: Frecuencia de resonancia Cables: Conducción de señal eléctrica y potencia. Fibras ópticas: Conducción de señal óptica. Conectores: Conexión eléctrica y óptica Circuitos impresos: Soporte físico para realizar circuitos electrónicos.

5 Válvulas Vacío TRC Diodos, Triodos,etc. TWT.. Activos Gas: Tiratrones, etc... Discretos Semiconductores Integrados Lineales Digitales Diodos BJT JFET MOST LED Dlaser,etc A.O. Amplificadores Reguladores de V, etc.. Lógica MSI Subsistemas Memorias Microprocesadores,etc

6 Componentes pasivos: Clasificación funcional (1) Uso general De composición De película Carbón Gruesa (Cermet) Metálica Lineales Fijos Precisión De película (ajustados) Bobinados Resistores: Potencia Bobinados Alta tensión Película de óxido metálico Variables Reostatos De ajuste De control No lineales Potenciómetros De ajuste De control

7 Componentes pasivos: Clasificación funcional (2) Lineales Termistores NTC PTC Sensores T Protección térmica y eléctrica Conmutadores térmicos Resistores: No lineales Varistores VDR Protección contra sobretensión Otros MDR Bandas extensiométricas Sensores de humedad

8 Componentes pasivos: Clasificación funcional (3) Uso general BF Poliéster Policarbonato Fijos Uso general AF C. Pulsos Cerámicos Polipropileno Condensadores Lineales Potencia Alta tensión Especiales Papel Aire Mica, poliestireno Variables De ajuste De control Trimmers y padders (Ley de variación) Polarizados Filtrado red Bypass BF Aluminio húmedos Aluminio y tántalo secos

9 Componentes pasivos: Clasificación funcional (4) Inductores Bobinas Baja frecuencia Alta frecuencia Chokes de filtrado con núcleo de FeSi De núcleo de aire para filtros De pot de ferrita para resonadores De núcleo de ferrita para RF De hilo especial para RF (aire o ferrita) Planas (sobre circuito impreso) Inductores impresos Para SMD (película gruesa)

10 Componentes pasivos: Clasificación funcional (5) Relés electromagnéticos Resonadores Para señal Para potencia Cuarzos Cerámicos SAW Coaxiales Cables de cobre Pares trenzados Potencia Fibras ópticas, conectores, circuitos impresos, etc..

11 Técnicas de ensamblaje

12 Circuitos impresos

13 Ensamblaje de componentes

14 Clasificación de componentes por montaje Inserción Radiales Axiales SIP DIL Chips (cúbicos) Montaje superficial (SMD) MELF(cilíndricos) SO(T) (con patillas planas) Chip Carrier (para zócalo XLCC)

15 Condensadores para inserción en circuito impreso

16 Encapsulados para montaje superficial

17 Ensamblaje de componentes Inserción:Componentes que se fijan atravesando la placa de circuito impreso Circuito integrado híbrido: Componentes de montaje superficial sobre una base cerámica (1 cara) Ensamblaje SMT: Componentes de montaje superficial en las 2 caras sobre placa de circuito impreso. Soporta componentes de inserción

18 Matriz de condensadores para SMT

19 Resistores para montaje superficial (Chip)

20 Valores nominales y tolerancias Marcaje de Componentes

21 Valores nominales y tolerancias Valor nominal = 10 Ω Tolerancia = ± 10 % (Valor real entre 9 Ω y 11 Ω) Series y tolerancias E12: cada década se divide en doce zonas (los valores posible se solapan si la tolerancia es el 10%) VN (10)^(n/12) ; 0 n 11; 1, 1.2, 1.5, 1.8,...,8.2 8,2* Zona de solapamiento 10* 11 12* 13 8,2* * 13

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24 Resistores de película metálica. Código de colores 10x10 3 5% KΩ, 5%, CT= 5ppm

25 Resistores de película metálica. Código de colores

26 Varistores. El código de colores es la serie del fabricante Varistor número del catálogo

27 Marcaje alfanumérico Se indica la magnitud mediante letras y números. A veces, se substituye la coma decimal por el símbolo de la magnitud: 165R4 es 165,4 Ω, 3V5 son 3,5 Voltios (en diodos Zener) 6k8 son 6,8 kω si es un resistor o 6,8 nf si es un condensador La tolerancia, a veces, se indica con una letra: M 20% K 10% J 5% 1 µf, 10%, 63 V

28 Resistores bobinados: Código alfanumérico

29 Coeficientes de variación y estabilidad

30 Coeficientes de variación viga Dilatación al variar T L 0 a T 0 L L 1 a T 1 L 1 = L 0 + α L 0 (T 1 -T 0 ) = L 0 + α L 0 T = L 0 (1 + α T ) α = 1 L En realidad, T T α = 1 dl T dt = d dt ln L T0 T0 T0 Para cualquier otra magnitud, también R = R (T,V, Φ M,L,Φ L,...), siendo estos cambios reversibles 2-1

31 Coeficientes de variación d dr 1 R 1 R 1 R 1 R 1 R ln R = = dt + dv + dφ M + dx + dφ L +... R R T R V R Φ R x R Φ M L O bien, en forma de incrementos R R = CTemp. T + CVolt V + CFlujo Φ + CExten. x + CLum. dφ +... M L En general, sólo es importante uno, tal vez dos como mucho. Si, en alguna zona del margen de variación del parámetro (T,V,etc..) toman valores absolutos grandes (superiores al 1%) dan lugar a comportamientos V-I no lineales. En el caso del Coef.de Voltaje es obvio, pues el cociente V/I= R depende de V en lugar de ser una constante. 2-2

32 Coeficientes de variación En el caso del Coeficiente de Temperatura, resulta que al aplicar una tensión V el componente disipa una potencia V 2 /R y se calienta. Al elevarse su temperatura, su resistencia cambia, por lo que deja de ser directamente proporcional la corriente que circula a la tensión aplicada I V V 1 I i I f El coeficiente de temperatura del resistor de la figura es positivo y apreciable. Al aplicarle más tensión su temperatura aumenta y con ella la resistencia, por lo que pasa menos corriente I f de la extrapolada para baja disipación I i. 2-3

33 Coeficientes de variación y Resistores no lineales Coeficiente de temperatura grande y positivo: PTC Coeficiente de temperatura grande y negativo: NTC Coeficiente de tensión grande y negativo: VDR Coeficiente de longitud grande y positivo: Bandas extensiométricas Coeficiente de flujo magnético grande y positivo: MDR Coeficiente de flujo luminoso grande y negativo: LDR 2-4

34 Comportamiento térmico Régimen general Dinámico

35 Disipación de potencia en componentes Energía eléctrica Almacena calor. Sube Tc > Tamb Calor disipado, al ser Tc > Tamb Otras formas de eliminar energía T amb Luz, movimiento, etc La energía suministrada se invierte en calentar el componente, pasar al ambiente a través de la conducción y, eventualmente, en producir algún otro tipo de energía (luz, trabajo mecánico,etc.) 2-5

36 Disipación de potencia en componentes Energía acumulada = m c e ( T c - T amb ), Julios Flujo de calor de conducción = G th ( T c - T amb ), Julios /s = Watios En cada intervalo de tiempo t llegan al componente alimentado con W watios, W t julios. Se acumulan (calentando el componente) m c e T c julios Se eliminan por conducción G th ( T c - T amb ) t julios Si no hay otras formas de eliminar energía el balance total implica: W t = mc T + G ( T T ) t e th C amb 2-6

37 Disipación de potencia en componentes O bien, dividiendo por t y llevando al límite t 0 W I = mc e dt dt + G th dt ( Tc Tamb ) = Cth + Gth ( Tc Tamb ) dt dv dt Formalmente idéntica a: I = C + G V 1 V ) G C V 1 ( 2 Que es la ecuación de la tensión en un circuito GC paralelo atacado por una fuente de corriente I V 2 2-7

38 Disipación de potencia en componentes Punto caliente (hot spot): Punto ideal del componente que cumple la ecuación anterior Como variaría la temperatura de un resistor de resistencia R cuando se le aplica una tensión alterna v(t) = V 0 sen ωt? La potencia instantánea aplicada será: W G th C th T c T amb Circuito térmico W ( t) 2 v ( t) W ( t) = = R V 2 0 Y desarrollando el sen 2 ωt V = R (1 + cos2ωt) 2 sen R 2 V V 0 = + 2R 2 ωt cos2 2R 2 2 ω 0 0 t 2-8

39 Disipación de potencia en componentes Hay, por lo tanto dos componentes, una de continua y otra de frecuencia 2 ω, y la ecuación a resolver sería W ( t) 2 2 V V 0 0 = + cos2ωt R R = C th dt dt + G th ( T c T amb ) W(t) G th C th T c T amb Circuito térmico 2 V0 2RG th cos2ωt V RG th ~ G th C th T amb Circuito térmico usando equivalente de Thevenin T c 2-9

40 V RG th Disipación de potencia en componentes Aplicando el teorema de superposición resolveríamos dos circuitos, uno para continua y otro para alterna: G th C th T c T c ( t) 2 V = + 0 t T amb 1 exp 2RGth τ th T amb 2 V0 2RG th cos 2ωt G th ~ T c C th T ( t) = 2 V0 2RG th cos(2ωt arctg(2ωτ )) th ω τ th + (1 + 1 t exp 2 2 4ω τ ) th τ th 2-10

41 Disipación de potencia en componentes En régimen estacionario, el análisis de continua daría: 2 V0 T = R, donde R = c th th 2R 1 G th es la resistencia térmica en K/Watio Y el de alterna daría: V cos(2ωt arctg(2ωτ 2 0 th T c = Rth, donde τ th = 2 2 2R 1+ 4ω τ th )) R th C th Que son idénticos a los obtenidos mediante las técnicas habituales en el estudio del régimen permanente de circuitos en alterna y continua. 2-11

42 Respuesta térmica en frecuencia Hemos visto que, si la señal eléctrica es de pulsación ω, la potencia aplicada tiene una componente continua (su valor eficaz) y otra alterna de frecuencia doble ( pulsación 2 ω). La variación de temperatura del componente con respecto al ambiente se comporta como la tensión en un circuito paso bajo, con constante de tiempo τ th = R th C th y pulsación de corte ω th = 1/ τ th 2-12

43 Respuesta térmica en régimen de pulsos Cuando un componente recibe pulsos rectangulares de potencia (que siempre es positiva o nula), de duración τ y periodo de repetición T, su temperatura responde de la siguiente manera: Si τ y T son mucho menores que su constante de tiempo térmica τ th, sólo responde al valor medio de los pulsos. Si τ y T son mucho mayores que su constante de tiempo térmica τ th, la temperatura sigue la forma de los pulsos de potencia. τ T 2-13

44 Respuesta térmica en régimen de pulsos Caso τ, T > τ th (baja frecuencia) Potencia τ Temperatura T La temperatura sigue a la potencia 2-14

45 Respuesta térmica en régimen de pulsos Caso τ, T << τ th (alta frecuencia) W avg = W Potencia 0 τ T Temperatura La temperatura responde como si se hubiese aplicado una potencia constante e igual al valor medio del tren de pulsos 2-15

46 Comportamiento térmico Régimen estacionario en resistores Curvas de deswataje y de estabilidad

47 Disipación en régimen estacionario Son constantes: Temperatura ambiente T amb Temperatura del componente T c Valor medio de la potencia aplicada W W = G th ( T c - T amb ) 3-1

48 Disipación en régimen estacionario Problema a resolver Cual es el valor máximo (W max ) de la potencia aplicable a un componente?, si: Admite una temperatura máxima T HSmax La temperatura ambiente es T amb W max = G th ( T HSmax - T amb ) 3-2

49 Disipación en régimen estacionario Potencia máxima disipable T HSmax = 125ºC G TH = 0.05 W/K Potencia (Watios) Temperatura ambiente (ºC) W max = 0.05 W/K (125ºC - T amb ) 3-3

50 Disipación en régimen estacionario Zona de funcionamiento fuera de especificaciones Curva de deswataje 7 Potencia Nominal Potencia (Watios) 120 Temperatura ambiente (ºC) Temperatura Nominal 3-4

51 Disipación en régimen estacionario Si aparecen fenómenos de convección adicionales al de conducción del calor la curva de deswataje deja de ser una recta Watios Temperatura Nominal Temperatura ºC Fusión del estaño 3-5

52 0,8 T ambiente 30 Watios 0,6 0, ,3W a 50ºC de temperatura ambiente suponen T hsp = 80ºC 0,2 90 T hsp ºC R R (%) k durante 1000 horas con T C = 80ºC >100k sufren una deriva del 1,2 % 1k k 100Ω - 1k <100Ω