Parte 1. Diodos de semiconductor Parte 2. El transistor bipolar Parte 3. Transistores MOS Parte 4. Sensores y actuadores. +U cc. u s.

Transcripción

1 Tema 4 ispositivos y Sensores cei@upm.es Parte 1. iodos de semiconductor Parte 2. El transistor bipolar Parte 3. Transistores MOS Parte 4. Sensores y actuadores Componentes discretos IOO TRANSISTORES AMPLIFICAOR OPERACIONAL u- _ +U cc u+ Ad + -U cc u s 2 1

2 Circuitos integrados Existe una gran variedad de chips en el mercado, ya que el coste final se reduce al fabricarlos en serie. Las ventajas tj de integrar incluyen, además dl del coste: Reducción de peso Aumento de prestaciones Reducción de consumo Confidencialidad Cabe destacar los microprocesadores, que son programables mediante software Los microprocesadores se utilizan tanto en los ordenadores como en sistemas embebidos (teléfonos móviles, lavadoras...) 3 PARTE 1 iodos de semiconductor Símbolo, funcionamiento, curva característica Circuitos con diodos: rectificadores iodos zener Circuitos con zener: estabilizador de tensión iodos LE 4 2

3 iagramas de bandas de Energía Banda de conducción E g Banda de valencia Banda de conducción E g Banda de valencia Banda de conducción Banda de valencia Aislante (SiO 2 ) E g =9eV Semiconductor (Si) Eg=1.1eV Conductor (Grafito) No hay Eg A 0ºK, tanto los aislantes como los semiconductores no conducen, ya que ningún electrón tiene energía suficiente i para pasar de la banda de valencia a la de conducción. A 300ºK, algunos electrones de los semiconductores alcanzan este nivel. Al aumentar la temperatura aumenta la conducción en los semiconductores (al contrario que en los metales). 5 A Símbolo, funcionamiento, curva característica i S i K A P N K V i I S V /( kt / q) e 1 Cuando V >V (0,6V) i a Pasa corriente de ánodo a cátodo Polarización directa I S U V Tensión de codo Cuando V <0 i II S Corriente en inversa muy pequeña 6 3

4 Símbolo, funcionamiento, curva característica Característica linealizada Característica ideal i a i Resistencia directa V >V I S V V V = V + r i 0<V <V i = 0 V <0 i = I S (<0) A real K V >0 V 0 A ideal V i >0 Cortocircuito i = 0 Circuito abierto r d K V 7 Circuitos con diodos: rectificador de media onda + u g ~ u R L us u g SEMICICLO POSITIVO + u g ~ conduce u R L us =u g 0 < t < t 1 u g > 0 u > 0 u S t 1 t 2 t 3 t SEMICICLO NEGATIV VO no conduce + R u ~ L S =0 u g t 1 < t < t 2 u g < 0 u < 0 8 4

5 Circuitos con diodos: rectificador de media onda + u g ~ u C R L u s = u C Conduce No conduce Conduce conduce mientras u g > u c 9 Circuitos con diodos: rectificador de doble onda 10 5

6 Circuitos con diodos: rectificador de doble onda 11 Circuitos con diodos: rectificador de doble onda 12 6

7 iodos zener A i i r a K U z u u U b Cuando U >U se comporta como un diodo normal Cuando U < 0 y supera Uz conduce en inversa 13 Linealizada i Ideal i Conducción directa U z u No conducción U z u U Zona zener U u U Z Z u u u : i : i u u r U : i u 0 U r Z Z A A ideal ideal r Z r Uz U K K U u > U z 14 7

8 Circuitos con zener. Estabilizador de tensión ATOS U BAT = 1012V R o = 100 R L = 1k Z ideal: U Z = 7V U BAT R o U z R L u S Si no hubiera zener: u U s BAT RL R R L o 9,1 10,9V 15 Circuitos con zener. Estabilizador de tensión Suponemos que el zener conduce en Zona Zener. Para que esto ocurra: i z > 0 según el criterio de la figura i i omin omax U U u U 7V s i 7mA s U R BATmin BATmax R o o Z Z U Z 30mA 50mA U BAT R o i o i z Uz i s R L u S i z i o i s i zmin i zmax mA mA 16 8

9 Circuitos con zener. Estabilizador de tensión Hasta qué valor de R L estabiliza la tensión este circuito? Para el valor que haga i z =0 U s 7V U BAT 10V i 30mA i o s RLlimite UBAT 12V io 50mA is RLlimite R L LE: Light Emitting iode

10 LE: Light Emitting iode 2 19 LE: Light Emitting iode

11 Problemas. Enunciados 1 Sobre el circuito de la figura, calcular las variaciones de la tensión de salida para las variaciones de la tensión de entrada dadas V 820 z u S ATOS Z :U Z = 10V R Z = 7 Se define como curva de regulación de un estabilizador a la que relaciona la tensión de salida us con la corriente de salida is. Se pide dibujar dicha curva para el circuito de la figura, sabiendo que la carga RL varía entre 300 y 100 y queeldiodozenerpuedeconsiderarseidealconuz=20v. Entrequévalores de RL el funcionamiento i dl del estabilizador es correcto? 100 i S 30V R L u S 21 PARTE 2 El transistor bipolar Símbolo, funcionamiento, curva característica Polarización, recta de carga Ejemplos de aplicación 22 11

12 Transistor NPN C C B I B E I C U C E B C E Base Colector Emisor B N P N E Curvas características Saturación 40mA 30mA I C Activa I B =400A I B = 300A I C = I B 20mA I B = 200A 10mA Corte I B = 100A I B = 0A U CE (V)

13 Zonas de funcionamiento I B U BE U CE I C ZONA E CORTE = 0 < 0V = 0 ZONA ACTIVA > 0 0,6V > 0,3V = I B ZONA E SATURACIÓN > 0 0,6V 0V0,3V < I B CORTE Interruptor abierto C E ACTIVA Zona lineal I C = I B SATURACIÓN Interruptor cerrado C E 25 Transistor ideal Saturación I C Activa 40mA I B = 400A = Constante 30mA 20mA 10mA Corte I B = 300A I B = 200A I B = 100A I B = 0A U CE (V) U BE sat. o activa = 0V U CE saturación = 0V I C corte = 0 C 26 13

14 Polarización. Recta de carga POLARIZAR: Alimentar al transistor, darle un punto de trabajo Configuración Emisor Común U B R B I B U CC R C I C U CE Recta de carga U U R CC C CC R I U I C C C CE U R I U B B B UB U IB R B BE BE U BE I C(A) A I B Punto de trabajo A (V CE(A), I C(A) ) V CE(A) U CC V CE El punto de trabajo viene dado por el corte de la recta de carga y la curva característica para la corriente de base I B 27 Ejemplo I: Circuitos con transistores ATOS Transistor ideal Zona activa: = 100 V BE = 0v Zona saturación: V CESAT = 0v V BE = 0v R B = 100k +10V=U CC R C = 1k I C (ma) UB IB 50A R B I βi I 5mA C B C Zona Lineal U B =5V R B = 100k I B U BE I C U C E I B =50A 5V 10V V CE (V) 28 14

15 Ejemplo II: Circuitos con transistores U R //R B ATOS R B = 9.09k I 544A Transistor ideal Zona activa: = 100 V BE = 0v Zona saturación: V CESAT = 0v V BE = 0v R B1 = 10k +10V=U CC I C R C = 1k No puede estar en zona Lineal B U B1 CC I C (ma) B2 R I U C C CE Transistor en saturación U CC R I U C C CE U I I 54,4mA CE C B I 10mA C 44,4V!!! U CE 0V I B =544A U B =5V R B2 = 100k I B U C E 10 Saturación I B =100A U BE Punto del trabajo (Saturación) 10V V CE (V) 29 Ejemplo III: I: Estabilizador de tensión. ZONA LINEAL 30 15

16 Ejemplo IV: CORTE y SATURACIÓN (Interruptor) 31 Encapsulado de transistores Encapsulado TO 92 Encapsulado TO 126 (SOT 32) Encapsulado TO 220 BC548 (NPN) BC558 (PNP) Encapsulado TO 3 B135 (NPN) B136 (PNP) MJE13008 (NPN) IRF840 (MOSFET, N) BX53C (arlington) 2N3055 (NPN) BU326 (NPN) 32 16

17 PARTE 3 Transistores MOS Símbolo, funcionamiento, curva característica Ejemplos de aplicación 33 El Transistor nmos renador () y Surtidor (S) Puerta (G) W d N + N + P L Óxido de Silicio: Mantiene la puerta aislada 34 17

18 El Transistor nmos V GS Puerta (G) Surtidor (S) + V S + W renador () d N + N + Substrato P B L 35 El Transistor pmos renador () y Surtidor (S) Puerta (G) W d P + P + N L Óxido de Silicio: Mantiene la puerta aislada 36 18

19 El Transistor nmos ZONAS E FUNCIONAMIENTO I (A) x Zona lineal: resistiva V S < V GS V T V S = V GS V T VGS= 2.5 V Zona No lineal: Saturación V S > V GS V T VGS= 2.0 V VGS= 1.5 V G nmos S 1 VGS= 1.0 V V S (V) 37 La lógica del transistor (tecnología CMOS) G Se activa con un 0 en la G S S pmos S G = 1 G = 0 1 = V G Se activa con un 1 en la G S S 0 = GN nmos S G = 0 G = 1 A V pmos S Si A = 1 (A=V ) nmos conduce, pmos no conduce S = 0 (S=GN) A nmos GN S Si A = 0 (A=GN) nmos no conduce, pmos conduce S = 1 (S=V ) 38 19

20 PARTE 4 Sensores y actuadores Procesos de media Sensores Actuadores 39 Procesos de medida En un proceso de medida puede haber errores: diferencias entre el resultado obtenido y el valor real Ms C A B A Ideal B No lineal C Pendiente incorrecta offset (desviación en cero) Me La linealidadlid d refleja si hayonounarelación lineall entre el valor real yel medido.la no linealidad es difícil de corregir y,por tanto, es un parámetro importante. El offset o desviación de cero refleja el valor medido cuando el sensor debería devolver cero. Genera un error, pero es más fácil de corregir

21 Características básicas de los sensores Precisión Error máximo esperado Offset Linealidad Sensibilidad Margen de medida esviación de cero esviación respecto de una línea recta en la curva de respuesta Variación de la magnitud de salida al variar la magnitud a medir dms/dme Rango de variación de la magnitud a medir en el que se asegura una cierta precisión Resolución Mínima variación de la magnitud de entrada que puede apreciarse a la salida Rapidez de Capacidad d del sistema it de medida para seguir las respuesta variaciones de la magnitud de entrada erivas Las medidas pueden ser diferentes en función de las variaciones ambientales (temperatura, humedad, envejecimiento,...) Repetitividad Error esperado al repetir varias veces la misma medida 41 Ejemplo: Acelerómetros (margen 04m/s2) a) Lineal, poca sensibilidad, bajo ffset b) No lineal, alta sensibilidad, sin offset c) Lineal, sensibilidad media, alto offset 42 21

22 Tipos de sensores Activos y pasivos Activos: Pasivos: Generan una señal eléctrica (termopares, etc.) Modifican una característica eléctrica (resistividad, capacidad, etc.) irectos y de accionamiento intermedio irectos: La magnitud de salida se obtiene directamente. Accionamiento intermedio: La magnitud de entrada se convierte en otra que es medida directamente Analógicos y digitales Analógicos: evuelven una señal de tipo contínuo igitales: evuelven una señal de tipo discreto 43 Resistivos POTENCIÓMETROS Producen una señal eléctrica proporcional a la posición f(x) = 1 U S = R f(x) R U E = f(x) U E U E U S f(x) () = 0 Son lineales Tienen mala estabilidad térmica 44 22

23 Resistivos RT (Resistance Temperature etector) Se basan en la variación de la resistencia con la temperatura Margen de medida Variación de resistencia respecto de la temperatura Características 200ºC 850ºC R = Ro (1 + T) Ro = 100 ; = Poco sensibles ( es muy pequeño) Son muy precisas (0,01ºC) Son caras Tienen buena linealidad (fáciles de calibrar) Alto margen de medida Bajas derivas 45 Resistivos Termistores NTC y PTC Tienen alta sensibilidad, aunque mala linealidad NTC PTC (Negative Temperature Coefficient) (Positive Temperature Coefficient) R 100k 1M R 1 k T T 25ºC 100ºC 70ºC 100ºC 100 Margen de medida Características 50ºC 150ºC Se hacen con óxidos metales No son lineales Alta sensibilidad Alta resolución (0,01ºC) Características Se hacen con cristales de titanato de bario Se utilizan principalmente para protecciones térmicas 46 23

24 Resistivos: LR LR (Light ependent Resistor) ispositivo resistivo que disminuye el valor de su resistencia al incrementar la intensidad de la luz Se hacen con sulfuro de cadmio (SCd) Velocidad de respuesta baja (10ms) Longitudes de onda en VISIBLE: 380nm y 750nm R 1M 1k Lux 47 Sensores de fuerza y extensiometría Galga extensiométrica Miden deformaciones variando su resistencia L dirección de sensibilidad R = L A A puntos de contacto ispositivos piezoeléctricos Se usan para medir fuerzas. Se caracterizan por generar una salida eléctrica al someterlos a un esfuerzo mecánico 48 24

25 Sensores de fuerza y extensiometría Load cells Strain gauges 49 Inductivos La inductancia de una bobina se ve afectada por la presencia de material ferromagnético material ferromagnético u s u s Situando en el rotor una chapa de material ferromagnéticos, cada vez que el rotor dé una vuelta, la inductancia de la bobina cambiará. Contando el tiempo que tarda el rotor en dar una vuelta, se podrán calcular las revoluciones por minuto a las que gira el rotor

26 Inductivos: ABS ABS rueda delantera de moto 51 Termopares Se basan en el Efecto Seebeck: Si dos metales distintos se unen por dos puntos a distintas temperaturas, se produce una circulación de corriente eléctrica Si se abre el circuito por uno de los metales, se tendrá una tensión proporcional a la diferencia de temperaturas (potencial termoeléctrico) A A Cu X Cu T1 i B T2 u s A B T1 u s Cu X Fe T T2 T REF Margen de medida Características 200ºC 2000ºC Metales: Cu, Fe, constantán, cromel, alumel, Pt, Rh, Re, etc. Respuesta rápida Robustos Tensión termoeléctrica muy baja amplificadores de precisión Baja sensibilidad (50V/ºC) 52 26

27 Semiconductores Sensores de Temperatura En un diodo, con una corriente fija, la tensión entre los terminales varía 2mV/ºC aproximadamente Características Son baratos y fáciles de usar Tiene un margen de medida bajo ( 50ºC 150ºC) Ejemplo: LM35 53 Semiconductores Fotodiodos Al incidir la luz sobre él, se producirá una circulación de corriente que es proporcional a la intensidad de la luz Su sensibilidad es baja. Se utilizan los fototransistores para incrementarla. Velocidad de respuesta alta (1s o menos) 54 27

28 Optoacopladores ispositivo para medir otras magnitudes (longitudes, ángulos, etc) o para detectar la presencia o ausencia de un objeto. Consiste en un sensor de luz (fototransistor) y una fuente de luz (LE, diodo d emisor de luz) REFLEXIVO RANURAO El sensor y la fuente de luz están montadas sobre la misma superficie de forma que la presencia de un objeto reflexivo hará que la luz llegue al sensor y circule corriente a través del fototransistor El sensor y la fuente de luz están uno frente al otro de forma que la presente de un objeto interrupte el paso de la luz 55 Actuadores I Se alimentan con una señal eléctrica y producen variación de una magnitud física. EJEMPLOS: Cl Calor Luz Fuerza, desplazamiento y movimiento Sonido Solenoides Motores Altavoces Transductores ultrasónicos 56 28

29 Actuadores II Calor Calentadores resistivos P = R I 2 Luz iodos emisores de luz: LEs GaAs; GaP;... depende del color/infrarrojos Visualizadores de 7 segmentos LE infrarrojos para comunicación a corta distancia (control remoto) 57 Actuadores III Relés y Contactores Una bobina con una pieza de material ferromagnéticos que se puede mover. ependiendo del sentido de la corriente, la pieza es atraída hacia dentro o hacia fuera Motores MOTORES E CA: Alta potencia y poca precisión MOTORES E CC: Media potencia y precisión MOTORES PASO A PASO: Posicionamiento 58 29

30 Actuadores IV Altavoces Constan de un imán permanente más una bobina móvil que mueve un diafragma, el cual, al vibrar, emite sonido. Motor piezoeléctrico A muy alta frecuencia se utilizan actuadores piezoeléctricos