Ing. Adrián Darío Rosa

Transcripción

1 1 Capítulo 6 Dispositivos de control de señal 6.1 ) Concepto de dispositivo de control de señal Supongamos un dispositivo, por ahora desconocido, que posee cuatro terminales, dos de los cuales ( B-B ) son conectados a una fuente de tensión continua en serie con una resistencia de carga como se indica en la fig fig En la malla se establecerá una corriente I o, apareciendo sobre el dispositivo de control una tensión V o. Para la fuente de continua, el dispositivo se comporta en forma pasiva ya que la potencia entregada por ella se consumirá en parte por la resistencia de carga y parte en el dispositivo. Supongamos ahora que aplicando una tensión continua a los terminales de entrada (A-A ), V I, podemos variar la corriente I o. Estamos entonces en presencia de un dispositivo de control de señal, es decir un dispositivo de cuatro terminales en el cual variando, por ejemplo la tensión de entrada puede variarse o controlarse la corriente de salida. Podríamos con este dispositivo, usando una pequeña potencia de control, entre los terminales de entrada, controlar una potencia mucho mayor en la salida, es decir en una dada carga. Es deseable que la relación entre la corriente de salida y la tensión de entrada sea lineal, para tener en la salida una forma de onda semejante a la de la entrada. Es decir, aceptamos = GmVI, donde G m es la transconductancia del dispositivo. En virtud de la expresión anterior, la corriente de salida queda sólo determinada por la tensión de entrada, mientras que la tensión de salida puede obtenerse a partir de la ley de Kirchhoff aplicada a la malla de salida, es decir Vo = VCC RL. Formalmente, el dispositivo presentará a la fuente de continua una resistencia equivalente.r V o =, vemos que al aumentar V I, aumenta I o con lo que la tensión de salida baja, reduciéndose consecuentemente el valor de R. 6.2 ) Características gráficas del dispositivo ideal ) Característica de transferencia Es la representación gráfica de la relación entre la corriente de salida y la tensión de entrada, es decir: = f( VI). La forma de la característica será una recta, cuya pendiente es la transconductancia del dispositivo. 1

2 2 α tg α = Gm fig Vo ) Característica de salida o externa Es la representación de la corriente de salida en función de la tensión de salida tomando como parámetro la tensión de entrada, es decir manteniendo constante el valor de V I. Se obtendrá una familia de rectas paralelas al eje de tensión, es decir una recta para cada valor de V I. Tal cosa ocurre ya que la corriente de salida sólo debe depender de la tensión de entrada y no de la de salida. Por lo tanto la curva = f( Vo) VI = cte será como la dibujada a continuación: VI5 Vi4 Vi3 Vi2 Vi1 Vo Vi = 0 VI5> VI4> VI3> VI2> VI1. fig Además las características deberán restringirse al primer y tercer cuadrante, ya que por tratarse de un elemento pasivo desde el punto de vista de la fuente de continua, la potencia sobre el dispositivo deberá ser siempre positiva., ya que dicha potencia será siempre consumida y no entregada por el dispositivo. Las formas de las características para dispositivos reales y no ideales, dependerá del principio físico del dispositivo. 6.3 Obtención del punto de trabajo Los valores de tensión y corriente de salida definen el punto de trabajo del dispositivo. Ese punto de trabajo, quedará determinado por la intersección de la gráfica correspondiente a la característica externa con la recta de carga definida por el circuito externo al dispositivo es decir fuente de tensión y resistencia de carga. 2

3 Gráficamente quedará: 3 Vcc/RL VI5 Vi4 q Vi3 Vi2 Vi1 Voq Vcc Vo Vi = 0 fig La recta de carga representa el lugar geométrico de los posibles puntos de trabajo que impone el circuito externo. La ecuación de la recta de carga se deduce a partir de la aplicación de la ley de Kirchhoff a la malla de salida, Vo VCC quedando: = +. Vemos en la fig que a medida que aumenta V I aumenta, nos vamos RL RL desplazando hacia arriba en la R.C.E. ( recta de carga estática ) hasta llegar al valor máximo posible de la VCC corriente que es máx =. Mientras que para V I = 0, la corriente es cero y la tensión de salida alcanza su RL valor máximo Vo = VCC. 6.4 ) Modos de trabajo del dispositivo de control de señal Los posibles modos de trabajo son dos, a saber, modo digital y modo analógico ) Modo de trabajo digital El funcionamiento según el modo de trabajo digital, significa que la tensión de entrada V I adoptará valores tales que harán trabajar al dispositivo en los extremos de la RCE, es decir que estaremos en el caso de = máx, al que llamaremos saturación y en el caso opuesto, cuando Vo = VCC, donde se dice que el dispositivo se encuentra en corte. En el primer caso el dispositivo se comporta como una llave cerrada, mientras que en el segundo caso, lo hace como llave abierta. Es decir que el dispositivo se comportará como una llave controlada mediante la tensión de entrada. Ambos comportamientos los observamos en la fig

4 4 fig ) Modo de trabajo analógico Para entender este modo de trabajo, analicemos el caso para el cual la tensión de entrada está constituida por la suma de una tensión senoidal y de una continua, es decir que vi= VI+ vi, siguiendo la misma nomenclatura vista en el capítulo 4. En ausencia de tensión alterna, la corriente de salida corresponderá a la del punto de trabajo estático. de reposo o de polarización. Es decir Q= ( Voq; q. máx Admitiremos que v I es tal que nunca vi = y que la frecuencia es suficientemente baja como para que los Gm efectos reactivos sean despreciables. Se tendrá en cada instante un valor de v I y, consecuentemente, el punto de trabajo estará deberá encontrarse sobre la característica de salida correspondiente. A este punto de trabajo se lo denomina dinámico, pues cambia instante a instante y también tendrá una trayectoria definida en el plano io vo. Si los efectos reactivos son despreciables, dicha trayectoria será una recta a la que denominaremos recta de carga dinámica y que, en algunos casos particulares puede coincidir con la estática. Por lo tanto, definiremos a la recta de carga dinámica ( RCD ), como al lugar geométrico de los posibles puntos de trabajo instantáneos. Si admitimos que el circuito de continua visto desde los bornes B-B, coincide con el de alterna, entonces ambas rectas de carga coincidirán. Haciendo un análisis de las potencias, se comprueba que la potencia entregada por la fuente, es Ps= VCCq, ya que la componente alterna de i O, no tendrá influencia alguna en la potencia entregada por la fuente, ya que su valor medio es nulo. Por su parte la potencia en la resistencia de carga tendrá una componente de continua y otra de alterna. PL = PoCC + PLCA. Por su parte, el dispositivo también disipará cierta potencia ya que tiene entre sus bornes de salida una dada tensión y una dada corriente. Es decir Pd = Ps PL = Ps PLCC PLCA. Siendo constante la potencia de la fuente, y la de continua en la carga, queda claro que la potencia disipada por el dispositivo, dependerá de la potencia de alterna en la carga, de forma tal que cuando no hay ningún efecto útil en la carga ( potencia de alterna ), la potencia disipada será máxima, mientras que cuando haya cierta potencia de alterna en la carga, la disipada será menor. Es decir que este dispositivo en esta conexión, gastará la mayor potencia cuando no hace ningún trabajo útil sobre la carga, lo cual indica que no tendrá un buen rendimiento. 4

5 Finalmente observamos que el dispositivo convierte parte de la potencia de la fuente en potencia de alterna en la carga. Se comporta como un dispositivo activo, desde el punto de vista de alterna, para la carga, pero dicha potencia, la toma de la fuente de continua. Este concepto es fundamental para entender el funcionamiento de los amplificadores. 6.5 ) Clasificación de los dispositivos de control En virtud de la existencia de diversos principios de funcionamiento, existirán otros tantos dispositivos de control; también podrían ser clasificados en virtud del uso, por ejemplo de aplicación industrial. Por lo tanto, esta clasificación no pretende ser exhaustiva. 5 Dispositivo de control de señal Válvulas termoiónicas De juntura ( JFET ) Transistor de efecto de campo Metal óxido semiconductor (MOSFET ) Transistor bipolar de juntura ( TBJ ) También podemos clasificarlos según la potencia que son capaces de manejar. De bajo nivel ( hasta cientos de mw ) Transistores De potencia ( hasta cientos de W ) Existen además otro tipo de dispositivos, que por trabajar con muy elevada potencia en aplicaciones industriales, se llaman dispositivos de control de potencia. Dispositivos de control de potencia Diac Triristores Rectificador controlado de silicio ( SCR ) Triac Hay que destacar que si bien los dispositivos de control de señal, son capaces de trabajar en modo analógico y en modo digital, los dispositivos de potencia, sólo pueden trabajar en modo digital o de conmutación. Los dispositivos de control de potencia, son de estado sólido y sus características operativas, en forma muy simplificada, son las sig.. Diac: Se trata de una llave dependiente de la tensión, es decir, cuando la tensión entre sus dos terminales alcanza un valor umbral, entonces el diac actúa como llave cerrada. Por otra parte, si la tensión es menor que la umbral, se comportará como llave abierta. El proceso es idéntico para las dos polaridades, es decir que se trata de un dispositivo bidirecccional, pues permite la conducción en dos sentidos. El símbolo eléctrico es el sig.: 5

6 6 V Vumbral cerrada V < Vumbral abierta V SCR: Se trata de un rectificador de silicio pero que posee tres terminales. Para que el rectificador conduzca deberán acontecer dos hechos simultáneos a saber: a ) estar polarizado en directa; b ) aplicar un pulso de corriente al tercer electrodo llamado compuerta. Los otros dos terminales son el ánodo y el cátodo, al igual que en el caso del diodo común. El símbolo es el sig.: Triac: Es semejante al SCR, pero con la particularidad que la conducción es bidireccional, lo cual permitirá controlar potencia en corriente alterna. Es un dispositivo muy útil para el caso de controles de iluminación, controles de velocidad de motores de alterna, etc ) Transistores Nosotros nos dedicaremos al estudio profundo del TBJ, sin embargo, daremos una idea del principio de funcionamiento de los transistores de efecto de campo, en sus dos versiones ) Transistor de efecto de campo de juntura ( JFET ) Supongamos tener una barra semiconductora tipo N de la forma y dimensiones indicadas en el dibujo de la fig

7 7 fig Recordemos que a temperatura ambiente los átomos donores están totalmente ionizados, por lo tanto, nn = ND, mientras que, entonces, la conductividad del material valdrá: σ qµ nnd, por lo tanto, la resistencia L de la muestra será R = 1 y, teniendo en cuenta que la sección transversal de la muestra será el producto σ S L del espesor por el ancho, es decir S= wt0, de manera que R = 1, mientras que la conductancia de la σ wt0 wt0 muestra es Go =σ y reemplazando por el valor de la conductividad queda G q n wt 0 o= µ n. L L Finalmente la corriente en la muestra será: I0 = G0Vo. Por lo tanto, podemos variar la corriente modificando la conductancia del material. Esto lo podemos lograr de dos formas: a ) Modificando el espesor efectivo de la muestra. b ) Modificando la densidad de electrones. Estas formas dan origen al principio de funcionamiento del JFET, en el caso a ) y del MOSFET, en el caso b ). JFET. Para llevar a cabo este control, es necesario colocar una capa de material tipo P sobre el material tipo N. Se forma de este modo una juntura, de forma tal que variando la polarización inversa de esa juntura, se varía el ancho de la zona desierta de dicha juntura. Si varía el ancho de la zona desierta, se modifica el ancho efectivo de la barra, con lo cual se modifica la conductancia y, finalmente la corriente. Es decir que modificando la tensión de entrada, modificamos la corriente de salida. El JFET tiene pues tres terminales, los que reciben el nombre de drenaje, compuerta y fuente, siendo el electrodo de control la compuerta ) Transistor de efecto de campo metal - óxido - semiconductor ( MOSFET ) 7

8 El esquema, como dijimos es el mismo, salvo que, en lugar de tener una capa de material tipo P, como en el caso del JFET, deberemos colocar una capa de bióxido de silicio ( SiO2 ) y sobre ésta una metalización de aluminio. De esta manera, se forma un capacitor entre la metalización, la capa de óxido y el semiconductor. Si polarizamos con una tensión positiva a la capa de metal, se inducirá carga negativa en el semiconductor, con lo que se aumenta la cantidad de carga, aumentando de este modo la conductancia del material, con lo que se aumenta la corriente. Este sistema MOS, lo vemos en la fig fig También los terminales reciben el mismo nombre que para el caso del JFET. Los símbolos son los sig.: fig