Electrónica de potencia e instalaciones eléctricas: Semiconductores: diodo, transistor y tiristor El descubrimiento del diodo y el estudio sobre el comportamiento de los semiconductores desembocó que a mediados del siglo pasado se desarrollara el transistor que sustituiría a la válvula de vacío y posteriormente el circuito integrado, esto abrió las posibilidades a todo un mundo de avances tecnológicos. El desarrollo de la microelectrónica, como se denomina la electrónica de los circuitos integrados ha sido imparable. Desde su comercialización el número máximo de componentes integrados en un chip se duplicó cada año desde los 100 iniciales. En la segunda mitad de los años setenta, al introducirse la integración a gran escala (VLSI) y superar los 10.000 componentes, se ingresó en la época actual, en la que es normal encontrar varios millones de componentes integrados en un chip muy pequeño, por ejemplo en los microprocesadores de los ordenadores personales. En los circuitos electrónicos se utilizan de forma habitual componentes no lineales, existe una magnitud cuyo valor depende a su vez de otra, pero esta variación no responde a una función lineal. Entre estos componentes se encuentran los semiconductores. Un semiconductor es un material que dependiendo de las circunstancias en las que se encuentre se comportará como un conductor o un aislante, así podemos decir que a bajas temperaturas son aislantes y a altas temperaturas son conductores. Los elementos semiconductores más utilizados son el silicio (Si) y el germanio (Ge). A la tecnología de los semiconductores también se la conoce como tecnología del silicio.
Tanto el silicio como el germanio tienen en su última cala cuatro electrones que van a formar enlaces covalentes con otros átomos de manera que formen una red estable. Tal y como puedes ver en la figura: Imagen 1: Red de silicio. Fuente: Imagen propia creada con paint. Ahora bien, si en esta red introducimos una serie de impurezas en forma de elementos trivalentes o pentavalentes diremos que el material está dopado. Si el material que añadimos es un elemento pentavalente como por ejemplo es fósforo (P), lo que conseguimos es que en la red haya un exceso de electrones, por lo que diremos que es un semiconductor tipo N. Obtenemos un elevado número de electrones. Si ahora añadimos un elemento trivalente como puede ser el aluminio (Al) tendremos un exceso de protones (huecos), a este tipo de semiconductor se le denominará tipo P. Obtenemos un elevado número de huecos.
Si quieres saber más sobre el valle del silicio (Silicon Valley) te recomiendo que leas el siguiente artículo: Valle del Silicio
1. Diodo Vamos a empezar viendo el semiconductor más básico de todos: el diodo. El diodo es un semiconductor formado por la asociación de dos semiconductores extrínsecos, uno tipo P y otro Tipo N, tal y como puedes ver en la figura: Imagen 3: Unión PN. Fuente: Imagen propia creada con Paint. Imagen 4: Diodo. Fuente: Banco de imagenes del ITE. Licencia Creative Commons. A la zona P la vamos a denominar ánodo y a la zona N cátodo, de forma que el paso de corriente del ánodo al cátodo va a ser fácil, mientras que del cátodo al ánodo será difícil. El símbolo de un diodo es el siguiente: Imagen 5: Símbolo del diodo. Fuente: Imagen propia creada con Paint.
Funcionamiento de un diodo Vamos a ver qué ocurre cuando conectamos una fuente de tensión continua, una resistencia, un diodo y una lámpara en serie: Imagen 6: Circuito con diodo. Fuente: Imagen propia creada con Paint. En este caso la bombilla no se iluminará, el diodo se opondrá al paso de corriente debido a que el polo positivo de la pila está enfrentado con el cátodo (parte positiva del diodo) por lo tanto el diodo impedirá el paso de corriente. Veamos ahora que ocurre si cambiamos de posición el diodo: Imagen 7: Circuito con diodo. Fuente: Imagen propia creada con Paint. Observa que ahora el positivo de la pila se encuentra con el ánodo (parte negativa del diodo) por lo tanto va a facilitar el paso de corriente y la bombilla se iluminará. Responde a la siguientes cuestiones con verdadero o falso: a) Al terminal positivo se le denomina ánodo: Verdadero Falso b) Un diodo está formada por la unión de tres semiconductores extrínsecos: Verdadero Falso c) La corriente circula de ánodo a cátodo: Verdadero Falso
1.1.Tipos de diodos
Podemos diferenciar los siguientes tipos de diodos: Diodo de unión: es el diodo que has estudiado anteriormente, consiste en la unión de dos materiales extrínsecos, uno de tipo P y otro de tipo N que dependiendo de cómo estén conectados permitirá o impedirá el paso de corriente. Diodo Zener: es un diodo especial, su principal característica es que trabaja en su zona inversa, esto quiere decir que si aplicamos una corriente de cátodo a ánodo la respuesta del diodo no va a ser impedir el paso de corriente, sino fijar el valor de una tensión, que denominaremos tensión Zener. Su símbolo es el siguiente: Imagen 8: Diodo Zener. Fuente: Imagen propia creada con paint. Vamos a ver con un ejemplo gráfico como funciona un diodo zener: Imagen 9: Circuito Zener. Fuente: Imagen de creación propia. Imagen 10: Circuito equivalente zener. Imagen de creación propia. Fotodiodo: es un diodo sensible a la acción de la luz. Su símbolo es el siguiente: Imagen 11: Símbolo de un fotodiodo. Fuente: Imagen propia. Diodo emisor de luz (LED): es un diodo que emite luz cuando circula una corriente a través de él. Su símbolo es el siguiente: Imagen 12: Símbolo de un LED.
1.2. Aplicaciones de los diodos
Hasta ahora has visto como funciona un diodo de unión y un diodo zener. Pero veamos las principales aplicaciones de estos semiconductores. Rectificador de media onda En ocasiones necesitamos eliminar el periodo negativo de una onda de corriente alterna, eso lo vamos a conseguir conectando un diodo en serie con la fuente de corriente alterna, el diodo permitirá el paso de corriente durante el periodo positivo y lo impedirá durante el periodo negativo. El circuito será el de la figura: Imagen 13: Circuito rectificador de media onda. Fuente: Imagen propia. Partimos de una senoide y llegamos a una onda recortada tal y como puedes ver en las dos imágenes siguientes. Senoide recortada Imagen 14: Senoide. Fuente: Imagen propia creada con Graph. Imagen 15: Senoide recortada. Fuente: Imagen propia creada con Graph. Rectificador de doble onda Este tipo de rectificador es el que vamos a emplear para convertir una señal alterna en una continua, si te fijas en este tipo de rectificador lo que vamos a conseguir es convertir el periodo negativo en positivo. El circuito será el siguiente:
Para hacer un rectificador de media onda necesitamos: a) Un diodo. b) Dos diodos. c) Cuatro diodos. Un rectificador de doble onda es necesario para: a) Transformar la corriente continua en alterna. b) Transformar la corriente alterna en continua. c) Transformar corrientes alternas de muy alto valor en otras de menor valor. Un diodo Zener se utiliza en: a) En electrónica de muy altas frecuencias. b) Como indicador luminoso. c) Como estabilizador de tensión. Un diodo LED se utiliza para: a) Estabilizar la tensión. b) Como indicador luminoso. c) Como detector acústico.
2. Transistor Un transistor va a estar constituido por tres materiales semiconductores, dos de tipo P y uno de tipo N, o bien dos de tipo N y uno de tipo P, por lo tanto tendremos dos posibles combinaciones PNP y NPN. Estas uniones van a dar lugar a tres zonas que vamos a denominar de la siguiente forma: Región Emisor: se encarga de enviar electrones hacia la zona central, que llamaremos base. Región Base: va a ser la zona de control del transistor. Región Colector: recibe los electrones que mayoritariamente han sido enviados por el emisor. Imagen 19: Transistor. Fuente: Wikipedia. Banco de imágenes del ITE. Licencia Creative commons.
Los dos símbolos del transistor, dependiendo si son NPN o PNP son los siguientes: Imagen 20: Símbolo transistor NPN. Fuente: Wikipedia. Licencia Creative Commons. Imagen 21: Símbolo transistor PNP. Fuente: Wikipedia. Licencia Creative commons. Fíjate que en el NPN la corriente sale por el emisor mientras que en el PNP entra por el emisor.
Funcionamiento de un transistor Para que un transistor funcione es necesario cerrar los circuitos mediante resistencias y generadores, de forma que se van a establecer unas tensiones entre sus terminales que provocarán unas corrientes, tal y como puedes ver en la imagen siguiente: Imagen 22: Circuito polarizado. Fuente: Imagen de elaboración propia con Paint. Para las tensiones se tiene que cumplir que: Y para las intensidades: Vamos a ver ahora el concepto de ganancia, que vendrá representada por β y que dependerá del tipo de transistor y de su estructura, por lo tanto podremos decir que la intensidad de colector es β veces la intensidad de base por tanto tendremos que: Para saber mas sobre la historia de los transistores te recomiendo que leas el siguiente enlace: Historia de los transistores
2.1. Estados de funcionamiento. Aplicaciones. Tipos Estados de funcionamiento Dependiendo de las tensiones e intensidades que apliquemos sobre el transistor vamos a tener tres formas de trabajo: Corte: esta situación se va a dar cuando e son nulas, por lo que el transistor estará bloqueado, el hecho de que ambas tensiones sean nulas provocará que el valor de será nula. Saturación: en esta situación la y la van a ser máximas, va a existir una avalancha de corriente. Activa: en esta situación el transistor se va a comportar de acuerdo con la fórmula:. Aplicaciones De acuerdo con los estados en que puede funcionar un transistor nos vamos a encontrar con los siguientes casos: Amplificador: el transistor se va a encargar de aumentar la ganancia de corriente β veces. Electrónica digital: cuando el transistor esté en corte es lo que conoceremos como "0", equivaldría a un circuito abierto. cuando el transistor esté en saturación es lo que conoceremos como "1" equivaldría a un corto. El hecho de que un transistor pueda pasar de un estado a otro va a permitir que podamos hacer funciones de conmutación. Tipos Bipolar: es el que hemos estado estudiando durante todo este apartado. Fototransistor: es sensible a los rayos infrarrojos. Otros tipos: Transistor Uniunión. Transistor de base permeable. Transistor de aleación. Transistor IGBT.
Completa los espacios en blanco. Un transistor puede tener tres formas de trabajo,, y. En el primer caso el transistor se comporta como un circuito, en el segundo de los casos como un y en la última de las formas de trabajo como. Comprobar
3. Tiristor Un tiristor es un semiconductor de cuatro capas donde los estados de corte y conducción pueden ser controlados por medio de corriente o tensión mediante un terminal denominado puerta (G), este terminal va a ser el que regule la tensión de ruptura y el instante en el que se produce el disparo del tiristor. Imagen 23: Tiristor. Fuente: Wikipedia. Banco de imágenes del ITE. Licencia Creative Commons. Un tiristor va a estar polarizado de forma directa cuando la tensión entre ánodo y cátodo sea positiva e inversa en caso contrario. El símbolo de un tiristor va a ser el siguiente: Imagen 24: Símbolo del tiristo. Fuente: Imagen propia elaborada con paint.
Polarización directa Nos podemos encontrar con dos casos, dependiendo de la intensidad de puerta : 1. Intensidad de puerta nula: a pesar de no poseer intensidad de puerta, como la conexión va a ser de ánodo a cátodo los electrones se van a poder difundir a través de dicha unión, lo que provocará una aceleración de los electrones con lo que se establecerá una corriente de circulación a través del semiconductor. 2. Intensidad de puerta positiva: va a favorecer ese flujo de electrones, cuanto mayor sea el valor de esa corriente menor tendrá que ser la tensión ánodo-cátodo. Una vez que hemos llevado el tiristor a su estado de conducción, la puerta pierde su acción de control y el flujo de electrones se mantiene. Para bloquear el tiristor lo que tendremos que hacer será disminuir la corriente ánodo-cátodo. Polarización inversa La respuesta del tiristor va a ser similar a la de un diodo normal, es decir se opondrá al paso de corriente. La corriente de puerta no tiene ningún efecto sobre el semiconductor. El tiristor se puede considerar un elemento unidireccional en el que la corriente sólo circula en dirección ánodo-cátodo, en el cual podremos modificar el momento del disparo mediante un terminal llamado puerta por el que podemos inyectar una corriente de electrones.
3.1. Características de puerta. Tipos. Aplicaciones
Características de puerta Modificando las características de la puerta podremos dimensionar el tiristor más adecuado para nuestro circuito, para ello vamos a estudiar la curva característica que puedes ver a continuación: Imagen 25: Curva característica de un tiristor. Fuente: Imagen propia creada con Paint. Para entender la curva primero vamos a explicar los diferentes parámetros que aparecen en la misma: : es la intensidad de puerta máxima. : es la intensidad de puerta mínima. : es la intensidad de fuga que se produce en la puerta. : es la tensión de puerta máxima. : es la tensión de puerta mínima. : es la tensión de fuga. : potencia media máxima disipable en la unión puerta-cátodo. : potencia de puerta máxima en la unión puerta-cátodo. De acuerdo con la gráfica verás que hemos numerado cuatro zonas, el comportamiento del tiristor en esas cuatro zonas va a ser diferente, vamos a analizarlas: Zona 1: no es posible el disparo o encendido del tiristor. Zona 2: posible encendido pero limitado por la corriente y tensión de la unión puertacátodo. Zona 3: disparo seguro. Zona 4: zona de destrucción del tiristor. La curva 0 - C podemos considerarla como valores intermedios del encendido de un tiristor. Tipos Sin entrar en más detalles a continuación tienes algunos tipos de tiristores de los muchos que existen. De control de fase (SCR).