Electrónica y industrial • Se suele definir la electrónica como la rama de la ciencia y la tecnología relacionada con el estudio y desarrollo de sistemas basados en el control del movimiento microscópico de partículas cargadas (electrones). • Pero se ha de diferenciar de la electrotecnia y electricidad clásica en el hecho de que en electrónica el nivel de control, complejidad y variedad de operaciones es superior y en que se basa sobre todo en dispositivos activos, es decir dispositivos que pueden alterar de forma significativa y bien controlada las variables eléctricas fundamentales (tensión, corriente, ..) • La primera etapa en la historia de la electrónica (desde principios a mediados del siglo XX) se fundamentó sobre la tecnología de válvulas de vacío, en la que movimiento de cargas (electrones) se producía por corriente controlada en el vacío (emisión termoiónica). • A mediados del siglo XX y con el descubrimiento del transistor la electrónica inició una segunda etapa basada en el control de conducción de partículas (electrones, huecos) en dispositivos sólidos (en la actualidad el Silicio es el material dominante). Es la conocida como electrónica del estado sólido que es la dominante en la actualidad. • La especialidad de electrónica industrial hace referencia a la aplicación de la electrónica en los sistemas industriales de fabricación y proceso y en los dispositivos, sistemas y equipos manufacturados. Clásicamente se ha distinguido de la electrónica física y o del estado sólido (más orientada al análisis y diseño de dispositivos electrónicos) y de la relacionada con la ingeniería de telecomunicaciones. Finalidad de un sistema electrónico: El diseño y la posterior producción de un sistema electrónico puede obedecer a una de las siguientes finalidades (o a más de una): Procesar información, Controlar, Procesar energía Sistema electrónico como procesador de información La información reside en los cambios de las variables (eléctricas en nuestro caso). Una variable que transporta información se denomina señal. • Sistema electrónico como procesador de señal – Toma una señal débil y la amplifica, manteniendo calidad (televisor, teléfono móvil,....) – Toma una señal corrompida por ruido y la filtra, acondiciona y trata para extraer información de ella (audio, imagen etc.)
Electrónica analógica Transistor bipolar, componente muy usado en los sistemas analógicos.
La electrónica analógica (a veces también electrónica análoga, por influencia del inglés) es una rama de la electrónica que estudia los sistemas cuyas variables (tensión, corriente, etcétera) varían de una forma continua en el tiempo y pueden tomar (al menos teóricamente) valores infinitos. En contraposición, en la electrónica digital las variables solo pueden tomar valores discretos y tienen siempre un estado perfectamente definido. En un sistema digital esta medida podría ser de 4 metros o de 4 metros y 23 centímetros. Es posible darle la precisión deseada, pero siempre serán cantidades enteras. En un sistema analógico, la medida seria la real, es decir, 4,233648596... En teoría hasta que llegásemos a la mínima cantidad de materia existente (siempre que el sistema de medida sea lo suficientemente exacto).
Historia Se considera que la electrónica inició con el diodo de vacío inventado por John Ambrose Fleming en 1904. El funcionamiento de este dispositivo está basado en el efecto Edison. Thomas Alva Edison fue el primero que observó en 1883 la emisión termoiónica, al colocar una lámina dentro de una bombilla para evitar el ennegrecimiento que producía en la ampolla de vidrio el filamento de carbón. Cuando se polarizaba positivamente la lámina metálica respecto al filamento, se producía una pequeña corriente entre el filamento y la lámina. Este hecho se producía porque los electrones de los átomos del filamento, al recibir una gran cantidad de energía en forma de calor, escapaban de la atracción del núcleo (emisión termoiónica) y, atravesando el espacio vacío dentro de la bombilla, eran atraídos por la polaridad positiva de la lámina. El otro gran paso lo dio Lee De Forest cuando inventó el triodo en 1906. Este dispositivo es básicamente como el diodo de vacío, pero se le añadió una rejilla de control situada entre el cátodo y la placa, con el objeto de modificar la nube electrónica del cátodo, variando así la corriente de placa. Esto fue muy importante para que se fabricaran los primeros amplificadores de sonido, receptores de radio, televisores, etcétera. Conforme pasaba el tiempo, las válvulas de vacío se fueron perfeccionando y mejorando y surgieron otros tipos, como los tetrodos (válvulas de cuatro electrodos), los pentodos (cinco electrodos), otras válvulas para aplicaciones de alta potencia, etcétera. Dentro de los perfeccionamientos de las válvulas se encontraba su miniaturización. Pero fue definitivamente con el transistor, aparecido de la mano de John Bardeen y de Walter Brattain, de la Bell Telephone en 1948, cuando se hizo posible una mayor miniaturización de aparatos como los radios. El transistor de unión apareció algo más tarde, en 1949; es el dispositivo utilizado actualmente para la mayoría de las aplicaciones de la electrónica analógica. Sus ventajas respecto a las válvulas son, entre otras: menor tamaño y fragilidad, mayor rendimiento energético y menores tensiones de alimentación. El transistor no funciona en vacío como las válvulas, sino en un estado sólido semiconductor (silicio), razón por la que no necesitan centenares de voltios de tensión para funcionar.
Electrotecnia general La electrotecnia general es la ciencia encargada de estudiar la aplicación técnica de la electricidad así como del magnetismo. El origen del término electrotecnia viene de electro y techne, es decir, la tecnología en la electricidad. El concepto pues abarca un amplio abanico de campos, entre los que se incluyen los sistemas de iluminación, motores eléctricos, robótica y contactos. En las páginas de electrotecnia.com, a parte de estos aspectos citados, nos centraremos también en las fuentes de energía, poniendo una especial atención en las renovables.
PERFIL PROFESIONAL El Tecnólogo en Electrónica Industrial de la Institución carlos cueto fernandini , tendrá la habilidad y sólidos conocimientos para desarrollar aplicaciones industriales / comerciales de control electrónico de potencia eléctrica de procesos de manufactura (Variadores de velocidad, arrancadores suaves, fuentes conmutada, drivers para servos). El profesional egresado del programa estará en capacidad de:
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Características Diodos de potencia Los diodos de potencia son uno de los componentes más importantes y más utilizados en los circuitos de potencia, aunque tienen algunas limitaciones que se mencionan a continuación: -Son dispositivos unidireccionales. -Para pasar de un estado a otro hay que invertir la tensión aplicada. -Solo tienen dos terminales, y por lo tanto carecen de electrodo de control. Las dos últimas limitaciones mencionadas van ligadas, vienen a decir que no tenemos un mecanismo de control sobre el estado del diodo, y su paso de un estado a otro depende de las
formas de onda del circuito. Esto hace que no se requiera circuito adicional de disparo, lo cual simplifica el diseño y es una de las razones por las que su uso está tan extendido. El terminal conectado al material tipo p es el ánodo y el conectado al material tipo n el cátodo. La Capa p generalmente es de tipo p+ (Na=1019/cm3 ) . La capa de tipo n está en realidad compuesta de dos capas, una central poco dopada n-(Nd=1014/cm3 ). y la otra muy dopada n+ (Nd=1019/cm3).. La capa central es la que soporta la mayor parte de la tensión inversa y puede llegar a ser muy ancha en diodos de alta tensión. El campo eléctrico máximo que soporta el Silicio es teóricamente 300.000 V/cm, pero debido a impurezas e imperfecciones de la estructura cristalina, en la práctica es de 200.000 V/cm. Una unión pn o diodo es capaz de soportar aproximadamente 22.000V/cm. Los materiales más utilizados para la fabricación los diodos de potencia son el germanio y el silicio. El primero tiene una caída de tensión en conducción menor, pero solo soporta temperaturas de hasta 120ºC, y el silicio puede soportar temperaturas de hasta 200ºC y soporta tensiones inversas mayores que un diodo de germanio. El diodo de silicio es el de más aplicación, reservándose el de germanio para los casos en que se manejan bajas tensiones e interesa reducir al mínimo las caídas de tensión en conducción. Los diodos de potencia pueden llegar a soportar intensidades de hasta 3kA en conducción y tensiones inversas de hasta 5kV.
Características estáticas Los diodos de potencia funcionan de la misma manera que los de señal, pero son capaces de soportar alta intensidad con una pequeña caída de tensión en sentido directo y en sentido inverso deben soportar una alta tensión sin paso de intensidad. Tanto la pequeña caída de tensión en conducción como las corrientes de fugas en corte, así como las características dinámicas que se estudiarán más adelante hacen que no sea un conmutador ideal. Este modelo se utiliza para calcular la potencia disipada por el diodo en conducción (en la zona de ruptura inversa la corriente de fugas es muy pequeña y las pérdidas despreciables excepto a muy altas temperaturas) Como se observa en la expresión, la potencia media disipada depende tanto de la corriente media como de la corriente eficaz. nuestros aspectos diferenciales de nuestra carrera son:
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Diodo Un diodo es un componente electrónico de dos terminales que permite la circulación de la corriente eléctrica a través de él en un solo sentido. Este término generalmente se usa para referirse al diodo semiconductor, el más común en la actualidad; consta de una pieza de cristal semiconductor conectada a dos terminales eléctricos. El diodo de vacío (que actualmente ya no se usa, excepto para tecnologías de alta potencia) es un tubo de vacío con dos electrodos: una lámina como ánodo, y un cátodo. De forma simplificada, la curva característica de un diodo (I-V) consta de dos regiones: por debajo de cierta diferencia de potencial, se comporta como un circuito abierto (no conduce), y por encima de ella como un circuito cerrado con una resistencia eléctrica muy pequeña. Debido a este comportamiento, se les suele denominar rectificadores, ya que son dispositivos capaces de suprimir la parte negativa de cualquier señal, como paso inicial para convertir una corriente alterna en corriente continua. Su principio de funcionamiento está basado en los experimentos de Lee De Forest. Los primeros diodos eran válvulas o tubos de vacío, también llamados válvulas termoiónicas constituidos por dos electrodos rodeados de vacío en un tubo de cristal, con un aspecto similar al de las lámparas incandescentes. El invento fue desarrollado en 1904 por John Ambrose Fleming, empleado de la empresa Marconi, basándose en observaciones realizadas por Thomas Alva Edison. Al igual que las lámparas incandescentes, los tubos de vacío tienen un filamento (el cátodo) a través del cual circula la corriente, calentándolo por efecto Joule. El filamento está tratado con óxido de bario, de modo que al calentarse emite electrones al vacío circundante los cuales son conducidos electrostáticamente hacia una placa, curvada por un muelle doble, cargada positivamente (el ánodo), produciéndose así la conducción. Evidentemente, si el
cátodo no se calienta, no podrá ceder electrones. Por esa razón, los circuitos que utilizaban válvulas de vacío requerían un tiempo para que las válvulas se calentaran antes de poder funcionar y las válvulas se quemaban con mucha facilidad.
Tipos Diodos termoiónicos y de estado gaseoso Los diodos termoiónicos son dispositivos de válvula termoiónica (también conocida como tubo de vacío), que consisten en un arreglo de electrodos empacados en un vidrio al vacío. Los primeros modelos eran muy parecidos a la lámpara incandescente. En los diodos de válvula termoiónica, una corriente a través del filamento que se va a calentar calienta indirectamente el cátodo, otro electrodo interno tratado con una mezcla de Bario y óxido de estroncio, los cuales son óxidos alcalinotérreos; se eligen estas sustancias porque tienen una pequeña función de trabajo (algunas válvulas usan calentamiento directo, donde un filamento de tungsteno actúa como calentador y como cátodo). El calentamiento causa emisión termoiónica de electrones en el vacío. En polarización directa, el ánodo estaba cargado positivamente por lo cual atraía electrones. Sin embargo, los electrones no eran fácilmente transportados de la superficie del ánodo que no estaba caliente cuando la válvula termoiónica estaba en polarización inversa. Además, cualquier corriente en este caso es insignificante. En la mayor parte del siglo xx, los diodos de válvula termoiónica se usaron en aplicaciones de señales análogas, rectificadores y potencia. Hasta el día de hoy, los diodos de válvula solamente se usan en aplicaciones exclusivas como rectificadores en guitarras eléctricas, amplificadores de audio, así como equipo especializado de alta tensión
Diodo semiconductor Un diodo semiconductor moderno está hecho de cristal semiconductor como el silicio con impurezas en él para crear una región que contenga portadores de carga negativa (electrones), llamada semiconductor de tipo n, y una región en el otro lado que contenga portadores de carga positiva (huecos), llamada semiconductor tipo p. Las terminales del diodo se unen a cada región. El límite dentro del cristal de estas dos regiones, llamado una unión PN, es donde la importancia del diodo toma su lugar. El cristal conduce una corriente de electrones del lado n (llamado cátodo), pero no en la dirección opuesta; es decir, cuando una corriente convencional fluye del ánodo al cátodo (opuesto al flujo de los electrones). Al unir ambos cristales, se manifiesta una difusión de electrones del cristal n al p (Je). Al establecerse una corriente de difusión, aparecen cargas fijas en una zona a ambos lados de la unión, zona que recibe el nombre de región de agotamiento. A medida que progresa el proceso de difusión, la región de agotamiento va incrementando su anchura profundizando en los cristales a ambos lados de la unión. Sin embargo, la acumulación de iones positivos en la zona n y de iones negativos en la zona p, crea un campo eléctrico (E) que actuará sobre los electrones libres de la zona n con una determinada fuerza de desplazamiento, que se opondrá a la corriente de electrones y terminará deteniéndolos.
Este campo eléctrico es equivalente a decir que aparece una diferencia de tensión entre las zonas p y n. Esta diferencia de potencial (VD) es de 0,7 V en el caso del silicio y 0,3 V para los cristales de germanio. La anchura de la región de agotamiento una vez alcanzado el equilibrio, suele ser del orden de 0,5 micras pero cuando uno de los cristales está mucho más dopado que el otro, la zona de carga espacial es mucho mayor. Cuando se somete al diodo a una diferencia de tensión externa, se dice que el diodo está polarizado, pudiendo ser la polarización directa o inversa.
Polarización directa de un diodo En este caso, la batería disminuye la barrera de potencial de la zona de carga espacial, permitiendo el paso de la corriente de electrones a través de la unión; es decir, el diodo polarizado directamente conduce la electricidad. Para que un diodo esté polarizado directamente, se debe conectar el polo positivo de la batería al ánodo del diodo y el polo negativo al cátodo. En estas condiciones podemos observar que: El polo negativo de la batería repele los electrones libres del cristal n, con lo que estos electrones se dirigen hacia la unión p-n. El polo positivo de la batería atrae a los electrones de valencia del cristal p, esto es equivalente a decir que empuja a los huecos hacia la unión p-n. Cuando la diferencia de potencial entre los bornes de la batería es mayor que la diferencia de potencial en la zona de carga espacial, los electrones libres del cristal n, adquieren la energía suficiente para saltar a los huecos del cristal p, los cuales previamente se han desplazado hacia la unión p-n. Una vez que un electrón libre de la zona n salta a la zona p atravesando la zona de carga espacial, cae en uno de los múltiples huecos de la zona p convirtiéndose en electrón de valencia. Una vez ocurrido esto el electrón es atraído por el polo positivo de la batería y se desplaza de átomo en átomo hasta llegar al final del cristal p, desde el cual se introduce en el hilo conductor y llega hasta la batería. De este modo, con la batería cediendo electrones libres a la zona n y atrayendo electrones de valencia de la zona p, aparece a través del diodo una corriente eléctrica constante hasta el final.
Curva característica del diodo Tensión umbral, de codo o de partida (Vγ ). La tensión umbral (también llamada barrera de potencial) de polarización directa coincide en valor con la tensión de la zona de carga espacial del diodo no polarizado. Al polarizar directamente el diodo, la barrera de potencial inicial se va reduciendo, incrementando la corriente ligeramente, alrededor del 1% de la nominal. Sin embargo, cuando la tensión externa supera la tensión umbral, la barrera de potencial desaparece, de forma que para pequeños incrementos de tensión se producen grandes variaciones de la intensidad de corriente.
Corriente máxima (Imax ). Es la intensidad de corriente máxima que puede conducir el diodo sin fundirse por el efecto Joule. Dado que es función de la cantidad de calor que puede disipar el diodo, depende sobre todo del diseño del mismo. Corriente inversa de saturación (Is ). Es la pequeña corriente que se establece al polarizar inversamente el diodo por la formación de pares electrón-hueco debido a la temperatura, admitiéndose que se duplica por cada incremento de 10 °C en la temperatura.
Corriente superficial de fugas. Es la pequeña corriente que circula por la superficie del diodo (ver polarización inversa), esta corriente es función de la tensión aplicada al diodo, con lo que al aumentar la tensión, aumenta la corriente superficial de fugas.
Tensión de ruptura (Vr ). Es la tensión inversa máxima que el diodo puede soportar antes de darse el efecto avalancha. Teóricamente, al polarizar inversamente el diodo, este conducirá la corriente inversa de saturación; en la realidad, a partir de un determinado valor de la tensión, en el diodo normal o de unión abrupta la ruptura se debe al efecto avalancha; no obstante hay otro tipo de diodos, como los Zener, en los que la ruptura puede deberse a dos efectos: Efecto avalancha (diodos poco dopados). En polarización inversa se generan pares electrón-hueco que provocan la corriente inversa de saturación; si la tensión inversa es elevada los electrones se aceleran incrementando su energía cinética de forma que al chocar con electrones de valencia pueden provocar su salto a la banda de conducción. Estos electrones liberados, a su vez, se aceleran por efecto de la tensión, chocando con más electrones de valencia y liberándolos a su vez. El resultado es una avalancha de electrones que provoca una corriente grande. Este fenómeno se produce para valores de la tensión superiores a 6 V. Efecto Zener (diodos muy dopados). Cuanto más dopado está el material, menor es la anchura de la zona de carga. Puesto que el campo eléctrico E puede expresarse como cociente de la tensión V entre la distancia d; cuando el diodo esté muy dopado, y por tanto d sea pequeño, el campo eléctrico será grande, del orden de 3·105 V/cm. En estas condiciones, el propio campo puede ser capaz de arrancar electrones de valencia incrementándose la corriente. Este efecto se produce para tensiones de 4 V o menores. Para tensiones inversas entre 4 y 6 V la ruptura de estos diodos especiales, como los Zener, se puede producir por ambos efectos.
Modelos matemáticos El modelo matemático más empleado es el de Shockley (en honor a William Bradford Shockley) que permite aproximar el comportamiento del diodo en la mayoría de las aplicaciones. La ecuación que liga la intensidad de corriente y la diferencia de potencial es:
Donde: I es la intensidad de la corriente que atraviesa el diodo VD es la diferencia de tensión entre sus extremos. IS es la corriente de saturación (aproximadamente 10^{-12} A)n es el coeficiente de emisión, dependiente del proceso de fabricación del diodo y que suele adoptar valores entre 1 (para el germanio) y del orden de 2 (para el silicio). El Voltaje térmico VT es aproximadamente 25.85mV en 300K, una temperatura cercana a la temperatura ambiente, muy usada en los programas de simulación de circuitos. Para cada temperatura existe una constante conocida definida por:
Donde k es la constante de Boltzmann, T es la temperatura absoluta de la unión pn, y q es la magnitud de la carga de un electrón (la carga elemental). La ecuación de diodo ideal de Shockley o la ley de diodo se deriva de asumir que solo los procesos que le dan corriente al diodo son por el flujo (debido al campo eléctrico), difusión, y la recombinación térmica. También asume que la corriente de recombinación en la región de agotamiento es insignificante. Esto significa que la ecuación de Shockley no tiene en cuenta los procesos relacionados con la región de ruptura e inducción por fotones. Adicionalmente, no describe la estabilización de la curva I-V en polarización activa debido a la resistencia interna. Bajo voltajes negativos, la exponencial en la ecuación del diodo es insignificante. y la corriente es una constante negativa del valor de Is. La región de ruptura no está modelada en la ecuación de diodo de Shockley.
Resistencia eléctrica Se le denomina resistencia eléctrica a la igualdad de oposición que tienen los electrones al moverse a través de un conductor. La unidad de resistencia en el Sistema Internacional es el ohmio, que se representa con la letra griega omega (Ω), en honor al físico alemán Georg Ohm, quien descubrió el principio que ahora lleva su nombre.
Para un conductor de tipo cable, la resistencia está dada por la siguiente fórmula:
Donde ρ es el coeficiente de proporcionalidad o la resistividad del material, \ell es la longitud del cable y S el área de la sección transversal del mismo. La resistencia de un material depende directamente de dicho coeficiente, además es directamente proporcional a su longitud (aumenta conforme es mayor su longitud) y es inversamente proporcional a su sección transversal (disminuye conforme aumenta su grosor o sección transversal). Descubierta por Georg Ohm en 1827, la resistencia eléctrica tiene un parecido conceptual con la fricción en la física mecánica. La unidad de la resistencia en el Sistema Internacional de Unidades es el ohmio (Ω). Para su medición, en la práctica existen diversos métodos, entre los que se encuentra el uso de un ohmnímetro. Además, su cantidad recíproca es la conductancia, medida en Siemens. Por otro lado, de acuerdo con la ley de Ohm la resistencia de un material puede definirse como la razón entre la diferencia de potencial eléctrico y la corriente en que atraviesa dicha resistencia, así:
Donde R es la resistencia en ohmios, V es la diferencia de potencial en voltios e I es la intensidad de corriente en amperios. También puede decirse que "la intensidad de la corriente que pasa por un conductor es directamente proporcional a la diferencia de potencial e inversamente proporcional a su resistencia" Según sea la magnitud de esta medida, los materiales se pueden clasificar en conductores, aislantes y semiconductor. Existen además ciertos materiales en los que, en determinadas condiciones de temperatura, aparece un fenómeno denominado superconductividad, en el que el valor de la resistencia es prácticamente nulo.