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REPÚBLICA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACIÓN UNIVERSITARIA INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITÉCNICO “SANTIAGO MARIÑO” EXTENSIÓN MATURÍN

DIODO ZENER, TRANSISTOR DE UNIÓN BIPOLAR Y FAMILIA LÓGICAS

Autor: Jesús Jiménez C.I.: V-27.559.607 Docente de la asignatura: Elías Velásquez

Maturín, julio del 2020

ÍNDICE Pp. INTRODUCCIÓN……………………………………………………………….. 3 DIODO ZENER Características………………………..…….…………………………………….... 4 Estructura interna……..…………………………………………............................ 5 Funcionamiento.……………………………………………..................…………. 5 Aplicaciones.………………………………...……………………………………. 7 TRANSISTORES Transistores de unión bipolar……………………………………………………... 8 Transistor de efecto de campo de juntura (JFET)..……………………………….. 9 Transistor de efecto de campo (FET)…………………....………………………... 9 FAMILIA LÓGICA Clasificación……………………………………………………………………… 11 Características……………………………………………………………………

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Cuadro comparativo.……………………………………………………………... 17 CONCLUSIONES………………………………………………………………. 19 ANEXOS……………………………………………………………………….... 20 REFERENCIAS ………………………………………………………………... 21

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INTRODUCCIÓN Hemos visto que un diodo semiconductor normal puede estar polarizado tanto en directa como inversamente. El diodo Zener trabaja exclusivamente en la zona de característica inversa y, en particular, en la zona del punto de ruptura de su característica inversa. Esta tensión de ruptura depende de las características de construcción del diodo, se fabrican desde 2 a 200 voltios. Polarizado en directa actúa como un diodo normal y por tanto no se utiliza en dicho estado. El diodo Zener es un tipo especial de diodo, que siempre se utiliza polarizado inversamente. Recordando que los diodos comunes, como el diodo rectificador (en donde se aprovechan sus características de polarización directa y polarización inversa), conducen siempre en el sentido de la flecha. En este caso la corriente circula en contra de la flecha que representa el diodo. Si el diodo Zener se polariza en sentido directo se comporta como un diodo rectificador común. Cuando el diodo Zener funciona polarizado inversamente mantiene entre sus terminales un voltaje constante. La gran utilidad del diodo está en los dos diferentes estados en que se puede encontrar dependiendo de la corriente eléctrica que este fluyendo en él, al poder tener estos dos estados, estos dos comportamientos los diodos tienen la opción de ser usados en elementos electrónicos en los que estos facilitan el trabajo. Por otro lado, el transistor es un nuevo componente utilizado en las prácticas de electrónica. Este es un dispositivo semiconductor de tres terminales y que se utiliza para una variedad de funciones de control en los circuitos electrónicos. Entre alguna de las funciones podemos incluir la amplificación, oscilación, conmutación y la conversión de frecuencias. En el presente informe veremos el diodo Zener, sus características y aplicaciones en fuentes de alimentación además de su simbología y estructura, los transistores de unión bipolar y su campo de efecto, como también la familia lógica digital estableciendo las diferencias entre las familias lógicas, características y clasificación.

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1. DIODO ZENER El diodo Zener es básicamente un diodo de silicio fuertemente dopado que se ha construido para que funcione en las zonas de rupturas, recibe ese nombre por su inventor Clarence Melvin Zener. El diodo Zener es la parte esencial de los reguladores de tensión casi constantes con independencia de que se presenten grandes variaciones de la tensión de red, de la resistencia de carga y temperatura. El diodo Zener basa su funcionamiento en el Efecto Zener, de ahí su nombre. Este componente es capaz de trabajar en dicha región cuando las condiciones de polarización lo determinen y una vez hayan desaparecido éstas, recupera sus propiedades como diodo normal, no llegando por este fenómeno a su destrucción salvo que se alcance la corriente máxima de Zener Imáx indicada por el fabricante. Son mal llamados a veces diodos de avalancha, pues presentan comportamientos similares a estos, pero los mecanismos involucrados son diferentes. Además, si el voltaje de la fuente es inferior a la del diodo este no puede hacer su regulación característica. 1.1

Características Si a un diodo Zener se le aplica una tensión eléctrica positiva del ánodo respecto a

negativa en el cátodo (polarización directa) toma las características de un diodo rectificador básico (la mayoría de casos), pero si se le suministra tensión eléctrica positiva de cátodo a negativa en el ánodo (polarización inversa), el diodo mantendrá una tensión constante. No actúa como rectificador sino como un estabilizador de tensión Variando la tensión V a valores mayores que la tensión de ruptura del Zener, Vz se mantiene constante. Su símbolo es como el de un diodo normal, pero tiene dos terminales a los lados. Se deberá tener presente que, el diodo Zener al igual que cualquier dispositivo electrónico, tiene limitaciones y una de ellas es la disipación de potencia. Si no se toman en consideración sus parámetros, el componente se quema.

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En conclusión: el diodo Zener debe ser polarizado inversamente para que adopte su característica de regulador de tensión. En la figura (ver Figura 1) se observa un circuito típico de su uso como regulador de tensión:

Figura 1. Regulador de

tensión utilizando diodo Zener.

En resumen, el diodo Zener viene caracterizado por: 

Tensión Zener Vz.



Rango de tolerancia de Vz. (Tolerancia: C: ±5%)



Máxima corriente Zener en polarización inversa Iz.



Máxima potencia disipada.



Máxima temperatura de operación del Zener.

1.2 Estructura interna El diodo Zener está estructurado internamente por la unión de dos piezas de cristal semiconductor compuestas por átomos de silicio puro, procesadas cada una de una forma diferente, de forma que una sea de tipo P (con carga positiva) y otra tipo N (con carga negativa). Para lograr esto, a las piezas se les añade algunas moléculas de otro elemento semiconductor, denominadas impurezas. Este proceso se denomina dopado. Al final del proceso se obtiene una pieza de cristal de silicio positiva (P) con faltante de electrones en su estructura atómica (lo que produce la aparición de “huecos”) y otra pieza negativa (N) con exceso de electrones. 1.3 Funcionamiento

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

Si el diodo Zener se polariza en sentido directo se comporta como un diodo común y conduce.



Si el diodo Zener se polarizada inversamente, este no conduce mientras el voltaje aplicado sea menor al voltaje del Zener. Una vez que este voltaje se haya alcanzado, una corriente fluye de cátodo a ánodo, como se muestra en la imagen (ver Figura 2) y se mantiene entre sus terminales un voltaje de Zener. (Ver Figura 3)

Figura 2. Diodo Zener, su símbolo y la dirección de la corriente para que funcione en la zona operativa. En el gráfico se ve el símbolo de diodo Zener (A – ánodo, K – cátodo) y el sentido de la corriente para que funcione en la zona operativa.

Si se analiza el diodo como un elemento real, no como un elemento ideal y se debe tomar en cuenta que cuando este se polariza en modo inverso si existe una corriente que circula en sentido contrario a la flecha del diodo, pero de muy poco valor.

Figura 3. Curva característica del Diodo Zener.

1.4 Aplicaciones Una de las aplicaciones más usadas del diodo Zener es como referencia de voltaje, y como este objetivo se usa en muchos circuitos. Otras aplicaciones son: 2.1 Como regulador de voltaje Un regulador de voltaje con diodo zener ideal mantiene un voltaje predeterminado fijo a su salida, sin importar las variaciones de voltaje en la fuente de alimentación y/o las variaciones de corriente en la carga. (Ver Figura 4).

Figura 4. Regulador de voltaje con diodo Zener.

3.1 Como recortadores de picos de voltaje (clipper) En este caso dos diodos Zener se colocan contrapuestos conectados por los ánodos. Ver el circuito y las ondas de entrada y salida. (Ver Figura 5).

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Figura 5. Clipper – Recortador de onda con dos diodos Zener.

4.1 Como desplazador de voltaje Este circuito reduce el voltaje que se pone en su entrada en la cantidad de voltios que tiene el Zener. Si el voltaje de entrada es de 15 voltios y el voltaje del Zener es de 6 voltios, el voltaje en la salida es 9 voltios. (Ver Figura 6).

Figura 6. Desplazador de voltaje con diodo Zener.

2. TRANSITOR Un transistor es un dispositivo que regula el flujo de corriente o de tensión sobre un circuito actuando como un interruptor y/o amplificador para señales eléctricas o electrónicas (tensiones y corrientes), es decir, que es un dispositivo electrónico semiconductor utilizado para entregar una señal de salida en respuesta a una señal de entrada. Los transistores, en ese sentido, cumplen funciones de amplificación, oscilación, conmutación o rectificación de la señal eléctrica dentro del circuito determinado, y se utilizan en gran parte de los circuitos integrados de los artefactos electrónicos contemporáneos. Actualmente se encuentra prácticamente en todos los aparatos electrónicos de uso diario tales como radios, televisores, reproductores de audio y video, relojes de cuarzo, computadoras, lámparas fluorescentes, tomógrafos, teléfonos celulares, aunque casi siempre dentro de los llamados circuitos integrados. 2.1 Transistores de unión bipolar

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El transistor de unión bipolar (o BJT, por sus siglas del inglés bipolar junction transistor) se fabrica sobre un monocristal de material semiconductor como el germanio, el silicio o el arseniuro de galio, cuyas cualidades son intermedias entre las de un conductor eléctrico y las de un aislante. Sobre el sustrato de cristal se contaminan en forma muy controlada tres zonas sucesivas, N-P-N o P-N-P, dando lugar a dos uniones PN. Los transistores BJT tienen muchas aplicaciones en el campo de la electrónica, pero comúnmente son utilizados como interruptores electrónicos, amplificadores de señales o como conmutadores de baja potencia. Como ejemplo, se usan para controlar motores, accionar reveladores y producir sonidos en bocinas. Estos transistores son muy comunes y de uso general los cueles pueden encontrarse en cualquiera de los aparatos de uso cotidiano como en radios, alarmas, automóviles, ordenadores, etc. 2.2 Transistor de efecto de campo de juntura (JFET) El JFET (Junction Field-Effect Transistor, en español transistor de efecto de campo de juntura o unión) es un tipo de dispositivo electrónico de tres terminales que puede ser usado como interruptor electrónicamente controlado, amplificador o resistencia controlada por voltaje. Posee tres terminales, comúnmente llamados drenaje (D), puerta o compuerta (G) y fuente (S). 2.3 Transistor de efecto de campo (FET) El transistor de efecto campo (FET, del inglés field-effect transistor) es un transistor que usa el campo eléctrico para controlar la forma y, por lo tanto, la conductividad de un canal que transporta un solo tipo de portador de carga, por lo que también suele ser conocido como transistor unipolar. Es un semiconductor que posee tres terminales, denominados puerta (representado con la G), drenador (D) y fuente (S). La puerta es el terminal equivalente a la base del transistor de unión bipolar (BJT), de cuyo funcionamiento se diferencia, ya que, en el FET, el voltaje aplicado entre la puerta y la fuente controla la corriente que circula en el drenaje. Se dividen en

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dos tipos los de canal N y los de canal P, dependiendo del tipo de material del cual se compone el canal del dispositivo. 2.3.1 Tipos de transistores de efecto de campo El canal de un FET es dopado para producir tanto un semiconductor tipo N o uno tipo P. El drenador y la fuente deben estar dopados de manera contraria al canal en el caso del MOSFET de enriquecimiento, o dopados de manera similar al canal en el caso del MOSFET de agotamiento. Los transistores de efecto de campo también son distinguidos por el método de aislamiento entre el canal y la puerta. Podemos así, clasificar los transistores de efecto campo según el método de aislamiento entre el canal y la puerta: 

El MOSFET (FET metal-óxido-semiconductor) usa un aislante (normalmente SiO2). En este caso la compuerta es metálica y está separada del canal semiconductor por una capa de óxido.



El JFET (FET de unión) usa una unión PN.



El MESFET (FET metálico semiconductor) sustituye la unión PN del JFET con una barrera Schottky.



En el HEMT (transistor de alta movilidad de electrones), también denominado HFET (FET de estructura heterogénea), la banda de material dopada con huecos forma el aislante entre la puerta y el cuerpo del transistor.



Los MODFET (FET de modulación dopada)



Los IGBT (transistor bipolar de puerta aislada) es un dispositivo para control de potencia. Son comúnmente usados cuando el rango de voltaje drenador-fuente está entre los 200 a 3000V. Aun así, los Power MOSFET todavía son los dispositivos más utilizados en el rango de tensiones drenador-fuente de 1 a 200 de voltaje(V).

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

Los FREDFET es un FET especializado diseñado para otorgar una recuperación ultra rápida del transistor.



Los DNAFET es un tipo especializado de FET que actúa como biosensor, usando una puerta fabricada de moléculas de ADN de una cadena para detectar cadenas de ADN iguales.



Los TFT, que hacen uso de silicio amorfo o de silicio policristalino.

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3. FAMILIA LÓGICA Existen varias familias de circuitos integrados lógicos que se distinguen por el tipo de dispositivo semiconductor y por la manera como estos dispositivos son interconectados para la conformación de las compuertas. El circuito básico en cada familia es una compuerta NAND o una NOR. Se puede definir la familia lógica como una familia de dispositivos circuitos integrados digitales monolíticos, un grupo de puertas lógicas (o compuertas) construidas usando uno de varios diseños diferentes, usualmente con niveles lógicos compatibles y características de fuente de poder dentro de una familia. Muchas familias lógicas fueron producidas como componentes individuales, cada uno conteniendo una o algunas funciones básicas relacionadas, las cuales podrían ser utilizadas como “construcción de bloques” para crear sistemas o como por así llamarlo “pegamento” para interconectar circuitos integrados más complejos. En otras palabras, una familia lógica es el conjunto de circuitos integrados los cuales pueden ser interconectados entre si sin ningún tipo de interfase o aditamento, es decir, una salida de un CI puede conectarse directamente a la entrada de otro CI de una misma familia; se dice entonces que son compatibles. 3.1 Clasificación 3.1.1 Familia TTL estándar La familia lógica TTL-Estándar (TTL = transistor-transistor logic o lógica transistor-transistor)

es

una

familia

"saturante"

de

TTL

caracterizada

fundamentalmente por su rapidez. Es saturante porque la mayor parte de los transistores que la forman trabajan en corte-saturación. Estos transistores conducen tan pronto como la corriente de base sea suficiente para hacer que la intensidad de colector sea la de saturación. Pero el funcionamiento no suele ser así. Normalmente,

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un transistor con ganancia en corriente elevada requiere una considerable corriente de base lo que favorece la entrada en saturación del transistor. Cuando queremos que el transistor pase al corte, el exceso de carga acumulado en la base tarda en desalojarse, lo que contribuye a que los tiempos de conmutación del transistor sean mayores. Y una de las mejoras introducidas por la familia TTL-Estándar es la utilización de un transistor de entrada multiemisor que favorece el paso del estado de saturación al de corte, retirando la carga almacenada en la base del transistor durante la saturación. 3.1.2 Familia TTL-Schottky Uno de los principales problemas que existen en la familia TTL-Estándar es la pérdida de velocidad en la conmutación, debido a que la mayoría de los transistores trabaja en corte-saturación y es difícil evacuar el exceso de carga almacenada en la región de base durante la saturación. Este problema tiene solución con la aparición de la familia TTL-Schottky. Se trata de evitar que los transistores alcancen el estado de saturación. De esta manera se reduce el exceso de carga en la región de base, de forma que se tardará menos en evacuarla cuando el transistor intente pasar al corte, lo que se traduce en un aumento considerable de la velocidad. 3.1.3 Familia TTL-LS Con la familia TTL-S habíamos conseguido un gran aumento de velocidad de conmutación con respecto a la TTL-Estándar, pero también se había aumentado la corriente que circulaba por la puerta y, por lo tanto, su consumo de potencia. A partir de la TTL-S se obtuvo la familia TTL-LS; TTL Schottky de baja potencia (TTL-Low Power Schottky). Con esta familia se obtiene un consumo menor de potencia, pero se reduce la velocidad de conmutación. A pesar de esto, la velocidad que se ha obtenido es muy parecida a la de la TTL-Estándar pero el consumo de potencia se ha reducido en un factor de cinco. La familia TTL-LS, como descendiente de la familia TTL-S, sigue utilizando el diodo Schottky.

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3.1.4 Familia TTL-ALS La familia "Schottky de baja potencia avanzada" (Advanced Low-power Schottky, ALS) es una de las más avanzadas de la familia TTL. En ésta se aumenta dos veces la eficiencia de conducción y se ofrece más del 50 % de reducción de potencia en comparación con la familia TTL-LS. Con esta familia se mejora el producto PotenciaVelocidad. 3.1.5 Familia TTL-AS La familia TTL-ALS ofrecía una serie de ventajas con respecto a la familia TTLLS. Por otro lado, según lo visto hasta ahora, la familia lógica que nos ofrece una mayor rapidez es la TTL-Schottky (TTL-S). Con el fin de mejorar las características de TTL-S surge la familia TTL-Advanced Schottky (TTL-AS = TTL-Schottky Avanzada). La familia lógica TTL-AS ofrece una reducción de disipación de potencia y de retardo de un 50 % con respecto a TTL-S, mientras que el producto PotenciaVelocidad es reducido unas cuatro veces con respecto a esta misma familia 1. 3.1.1 Familia FAST La familia FAST, donde FAST proviene de TTL Schottky Avanzada de FAIRCHILD (FAIRCHILD Advanced Schottky TTL) es el último paso en TTL. Fue creada en la década de los 80 y debido a su alta velocidad de conmutación puede trabajar en áreas hasta ahora reservadas para la lógica "ECL IOK" utilizando los diseños TTL básicos y una única alimentación de 5V. La alta impedancia de entrada de la familia FAST permite la interconexión directa con los circuitos de las familias TTL-LS, TTL-ALS y HCMOS en un mismo sistema. Los circuitos FAST reducen en 1/4 la potencia que disipan con respecto a la familia TTL-S ya sea trabajando a nivel alto o bajo mejorando además el producto Potencia-Velocidad.

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3.1.6 Familia ECL Desde hace muchos años existe una familia que utiliza el principio de no conseguir la saturación de los transistores; la forma que tiene de hacerlo no es empleando diodos Schottky en los transistores, sino mediante un diseño particular de sus circuitos internos. Nos estamos refiriendo a la familia ECL o Lógica de Emisores Acoplados (Emitters Coupled Logic). 3.1.7 Familia CMOS 4000 Es sabido el afán por conseguir velocidades de conmutación cada vez más altas en los circuitos integrados digitales para el diseño de sistemas electrónicos. Hasta ahora, las tecnologías bipolares (TTL) eran las únicas que satisfacían las necesidades de velocidad y corriente. Las técnicas PMOS y NMOS no podían competir debido a su lentitud; sin embarg...