Elementos Discretos PDF

Elementos discretos 5 Introducción. En el contexto de la señal o sistema, discreto en el tiempo se refiere a una señal o sistema cuyos valores se definen únicamente en momentos o puntos específicos en el tiempo. Esto significa que la señal o sistema solo toma valores en ciertos instan...

Elementos discretos 5 Introducción. En el contexto de la señal o sistema, discreto en el tiempo se refiere a una señal o sistema cuyos valores se definen únicamente en momentos o puntos específicos en el tiempo. Esto significa que la señal o sistema solo toma valores en ciertos instantes discretos y no en todo el intervalo de tiempo. En contraste, una señal o sistema continuo en el tiempo puede tomar valores en cualquier punto a lo largo del tiempo, sin restricciones en términos de momentos específicos. Por lo tanto, una señal continua en el tiempo tiene una representación matemática que es válida para todos los valores de tiempo en un intervalo continuo. Cuando trabajamos con señales discretas en el tiempo, generalmente utilizamos una secuencia de valores discretos que se toman en intervalos regulares. Estos valores pueden estar espaciados de manera uniforme o no uniforme, dependiendo de la aplicación. La representación de una señal discreta en el tiempo se realiza a través de una secuencia de valores numéricos, donde cada valor corresponde a una muestra tomada en un instante de tiempo específico. El procesamiento de señales discretas en el tiempo es fundamental en áreas como el procesamiento digital de señales, la comunicación digital y otras disciplinas relacionadas. Algunos ejemplos de señales discretas en el tiempo incluyen las secuencias de audio digital, los datos muestreados de sensores y los bits en una transmisión digital.  Elementos discretos 6 Los elementos discretos son componentes electrónicos individuales que se utilizan en circuitos electrónicos para realizar funciones específicas. Algunos elementos discretos que se revisarán a lo largo del tema serán: 1. Resistencia: La resistencia es un componente que limita el flujo de corriente eléctrica en un circuito. Está representada por el símbolo "R" y se mide en ohmios (Ω). Las resistencias se utilizan para controlar la corriente, dividir voltajes, establecer niveles de señal y realizar otras funciones. 2. Capacitor: El capacitor es un dispositivo que almacena y libera carga eléctrica. Está compuesto por dos placas conductoras separadas por un material dieléctrico. Se representa por el símbolo "C" y se mide en faradios (F). Los capacitores se utilizan para filtrar señales, acoplar circuitos, almacenar energía y otras aplicaciones. 3. Inductor: El inductor es un componente que almacena energía en un campo magnético cuando pasa corriente a través de él. Está representado por el símbolo "L" y se mide en henrios (H). Los inductores se utilizan para filtrar señales, regular corrientes, almacenar energía y generar campos magnéticos. 4. Diodo: El diodo es un dispositivo de dos terminales que permite que la corriente fluya en una dirección, bloqueándola en la dirección opuesta. Tiene un terminal ánodo (A) y un terminal cátodo (K) y se utiliza para rectificar corriente, proteger circuitos, generar señales y otras aplicaciones. 5. Transistor: El transistor es un dispositivo de tres terminales que actúa como un interruptor o un amplificador de señal. Hay diferentes tipos de transistores, como los bipolares (BJT) y los de efecto de campo (FET). Se utilizan en una amplia gama de aplicaciones, incluyendo amplificadores, osciladores, conmutación y regulación de voltaje. Estos son solo algunos ejemplos de elementos discretos en electrónica. Hay muchos otros componentes, como el condensador variable, el potenciómetro, el relé, el cristal, el zener, el optoacoplador, entre otros, que se utilizan para diversas funciones en circuitos electrónicos de los cuales, se verán más adelante.  Elementos discretos 7 Los semiconductores son una clase especial de elementos cuya conductividad se encuentra entre la de un buen conductor y la de un aislante. En general, los materiales semiconductores caen dentro de una de dos clases: de un solo cristal y compuesto. Los semiconductores de un solo cristal como el germanio (Ge) y el silicio (Si) tienen una estructura cristalina repetitiva, en tanto que compuestos como el arseniuro de galio (GaAs), el sulfuro de cadmio (CdS), el nitruro de galio (GaN) y el fosfuro de galio y arsénico (GaAsP) se componen de dos o más materiales semiconductores de diferentes estructuras atómicas. Los tres semiconductores más frecuentemente utilizados en la construcción de dispositivos electrónicos son Ge, Si y GaAs. Para apreciar plenamente por qué Si, Ge y GaAs son los semiconductores más utilizados por la industria electrónica, hay que entender la estructura atómica de cada uno y cómo están enlazados los átomos entre sí para formar una estructura cristalina. Todo átomo se compone de tres partículas básicas: electrón, protón y neutrón. En la estructura entrelazada, los neutrones y los protones forman el núcleo; los electrones aparecen en órbitas fijas alrededor de éste. En el germanio y el silicio hay cuatro electrones en la capa más externa, los cuales se conocen como electrones de valencia. El galio tiene tres electrones de valencia y el arsénico cinco. Los átomos que tienen cuatro electrones de valencia se llaman tetravalentes; los de tres se llaman trivalentes, y los de cinco se llaman pentavalentes. El término valencia se utiliza para indicar que el potencial (potencial de ionización) requerido para remover cualquiera de estos electrones de la estructura atómica es significativamente más bajo que el requerido para cualquier otro electrón en la estructura. Este enlace de átomos, reforzado por compartir electrones, se llama enlace covalente. Aunque el enlace covalente produce un enlace más fuerte entre los electrones de valencia y su átomo padre, aún es posible que los electrones de valencia absorban suficiente energía cinética proveniente de causas externas para romper el enlace covalente y asumir el estado “libre”. El término libre se aplica a cualquier electrón que se haya separado de la estructura entrelazada fija y es muy sensible a cualquier campo eléctrico aplicado como el establecido por fuentes de voltaje o por cualquier diferencia de potencial. Las causas externas incluyen efectos como energía luminosa en forma de fotones y energía térmica (calor) del medio circundante  Elementos discretos 8 El término intrínseco se aplica a cualquier material semiconductor que haya sido cuidadosamente refinado para reducir el número de impurezas a un nivel muy bajo; en esencia, lo más puro posible que se pueda fabricar. Una importante e interesante diferencia entre semiconductores y conductores es su reacción ante la aplicación de calor. En el caso de los conductores, la resistencia se incrementa con un aumento de calor. Esto se debe a que el número de portadores presentes en un conductor no se incrementan de manera significativa con la temperatura, aunque su patrón de vibración con respecto a un lugar relativamente fijo dificulta cada vez más el flujo continuo de portadores a través del material. Se dice que los materiales que reaccionan de esta manera tienen un coeficiente de temperatura positivo. Los materiales semiconductores, sin embargo, presentan un nivel incrementado de conductividad con la aplicación de calor. Conforme se eleva la temperatura, un mayor número de electrones de valencia absorben suficiente energía térmica para romper el enlace covalente y así contribuir al número de portadores libres. Por consiguiente: Los materiales semiconductores tienen un coeficiente de temperatura negativo. Dentro de la estructura atómica de cada átomo aislado hay niveles específicos de energía asociados con cada capa y electrón en órbita. Los niveles de energía asociados con cada capa son diferentes según el elemento de que se trate. Sin embargo, en general: Cuanto más alejado está un electrón del núcleo, mayor es su estado de energía y cualquier electrón que haya abandonado a su átomo padre tiene un estado de energía mayor que todo electrón que permanezca en la estructura atómica.  Materiales Extrínsecos: Materiales tipo P y tipo N. Un material semiconductor que ha sido sometido al proceso de dopado se conoce como material extrínseco. Hay dos materiales extrínsecos de inmensurable importancia en la fabricación de dispositivos semiconductores: materiales tipo n y tipo p. Material tipo n Tanto los materiales tipo n como los tipos p se forman agregando un número predeterminado de átomos de impureza a una base de silicio. Un material tipo n se crea introduciendo elementos de impureza que contienen cinco electrones de valencia (pentavalentes), como el antimonio, el arsénico y el fósforo. Las impurezas difundidas con cinco electrones de valencia se conocen como átomos donadores.  Elementos discretos 9  El material tipo p se forma dopando un cristal de germanio o silicio puro con átomos de impureza que tienen tres electrones de valencia. Los elementos más utilizados para este propósito son boro, galio e indio.  Las impurezas difundidas con tres electrones de valencia se llaman átomos aceptores.  Ahora que los materiales tanto tipo n como tipo p están disponibles, podemos construir nuestro primer dispositivo electrónico de estado sólido. El diodo semiconductor, con aplicaciones demasiado numerosas de mencionar, se crea uniendo un material tipo n a un material tipo p, nada más que eso; sólo la unión de un material con un portador mayoritario de electrones a uno con un portador mayoritario de huecos.  Tipos de diodos  Existen varios tipos de diodos, que pueden diferir en su aspecto físico, impurezas, uso de electrodos y algunos con características eléctricas específicas para alguna aplicación especial.  Detector Los diodos detectores también conocidos como diodo de baja señal o de contacto puntual, están diseñado especialmente para operar en dispositivos de muy altas frecuencias y baja corriente. La capacidad de carga normalmente se encuentra con una corriente máxima de 150mA y una potencia de 500mW (Verificar hoja de datos dependiendo del dispositivo). Podemos encontrar diodos detectores de silicio o de germanio, recordando que en el silicio su umbral es entre 0.6 a 0.7 voltios y en el germanio de 0.2 a 0.3 voltios. Dependiendo del dopado del diodo se tendrá una variación en la resistencia y también es más común tener una mayor caída de tensión en el de diodo de silicio.