Guía de Electrónica Básica para Planta Exterior PDF

3 Objetivos Aunque la electrónica digital ha ganado protagonismo en las últimas décadas, la electrónica analógica sigue siendo esencial para el diseño y funcionamiento de una amplia gama de dispositivos y sistemas electrónicos. La electrónica analógica se ocupa del procesamiento y...

3 Objetivos Aunque la electrónica digital ha ganado protagonismo en las últimas décadas, la electrónica analógica sigue siendo esencial para el diseño y funcionamiento de una amplia gama de dispositivos y sistemas electrónicos. La electrónica analógica se ocupa del procesamiento y la transmisión de señales que varían de manera continua, lo que la convierte en un componente crucial en aplicaciones que requieren un manejo preciso de datos y una respuesta en tiempo real. La importancia de la electrónica analógica radica en su capacidad para capturar y representar el mundo físico en todo su esplendor. A diferencia de la electrónica digital, que opera con señales discretas y binarias, la electrónica analógica trabaja con señales que varían suavemente en el tiempo y pueden tomar un rango infinito de valores. En el presente trabajo, se tiene como prioridad que el lector, aprenda y conozca que la electrónica analógica es una disciplina esencial para el diseño y funcionamiento de sistemas electrónicos que interactúan con el mundo real. Como estudiar Comenzar por comprender los fundamentos de la electrónica, tales como las leyes de Kirchhoff, los circuitos resistivos, la teoría de circuitos y el análisis de corriente y voltaje. Asegúrate de tener una base sólida en estos conceptos antes de adentrarte en la electrónica analógica. Dedica tiempo a aprender sobre los componentes electrónicos analógicos, como resistencias, capacitores, inductores, transistores y amplificadores operacionales. Comprende sus características, símbolos, funciones y aplicaciones. Preferentemente, también se sugiere realizar autónomamente diagramas conceptuales que favorezcan a la jerarquización de ciertos temas que serán vistos en este trabajo, para su mayor entendimiento. 4 Temario Elementos discretos ▪ Materiales Semiconductores ▪ El diodo y sus tipos ▪ El transistor y sus tipos Amplificadores ▪ Definición de un amplificador Operacional ▪ Tipos de amplificadores Operacionales ▪ Ejercicios de aplicación de un amplificador Operacional Osciladores ▪ Definición de un Oscilador ▪ Tipos de Osciladores ▪ Ejercicios de aplicación de osciladores Sistemas numéricos ▪ Definición de un sistema numérico ▪ Conversiones entre sistemas numéricos: binario / decimal / octal / hexadecimal Compuertas lógicas ▪ Definición de una compuerta lógica. ▪ Tipos de compuertas lógicas. ▪ Ejercicios de resolución de una compuerta lógica  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.  Elementos discretos  Rectificador 10 Los diodos rectificadores son aquellos dispositivos semiconductores que solo conducen en polarización directa y en polarización inversa no conducen. Esto permite la transformación de los voltajes de corriente alterna (CA) a corriente directa (CD) y con esto tenemos la rectificación de una señal. Existen diferentes diodos rectificadores en los cuales se puede verificar en la hoja de datos valores importantes como la corriente y el voltaje inverso que soporta. Un diodo rectificador es útil para pasar sólo la mitad positiva o la mitad negativa de una señal de corriente alterna (CA), mediante el proceso de rectificación. Comúnmente los circuitos rectificadores son utilizados en el diseño de fuentes de poder, donde la potencia de corriente alterna (CA) se debe transformar en potencia de corriente directa (CD) lo cual es muy útil para circuitos electrónicos y digitales.  Rectificador de media onda El circuito rectificador de media onda nos permite convertir corriente alterna en corriente continua, es el circuito más simple para explicar el concepto de rectificación. Los rectificadores de media onda producen una mayor cantidad de ondulaciones que los rectificadores de onda completa, por lo tanto, es recomendable utilizar un condensador para suavizar y de esta manera eliminar la frecuencia armónica de corriente alterna (CA) de la salida de corriente directa (CD).  Elementos discretos  Rectificador de media onda con filtro por condensador. 11 Al agregar un condensador en paralelo a la carga (RL) al circuito como se muestra provocará que la cantidad de ondulaciones presentes en la salida de corriente directa (CD) se reduzca considerablemente. Para eliminar grandes cantidades de frecuencias armónicas de corriente alterna en la salida de corriente directa se puede reducir utilizando condensadores de mayor valor, pero existen límites tanto en costo como en tamaño para los tipos de suavizado.  Rectificador de onda completa El circuito rectificador de onda completa es un circuito en el que nos permite aprovechar ambos semiciclos de la corriente alterna y obtener corriente directa, aunque los resultados de las ondas aparentan ser similares a la rectificación de media onda es posible observar diferencias y ventajas al emplear una rectificación de onda completa, se puede observar niveles de intensidad superiores y la caída de tensión es menor al aplicar una carga a nuestro circuito (En este caso la carga sería RL). Para poder hacer una rectificación de onda completa es necesario un transformador de toma central o cuatro diodos en la configuración de “puente de diodos”. Es recomendable utilizar un transformador con toma central en el devanado secundario, con esto se puede lograr una mayor eficiencia en la rectificación de onda completa.  Elementos discretos  Puente rectificador: 12 El puente rectificador o también conocido como puente de Graetz es un circuito electrónico que produce una salida de corriente directa simular a un rectificador de onda completa, este tipo de circuito requiere de cuatro diodos los cuales deben ser colocados como se muestra en la Figura, el puente rectificador permite la rectificación de onda completa de un transformador que no tenga una toma central.  Algunas de las aplicaciones comunes del diodo rectificador son: Rectificador de media onda. Rectificador de onda completa. Puente rectificador o puente de diodos. Doblador de tensión. Filtrado con condensadores. Detector de picos o demodulador de AM. Fuente de alimentación: Consiste en convertir una señal de corriente alterna en otra de corriente directa Principalmente en circuitos: Circuitos rectificadores. Circuitos fijadores. Circuitos Recortadores. Diodos volantes  Elementos discretos  Zener 13 Los diodos Zener se caracterizan por permitir el flujo de la corriente inversamente y por su capacidad de mantener un voltaje constante en sus terminales al polarizar inversamente, normalmente son utilizados como dispositivos de control. Los diodos Zener se pueden polarizar directamente y comportarse como un diodo norma en donde su voltaje permanece cerca de 0.6 a 0.7 V, sin embargo, cuando el diodo Zener se conecta en polarización inversa actúa como diodo normal, evitando el flujo de corriente, hasta que se llega a un voltaje de ruptura superior a los 50 volts y hasta los 1kV, dependiendo de los semiconductores utilizados en su construcción., además de la temperatura de operación. A continuación, se muestra la gráfica de la polarización Zener. Los diodos Zener están diseñados para mantener un voltaje constante en sus terminales para esto debe ser polarizado inversamente con un voltaje por arriba de su ruptura o voltaje Zener 𝑉𝑧. Cuando se llega al voltaje de ruptura el diodo Zener comienza a conducir en la dirección inversa. Se debe considerar que es un elemento no lineal, por lo tanto, 𝛥𝑉𝑧 no es directamente proporcional a 𝛥𝐼𝑧.  Elementos discretos 14  Zener Además, que son buenos candidatos para construir reguladores de voltaje simples o limitadores de voltaje, ya que al mantener un voltaje de CD estable en presencia de una tensión variable de voltaje y con una resistencia de carga variable. Una de las principales características que identifican al diodo Zener es la polarización inversa, ya que un diodo común al ser polarizado inversamente actúa como un circuito abierto. Además de que cabe mencionar que en la región de polarización en inversa la corriente de saturación en inversa de un diodo de silicio se duplica por cada 10°C de aumento de la temperatura y el voltaje de saturación en inversa de un diodo semiconductor se incrementará o reducirá con la temperatura según el potencial Zener.  Elementos discretos 15  Emisor de luz (LED) EL diodo LED convierte la energía eléctrica en energía lumínica. Su proceso de fabricación consiste en un proceso de electroluminiscencia en el que los huecos y los electrones se recombinan para producir energía en forma de luz cuando el diodo LED es polarizado directamente. Al polarizar directamente el diodo led se provoca una producción de fotones como consecuencia de la recombinación entre electrones y huecos. Se debe considerar que la intensidad de la luz se relaciona con la cantidad de corriente que fluye a través del dispositivo, así también una relación en la longitud de onda que corresponde a cada color. Si se va incrementando la tensión de polarización el diodo led comienza a emitir fotones y al observar un haz de luz significa que se alcanzó la tensión de encendido, por lo tanto, conforme se va incrementando la tensión de polarización se aumenta la intensidad de luz emitida. Considerando que, al aumentar la tensión y por lo tanto la intensidad de luz emitida, también se tiene una variación al aumento de la intensidad de la corriente y puede verse disminuida por la recombinación Auger.  De corriente constante. El diodo de corriente constante o también conocido como diodo de regulación de corriente o diodo limitador de corriente consiste, realmente es un JFET. Este tipo de diodos permite una corriente a través de ellos para alcanzar un valor adecuado y así estabilizarse en un valor específico.  Elementos discretos  Schottky 16 Los diodos Schottky también conocidos como diodos de recuperación rápida o de portadores calientes, tienen una composición de silicio y se caracterizan por una caída de voltaje muy pequeña (aproximadamente 0.25V o menos) y por tener una respuesta muy rápida. En pocas palabras el tiempo de conmutación es muy corto.  Schockley El diodo schockley también conocido como diodo PNPN, se caracteriza por tener dos estados estables: Bloqueo o alta impedancia. Conducción o baja impedancia  De recuperación de paso (SRD) El diodo de recuperación del paso o también conocido como diodo de almacenaje de carga, tiene la característica de almacenar la carga del pulso positivo y utilizan el pulso negativo de las señales sinusoidales.  Túnel Los diodos túnel también conocidos como diodo Esaki, son utilizados como interruptor de alta velocidad (de orden nano segundos), esto se debe por poseer una zona de agotamiento extremadamente delgada y tener en su curva una región de resistencia negativa donde la corriente disminuye a medida que aumenta el voltaje.  Elementos discretos  Varactor 17 El diodo varactor también conocido como diodo varicap o diodo de sintonía, actúa como un condensador variable controlados por voltaje y su forma de operar es inversamente. Estos diodos tienen su fama debido a su capacidad de cambiar los rangos de capacitancia dentro del circuito en presencia de un voltaje constante.  Láser El diodo láser son LEDs que emiten una luz monocromática, generalmente roja o infrarroja, la cual tiene las características de estar fuertemente concentrada, enfocada, coherente y potente.  De cristal El diodo de cristal o también conocido como bigotes de gato es un diodo de contacto, consiste de un cable de metal afilad presionado contra un cristal semiconductor. El cristal semiconductor actúa como cátodo y el alambre metálico actúa como ando (Están obsoletos).  De avalancha Los diodos de avalancha conducen en dirección contraria cuando el voltaje en inverso supera el voltaje de ruptura. Eléctricamente son similares a los diodos Zener, pero funcionan bajo otro fenómeno, el efecto avalancha.  Rectificador controlado por silicio Consta de tres terminales: ánodo, cátodo y una puerta. Es similar al diodo Shockley, es utilizado para fines de control cuando se aplican pequeños voltajes en el circuito.  Elementos discretos  PIN 18 Su nombre deriva de su formación P – Material P, I – Zona intrínseca y N – Material N. Los diodos PIN se emplean normalmente como resistencias variables por voltaje.  Gunn Cuando aumenta la tensión en el circuito también aumenta la corriente, después de cierto nivel de voltaje la corriente disminuirá exponencialmente.  Fotodiodo Cuando un haz de luz de suficiente energía incide en el diodo, excita un electrón dándole movimiento y crea un hueco con carga positiva. En otras palabras, el fotodiodo es un dispositivo sensible a la luz visible e incluso a la infrarroja, por lo tanto, es un diodo con sensibilidad a la luz.  Elementos discretos  Transistor. 19 El transistor es un dispositivo semiconductor de tres capas que consta de dos capas de material tipo n y una de material tipo p o de dos capas de material tipo p y una de material tipo n. El primero se llama transistor npn y el segundo transistor pnp que permite aumentar la corriente y disminuir el voltaje, además de controlar el paso de la corriente a través de sus terminales.  Polarización en un transistor PNP Un transistor PNP se polariza como muestra la figura. Nota que la unión emisor-base está directamente polarizada mientras que la unión base-colector está polarizada inversamente. Esto es igual que para el transistor NPN solo que las baterías están invertidas como era de esperarse.  Elementos discretos 20  Corrientes en un transistor. La operación de transistor es de la siguiente manera: La operación del transistor de unión bipolar se basa en el control de corriente que fluye a través de las diferentes regiones. Hay dos tipos de transistores bipolares: NPN y PNP. La descripción que seguirá es para un transistor NPN, aunque el principio de funcionamiento es similar en ambos tipos. Cuando se aplica una corriente al terminal del emisor, se inyectan portadores de carga (electrones) desde la región de tipo N hacia la región de tipo P. Estos electrones son emitidos por el emisor hacia la base. La base es una región estrecha y, normalmente, se polariza en directa (voltaje positivo en la base con respecto al emisor) para permitir el flujo de corriente de los electrones inyectados hacia la base. La clave para comprender la operación del transistor bipolar es el control de corriente a través de la base. La corriente que fluye de la base al emisor se llama corriente de base (𝐼𝑏 ). Cuando se aplica una corriente de base, solo una pequeña fracción de los electrones inyectados desde el emisor se combina con los huecos en la base, mientras que la mayoría de los electrones continúan hacia el colector. El colector está polarizado en inversa (voltaje negativo en el colector con respecto al emisor) para permitir que los electrones que alcanzan el colector sean recogidos como corriente de colector (𝐼𝑐 ). La corriente de colector es mucho mayor que la corriente de base, lo que resulta en una amplificación de corriente. En resumen, la corriente de base controla la corriente de colector, lo que permite al transistor actuar como un amplificador de corriente. Pequeñas variaciones en la corriente de base pueden resultar en grandes cambios proporcionales en la corriente de colector. Además de la amplificación de corriente, los transistores bipolares también se utilizan en aplicaciones de conmutación, donde se pueden encender o apagar mediante cambios en la corriente de base. Es importante mencionar que esta descripción simplificada de la operación de un transistor de unión bipolar proporciona una idea general de su funcionamiento. En la práctica, hay muchos otros aspectos y características a considerar, como las regiones de depleción, los voltajes de polarización, los parámetros de ganancia, entre otros.  Elementos discretos 21  Corrientes en un transistor. Continuación…. Con lo cual, en relación a las leyes de Kirchhoff, y con la explicación anterior, podemos relacionar las corrientes dentro de un transistor, como: IE = IB + IC  Relación α (alfa) de corrientes Una característica importante de cualquier transistor es su relación α (alfa). Este valor es el cociente entre la corriente de colector y la de emisor, es decir entre las corrientes de salida y entrada. Como α compara la intensidad de salida contra la de la entrada, se trata de una especie de medida de la ganancia del transistor. Esta relación suele estar comprendida entre 0.95 y 0.99. En ciertos análisis, este valor resulta extremadamente útil para determinar el comportamiento del circuito transistorizado que nos interese.  Relación β (beta) de corrientes Esta relación define la capacidad de un circuito transistorizado para controlar una alta corriente de salida (IC ) , con una pequeña corriente de entrada (IB ). Entre más alto sea este valor, el circuito será más apto como dispositivo amplificador.  Elementos discretos  Control por corrientes. 22 De los valores que estamos viendo como importantes en un circuito transistorizado (corrientes de emisor, base y colector), se ha hecho costumbre decir que el transistor bipolar (o BJT) es un dispositivo controlado por corrientes. Ya hemos aprendido que la unión emisor-base de los transistores, deberá se polarizada directamente, mientras que la unión base-colector deberá ser polarizada inversamente. Sin embargo, un transistor puede conectarse en tres formas diferentes al resto del circuito, respetando de cualquier forma el orden de polarización. A cada una de estas tres formas de conexión, se les llama configuraciones. Las tres configuraciones En cada tipo de conexión o configuración, una de las tres terminales del transistor se emplea como referencia para las otras dos, que entonces constituyen la entrada y la salida del circuito. Estos tres arreglos o configuraciones se conocen como de: Emisor común Base común Colector común  Parámetros operativos de consideración de un transistor. 1. Relación de corrientes α = IC /IE. 2. Ganancia de corriente β = IC /IB. 3. Frecuencia de corte α o β es la frecuencia en la que la ganancia del circuito transistorizado cae al 70.7% de la ganancia del transistor en baja frecuencia. 4. Corriente de pérdida colector-base (ICBO ): es la magnitud de la corriente de colector que continúa fluyendo, aunque IB sea cero. Esta corriente es indeseable y se debe a los portadores minoritarios presentes en el colector. 5. Corriente de pérdida colector-emisor (ICEO ): es la magnitud de la corriente de colector que continúa fluyendo, aunque IE sea cero. Esta corriente es indeseable y se debe a los portadores minoritarios presentes en el colector.  Elementos discretos 23  Valores máximos de operación de los transistores 1. Voltaje de ruptura de colector: El valor de polarización inversa colector-base que producirá un súbdito incremento de la corriente colector-base. 2. Voltaje de ruptura de emisor: El valor de polarización inversa aplicada a la unión emisor-base que producirá un súbito aumento de la corriente de emisor. 3. Corrientes máximas de colector y de emisor: Si estos valores se excedieran, el transistor sería dañado permanentemente. 4. Disipación máxima de colector: Se refiere a la potencia en watts máxima que puede soportar el colector de un transistor sin dañarse. Esta potencia suele especificarse para una temperatura ambiente de 25ºC. 5. Rangos de temperatura: Se refiere a los límites de temperatura en la que el transistor puede operar correctamente. Por ejemplo, un transistor típico de silicio puede hacerlo entre 65° y 200° C. 6. Producto ganancia-ancho de banda (fT ): Es la frecuencia en la que la ganancia de corriente del transistor es igual a 1. Se trata de la máxima frecuencia operativa para un transistor dado. El producto ganancia de corriente – ancho de banda es constante, así que, si disminuye la frecuencia de la señal aplicada al circuito, aumenta su ganancia y viceversa.  Elementos discretos 24  Transistores de efecto de campo El transistor FET de unión (JFET) El transistor FET tienen muchas aplicaciones en los circuitos electrónicos. Este dispositivo se construye con semiconductores tipo N y tipo P, y al igual que los BJT, se emplea como amplificador o como conmutador. Sin embargo, su construcción es diferente y opera bajo principios completamente distintos. Se dice que es un dispositivo unipolar, lo que significa que funciona con corrientes de electrones o de huecos, pero no con ambas al mismo tiempo. Por lo general, el BJT es preferido sobre el FET como amplificador, pero a veces se escoge al FET sobre el BJT, por causa de su alta impedancia de entrada. El JFET y el MOSFET Por otro lado, si se trata de crear un sistema de conmutación, el FET suele preferirse sobre el BJT por su más alta velocidad de conmutación. Existen dos grandes tipos de FETs: JFET MOSFET Construcción del JFET La construcción de este tipo de transistor empieza con una base de silicio ligeramente dopada conocida como substrato. Esta pieza puede ser de tipo N o de tipo P, y sirve simplemente como plataforma para las demás partes. Dentro de esta base se forma una zona dopada de material contrario a la del substrato, en forma de “U” que sale del subcontrato a la superficie en sólo dos puntos.  Elementos discretos 25  JFET de canal N y de canal P Esta zona en forma de “U” funciona como canal para la circulación de corriente. Si el canal es de material N, se dice que el transistor es un JFET de canal N. Si fuera de material P, tendríamos un JFET de canal P. Nota que este tipo de transistor tiene tres terminales: Fuente (Source), Compuerta (Gate) y Drenaje (Drain).  El FET de compuerta aislada (MOSFET) Clasificación de los FET En la lección anterior, estudiamos a los JEFT, y establecimos que existen dos tipos de ellos: JFET de canal N JFET de canal P Ahora estamos iniciamos el estudio de otra familia de FET. Se trata de los MOSFET y de ellos vamos a encontrar dos tipos: MOSFET de agotamiento (o empobrecimiento). MOSFET de crecimiento (o de enriquecimiento).  Clasificación de los MOSFET A su vez, los MOSFET de agotamiento, podemos encontrarlos de canal N o de canal P. Así mismo, los MOSFET de crecimiento, podemos encontrarlos también, de canal N o de canal P. En esta lección vamos a estudiar los MOSFET de agotamiento.  Elementos discretos  Configuración de los circuitos con FET 26 Configuración con los FET Igual que con los circuitos que emplean transistores bipolares, los circuitos construidos con cualquier tipo de FET, son empleados principalmente para obtener amplificación o conmutación. Como es lógico, existen tres configuraciones para conectar los FET: fuente común, compuerta común y drenaje común. Cada uno de ellos tienen sus propias características eléctricas.  Configuración de fuente común El de la figura es una configuración de fuente común, y que, por cierto, es la más empleada. Este arreglo proporciona una alta impedancia de entrada y buena amplificación de voltaje en bajas y altas frecuencias.  Configuración de compuerta común Igual que la configuración de fuente común, este arreglo provee amplificación de voltaje, aunque no tan alta como aquella. La impedancia de entrada no es tan alta como la de la configuración fuente común, pero la impedancia de salida es muy alta, de manera que el circuito puede servir muy bien cuando hay que aplicar una señal a otro circuito de alta impedancia de entrada. Otra característica apreciada de esta configuración es que maneja muy bien las altas frecuencias, y al igual que en las otras configuraciones, puede utilizarse JFET, o también MOSFET de agotamiento o de incremento.  Configuración de drenaje común Esta configuración se emplea primordialmente para acoplar un circuito con muy alta impedancia de salida, con otro de muy baja impedancia de entrada, aunque no provee ganancia de voltaje. Su característica de poseer muy alta impedancia de entrada y muy baja impedancia de salida, lo hace ideal para servir como acoplador.  Elementos discretos 27  Transductancia y ganancia En un circuito amplificador a base de JFET como el de la figura anexa, y cuya configuración es al de fuente común, que es la más usada para amplificar voltajes, la transconductancia se relaciona con la ganancia de voltaje, como indica la siguiente ecuación. AV = g m ∙ rd En esta fórmula AV representa la ganancia de voltaje, g m representa transconductancia, y rd es la resistencia de drenaje del JFET.  Amplificadores 28 El Término Amplificador Operacional (OpAmp) describe un amplificador que realiza operaciones matemáticas. En computadoras analógicas, se utilizaron los primeros amplificadores operacionales, en las que realizaban sumas, restas, multiplicaciones, entre otras operaciones. Lo que veremos a continuación, es la representación esquemática. Algunos de los símbolos empleados para describir amplificadores operacionales, en ocasiones, también pueden incluir terminales de ajuste de offset, habilitación, umbral de voltaje de salida y otras funciones especializadas. El primer símbolo es un AO reforzador (buffer) El segundo es un AO de entrada diferencial y una sola salida; es el más común. El tercero es un AO con entradas y salidas diferenciales.  Amplificadores  Terminales de un Amplificador Operacional 29 Configuración interna i(-), i(+) : Corrientes hacia el amplificador en las terminales inversora y no inversora, respectivamente vid : Voltaje de entrada en las terminales inversora y no inversora +VCC , -VEE : Voltajes de alimentación de DC, comúnmente +15V y –15V Ri : Resistencia de entrada, idealmente infinita A : Ganancia del amplificador. Idealmente muy alta, del orden de 1x1010Ω RO: Resistencia de salida, idealmente cero vO: Voltaje de salida; vO = AOLvid donde AOL es la ganancia de voltaje en lazo abierto  Amplificadores  El Amplificador Operacional ideal 30 Lo que constituye un Amplificador Operacional es: Ganancia (A): Se entiende que es infinita. Se controla con elementos externos. Impedancia de entrada (Ri): Se entiende que es infinita. Impedancia de salida (R0): Se supone igual a cero. Respuesta en el Tiempo: La salida debe ocurrir al mismo tiempo que ocurre un cambio en las entradas, por lo que se considera cero. El corrimiento de fase será 180°. La respuesta en frecuencia será plana y el ancho de banda infinito (no hay dependencia de la frecuencia). Offset: La salida del amplificador debe ser cero cuando la diferencia de potencial entre sus entradas inversora y no inversora sea cero. Relación de rechazo en modo común (CMRR=Ad/Acm): Se considera con un valor infinito. El circuito equivalente es útil para estudiar los principios de operación básicos de los OpAmp y analizar los efectos de los arreglos con retroalimentación. Para el circuito mostrado: 𝑉0 = 𝐴𝑉 = 𝐴(𝑉 – 𝑉 ) 𝑖𝑑 1 2 donde: 𝐴 = Ganancia de voltaje de gran señal 𝑉𝑖𝑑 = Voltaje de entrada diferencial 𝑉1 , 𝑉2 =voltajes en las terminales no inversora e inversora, respectivamente con respecto a la tierra  Amplificadores  Curva de transferencia de voltaje ideal 31 El voltaje de offset es igual a cero. La curva no está a escala, debido a la ganancia infinita de A, sería casi vertical.  Configuración en lazo abierto En esta configuración no existe ninguna conexión directa o a través de otra red entre la salida y las terminales de entrada. En esta configuración, el OpAmp simplemente funciona como un amplificador de alta ganancia. Existen tres configuraciones básicas en lazo abierto: El amplificador diferencial El amplificador inversor El amplificador no inversor  Amplificadores  Configuraciones básicas de amplificadores operacionales 32 El amplificador diferencial. Este dispositivo amplifica señales de entrada tanto de DC como de AC. Las resistencias de las fuentes 𝑅𝑖𝑛1 y 𝑅𝑖𝑛2 normalmente son ordinarias, comparadas con la resistencia de entrada 𝑅𝑖. Así, se puede considerar que las caídas de voltaje en esos resistores es cero; y, por lo tanto, 𝑉1 = 𝑉𝑖𝑛1 y 𝑉2 = 𝑉𝑖𝑛2 , con lo que se obtiene: 𝑉0 = 𝐴(𝑉𝑖𝑛1 − 𝑉𝑖𝑛2 ) La polaridad del voltaje de salida depende de la polaridad del voltaje diferencial en la entrada. En estas configuraciones, la ganancia A regularmente se refiere como la ganancia de lazo abierto.  Amplificadores  Amplificador no inversor 33 En esta configuración, sólo se aplica un voltaje de entrada a la terminal no inversora del OpAmp; la otra terminal se aterriza. Puesto que 𝑉1 = 𝑉𝑖𝑛 y 𝑉2 = 0, entonces: 𝑉0 = 𝐴𝑉𝑖𝑛 Esto significa que el voltaje de salida es mayor que el de entrada por un factor A, y está en fase con la señal de entrada. Características de las configuraciones de lazo abierto En las tres configuraciones, cualquier señal de entrada (diferencial o sencilla) que sea ligeramente mayor que cero, produce un nivel de saturación en la salida. Así, cuando se opera en lazo abierto, la salida de un OpAmp sólo cambia entre los valores positivo o negativo de saturación. Por esta razón, no se emplean estas configuraciones en aplicaciones lineales. Voltaje de salida 𝑅2 𝑉𝑜𝑢𝑡 = 1 + 𝑉 𝑅1 𝑖𝑛 Ganancia 𝑅2 𝑉𝑜𝑢𝑡 𝐴 = 1+ = 𝑅1 𝑉𝑖𝑛  Amplificadores 34  Amplificador inversor En esta configuración, sólo se aplica una entrada a la terminal inversora del OpAmp; la otra terminal se aterriza. Puesto que 𝑉1 = 0 y 𝑉2 = 𝑉𝑖𝑛 entonces: 𝑉0 = −𝐴𝑉𝑖𝑛 El signo negativo indica que la salida está desfasada 180° con respecto a la entrada, o simplemente, que es de polaridad opuesta. Voltaje de salida 𝑅2 𝑉𝑜𝑢𝑡 = − 𝑉 𝑅1 𝑖𝑛 Ganancia 𝑅2 𝑉𝑜𝑢𝑡 𝐴=− = 𝑅1 𝑉𝑖𝑛  Amplificadores  Seguidor de voltaje 35 La mínima ganancia que puede tener un amplificador no inversor con retroalimentación es 1. Cuando el amplificador se configura para operar con ganancia unitaria, se le denomina un seguidor de voltaje, puesto que el voltaje de salida es igual en magnitud y fase al de entrada. El seguidor de voltaje se obtiene a partir del amplificador no inversor abriendo R1 y cortocircuitando RF. Como se observa, todo el voltaje de salida se retroalimenta a la terminal inversora, por lo que la ganancia de retroalimentación del circuito es 1. 𝑉𝑜𝑢𝑡 = 𝑉𝑖𝑛  Otros amplificadores operacionales Voltaje de salida 𝑉1 𝑉𝑛 𝑉𝑜𝑢𝑡 = −𝑅𝑓 + ⋯+ 𝑅1 𝑅𝑛 Voltaje de Salida 𝑅2 𝑉𝑜𝑢𝑡 = 𝑉 − 𝑉1 𝑅1 2  Amplificadores 36  Otros amplificadores operacionales 𝑑𝑣1 (𝑡)  Amplificador derivador: 𝑉𝑜𝑢𝑡 = −𝑅𝐶 𝑑𝑡 1  Amplificador integrador: 𝑉𝑜𝑢𝑡 = − 𝑅𝐶 ‫𝑣 ׬‬1 𝑡 𝑑𝑡  Ejercicios: Se resolverán los siguientes ejercicios propuestos, utilizando las fórmulas antes vistas. (recordar que los amplificadores operacionales derivador e integrador, no se desarrollaran ejercicios).  1) Calcule el voltaje de salida de un amplificador operacional no inversor para valores de 𝑉1 = 2𝑣, 𝑅1 = 100𝑘Ω, 𝑦 𝑅2 = 500𝑘Ω. Utilizamos la ecuación correspondiente a un Opam no Inversor: 𝑅2 𝑉𝑜𝑢𝑡 = 1 + 𝑉 𝑅1 𝑖𝑛 Sustituyendo: 500𝑘Ω 𝑉𝑜𝑢𝑡 = 1 + 2𝑉 = 6 2𝑉 = 12𝑉 100𝑘Ω  Amplificadores 37  2) Calcule el voltaje de entrada necesario para un Opam inversor, el cual entregue a la salida un 𝑉𝑜𝑢𝑡 = 24𝑉, 𝑗𝑢𝑛𝑡𝑜 𝑐𝑜𝑛 𝑙𝑜𝑠 𝑠𝑖𝑔𝑢𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟𝑒𝑠 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑖𝑣𝑜𝑠. 𝑅1 = 300Ω, 𝑅𝑓 = 1𝑘Ω. Utilizamos la ecuación correspondiente a un Opam Inversor: 𝑅𝑓 𝑉𝑜𝑢𝑡 = − 𝑉 𝑅1 𝑖𝑛 Realizando el despeje: 𝑉𝑜𝑢𝑡 ∗ 𝑅1 𝑉𝑖𝑛 = − 𝑅𝑓 Sustituyendo los valores: 24𝑉 ∗ 300Ω 𝑉𝑖𝑛 = − = −7.2 𝑣𝑜𝑙𝑡𝑠 1𝑘Ω  3) Calcular los voltajes de salida del siguiente circuito:  Amplificadores  Para este tipo de ejercicios ocuparemos la siguiente metodología: 38  1) Identificar cada tipo de Opam : A la par de identificar cada Opam, también es conveniente anotar cada fórmula correspondiente a cada Opam. 𝑅𝑓 𝑂𝑝𝑎𝑚 𝐼𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟: 𝑉𝑜𝑢𝑡 = − 𝑉 𝑅1 𝑖𝑛 𝑅𝑓 𝑂𝑝𝑎𝑚 𝑁𝑜 𝐼𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟: 𝑉𝑜𝑢𝑡 = 1 + 𝑉 𝑅1 𝑖𝑛 𝑂𝑝𝑎𝑚 𝑆𝑒𝑔𝑢𝑖𝑑𝑜𝑟 𝑈𝑛𝑖𝑡𝑎𝑟𝑖𝑜: 𝑉𝑜𝑢𝑡 = 𝑉𝑖𝑛  2) Una vez echo estas identificaciones, calcularemos de derecha a izquierda, el primer voltaje de salida. En este caso, el primer Opam que nos encontramos es el seguidor unitario: Teniendo en cuenta el valor de voltaje de entrada, se obtiene el voltaje de salida con la fórmula previamente anotada: 𝑉𝑜𝑢𝑡 = 𝑉𝑖𝑛 ; 0.2 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠 = 0.2𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠  Amplificadores  3) Obteniendo el voltaje de salida en el primer Opam, procedemos a calcular 39 los siguientes voltejes de salida de los Opam faltantes. Para calcular los voltajes de salida faltantes, es necesario conocer el voltaje de entrada en cada Opam, dado esto, el voltaje de salida encontrado del Opam Seguidor Unitario se convierte en el voltaje de entrada para los otros dos Opam restantes. Pues como se aprecia en la imagen, este voltaje está en serie, por lo tanto, no sufre modificaciones. Con lo cual, para calcular el voltaje de salida se tomará como voltaje de entrada los 0.2 V. Sustituimos los datos en la fórmula del Opam Inversor: 𝑅 200𝑘Ω 𝑉𝑜𝑢𝑡 = − 𝑅𝑓 𝑉𝑖𝑛 = − ∗ 0.2𝑉 1 20𝑘Ω 𝑉𝑜𝑢𝑡 = −2 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠  Amplificadores  Para finalizar, realizamos el mismo procedimiento para el Opam faltante: 40 Como sabemos, el voltaje de entrada para el Opam No Inversor es de 0.2 volts. Sustituyendo en la fórmula, tenemos: 𝑅 200𝑘Ω 𝑉𝑜𝑢𝑡 = 1 + 𝑅𝑓 𝑉𝑖𝑛 = 1 + ∗ 0.2𝑉 1 10𝑘Ω 𝑉𝑜𝑢𝑡 = 4.2 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠  Osciladores  Un oscilador es un circuito como el de la figura. 41 Este circuito es alimentado con un voltaje de cc, pero entrega en su salida una señal de ca, cuya forma y voltaje pueden ser seleccionados a voluntad. La señal de salida de un circuito oscilador puede tener formas diversas. El ejemplo mostrado ofrece cuatro tipos de señal senoidal, cuadrada y diente de sierra.  ¿Qué es un generador de funciones? Por lo general, al circuito que produce una onda senoidal se le conoce como oscilador. Si la señal es no senoidal, el circuito que la produce se le conoce más bien como generador de funciones, o simplemente generador. Aparte de los osciladores a transformador, existen otros tres tipos: Osciladores LC Osciladores RC Osciladores a Cristal  Clasificación de los osciladores Los osciladores son generalmente clasificados de acuerdo con el tipo de componentes empleados para establecer su frecuencia, es decir de los componentes del filtro en el lazo de retroalimentación.  Osciladores  Osciladores LC 42 Cada uno de ellos contiene bobinas y capacitores que son parte del circuito sintonizado o circuito de fibra que a su vez es parte del lazo de retroalimentación. Oscilador Hartley retroalimentado en paralelo Una de las características indeseables de los osciladores Armstrong, es que la bobina conectada a la base del transistor tiende a resonar con las capacitancias distribuidas (indeseables) en el circuito. Esto da por resultado variaciones en la frecuencia de oscilación. Un arreglo que se construye con esta idea es mostrando en la figura, que se conoce como oscilador Hartley de retroalimentación en paralelo, en el que la bobina se dividió en dos partes que se conectan en paralelo con un capacitor variable. Este es un clásico oscilador LC. El lazo de retroalimentación es mostrado por las flechas “punteadas”. 1 𝑓𝑜 = 2𝜋 𝐶𝐿𝑒𝑞 𝐿𝑒𝑞 = 𝐿1 + 𝐿2 + 2𝑀  Osciladores  Oscilador Colpitts 43 El circuito de la figura muestra un oscilador que es muy similar al oscilador Hartley, visto anteriormente, con la única diferencia de que, en lugar de dos bobinas y un capacitor, ahora se emplean dos capacitores variables y una bobina. Este oscilador conocido como Colpitts, es más estable que el Hartley, por lo que se usa más extensamente. 1 𝑓𝑜 = 2𝜋 𝐿𝐶𝑒𝑞 𝐶1 𝐶2 𝐶𝑒𝑞 = 𝐶1 +𝐶2  Osciladores  Oscilador Clapp 44 Este oscilador es una variante más del oscilador Hartley y el Colpitts, con la diferencia de que el circuito resonante (filtro) aplicado a la base de Q1 contiene ahora un capacitor más (C3) conectado en serie con la bobina L1, pero conservando los dos capacitores en serie C1 y C2. C3 que es variable, determina la frecuencia de oscilación.  Osciladores  Osciladores RC 45 Los osciladores tipo RC se utilizan en bajas frecuencias, a diferencia de los osciladores que han sido explicados hasta ahora que suelen usarse en RF. Los osciladores RC emplean redes de resistores y capacitores para establecer su frecuencia de oscilación. Estos osciladores son baratos y relativamente estables. Existen básicamente dos tipos de osciladores RC: los de Corrimiento de Fase y los de Puente de Wien. En un circuito RC la corriente se adelanta al voltaje en un ángulo entre 0° y 90°. Este circuito específico fue diseñado para producir un adelanto de la corriente de 60° por etapa, a una frecuencia de 65 Hz. Para ello se escogieron cuidadosamente los valores de cada capacitor y cada resistor.  Corrimiento de fase La señal de salida necesita ser invertida antes de ser retroalimentada a la base de transistor (para obtener retroalimentación positiva), por lo que es necesaria la red de corrimiento. La frecuencia es efectivamente seleccionada por la frecuencia de operación normal de los capacitores, que estarán operando como filtro de paso de banda, poniendo en evidencia que esta red RC juega un doble papel: inversión de fase y filtrado. 1 𝑓𝑜 = 2𝜋𝑅𝐶 6  Osciladores  Puente de Wien 46 Este es un tipo de oscilador muy estable que hace uso de un puente RC para establecer la frecuencia de oscilación. Los brazos donde se sitúan R1, C1, R2 y C2, forman un circuito de filtro de paso de banda. Como el sistema hace uso de un OP AMP, la ganancia y estabilidad del sistema es muy alta. Nota que en el circuito puente existen un resistor R doble y un capacitor C; duplicado también. La siguiente ecuación nos permite encontrar la frecuencia “resonante” o de operación de este tipo de oscilador. 1 1 𝑓𝑜 = = 2𝜋 𝑅1 𝑅2 𝐶1 𝐶2 2𝜋𝑅𝐶  Osciladores  Osciladores controlados a cristal 47 Los osciladores presentados hasta ahora, aunque son ampliamente usados, suelen ser insatisfactorios cuando debe lograrse una gran estabilidad de la frecuencia de oscilación. Dicha estabilidad suele perderse por cambios de temperatura, defectos de los componentes o por variaciones de la carga. Cuando se requiere una gran estabilidad, la respuesta es el oscilador controlado por cristal.  Cristales piezoeléctricos Los materiales cristalinos producen piezoelectricidad. Esto significa que cuando se les aplica algún tipo de presión, aparece un voltaje entre dos de sus extremos. De lo anterior se deduce que, si se aplica una presión variable al cristal, este producirá un voltaje alterno. Los micrófonos de cristal aplican este principio para convertir las ondas sonoras que captan, en voltajes variables en su salida. Estos, son llevados a etapas de amplificación para ser reproducidas o grabadas. El efecto opuesto ocurrirá si se aplica una tensión de ca al cristal. La energía eléctrica de la fuente de voltaje es convertida en energía mecánica en el cristal.  Osciladores  Ejercicios. 48 Ahora bien, se dará una serie de ejercicios propuestos.  1) Se desea diseñar un oscilador de corrimiento de fase con transistor FET, cuyos parámetros son: 𝑔𝑚 = 5000𝜇𝑆, 𝑟𝑑 = 40𝐾Ω y un valor del circuito de realimentación de 𝑅 = 10𝑘Ω. Seleccione el valor del capacitor, para que el oscilador opere a 1 𝐾ℎ𝑧. Utilizamos la ecuación correspondiente a un Oscilador de corrimiento de fase con transistor FET: 1 𝑓= 2𝜋𝑅𝐶 6 En este caso, nos están requiriendo el valor del capacitor, por lo tanto, debemos realizar el despeje de dicho componente: 1 𝐶= 2𝜋𝑅𝑓 6 Ahora bien, una vez realizado el despeje, únicamente sustituimos los valores necesarios en la fórmula. 1 𝐶= 2 ∗ 3.1416 ∗ 10𝑘Ω ∗ 1𝑘𝐻𝑧 ∗ 6 𝐶 = 6.5𝑛𝐹 Esto quiere decir que se necesitan 6.5 nano faradios para que el oscilador opere a 1KHz.  2) Para el oscilador Colpitts con transistor BJT, calcule la frecuencia resultante a partir de los siguientes valores de circuito: 𝐿 = 100𝜇𝐻, 𝐿𝑅𝐹𝐶 = 0.5𝑚𝐻, 𝐶1 = 0.005𝜇𝐹, 𝐶2 = 0.01𝜇𝐹 𝑦 𝐶𝐶 = 10𝜇𝐹. Utilizamos la ecuación correspondiente a un Oscilador Colpitts, (nota: para el oscilador Colpitts no importa el transistor utilizado en su construcción). 1 𝑓0 = 2𝜋 𝐿𝐶𝑒𝑞 𝐶1 𝐶2 0.005𝜇𝐹∗0.01𝜇𝐹 5×10−17 𝐹 2 𝐶𝑒𝑞 = = = = 3.33 𝑛𝐹 𝐶1 +𝐶2 0.005𝜇𝐹+0.01𝜇𝐹 1.5×10−8 𝐹 1 1 𝑓0 = = = 275.8 𝐾𝐻𝑧 2 ∗ 3.1416 ∗ 100𝜇𝐻 ∗ 3.33𝑛𝐹 0.00000362579  Osciladores  3) Calcule la frecuencia de oscilación para un oscilador Hartley con FET, que opera 49 con los siguientes valores de circuito: 𝐿𝑅𝐹𝐶 = 0.5𝑚𝐻, 𝐿1 = 750𝜇𝐻, 𝐿2 = 750𝜇𝐻, 𝑀 = 150𝜇𝐻, 𝑦 𝐶 = 150𝑝𝐹. Utilizamos la ecuación correspondiente a un Oscilador Hartley, (nota: para el oscilador Hartley, al igual que el oscilador Colpitts, no importa el transistor utilizado en su construcción). 1 𝑓0 = 2𝜋 𝐿𝑒𝑞 𝐶 𝐿𝑒𝑞 = 𝐿1 + 𝐿2 + 2𝑀 = 750𝜇𝐻 + 750𝜇𝐻 + 2 ∗ 150𝜇𝐻 = 0.0018𝐻 1 1 𝑓0 = = = 306.29𝐾𝐻𝑧 2 ∗ 3.1416 ∗ 0.0018𝐻 ∗ 150𝑝𝐹 0.00000326484  4) Calcule el valor del capacitor necesario, para que un oscilador de puente de Wien oscile a 10𝐾𝐻𝑧, con un valor resistor en el puente de 𝑅 = 100𝑘Ω. Utilizamos la ecuación correspondiente a un Oscilador de puente de Wien, (nota: para el oscilador puente de Wien que tenga el mismo valor en el puente de resistores y/o capacitores, utilizaremos la siguiente fórmula). 1 𝑓0 = 2𝜋𝐶𝑅 En este caso, nos están requiriendo el valor del capacitor, por lo tanto, debemos realizar el despeje de dicho componente: 1 𝐶= 2𝜋𝑓0 𝑅 1 1 𝐶= = = 0.16𝑛𝐹 2 ∗ 3.1416 ∗ 10𝐾𝐻𝑧 ∗ 100𝑘Ω 6283200000  Sistemas Numéricos 50 En electrónica digital, se utilizan diferentes sistemas numéricos para representar y manipular información. Los sistemas numéricos más comunes son el sistema binario, el sistema decimal y el sistema hexadecimal.  1. Sistema binario: El sistema binario utiliza solo dos símbolos, generalmente representados por los dígitos 0 y 1. Es el sistema fundamental en la electrónica digital, ya que los componentes electrónicos, como transistores y microchips, trabajan con estados de encendido y apagado, que se pueden representar mediante los dígitos 1 y 0, respectivamente. Cada dígito binario se denomina bit (dígito binario). La secuencia de bits puede representar cualquier cantidad o información. Por ejemplo, un byte se compone de 8 bits y puede representar 256 valores diferentes (2^8).  2. Sistema decimal: El sistema decimal es el sistema numérico que estamos más familiarizados, ya que lo utilizamos en nuestra vida cotidiana. Está basado en la numeración de diez símbolos: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 y 9. Cada posición en un número decimal tiene un valor que es una potencia de diez. Por ejemplo, en el número 365, el 5 está en la posición de las unidades, el 6 está en la posición de las decenas y el 3 está en la posición de las centenas.  3. Sistema hexadecimal: El sistema hexadecimal utiliza dieciséis símbolos diferentes: los dígitos del 0 al 9 y las letras A, B, C, D, E y F. Es ampliamente utilizado en electrónica y programación debido a su conveniente relación con el sistema binario. Cada dígito hexadecimal representa cuatro bits (medio byte o nibble) en binario. Por lo tanto, un byte se puede representar con dos dígitos hexadecimales. Por ejemplo, el número decimal 255 se representa como FF en hexadecimal.  El sistema hexadecimal es especialmente útil para representar direcciones de memoria, configuraciones de hardware y valores de colores en gráficos. Además, es más compacto que el sistema binario para representar grandes cantidades de información binaria.  En resumen, en electrónica digital se utilizan principalmente el sistema binario, el sistema decimal y el sistema hexadecimal para representar y manipular información. El sistema binario es fundamental, ya que los componentes electrónicos trabajan con estados de encendido y apagado. El sistema decimal es el más común en nuestra vida cotidiana. Y el sistema hexadecimal es ampliamente utilizado en electrónica y programación debido a su relación con el sistema binario y su capacidad para representar información de manera compacta.  Sistemas Numéricos  Bases de los sistemas numéricos: 51 En la siguiente table, se muestran las 4 bases que se trabajan dentro de la electrónica digital: Decimal Binario Octal Hexadecimal (10 dígitos) (2 dígitos) (8 dígitos) (16 dígitos) 0 00 0 0 1 01 1 1 2 10 2 2 3 11 3 3 4 100 4 4 5 101 5 5 6 110 6 6 7 111 7 7 8 1000 8 9 1001 9 10 1010 A 11 1011 B 12 1100 C 13 1101 D 14 1110 E 15 1111 F A continuación, se realizará la metodología para el cambio de bases. Cambio de base decimal a los demás sistemas numéricos 5610 → #2 → #8 → #𝐻 En base binario, debemos dividir entre 2 el número a convertir de manera secuencial hasta quedar con numerador cero. 56 ÷ 2 → 28 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑦 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜 0 28 ÷ 2 → 14 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑦 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜 0 14 ÷ 2 → 7 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑦 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜 0 7 ÷ 2 → 3 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑦 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜 1 3 ÷ 2 → 1 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑦 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜 1 Una vez obtenido el resultado de manera secuencial, se ordenará la forma en que comenzaremos a escribir el resultado a partir de la última división realizada y de orden de izquierda a derecha, por lo tanto, la conversión de 56 a binario será: 5610 = 1110002  Sistemas Numéricos - En base octal, se realiza el mismo procedimiento que en base binaria, sólo que está 52 será dividida ente 8. 56 ÷ 8 = 7 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑦 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜 0 7 ÷ 8 → 𝐹𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑟𝑖𝑜 5610 = 708 - En base hexadecimal, de manera análoga, se repite el procedimiento, pero dividida entre 16. 56 ÷ 16 → 3 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑦 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜 8 3 ÷ 16 → 𝐹𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑟𝑖𝑜 5610 = 38𝐻  Cambio de base de binario a los demás sistemas numéricos 11110012 → #10 → #8 → #𝐻 - En base decimal 64 32 16 8 4 2 1 1 1 1 1 0 0 1 64 + 32 + 16 + 8 + 1 = 12110 - En base octal 4 2 1 4 2 1 4 2 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 0+0+1=1 4+2+1=7 0+0+1=1 1718 - En base hexadecimal 8 4 2 1 8 4 2 1 0 1 1 1 1 0 0 1 0+4+2+1=7 8+0+0+1=9 79𝐻  Compuertas Lógicas En electrónica digital, las compuertas lógicas son circuitos electrónicos fundamentales 53 que realizan operaciones lógicas sobre uno o más valores de entrada para producir una salida en función de una tabla de verdad específica. Estas compuertas son la base para la construcción de circuitos más complejos y sistemas digitales. A continuación, se tienen las compuertas lógicas con su diagrama: Esta niega la señal de entrada, si suponemos que llega una señal 𝐴 a la compuerta la salida se representa como 𝑋 = 𝐴.ҧ Esta deja pasar la señal de entrada tal y como llega, si suponemos que llega una señal 𝐴 a la compuerta la salida se representa como 𝑋 = 𝐴. En esta se realiza un producto de las señales que llegan, si suponemos que llega una señal 𝐴 y otra 𝐵 a la compuerta la salida se representa como 𝑋 = 𝐴 ∙ 𝐵. En esta se realiza una suma de las señales que llegan, si suponemos que llega una señal 𝐴 y otra 𝐵 a la compuerta la salida se representa como 𝑋 = 𝐴 + 𝐵. En esta se realiza un producto de las señales que llegan además de que a estas mismas se realiza una negación a la salida, si suponemos que llega una señal 𝐴 y otra 𝐵 a la compuerta la salida se representa como 𝑋 = 𝐴 ∙ 𝐵.  Compuertas Lógicas 54 En esta se realiza una suma de las señales que llegan además de que a estas mismas se realiza una negación a la salida, si suponemos que llega una señal 𝐴 y otra 𝐵 a la compuerta la salida se representa como 𝑋 = 𝐴 + 𝐵.  Tablas de verdad AND OR NAND NOR A B X A B X A B X A B X 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1) Ejercicio. 𝐿𝑎 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑢𝑒𝑟𝑡𝑎 𝐴𝑁𝐷 𝑚𝑢𝑙𝑡𝑖𝑝𝑙𝑖𝑐𝑎 𝑙𝑎𝑠 𝑠𝑒ñ𝑎𝑙𝑒𝑠 𝐴 𝑦 𝐵 𝑋1 = 𝐴𝐵 𝐿𝑎 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑎 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑢𝑒𝑟𝑡𝑎 𝑁𝐴𝑁𝐷 𝑚𝑢𝑙𝑡𝑖𝑝𝑙𝑖𝑐𝑎 𝑙𝑎𝑠 𝑠𝑒ñ𝑎𝑙𝑒𝑠 𝐵 𝑦 𝐶, 𝑦 𝑙𝑎𝑠 𝑛𝑖𝑒𝑔𝑎 𝑎 𝑙𝑎 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑋2 = 𝐵𝐶 𝐿𝑎 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑢𝑒𝑟𝑡𝑎 𝑂𝑅 𝑣𝑎 𝑎 𝑠𝑢𝑚𝑎𝑟 𝑙𝑎𝑠 𝑠𝑒ñ𝑎𝑙𝑒𝑠 𝑞𝑢𝑒 𝑙𝑙𝑒𝑔𝑎𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎𝑠 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑢𝑒𝑟𝑡𝑎𝑠 𝐴𝑁𝐷 𝑦 𝑁𝐴𝑁𝐷 𝑋 = 𝐴𝐵 + 𝐵𝐶  Compuertas Lógicas  2) Ejercicio. 55 𝑃𝑟𝑖𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑟𝑒𝑠𝑜𝑙𝑣𝑒𝑚𝑜𝑠 𝑙𝑎 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑢𝑒𝑟𝑡𝑎 𝑂𝑅 𝑐𝑜𝑛 𝑙𝑎𝑠 𝑠𝑒ñ𝑎𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝐵 𝑦 𝐶 𝑋1 = 𝐵 + 𝐶 𝑅𝑒𝑠𝑜𝑙𝑣𝑒𝑚𝑜𝑠 𝑙𝑎 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑢𝑒𝑟𝑡𝑎 𝐴𝑁𝐷 𝑐𝑜𝑛 𝑙𝑎 𝑠𝑒ñ𝑎𝑙 𝐴 𝑦 𝑙𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝑣𝑖𝑒𝑛𝑒 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑢𝑒𝑟𝑡𝑎 𝑂𝑅 𝑋 = 𝐴 ∗ (𝐵 + 𝐶)  3) Ejercicio. 𝑃𝑟𝑖𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑟𝑒𝑠𝑜𝑙𝑣𝑒𝑚𝑜𝑠 𝑙𝑎 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑢𝑒𝑟𝑡𝑎 𝐴𝑁𝐷 𝑐𝑜𝑛 𝑙𝑎𝑠 𝑠𝑒ñ𝑎𝑙𝑒𝑠 𝐴 𝑦 𝐶 𝑋1 = 𝐴𝐶 𝑅𝑒𝑠𝑜𝑙𝑣𝑒𝑚𝑜𝑠 𝑙𝑎 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑢𝑒𝑟𝑡𝑎 𝑂𝑅 𝑐𝑜𝑛 𝑙𝑎𝑠 𝑠𝑒ñ𝑎𝑙𝑒𝑠 𝐵 𝑦 𝑙𝑎 𝑠𝑒ñ𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑢𝑒𝑟𝑡𝑎 𝐴𝑁𝐷 𝑋 = 𝐵 + 𝐴𝐶  Bibliografías 56 Para la elaboración de este trabajo, se consultaron las siguientes referencias bibliográficas: 1.- Electrónica: Teoría de circuitos Robert L. Boylestad 2.- Fundamentos de electrónica. Robert L. Boylestad 3.- Principios digitales. Roger Tokheim 4.- Sistemas digitales. Ronald J. Tocci 5.- Fundamentos de electrónica digital. Floyd, Thomas L.