Fundamentos de Componentes Electrónicos: Diodos, Transistores y Amplificadores Operacionales

Diodos: Tipos y Características Esenciales

Diodo de Unión (Caída de 0.7V)

La corriente en un diodo de unión se vuelve apreciable a partir de una tensión de polarización directa de aproximadamente 0.7V. Para que la corriente circule, la tensión aplicada debe ser superior a este umbral.

Diodo Inversamente Polarizado

Cuando se aplica una tensión negativa (polarización inversa) a un diodo, este se comporta idealmente como un circuito abierto, impidiendo el paso de corriente.

Diodo Zener (Ejemplo: 15V)

Un diodo Zener de 15V está diseñado para mantener una tensión constante de 15V cuando se polariza inversamente y la tensión aplicada supera este valor (tensión de ruptura Zener). En esta región, actúa como una fuente de voltaje regulada.

• Polarización Inversa (entre 0V y 15V): El diodo Zener se encuentra en estado de corte, comportándose como un circuito abierto.
• Polarización Directa: Actúa como un diodo rectificador normal, permitiendo el paso de corriente una vez superada su tensión de umbral (aproximadamente 0.7V).

Diodo Emisor de Luz (LED)

Un LED (Diodo Emisor de Luz) emite luz cuando una corriente suficiente circula a través de él en polarización directa. Presenta una tensión de umbral (o "tensión de codo") que suele estar alrededor de 2V (variable según el color y tipo de LED).

• Polarización Inversa: No conduce y no emite luz.
• Polarización Directa (V ≥ 2V): Conduce corriente y emite luz.

Fotodiodo

Los fotodiodos se emplean como fotodetectores, convirtiendo la energía luminosa en una magnitud eléctrica (corriente o tensión). Su funcionamiento óptimo se da en la zona de polarización inversa.

En polarización inversa, la corriente generada es proporcional a la intensidad de la luz incidente. A mayor cantidad de luz, mayor será la corriente inversa y, consecuentemente, mayor la caída de tensión en una resistencia conectada en serie.

Transistores: Tipos y Fundamentos

Clasificación General de Transistores

• Transistores Bipolares de Unión (BJT):
  • NPN
  • PNP
• Transistores de Efecto de Campo (FET):
  • JFET (Transistor de Efecto de Campo de Unión):
    • Canal N (JFET-N)
    • Canal P (JFET-P)
  • MOSFET (Transistor de Efecto de Campo Metal-Óxido-Semiconductor):
    • Canal N (MOSFET-N)
    • Canal P (MOSFET-P)

Transistores MOSFET (Metal-Óxido-Semiconductor de Efecto de Campo)

En los MOSFET, la corriente del drenador (Id) se controla principalmente mediante la tensión entre la puerta y la fuente (Ugs).

• MOSFET de Acumulación (Enhancement): El canal de conducción se forma y la corriente del drenador comienza a circular solo cuando la tensión Ugs supera un valor umbral (Vt).
• MOSFET de Depleción (Depletion): Gracias a una difusión adicional, estos MOSFET permiten la circulación de corriente del drenador incluso cuando Ugs = 0V.

Características clave:

• La corriente de puerta (Ig) es prácticamente cero.
• La corriente del drenador (Id) es igual a la corriente de la fuente (Is) en modo de operación normal.
• Para crear el canal en un MOSFET de acumulación, Ugs debe ser al menos igual a la tensión umbral (Vt).
• La tensión drenador-fuente (Vds) debe aumentar para que se produzca una corriente de drenador significativa.

Tiristores

• SCR (Rectificador Controlado de Silicio): Es un interruptor unidireccional.
• TRIAC (Triodo para Corriente Alterna): Es un interruptor bidireccional.

Diferencias entre Transistor en Conmutación y SCR

• SCR: Está compuesto por cuatro capas de semiconductor (NPNP), lo que le confiere un comportamiento de enganche.
• Transistor (BJT): Generalmente tiene tres capas de semiconductor (NPN o PNP).

Diferencias entre TRIAC y SCR

• SCR: Es un dispositivo unidireccional. Se activa (cierra) con un pulso de corriente en la puerta y se desactiva (abre) cuando la corriente principal que lo atraviesa cae por debajo de un valor mínimo (corriente de mantenimiento) o pasa por cero.
• TRIAC: Es un dispositivo bidireccional. Se activa (cierra) con un pulso de corriente en la puerta (en ambas polaridades) y se desactiva (abre) cuando la corriente principal que lo atraviesa pasa por cero.

Amplificadores Operacionales: Conceptos Clave

Características de un Amplificador Operacional Ideal

Un amplificador operacional (AO) ideal presenta las siguientes propiedades:

• Impedancia de Entrada Infinita: Esto implica que no fluye corriente hacia las entradas del amplificador (i1 = 0 e i2 = 0).
• Ganancia en Lazo Abierto Infinita: La relación entre la tensión de salida (V0) y la diferencia de tensión de entrada (V1-V2) es teóricamente infinita. La ecuación fundamental es V0 = A · (V1 - V2), donde A es la ganancia.
• Impedancia de Salida Nula.
• Ancho de Banda Infinito.

Cálculo de la Ganancia de Tensión (en dB)

Para un amplificador con una ganancia de 20 dB, la relación de tensión de salida (Vs) a tensión de entrada (Ve) se calcula así:

G_dB = 20 · log10(Vs/Ve)

20 dB = 20 · log10(Vs/Ve)

1 = log10(Vs/Ve)

10^1 = Vs/Ve

Vs = 10 · Ve

Un amplificador con 20 dB de ganancia multiplica la tensión de entrada por un factor de 10.

Amplificador con Ganancia de -20 dB a 100 kHz

Si un amplificador tiene una ganancia de -20 dB, esto indica una atenuación. El cálculo es similar:

G_dB = 20 · log10(Vs/Ve)

-20 dB = 20 · log10(Vs/Ve)

-1 = log10(Vs/Ve)

10^-1 = Vs/Ve

Vs = (1/10) · Ve

En este caso, la tensión de salida es un décimo de la tensión de entrada, lo que significa una pérdida de 1/10 de la señal.

Realimentación Positiva vs. Realimentación Negativa

• Realimentación Negativa: Ocurre cuando una parte de la señal de salida se resta de la señal de entrada. Si la salida aumenta, la entrada efectiva disminuye, lo que tiende a estabilizar el sistema. (A·β > 0 para lazo cerrado estable).
• Realimentación Positiva: Ocurre cuando una parte de la señal de salida se suma a la señal de entrada. Si la salida aumenta, la entrada efectiva también aumenta, lo que puede llevar a la inestabilidad o a la oscilación.

Realimentación Crítica

La realimentación se considera crítica cuando el producto de la ganancia en lazo abierto (A) y el factor de realimentación (β) es igual a -1 (A·β = -1). En esta condición, la ganancia del sistema en lazo cerrado tiende a infinito, lo que generalmente resulta en oscilación.

Características de un Amplificador Operacional Real

Aunque el AO ideal es una abstracción útil, los dispositivos reales tienen limitaciones y características específicas:

• Alimentación: Típicamente simétrica, por ejemplo, ±15V.
• Referencias: Las tensiones de entrada y salida se refieren a una masa común.
• Impedancia de Entrada: Muy alta, pero no infinita.
• Ganancia Diferencial: Muy elevada (pero finita).
• Ganancia de Modo Común: Muy baja, idealmente nula.

Comparador con Señal Ruidosa

El ruido es una perturbación no deseada que se superpone a la señal útil. Puede originarse por agitación térmica de los electrones en componentes resistivos o por acoplamientos inductivos/capacitivos con otras señales o circuitos.

Cuando una señal con alto nivel de ruido llega a un comparador, puede provocar múltiples conmutaciones indeseadas en la salida (conocidos como "rebotes" o "chattering") alrededor del punto de conmutación.

Comparador con Histéresis (Schmitt Trigger)

Para mitigar los rebotes y la inestabilidad en la salida de un comparador debido al ruido, se utiliza la histéresis. Un comparador con histéresis (también conocido como Schmitt Trigger) introduce dos umbrales de conmutación distintos: uno superior y otro inferior.

Esto crea una "zona muerta" o "banda de histéresis" que amplía la diferencia entre los niveles de tensión de entrada necesarios para que la salida cambie de estado. El nivel de comparación varía en función del estado actual de la salida, lo que proporciona inmunidad al ruido.

Rectificador de Precisión

Un rectificador de precisión es un circuito que utiliza amplificadores operacionales para rectificar señales de muy pequeña amplitud, superando las limitaciones de la caída de tensión directa de los diodos convencionales. Esto permite una rectificación precisa incluso para señales por debajo de los 0.7V.

Rango de Tensión de Salida de un AO Real

El rango máximo de variación de la tensión de salida de un amplificador operacional real está limitado por sus tensiones de alimentación. Generalmente, la salida no puede alcanzar exactamente las tensiones de alimentación positiva (Vcc+) y negativa (Vcc-), sino que se mantiene ligeramente por debajo de Vcc+ y ligeramente por encima de Vcc-.