Circuito DC-AC

Tercer Parcial Electrónica de Potencia
Circuito Conversor de DC a AC
1.- Introducción

La Electrónica de Potencia es una de las ramas de la Electrónica que más se ha
desarrollado en los últimos años. Ello se puede atribuir, entre otras cosas, a la invención
del tiristor en el inicio de la década de los años 60. Las limitaciones de tamaño,
fragilidad mecánica y, sobretodo excesivos tiempos de des ionización, no permitieron a
las válvulas de vacío, empleadas en el pasado, ser competitivas en muchas aplicaciones
frente, por ejemplo, a grupos motor-generador.
Con el creciente número y variedades de circuitos y equipos electrónicos en diversas
áreas de aplicación, hoy en día la Electrónica de Potencia es muy importante, dado que
es el campo de la ingeniería responsable de la conversión de la energía eléctrica. En
otras palabras, la Electrónica de Potencia es la disciplina que estudia los sistemas de
potencia, encargados de realizar la transformación de la energía eléctrica en sus distintas
formas (corriente continua, corriente alterna).

2.- Objetivos

2.1.- Objetivo General

 Implementar un circuito de electrónica de potencia capaz de transformar
la corriente continua en corriente alterna, mediante dispositivos de
potencia

2.2.- Objetivos específicos

 Investigar acerca de un circuito de conversión de electrónica de Potencia.
 Implementar el circuito.
 Verificar el buen funcionamiento del circuito.
 Mostrar los resultados de manera gráfica.
 Elaborar un documento del trabajo.

3.- Marco teórico

3.1.- Electrónica de Potencia

Con el creciente número y variedades de circuitos y equipos electrónicos en diversas
áreas de aplicación, hoy en día la Electrónica de Potencia es muy importante, dado que
es el campo de la ingeniería responsable de la conversión de la energía eléctrica. En
otras palabras, la Electrónica de Potencia es la disciplina que estudia los sistemas de
potencia, encargados de realizar la transformación de la energía eléctrica en sus distintas
formas (corriente continua, corriente alterna).
La mayor flexibilidad y controlabilidad de los dispositivos electrónicos
semiconductores hace que se apliquen para resolver procesos cada vez más complejos.
Un equipo electrónico de potencia consta fundamentalmente de dos partes:
1. Un circuito de Potencia, compuesto de semiconductores de potencia y
elementos pasivos, que conecta la fuente primaria de alimentación con la carga.

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2. Un circuito de control, que procesa la información proporcionada por el
circuito de potencia y genera las señales de excitación que determinan el estado de los
semiconductores, controlados con una fase y secuencia conveniente.
En la Electrónica de Potencia, el objetivo principal es conseguir un elevado rendimiento
en la transformación de energía. Para ello, se utilizan dispositivos semiconductores que
trabajan en conmutación, a modo de interruptores. Para obtener un rendimiento elevado,
se evita que los semiconductores trabajen en la zona lineal. Los semiconductores,
trabajando en conmutación, deben cumplir las siguientes características:
• Tener 2 estados claramente definidos, uno de alta impedancia (bloqueo) y otro
de baja impedancia (conducción).
• Poder controlar el paso de un estado a otro con facilidad y con reducida
potencia de control.
• Ser capaces de soportar altas tensiones cuando están bloqueados y elevadas
intensidades, con pequeñas caídas de tensión entre sus extremos, cuando están
en conducción.
• Rapidez de funcionamiento para pasar de un estado a otro.
Así podemos definir la Electrónica de Potencia de la siguiente manera: Electrónica de
Potencia es la parte de la electrónica encargada del estudio de dispositivos, circuitos,
sistemas y procedimientos para el procesado, control y conversión de la energía
eléctrica.
Podemos decir que se requieren sistemas electrónicos de potencia, por las siguientes
razones, entre otras:
• La forma en que se suministra la energía no coincide con la forma en que se
desea consumir. Por ejemplo, imagínese la alimentación de un ordenador
personal, en el que sus circuitos necesitan alimentación de tensión continua de
3V, 5V, -5V, 12V y –12V, pero se parte de la red monofásica alterna (240V,
50Hz). Evidentemente es necesario disponer de un sistema electrónico que
transforme dicha energía para adaptarla a las necesidades del equipo que se está
alimentando.
• En determinadas aplicaciones resulta rentable cambiar la forma de la energía,
por ejemplo, para transmitirla. Es el caso de la transmisión de energía en
corriente continua (CC) trabajando en alta tensión, conocida como transmisión
HVDC (“High Voltage Direct Current”).
• No se puede hacer de otra forma. Supóngase por ejemplo el sistema
dealimentación de un satélite. Éste está formado por baterías, las cuales pueden
cargarse mediante paneles solares. En este caso es necesario un sistema
electrónico que adapte dichas necesidades.
• Se requieren nuevas prestaciones por parte de los consumidores de energía. Por
ejemplo, el caso de la conversión de una tensión alterna CA fija que llega a una
industria proveniente directamente de una subestación, en una tensión variable
en amplitud y frecuencia, necesaria para el control de la velocidad y posición del
accionamiento de los motores de una cinta transportadora. Como se puede notar
en este último ejemplo, la Electrónica de Potencia es un área multidisciplinar, ya
que para el desarrollo de dicha aplicación se debe tener conocimiento de
máquinas (motor CA), de automática (control) y de electrónica.

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Por tanto, cuando se habla en EP, se habla necesariamente de:
• POTENCIA, refiriéndose a equipos para operación y distribución de potencia
eléctrica.
• ELECTRÓNICA, refiriéndose a dispositivos de estado sólido y circuitos de
procesado de señal para alcanzar los objetivos de control deseados.
• CONTROL, refiriéndose a las características estáticas y dinámicas de sistemas
de control en lazo cerrado.

3.2.- Resistencia

Cualquier material natural ofrece oposición al paso de la corriente eléctrica a través de
ella. Este efecto se llama resistividad.

Los materiales conductores presentan una resistividad casi nula, los aislantes no
permiten el flujo de corriente y los resistivos presentan cierta resistencia. Las
resistencias son componentes eléctricos pasivos en lo que la tensión que se les aplica es
proporcional a la intensidad que circula por ellos.

Generalmente la resistencia de un material aumenta cuando crece la temperatura.
También la resistencia de conductor es proporcional a la longitud de ésta e inversamente
proporcional a su sección.

Hay que puntualizar, para que no haya malos entendidos, que a veces llamarlas
resistencias se le denominan resistores.

La medición en resistencias se hace en ohmios, su símbolo que es este 

=

3.2.1.- Características de la Resistencias

Todas las resistencias tienen una tolerancia, esto es el margen de valores que rodean el
valor nominal y en el que se encuentra el valor real de la resistencia. Su valor viene
determinado por un porcentaje que va desde 0.001% hasta 20% el más utilizada es el de
10%. Esta tolerancia viene marcada por un código de colores.

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Las resistencias tienen un coeficiente de temperatura, este valor dependerá de la
temperatura que alcance la resistencia cuando empiece a circular el flujo de electrones.
Como cualquier elemento eléctrico y electrónico tiene un rango de trabajo y por tanto
un límite de funcionamiento que vendrá determinado por su capacidad de disipar calor,
la tensión y por su temperatura máxima; por tanto será la temperatura máxima con la
cual podrá trabajar sin deteriorarse.

Tiene también un coeficiente de tensión que limitará el paso de la corriente eléctrica
entre sus dos extremos que será la variación relativa de cambio de tensión al que se
someta.

Un factor también importante es el ruido que se debe a los cambios repentinos de
aumento y disminución de corrientes continuos. La capacidad de la resistencia es la
capacidad de mantener en el transcurso del tiempo el valor nominal de la resistencia
será sometido a los cambios ambientales, largos periodos del funcionamiento que no
deberá afectarla para nada.

Los materiales empleados para la fabricación de las resistencias son muy variados pero
los más comunes son aleaciones de cobre, níquel y zinc en diversas proporciones de
cada uno lo que hará variar la resistividad. Quien determinará un aumento de esta
resistividad será el níquel, ya que si la aleación lleva porcentaje alto de éste, la
resistencia tendrá gran resistividad.

Las aleaciones de cobre níquel y níquel-hierro tiene una resistividad de 10 a 30 veces
mayor que el cobre y las aleaciones de níquel-cromo serán de 60 a 70 veces mayor que
las de cobre y con un gran comportamiento en temperaturas elevadas.

También se puede utilizar el carbono ya que su resistividad entre 400 y 2.400 veces la
del cobre, por este motivo se utiliza en las escobillas de los motores eléctricos.

3.2.2.- Código de Colores

Hay varios tipos de resistencias vienen determinados por una representación de códigos
de colores. Esto se realiza por medio de la estampación de unos anillos de colores en el
cuerpo de la resistencia.

Estos anillos son cuatro o cinco y vienen especificados según se muestra en las
ilustraciones.

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3.2.3.- Tipos de Resistencias

Hay varios tipos de resistencias pero en definitiva se agrupan en fijas y variables. Las
fijas se denominan de esta forma:

 Bobinadas.

Suelen venir así para disipar potencia. Se fabrican sobre una base aislante en forma
cilíndrica para enrollar un hilo de alta resistividad (wolframio, manganina, constatán).
La longitud y sección del hilo darán su resistividad juntamente con la composición de
éste. Suelen venir marcadas en la superficie y se utilizan para las grandes potencias pero
con el inconveniente de ser inductivas.

 Aglomeradas.

Están realizadas de una pasta con granos muy finos de grafito. Estas son de las más
utilizadas. Sus valores vienen determinados por el código de colores.

Al igual que las bobinadas constan de un hilo enrollado pero se le somete a un proceso
de vitrificación a alta temperatura (barniz especial) cuyo cometido es proteger el hilo
resistivo y evitar que entren en contacto las espiras enrolladas. Es en este barniz donde
se marca el código de colores.

 Película de Carbono.
Se pone una fina capa de pasta de grafito encima de una base cilíndrica de cerámica. La
sección y su composición determinarán el valor de la resistencia.

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 Pirolíticas.
Son muy parecidas a las anteriores, pero con una película de carbón rayada en forma de
hélice para ajustar el valor de la resistencia. Son inductivas.

El otro tipo de resistencias son variables, nos interesa obtener una resistencia cuyo valor
pueda variarse según la aplicación. Se fabrican bobinadas o de grafito, deslizantes o
giratorias.

3.2.4.- Termistor

Un termistor es un sensor resistivo de temperatura. Su funcionamiento se basa en la
variación de la resistividad que presenta un semiconductor con la temperatura. El
término termistor proviene de Thermally Sensitive Resistor. Existen dos tipos de
termistor:
· NTC (Negative Temperature Coefficient) – coeficiente de temperatura negativo
· PTC (Positive Temperature Coefficient) – coeficiente de temperatura positivo

3.2.4.1.- Características

Su funcionamiento se basa en la variación de la resistencia de un semiconductor con la
temperatura, debido a la variación de la concentración de portadores. Para los
termistores NTC, al aumentar la temperatura, aumentará también la concentración de
portadores, por lo que la resistencia será menor, de ahí que el coeficiente sea negativo.
Para los termistores PTC, en el caso de un semiconductor con un dopado muy intenso,
éste adquirirá propiedades metálicas, tomando un coeficiente positivo en un margen de
temperatura limitado. Usualmente, los termistores se fabrican a partir de óxidos
semiconductores, tales como el óxido férrico, el óxido de níquel, o el óxido de cobalto.

Sin embargo, a diferencia de los sensores RTD, la variación de la resistencia con la
temperatura es no lineal. Para un termistor NTC, la característica es hiperbólica. Para
pequeños incrementos de temperatura, se darán grandes incrementos de resistencia. Por
ejemplo, el siguiente modelo caracteriza la relación entre la temperatura y la resistencia
mediante dos parámetros:

Dónde:

 RT es la resistencia del termistor NTC a la temperatura T (K)
 R0 es la resistencia del termistor NTC a la temperatura de referencia T0 (K)
 B es la temperatura característica del material, entre 2000 K y 5000 K
Por analogía a los sensores RTD, podría definirse un coeficiente de temperatura
equivalente α, que para el modelo de dos parámetros quedaría:

Puede observarse como el valor de este coeficiente varía con la temperatura. Por
ejemplo, para un termistor NTC con B = 4000 K y T = 25 °C, se tendrá un coeficiente

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equivalente α = -0.045 K − 1, que será diez veces superior a la sensibilidad de un sensor
Pt100 con α = 0.00385 K − 1.

El error de este modelo en el margen de 0 a 50 °C es del orden de ±0.5 °C. Existen
modelos más sofisticados con más parámetros que dan un error de aproximación aún
menor.

En la siguiente figura se muestra la relación tensión – corriente de un termistor NTC, en
la que aparecen los efectos del autocalentamiento.

A partir del punto A, los efectos del autocalentamiento se hacen más evidentes. Un
aumento de la corriente implicará una mayor potencia disipada en el termistor,
aumentando la temperatura de éste y disminuyendo su resistencia, dejando de aumentar
la tensión que cae en el termistor. A partir del punto B, la pendiente pasa a ser negativa.

3.3.- Potenciómetro

Un potenciómetro es un resistor cuyo valor de resistencia es variable. De esta manera,
indirectamente, se puede controlar la intensidad de corriente que fluye por un circuito si
se conecta en paralelo, o la diferencia de potencial al conectarlo en serie.
Normalmente, los potenciómetros se utilizan en circuitos de poca corriente. Para
circuitos de corrientes mayores, se utilizan los reóstatos, que pueden disipar más
potencia.

3.3.1.- Tipos

Existen dos tipos de potenciómetros según su construcción:

 Potenciómetros impresos, realizados con una pista de carbón o de cermet sobre
un soporte duro como papel baquelizado, fibra, alúmina, etc. La pista tiene
sendos contactos en sus extremos y un cursor conectado a un patín que se
desliza por la pista resistiva.

 Potenciómetros petados. Consiste en un arrollamiento toroidal de un hilo
resistivo (por ejemplo, constantán) con un cursor que mueve un patín sobre el
mismo.

Según su aplicación se distinguen varios tipos:

 Potenciómetros de mando. Son adecuados para su uso como elemento de control
en los aparatos electrónicos. El usuario acciona sobre ellos para variar los
parámetros normales de funcionamiento. Por ejemplo, el volumen de una radio.
 Potenciómetros de ajuste. Controlan parámetros pre ajustados, normalmente en
fábrica, que el usuario no suele tener que retocar, por lo que no suelen ser
accesibles desde el exterior. Existen tanto encapsulados en plástico como sin
cápsula, y se suelen distinguir potenciómetros de ajuste vertical, cuyo eje de giro
es vertical, y potenciómetros de ajuste horizontal, con el eje de giro paralelo al
circuito impreso

Según la ley de variación de la resistencia R = ρ(θ):

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 Potenciómetros lineales. La resistencia es proporcional al ángulo de giro.

 Logarítmicos. La resistencia depende logarítmicamente del ángulo de giro.

 Senoidales. La resistencia es proporcional al seno del ángulo de giro. Dos
potenciómetros senoidales solidarios y girados 90° proporcionan el seno y el
coseno del ángulo de giro. Pueden tener topes de fin de carrera o no.

 Antilogarítmicos En los potenciómetros impresos la ley de resistencia se
consigue variando la anchura de la pista resistiva, mientras que en los bobinados
se ajusta la curva a tramos, con hilos de distinto grosor.

Potenciómetros multivuelta. Para un ajuste fino de la resistencia existen potenciómetros
multivuelta, en los que el cursor va unido a un tornillo desmultiplicador, de modo que
para completar el recorrido necesita varias vueltas del órgano de mando.

 Potenciómetros rotatorios. Se controlan girando su eje. Son los más habituales
pues son de larga duración y ocupan poco espacio.

 Potenciómetros deslizantes. La pista resistiva es recta, de modo que el
recorrido del cursor también lo es. Han estado de moda hace unos años y se usa,
sobre todo, en ecualizadores gráficos, pues la posición de sus cursores representa
la respuesta del ecualizador. Son más frágiles que los rotatorios y ocupan más
espacio. Además suelen ser más sensibles al polvo.

 Potenciómetros múltiples. Son varios potenciómetros con sus ejes coaxiales, de
modo que ocupan muy poco espacio. Se utilizaban en instrumentación,
autorradios, etc.

 Potenciómetros digitales Se llama potenciómetro digital a un circuito integrado
cuyo funcionamiento simula el de un potenciómetro Analógico. Se componen de
un divisor resistivo de n+1 resistencias, con sus n puntos intermedios conectados
a un multiplexor analógico que selecciona la salida. Se manejan a través de una
interfaz serie (SPI, I2C, Microwire, o similar). Suelen tener una tolerancia en
torno al 20% y a esto hay que añadirle la resistencia debida a los switches
internos, conocida como Rwiper. Los valores más comunes son de 10K y 100K
aunque varía en función del fabricante con 32, 64, 128, 512 y 1024 posiciones
en escala logarítmica o lineal. Los principales fabricantes son Maxim, Intersil y
Analog Devices. Estos dispositivos poseen las mismas limitaciones que los
conversores DAC como son la corriente máxima que pueden drenar, que está en
el orden de los mA, la INL y la DNL, aunque generalmente son monotónicos.

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3.4.- Diodo

Un diodo (del griego "dos caminos") es un dispositivo semiconductor que permite el
paso de la corriente eléctrica en una única dirección con características similares a un
interruptor. De forma simplificada, la curva característica de un diodo (I-V) consta de
dos regiones: por debajo de cierta diferencia de potencial, se comporta como un circuito
abierto (no conduce), y por encima de ella como un corto circuito con muy pequeña
resistencia eléctrica.

Debido a este comportamiento, se les suele denominar rectificadores, ya que son
dispositivos capaces de convertir una corriente alterna en corriente continua. Su
principio de funcionamiento está basado en los experimentos de Lee De Forest.
Los primeros diodos eran válvulas grandes en chips o tubos de vacío, también llamadas
válvulas termoiónicas constituidas por dos electrodos rodeados de vacío en un tubo de
cristal, con un aspecto similar al de las lámparas incandescentes.

El invento fue realizado en 1904 por John Ambrose Fleming, de la empresa Marconi,
basándose en observaciones realizadas por Thomas Alva Edison.- Al igual que las
lámparas incandescentes, los tubos de vacío tienen un filamento (el cátodo) a través del
que circula la corriente, calentándolo por efecto Joule. El filamento está tratado con
óxido de bario, de modo que al calentarse emite electrones al vacío circundante;
electrones que son conducidos electrostáticamente hacia una placa característica
curvada por un muelle doble cargada positivamente (el ánodo), produciéndose así la
conducción. Evidentemente, si el cátodo no se calienta, no podrá ceder electrones. Por
esa razón los circuitos que utilizaban válvulas de vacío requerían un tiempo para que las
válvulas se calentaran antes de poder funcionar y las válvulas se quemaban con mucha
facilidad.

Tipos de válvula diodo

 Diodo de alto vacío
 Diodo de gas
 Rectificador de mercurio

3.4.1.- Diodo pn o Unión pn

Los diodos pn, son uniones de dos materiales semiconductores extrínsecos tipos p y n,
por lo que también reciben la denominación de unión pn. Hay que destacar que ninguno
de los dos cristales por separado tiene carga eléctrica, ya que en cada cristal, el número
de electrones y protones es el mismo, de lo que podemos decir que los dos cristales,
tanto el p como el n, son neutros. (Su carga neta es 0).

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Al unir ambos cristales, se manifiesta una difusión de electrones del cristal n al p (Je).
Al establecerse estas corrientes aparecen cargas fijas en una zona a ambos lados de la
unión, zona que recibe diferentes denominaciones como zona de carga espacial, de
agotamiento, de deplexión, de vaciado, etc. A medida que progresa el proceso de
difusión, la zona de carga espacial va incrementando su anchura profundizando en los
cristales a ambos lados de la unión. Sin embargo, la acumulación de iones positivos en
la zona n y de iones negativos en la zona p, crea un campo eléctrico (E) que actuará
sobre los electrones libres de la zona n con una determinada fuerza de desplazamiento,
que se opondrá a la corriente de electrones y terminará deteniéndolos.
Este campo eléctrico es equivalente a decir que aparece una diferencia de tensión entre
las zonas p y n. Esta diferencia de potencial (V0) es de 0,7 V en el caso del silicio y 0,3
V si los cristales son de germanio. La anchura de la zona de carga espacial una vez
alcanzado el equilibrio, suele ser del orden de 0,5 micras pero cuando uno de los
cristales está mucho más dopado que el otro, la zona de carga espacial es mucho mayor.
Al dispositivo así obtenido se le denomina diodo, que en un caso como el descrito, tal
que no se encuentra sometido a una diferencia de potencial externa, se dice que no está
polarizado. Al extremo p, se le denomina ánodo, representándose por la letra A,
mientras que la zona n, el cátodo, se representa por la letra C (o K). Existen también
diodos de protección térmica los cuales protegen son capaces de proteger cables.

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3.4.2.- Polarización

Cuando se somete al diodo a una diferencia de tensión externa, se dice que el diodo está
polarizado, pudiendo ser la polarización directa o inversa

3.4.2.1.- Polarización Directa

En este caso, la batería disminuye la barrera de potencial de la zona de carga espacial,
permitiendo el paso de la corriente de electrones a través de la unión; es decir, el diodo
polarizado directamente conduce la electricidad.
Para que un diodo esté polarizado directamente, tenemos que conectar el polo positivo
de la batería al ánodo del diodo y el polo negativo al cátodo. En estas condiciones
podemos observar que:
 El polo negativo de la batería repele los electrones libres del cristal n, con lo
que estos electrones se dirigen hacia la unión p-n.

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 El polo positivo de la batería atrae a los electrones de valencia del cristal p,
esto es equivalente a decir que empuja a los huecos hacia la unión p-n.
 Cuando la diferencia de potencial entre los bornes de la batería es mayor que
la diferencia de potencial en la zona de carga espacial, los electrones libres del
cristal n, adquieren la energía suficiente para saltar a los huecos del cristal p,
los cuales previamente se han desplazado hacia la unión p-n.
 Una vez que un electrón libre de la zona n salta a la zona p atravesando la zona
de carga espacial, cae en uno de los múltiples huecos de la zona p
convirtiéndose en electrón de valencia.
 Una vez ocurrido esto el electrón es atraído por el polo positivo de la batería y
se desplaza de átomo en átomo hasta llegar al final del cristal p, desde el cual
se introduce en el hilo conductor y llega hasta la batería.
De este modo, con la batería cediendo electrones libres a la zona n y atrayendo
electrones de valencia de la zona p, aparece a través del diodo una corriente eléctrica
constante hasta el final.

3.4.2.2.- Inversa

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En este caso, el polo negativo de la batería se conecta a la zona p y el polo positivo a la
zona n, lo que hace aumentar la zona de carga espacial, y la tensión en dicha zona hasta
que se alcanza el valor de la tensión de la batería, tal y como se explica a continuación:
· El polo positivo de la batería atrae a los electrones libres de la zona n, los cuales salen
del cristal n y se introducen en el conductor dentro del cual se desplazan hasta llegar a la
batería. A medida que los electrones libres abandonan la zona n, los átomos
pentavalentes que antes eran neutros, al verse desprendidos de su electrón en el orbital
de conducción, adquieren estabilidad (8 electrones en la capa de valencia, ver
semiconductor y átomo) y una carga eléctrica neta de +1, con lo que se convierten en
iones positivos.
El polo negativo de la batería cede electrones libres a los átomos trivalentes de la zona
p. Recordemos que estos átomos sólo tienen 3 electrones de valencia, con lo que una
vez que han formado los enlaces covalentes con los átomos de silicio, tienen solamente
7 electrones de valencia, siendo el electrón que falta el denominado hueco. El caso es
que cuando los electrones libres cedidos por la batería entran en la zona p, caen dentro
de estos huecos con lo que los átomos trivalentes adquieren estabilidad (8 electrones en
su orbital de valencia) y una carga eléctrica neta de -1, convirtiéndose así en iones
negativos.
· Este proceso se repite una y otra vez hasta que la zona de carga espacial adquiere el
mismo potencial eléctrico que la batería.
En esta situación, el diodo no debería conducir la corriente; sin embargo, debido al
efecto de la temperatura se formarán pares electrón-hueco (ver semiconductor) a ambos
lados de la unión produciendo una pequeña corriente (del orden de 1 µA) denominada
corriente inversa de saturación. Además, existe también una denominada corriente
superficial de fugas la cual, como su propio nombre indica, conduce una pequeña
corriente por la superficie del diodo; ya que en la superficie, los átomos de silicio no
están rodeados de suficientes átomos para realizar los cuatro enlaces covalentes
necesarios para obtener estabilidad. Esto hace que los átomos de la superficie del diodo,
tanto de la zona n como de la p, tengan huecos en su orbital de valencia con lo que los
electrones circulan sin dificultad a través de ellos. No obstante, al igual que la corriente
inversa de saturación, la corriente superficial de fuga es despreciable.

3.4.3.- Curva de Respuesta

Un diodo es un dispositivo electrónico de dos terminales cuya respuesta tensión-
corriente es no lineal. Un diodo ideal es aquel que permite el flujo de corriente en
directa y lo impide en inversa. En cambio, en un diodo real la diferencia de potencial
(umbral) es no nula y depende del material semiconductor del diodo. A temperatura
ambiente, en los diodos de germanio el umbral es aproximadamente 0, 3V mientras que
en los diodos de silicio es aproximadamente 0, 7V.
Es interesante destacar, que en la curva característica de un diodo real, una pequeña
corriente circula en polarización inversa. Esta corriente es denominada corriente de fuga
y es principalmente causada por las impurezas (no buscadas) en el material. También
puede notarse una región, a la que se denomina tensión de ruptura, que corresponde a la
tensión máxima con la que se puede polarizar en inversa el diodo. Este valor de tensión
por lo general es del orden de los 50V.

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Existen distintos tipos de diodos: los diodos Zener, los diodos optoelectrónicos,
Schottky, varicap, etc. Los diodos Zener, contrariamente a los diodos comunes
anteriormente descriptos, son diodos que han sido especialmente diseñados para que
funcionen en la zona de ruptura. El diodo Zener también es llamado diodo de avalancha
y su principal utilización es en reguladores de tensión.

3.5.- Capacitores

Se llama capacitor a un dispositivo que almacena carga eléctrica. El capacitor está
formado por dos conductores próximos uno a otro, separados por un aislante, de tal
modo que puedan estar cargados con el mismo valor, pero con signos contrarios.
En su forma más sencilla, un capacitor está formado por dos placas metálicas o
armaduras paralelas, de la misma superficie y encaradas, separadas por una lámina no
conductora o dieléctrico. Al conectar una de las placas a un generador, ésta se carga e
induce una carga de signo opuesto en la otra placa. Por su parte, teniendo una de las
placas cargada negativamente (Q-) y la otra positivamente (Q+) sus cargas son iguales y
la carga neta del sistema es 0, sin embargo, se dice que el capacitor se encuentra
cargado con una carga Q.
Los capacitores pueden conducir corriente continua durante sólo un instante (por lo cual
podemos decir que los capacitores, para las señales continuas, es como un
cortocircuito), aunque funcionan bien como conductores en circuitos de corriente
alterna. Es por esta propiedad lo convierte en dispositivos muy útiles cuando se debe
impedir que la corriente continua entre a determinada parte de un circuito eléctrico, pero
si queremos que pase la alterna.
Los capacitores se utilizan junto con las bobinas, formando circuitos en resonancia, en
las radios y otros equipos electrónicos. Además, en los tendidos eléctricos se utilizan
grandes capacitores para producir resonancia eléctrica en el cable y permitir la
transmisión de más potencia.
Además son utilizados en: Ventiladores, motores de Aire Acondicionado, en
Iluminación, Refrigeración, Compresores, Bombas de Agua y Motores de Corriente
Alterna, por la propiedad antes explicada.

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Los capacitores se fabrican en gran variedad de formas y se pueden mandar a hacer de
acuerdo a las necesidades de cada uno. El aire, la mica, la cerámica, el papel, el aceite y
el vacío se usan como dieléctricos, según la utilidad que se pretenda dar al dispositivo.
Pueden estar encapsulados en baquelita con válvula de seguridad, sellados, resistentes a
la humedad, polvo, aceite; con terminales para conector hembra y/o soldadura. También
existen los capacitores de Marcha o Mantenimiento los cuales están encapsulados en
metal. Generalmente, todos los Capacitores son secos, esto quiere decir que son
fabricados con cintas de plástico metalizado, autoregenerativos, encapsulados en
plástico para mejor aislamiento eléctrico, de alta estabilidad térmica y resistentes a la
humedad.
El primer capacitor es la botella de Leyden, el cual es un capacitor simple en el que las
dos placas conductoras son finos revestimientos metálicos dentro y fuera del cristal de
la botella, que a su vez es el dieléctrico. La magnitud que caracteriza a un capacitor es
su capacidad, cantidad de carga eléctrica que puede almacenar a una diferencia de
potencial determinado.
La botella de Leyden, uno de los capacitores más simples, almacena una carga eléctrica
que puede liberarse, o descargarse, juntando sus terminales, mediante una varilla
conductora. La primera botella de Leyden se fabricó alrededor de 1745, y todavía se
utiliza en experimentos de laboratorio.
Para un capacitor se define su capacidad como la razón de la carga que posee uno de los
conductores a la diferencia de potencial entre ambos, es decir, la capacidad es
proporcional a la carga e inversamente proporcional a la diferencia de potencial:
C = Q / V, medida en Farad (F).
La diferencia de potencial entre estas placas es igual a: V = E * d ya que depende de la
intensidad de campo eléctrico y la distancia que separa las placas. También: V =q / e *
d, siendo q carga por unidad de superficie y d la diferencia entre ellas. Para un capacitor
de placas paralelas de superficie S por placa, el valor de la carga en cada una de ellas
es q * S y la capacidad del dispositivo:

C = q * S / (q * d / e ) = e * S / d

Siendo d la separación entre las placas.
La energía acumulada en un capacitor será igual al trabajo realizado para transportar las
cargas de una placa a la otra venciendo la diferencia de potencial existente ellas:

D W = V * D q = (q / C) * D q

La energía electrostática almacenada en el capacitor será igual a la suma de todos estos
trabajos desde el momento en que la carga es igual a cero hasta llegar a un valor dado de
la misma, al que llamaremos Q.

W = V * dq = ( 1 / C) * ( q * dq) = 1 / 2 (Q2 / C)

Si ponemos la carga en función de la tensión y capacidad, la expresión de la energía
almacenada en un capacitor será: W = 1/2 * C * V2 medida en unidades de trabajo.
Dependiendo de superficie o área de las placas su fórmula de capacidad es
C = e * A / 4p d, donde he es la constante dieléctrica.

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3.5.1.- Tipos de Capacitores Fijos

Estos capacitores tienen una capacidad fija determinada por el fabricante y su valor no
se puede modificar. Sus características dependen principalmente del tipo de dieléctrico
utilizado, de tal forma que los nombres de los diversos tipos se corresponden con los
nombres del dieléctrico usado.
De esta forma podemos distinguir los siguientes tipos:
 Cerámicos.
 Plástico.
 Mica.
 Electrolíticos.
 De doble capa eléctrica.

Capacitores cerámicos

El dieléctrico utilizado por estos capacitores es la cerámica, siendo el material más
utilizado el dióxido de titanio. Este material confiere al condensador grandes
inestabilidades por lo que en base al material se pueden diferenciar dos grupos:

Grupo I: caracterizados por una alta estabilidad, con un coeficiente de temperatura bien
definido y casi constante.

Grupo II: su coeficiente de temperatura no está prácticamente definido y además de
presentar características no lineales, su capacidad varía considerablemente con la
temperatura, la tensión y el tiempo de funcionamiento. Se caracterizan por su elevada
permitividad.

Las altas constantes dieléctricas características de las cerámicas permiten amplias
posibilidades de diseño mecánico y eléctrico.

Capacitores de plástico

Estos capacitores se caracterizan por las altas resistencias de aislamiento y elevadas
tempeeraturas de funcionamiento.
Según el proceso de fabricación podemos diferenciar entre los de tipo k y tipo MK, que
se distinguen por el material de sus armaduras (metal en el primer caso y metal
vaporizado en el segundo).
Según el dieléctrico usado se pueden distinguir estos tipos comerciales:
KS: styroflex, constituidos por láminas de metal y poliestireno como dieléctrico.
KP: formados por láminas de metal y dieléctrico de polipropileno.
MKP: dieléctrico de polipropileno y armaduras de metal vaporizado.
MKY: dieléctrco de polipropileno de gran calidad y láminas de metal vaporizado.
MKT: láminas de metal vaporizado y dieléctrico de teraftalato de polietileno
(poliéster).
MKC: makrofol, metal vaporizado para las armaduras y policarbonato para el
dieléctrico.

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A nivel orientativo estas pueden ser las características típicas de los capacitores de
plástico:
TIPO CAPACIDAD TOLERANCIA TENSION TEMPERATURA
KS 2pF-330nF +/-0,5% +/-5% 25V-630V -55ºC-70ºC
KP 2pF-100nF +/-1% +/-5% 63V-630V -55ºC-85ºC
MKP 1,5nF-4700nF +/-5% +/-20% 0,25KV-40KV -40ºC-85ºC
MKY 100nF-1000nF +/-1% +/-5% 0,25KV-40KV -55ºC-85ºC
MKT 680pF-0,01mF +/-5% +/-20% 25V-630V -55ºC-100ºC
MKC 1nF-1000nF +/-5% +/-20% 25V-630V -55ºC-100ºC

Capacitores de mica

El dieléctrico utilizado en este tipo de capacitores es la mica o silicato de aluminio y
potasio y se caracterizan por bajas pérdidas, ancho rango de frecuencias y alta
estabilidad con la temperatura y el tiempo.

Capacitores electrolíticos

En estos capacitores una de las armaduras es de metal mientras que la otra está
constituida por un conductor iónico o electrolito. Presentan unos altos valores
capacitivos en relación al tamaño y en la mayoría de los casos aparecen polarizados.
Podemos distinguir dos tipos:
 Electrolíticos de aluminio: la armadura metálica es de aluminio y el electrolito
de tetraborato armónico.
 Electrolíticos de tántalo: el dieléctrico está constituido por óxido de tántalo y
nos encontramos con mayores valores capacitivos que los anteriores para un
mismo tamaño. Por otra parte las tensiones nominales que soportan son menores
que los de aluminio y su coste es algo más elevado.

Capacitores de doble capa eléctrica

Estos capacitores también se conocen como supercapacitores o CAEV debido a la gran
capacidad que tienen por unidad de volumen. Se diferencian de los capacitores
convencionales en que no usan dieléctrico por lo que son muy delgados. Las
características eléctricas más significativas desde el punto de su aplicación como fuente
acumulada de energía son: altos valores capacitivos para reducidos tamaños, corriente
de fugas muy baja, alta resistencia serie, y pequeños valores de tensión.

3.5.2.- Identificación De Capacitores

Vamos a disponer de un código de colores, cuya lectura varía según el tipo de
condensador, y un código de marcas, particularizado en los mismos. Primero
determinaremos el tipo de condensador (fijo o variable) y el tipo concreto dentro de
estos.
Las principales características que nos vamos a encontrar en los capacitores van a ser la
capacidad nominal, tolerancia, tensión y coeficiente de temperatura, aunque
dependiendo de cada tipo traerán unas características u otras.

17

En cuanto a las letras para la tolerancia y la correspondencia número-color del código
de colores, son lo mismo que para resistencias. Debemos destacar que la fuente más
fiable a la hora de la identificación son las características que nos proporciona el
fabricante.

Capacitores cerámicos tipo placa, grupo 1 y 2.

Capacitores cerámicos tipo disco, grupo 1.

18

Capacitores cerámicos tipo disco, grupo 2.

Capacitores cerámicos tubulares.
CÓDIGO DE COLORES

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CÓDIGO DE MARCAS

Capacitores de plástico.
CÓDIGO DE COLORES

20

CÓDIGO DE MARCAS

Capacitores electrolíticos

Estos capacitores siempre indican la capacidad en microfaradios y la máxima tensión de
trabajo en voltios. Dependiendo del fabricante también pueden venir indicados otros
parámetros como la temperatura y la máxima frecuencia a la que pueden trabajar.
Tenemos que poner especial atención en la identificación de la polaridad. Las formas
más usuales de indicación por parte de los fabricantes son las siguientes:

Capacitores de tantalio

Actualmente estos capacitores no usan el código de colores (los más antiguos, sí). Con
el código de marcas la capacidad se indica en microfaradios y la máxima tensión de
trabajp en voltios. El terminal positivo se indica con el signo +:

21

3.6.- Transistores

El transistor es un dispositivo electrónico semiconductor que cumple funciones
deamplificador, oscilador, conmutador o rectificador. El término "transistor" es la
contracción eninglés de transfer resistor ("resistencia de transferencia"). Actualmente se
los encuentraprácticamente en todos los enseres domésticos de uso diario: radios,
televisores,grabadoras, reproductores de audio y vídeo, hornos de microondas,
lavadoras, automóviles,equipos de refrigeración, alarmas, relojes de cuarzo,
computadoras, calculadoras,impresoras, lámparas fluorescentes, equipos de rayos X,
tomógrafos, ecógrafos,reproductores mp3, celulares, etc.
Vienen a sustituir a las antiguas válvulas termoiónicas de tres electrodos o tríodo,
eltransistor bipolar fue inventado en los Laboratorios Bell de EE. UU. En diciembre de
1947 porJohn Bardeen, Walter Houser Brattain y William Bradford Shockley, quienes
fuerongalardonados con el Premio Nobel de Física en 1956. Gracias a ellos fue posible
laconstrucción de receptores de radio portátiles llamados comúnmente
"transistores",televisores que se encendían en un par de segundos, televisores en color...
Antes deaparecer los transistores, los aparatos a válvulas tenían que trabajar con
tensiones bastantealtas, tardaban más de 30 segundos en empezar a funcionar, y en
ningún caso podíanfuncionar a pilas, debido al gran consumo que tenían.
El transistor consta de un sustrato (usualmente silicio) y tres partes dopadas
artificialmente(contaminadas con materiales específicos en cantidades específicos) que
forman dosuniones bipolares, el emisor que emite portadores, el colector que los recibe
o recolecta y latercera, que está intercalada entre las dos primeras, modula el paso de
dichos portadores(base). A diferencia de las válvulas, el transistor es un dispositivo
controlado por corriente ydel que se obtiene corriente amplificada. En el diseño de
circuitos a los transistores se lesconsidera un elemento activo, a diferencia de los
resistores, capacitores e inductores que sonelementos pasivos. Su funcionamiento sólo
puede explicarse mediante mecánica cuántica.
De manera simplificada, la corriente que circula por el "colector" es función
amplificada de laque se inyecta en el "emisor", pero el transistor sólo gradúa la corriente
que circula a travésde sí mismo, si desde una fuente de corriente continua se alimenta la
"base" para que circulela carga por el "colector", según el tipo de circuito que se utilice.
El factor de amplificaciónlogrado entre corriente de base y corriente de colector, se
denomina Beta del transistor.
Otros parámetros a tener en cuenta y que son particulares de cada tipo de transistor son:
Tensiones de ruptura de Colector Emisor, de Base Emisor, de Colector Base, Potencia
Máxima, disipación de calor, frecuencia de trabajo, y varias tablas donde se grafican los
distintos parámetros tales como corriente de base, tensión Colector Emisor, tensión
Base, Emisor, corriente de Emisor, etc. Los tres tipos de esquemas básicos para
utilizaciónanalógica de los transistores son emisor común, colector común y base
común.Modelos posteriores al transistor descrito, el transistor bipolar (transistores FET,
MOSFET,JFET, CMOS, VMOS, etc.) no utilizan la corriente que se inyecta en el
terminal de "base"para modular la corriente de emisor o colector, sino la tensión
presente en el terminal depuerta o reja de control y gradúa la conductancia del canal
entre los terminales de Fuente yDrenador. De este modo, la corriente de salida en la
carga conectada al Drenador (D) seráfunción amplificada de la Tensión presente entre la
Puerta (Gate) y Fuente (Source). Sufuncionamiento es análogo al del tríodo, con la
salvedad que en el triodo los equivalentes aPuerta, Drenador y Fuente son Reja, Placa y
Cátodo.

22

Los transistores de efecto de campo, son los que han permitido la integración a gran
escalaque disfrutamos hoy en día, para tener una idea aproximada pueden fabricarse
varios milesde transistores interconectados por centímetro cuadrado y en varias capas
superpuestas

Los transistores de unión (uno de los tipos más básicos) tienen 3 terminales llamados
Base,Colector y Emisor, que dependiendo del encapsulado que tenga el transistor
pueden estardistribuidos de varias formas

3.6.1.- Tipos de transistores. Simbología

Existen varios tipos que dependen de su proceso de construcción y de las aplicaciones
alasque se destinan. Aquí abajo mostramos una tabla con los tipos de uso más frecuente
y susimbología:
 Transistor bipolar de unión (BJT)

 Transistor de efecto de campo, de union (JFET)

 Transistor de efecto de campo, de metal oxido semiconductor (MOSFET)


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 Fototransistor

Transistor de punta de contacto. Primer transistor que obtuvo ganancia, inventado
en1947 por J. Bardeen y W. Brattain. Consta de una base de germanio sobre la que
seapoyan, muy juntas, dos puntas metálicas que constituyen el emisor y el colector.
Lacorriente de emisor es capaz de modular la resistencia que se "ve" en el colector,
deahí el nombre de "transfer resistor". Se basa en efectos de superficie, poco
conocidosen su día. Es difícil de fabricar (las puntas se ajustaban a mano), frágil (un
golpe podíadesplazar las puntas) y ruidoso. Sin embargo convivió con el transistor de
unión (W.Shockley, 1948) debido a su mayor ancho de banda. En la actualidad
hadesaparecido.

Transistor de unión bipolar, BJT por sus siglas en inglés, se fabrica básicamente sobre
un monocristal de Germanio, Silicio o Arseniuro de Galio, que tienen cualidades de
semiconductores, estado intermedio entre conductores como los metales y los aislantes
como el diamante. Sobre el sustrato de cristal, se contaminan en forma muycontrolada
tres zonas, dos de las cuales son del mismo tipo, NPN o PNP, quedandoformadas dos
uniones NP.
La zona N con elementos donantes de electrones (cargas negativas) y la zona P
deaceptadores o "huecos" (cargas positivas). Normalmente se utilizan como
elementosaceptadores P al Indio (In), Aluminio (Al) o Galio (Ga) y donantes N al
Arsénico (As) oFósforo (P).
La configuración de uniones PN, dan como resultado transistores PNP o NPN, donde la
letraintermedia siempre corresponde a la característica de la base, y las otras dos al
emisor y alcolector que, si bien son del mismo tipo y de signo contrario a la base, tienen
diferentecontaminación entre ellas (por lo general, el emisor está mucho más
contaminado que elcolector).
El mecanismo que representa el comportamiento semiconductor dependerá de
dichascontaminaciones, de la geometría asociada y del tipo de tecnología de
contaminación(difusión gaseosa, epitelial, etc.) y del comportamiento cuántico de la
unión. Fototransistor, sensible a la radiación electromagnética, en frecuencias cercanas a
lade la luz.
· Transistor de unión unipolar.
· Transistor de efecto de campo, FET, que controla la corriente en función de
unatensión; tienen alta impedancia de entrada.

24

Transistor de efecto de campo de unión, JFET, construido mediante una uniónPN.o
Transistor de efecto de campo de compuerta aislada, IGFET, en el que lacompuerta se
aísla del canal mediante un dieléctrico.
§ Transistor de efecto de campo MOS, MOSFET, donde MOS significaMetal-Óxido-
Semiconductor, en este caso la compuerta es metálica yestá separada del canal
semiconductor por una capa de óxido.

Transistores y electrónica de potencia

Con el desarrollo tecnológico y evolución de la electrónica, la capacidad de los
dispositivossemiconductores para soportar cada vez mayores niveles de tensión y
corriente ha permitidosu uso en aplicaciones de potencia

Los transistores tienen multitud de aplicaciones, entre las que se encuentran:
 Amplificación de todo tipo (radio, televisión, instrumentación)
 Generación de señal (osciladores, generadores de ondas, emisión de
radiofrecuencia)
 Conmutación, actuando de interruptores (control de relés, fuentes de
alimentaciónconmutadas, control de lámparas, modulación por anchura de
impulsos PWM)
 Detección de radiación luminosa (fototransistores)
 Se usan generalmente en electrónica analógica y en la electrónica digital como
latecnología TTL o BICMOS.
 Son empleados en conversores estáticos de potencia, controles para motores y
llaves de alta potencia (principalmente inversores), aunque su principal uso está
basado enla amplificación de corriente dentro de un circuito cerrado

3.6.2.- Transistor bipolar

El transistor de unión bipolar (del inglés Bipolar Junction Transistor, o sus siglas BJT
fueinventado en 1947) es un dispositivo electrónico de estado sólido consistente en dos
unionesPN muy cercanas entre sí, que permite controlar el paso de la corriente a través
de susterminales. El transistor bipolar está formado por una unión PN y por otra NP,
característicaque hace que un semiconductor de determinado tipo se encuentre entre dos
de tipo opuestoal primero, como se muestra en la figura 1. Lo que se obtiene con esta
configuración es unasección que proporciona cargas(de huecos o de electrones) que son
captadas por otrasección a través de la sección media. El electrodo que proporciona las
cargas es el emisor yel que las recoge es el colector. La base es la parte de en medio y
forma las dos uniones,una con el colector y otra con el emisor. Además, la base controla
la corriente en el colector.Este tipo de transistores recibe el nombre de transistores de
unión.
De esta manera quedan formadas tres regiones:
 Emisor, que se diferencia de las otras dos por estar fuertemente
dopada,comportándose como un metal.
 Base, la intermedia, muy estrecha, que separa el emisor del colector.
 Colector, de extensión mucho mayor.

25

Cuando el transistor bipolar, fue considerado una revolución. Pequeño, rápido, fiable,
pococostoso, sobrio en sus necesidades de energía, reemplazó progresivamente a la
válvulatermoiónica durante la década de 1950, pero no del todo. En efecto, durante los
años 60,algunos fabricantes siguieron utilizando válvulas termoiónicas en equipos de
radio de gamaalta, como Collins y Drake; luego el transistor desplazó a la válvula de los
transmisores perono del todo de los amplificadores de radiofrecuencia. Otros
fabricantes, de equipo de audioesta vez, como Fender, siguieron utilizando válvulas
termoiónicas en amplificadores de audiopara guitarras.

Funcionamiento

En una configuración normal, la unión emisor-base se polariza en directa y la unión
basecolectoren inversa. Debido a la agitación térmica los portadores de carga del emisor
puedenatravesar la barrera de potencial emisor-base y llegar a la base. A su vez,
prácticamentetodos los portadores que llegaron son impulsados por el campo eléctrico
que existe entre labase y el colector.
Un transistor NPN puede ser considerado como dos diodos con la región del
ánodocompartida. En una operación típica, la juntura base-emisor está polarizada en
directa y lajuntura base-colector está polarizada en inversa. En un transistor NPN, por
ejemplo, cuandouna tensión positiva es aplicada en la juntura base-emisor, el equilibrio
entre los portadoresgenerados térmicamente y el campo eléctrico repelente de la región
agotada sedesbalancea, permitiendo a los electrones excitados térmicamente inyectarse
en la región dela base. Estos electrones "vagan" a través de la base, desde la región de
alta concentracióncercana al emisor hasta la región de baja concentración cercana al
colector. Estos electronesen la base son llamados portadores minoritarios debido a que
la base está dopada conmaterial P, los cuales generan "hoyos" como portadores
mayoritarios en la base.
La región de la base en un transistor debe ser constructivamente delgada, para que
losportadores puedan difundirse a través de esta en mucho menos tiempo que la vida
útil delportador minoritario del semiconductor, para minimizar el porcentaje de
portadores que serecombinan antes de alcanzar la juntura base-colector. El espesor de la
base debe ser menoral ancho de difusión de los electrones.

Control de tensión, carga y corriente

La corriente colector-emisor puede ser vista como controlada por la corriente base-
emisor(control de corriente), o por la tensión base-emisor (control de voltaje). Esto es
debido a larelación tensión-corriente de la juntura base-emisor, la cual es la curva
tensión-corrienteexponencial usual de una juntura PN (es decir, un diodo).
En el diseño de circuitos analógicos, el control de corriente es utilizado debido a que es
aproximadamente lineal. Esto significa que la corriente de colector es aproximadamente
β veces la corriente de la base. Algunos circuitos pueden ser diseñados asumiendo que
latensión base-emisor es aproximadamente constante, y que la corriente de colector es β
veces la corriente de la base. No obstante, para diseñar circuitos utilizando TBJ con
precisióny confiabilidad, se requiere el uso de modelos matemáticos del transistor como
el modeloEbers-Moll.

3.6.3.- 2N2222

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El 2N2222, también identificado como PN2222, es un transistor bipolar NPN de baja
potencia de uso general.
Sirve tanto para aplicaciones de amplificación como de conmutación. Puede amplificar
pequeñas corrientes a tensiones pequeñas o medias; por lo tanto, sólo puede tratar
potencias bajas (no mayores de medio vatio). Puede trabajar a frecuencias
medianamente altas.
Por todas esas razones, es un transistor de uso general, frecuentemente utilizados en
aplicaciones de radio por los constructores aficionados de radios. Es uno de los
transistores oficiales utilizados en el BITX. Su versatilidad ha permitido incluso al club
de radioaficionados Norcal lanzar en 1999 un desafío de construir un transceptor de
radio utilizando únicamente hasta 22 ejemplares de este transistor - y ningún circuito
integrado.
Las hojas de especificaciones señalan como valores máximos garantizados 500
miliamperios, 50 voltios de tensión de colector, y hasta 500 milivatios de potencia. La
frecuencia de transición es de 250 a 300 MHz, lo que permite utilizarlo en aplicaciones
de radio de alta frecuencia (hasta 300 MHz). La beta (factor de amplificación, hFe) del
transistor es de por lo menos 100; valores de 150 son típicos.
El 2N2222 es fabricado en diferentes formatos, los más comunes son los TO-92, TO-18,
SOT-23, y SOT-223.
Su complemento PNP es el 2N2907. El 2N3904 es un transistor de características
similares pero que sólo puede transportar un décimo de la corriente que el 2N2222
puede transportar; puede usarse como reemplazo del 2N2222 en caso de señales
pequeñas.
Otro transistor de características similares, pero de mayor potencia es el 2N2219. Es un
transistor en formato TO-39, con una frecuencia de transición de 300 MHz, por lo cual
puede ser usado en transmisores y amplificadores para HF, VHF y una cierta parte de
UHF (300 MHz) con una potencia de salida de 1 a 2 watts, sabiendo que la máxima
potencia que puede llevar a cabo es de 3 watts. Su complementario PNP es el 2N2905 al
igual que el 2N2907. También existe otro transistor que es de similares características,
el cual es el 2N3053, pero su potencia es de 1w y es sólo para aplicaciones entre 50 y
100 mhz.

27

3.7.- Transformador

La invención del transformador, data del año de 1884 para ser aplicado en los sistemas
de transmisión que en esa época eran de corriente directa y presentaban limitaciones
técnicas y económicas. El primer sistema comercial de corriente alterna con fines de
distribución de la energía eléctrica que usaba transformadores, se puso en operación en
los Estados Unidos de América. En el año de 1886 en Great Barington, Mass., en ese
mismo año, al protección eléctrica se transmitió a 2000 volts en corriente alterna a una
distancia de 30 kilómetros, en una línea construida en Cerchi, Italia. A partir de estas
pequeñas aplicaciones iniciales, la industria eléctrica en el mundo, ha recorrido en tal
forma, que en la actualidad es factor de desarrollo de los pueblos, formando parte
importante en esta industria el transformador.

El transformador, es un dispositivo que no tiene partes móviles, el cual transfiere la
energía eléctrica de un circuito u otro bajo el principio de inducción electromagnética.
La transferencia de energía la hace por lo general con cambios en los valores de voltajes
y corrientes.

Un transformador elevador recibe la potencia eléctrica a un valor de voltaje y la entrega
a un valor más elevado, en tanto que un transformador reductor recibe la potencia a un
valor alto de voltaje y a la entrega a un valor bajo.

Principios de inducción electromagnética.

La electricidad magnetismo en un electroimán, que es distinto de un imán
permanente, y que el Campo magnético se produce sólo cuando las espiras de
alambre arrolladas alrededor del núcleo magnético, transportan corriente eléctrica. Para
determinar la polaridad de un electroimán se puede usar la llamada regla de la mano
izquierda.

Principio de funcionamiento del transformador.

El principio de funcionamiento del transformador, se puede explicar por medio del
llamado transformador ideal monofásico, es decir, una máquina que se alimenta por
medio de una corriente alterna monofásica.

A reserva de estudios con mayor detalle, la construcción del transformador,
sustancialmente se puede decir que un transformador está constituido por un núcleo de

28

material magnético que forma un circuito magnético cerrado, y sobre de cuyas
columnas o piernas se localizando devanados, uno denominado “primario” que recibe
la energía y el otro el secundario, que se cierra sobre un circuito de utilización al
cual entrega la energía. Los dos devanados se encuentran eléctricamente asilado entre
sí.
El voltaje en un generador eléctrico se induce, ya sea cuando una bobina se mueve a
través de un campo magnético o bien cuando el campo producido en los polos en
movimiento cortan una bobina estacionaria. En ambos casos, el flujo total es
sustancialmente contante, pero hay un cambio en la cantidad de flujo que eslabona a la
bobina. Este mismo principio es válido para el transformador, solo que en este caso las
bobinas y el circuito magnético son estacionarios (no tienen movimiento), en tanto que
el flujo magnético cambio continuamente.

El cambio en el flujo se puede obtener aplicando una corriente alterna en la bobina. La
corriente, a través de la bobina, varía en magnitud con el tiempo, y por lo tanto, el flujo
producido por esta corriente, varia también en magnitud con el tiempo.

El flujo cambiante con el tiempo que se aplica en uno de los devanados, induce un
voltaje E1 (en el primario). Si se desprecia por facilidad, la caída de voltaje por
resistencia del devanado primario, el valor de E1 será igual y de sentido opuesto al
voltaje aplicado V1. De la ley de inducción electromagnética, se sabe que este voltaje
inducido E1 en el devanado primario y también al índice de cambio del flujo en la
bobina. Se tienen dos relaciones importantes.

V1 = - E1
E1 a N1 (0/T)

El mismo tiempo que el flujo cambia en la bobina primaria, también cambia en la
bobina secundaria, dado que ambas bobinas se encuentran dentro del mismo medio
magnético, y entonces el índice de cambio del flujo magnético en ambas bobinas es
exactamente el mismo. Este cambio en el flujo inducirá un flujo E2 en la bobina
secundaria que será proporcional al número de espiras en el devanado secundario N2. Si
se considera que no se tiene carga conectada al circuito secundario, el voltaje inducido
E2 es el voltaje que aparece en las terminales del secundario, por lo que se tienen dos
relaciones adicionales.

E2 a N2 (0/T)
E2 = V2

En virtud de que armas bobinas se encuentran devanadas en el mismo circuito
magnético, los factores de proporcionalidad para las ecuaciones de voltaje son iguales,
de manera que si se dividen las ecuaciones para E1 y E2 se tiene:

E1 = N1
E2 N2

Además como numéricamente deben ser iguales E1 y V2 o V2 - A ecuación anterior se
puede escribir como:

V1 = Ng

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V2 N2

Relación de corriente.
Si se conecta una carga al secundario del transformador, el voltaje inducido Eghace que
circule una corriente I2 en el devanado secundario.

Debido a la circulación de corrientes, se tiene en el devanado secundario una fuerza
magnetomotriz (FMM) N2 I2 opuesta a la del primario N1 I1. Es conveniente recordar
que el voltaje inducido en el primario E1 es siempre directamente proporcional al flujo
0 y también es igual al voltaje aplicado V1, considerando como antes, todos estos
valores como eficaces. Dado que el voltaje aplicado no cambia, el flujo en el núcleo
debe ser constante, cualquier incremento en la corriente secundaria, será balanceado por
un incremento en la corriente primaria, de manera que el flujo de energización
producido por la corriente en el primario tendrá un valor efectivo constante durante la
operación del transformador. En los transformadores de potencia de valor relativamente
pequeño, se puede decir que prácticamente el flujo que eslabona al devanado primario,
es el mismo que eslabona al secundario y de aquí que la corriente de vacío o de
energización representa sólo el 2% o 3% de la corriente primaria de plena carga ya se
puede decir que los ampere-espira del primario son iguales a los ampere-espira del
secundario, es decir:

N1 I = N2 I2
I1 N2
I2 = N1

La aplicación de los circuitos equivalentes.

Cuando los transformadores se usan dentro de una red compleja para estudiar el
comprometido por lo que se refiere a la distribución de la carga, las caídas de tensión, el
corto circuito, etc. conviene, con relación hasta lo ahora expuesto sobre el
funcionamiento del transformador, considerando con lo que se conoce como “El
circuito equivalente” que en su forma más completa está constituido por un
transformador “ideal” (de relación N1/N2) conectado a las resistencias R0, R1 y R2 y a
las reactancias X0, X1 y X2.

Diagrama equivalente de un transformador monofásico.

La resistencia Ro representa el efecto disipativo, debido a las pérdidas en vacío, R1 es la
resistencia del devanado primario, R2 la del secundario.

En forma análoga Xo representa el efecto de absorción de la corriente de magnetización,
en tanto que X1 y X2 representan los efectos de los flujos dispersos en los devanados
primario y secundario.

Para algunos estudios, no se requiere considerar los efectos de la saturación del núcleo
del transformador y son despreciables, en cambio en otros se requiere de mayor
precisión y entonces a Ro y Xo se les atribuyen propiedades no lineales.

Como se mencionó antes, para algunos estudios es conveniente hacer referencia a los
valores de tensiones y corrientes referidos a un devanado a un lado del transformador,

30

por lo general, el primario que es el de alimentación. En estos casos el esquema
equivalente se simplifica a un circuito “T”.

CIRCUITO EQUIVALENTE DEL TRANSFORMADOR REFERIDO AL LADO
PRIMARIO.

La resistencia y reactancia secundarias se refieren al devanado primario de acuerdo con
las relaciones:

R21 = R2 (N1)2
N2

X21 = X2 (N2)2
N2

En forma análoga la resistencia y reactancia primaria se pueden referir al secundario.

Determinación las constantes del transformador.

Los valores reales de resistencia y reactancia de los devanados de un transformador, se
pueden obtener de pruebas de laboratorios mediante mediciones y algunos cálculos
relativamente simples y que son la base de los valores usados en los circuitos
equivalente son la base de los valores usados en los circuitos equivalentes. Algunos de
estos valores o parámetros del transformador obtenidos para el transformador pueden no
existir físicamente, pero pueden ayudar a comprender la operación del transformador.

La prueba de corto circuito en el transformador.

La prueba de corto circuito consiste en cerrar o poner en corto circuito, es decir, con una
conexión de resistencia despreciable, las terminales de uno de los devanados y alimentar
el otro con un voltaje reducido (aplicado en forma regulada_ de un valor reducido de
tensión que representa un pequeño porcentaje del voltaje del devanado por alimentar, de
tal forma, que en los devanados circulen las corrientes nominales. En estas condiciones
se miden las corrientes nominales y la potencia absorbida.

Debido a que la tensión aplicada es pequeña en comparación con la tensión nominal, las
pérdidas en vacío o en el núcleo se pueden considerar como despreciables, de manera
que toda la potencia absorbida es debida a las pérdidas por efecto joule en los
devanados primario y secundario.

Diagrama para la prueba de cortocircuito de un transformador monofásico.

Wattmetor que indica la potencia de pérdidas por efecto de circulación de las corrientes
en los devanados primario y secundario.

Conexión de corto circuito entre las terminales del devanado.

31

Voltaje de alimentación de valor reducido, de manera que se hagan circular las
corrientes I1, I2 de valor nominal en cada devanado.

El voltaje aplicado (Vc) es regulado y se varía como se indicó antes, hasta que circule la
corriente de plena carga en el primario. De los valores medidos se obtiene “la
impedancia total” del transformador como:

Zg Vcc
I1

Dónde:
I1 = Corriente nominal primaria.
Vcc = Voltaje de corto circuito aplicado en laprueba.
Zt = Impedancia total interna referida a devanadoprimario.

Esta impedancia se conoce también como impedancia equivalente del transformador.

Perdida en los devanados a plena carga.

Debido a que el flujo es directamente proporcional al voltaje, el flujo mutuo en el
transformador bajo las condiciones de prueba de corto circuito es muy pequeño, de
manera que las pérdidas en el núcleo son despreciables. Sin embargo, la corriente que
circula a través de la resistencia de los devanados produce las mismas pérdidas en estos,
que cuando opera en condiciones de plena carga, esto se debe a que en ambos
devanados e hace circular la corriente nominal.

En el circuito para la prueba de corto circuito, si el wattmetor se conecta en el devanado
primario o de alimentación, entonces se “miden” las pérdidas en los devanados ya que
no ha otras pérdidas consideradas, de este valor que se toma de las pérdidas, se puede
calcular “la resistencia equivalente” del transformador como:

RT Pcc
(I1)2
Dónde:
Pcc = Pérdidas en los devanados y que se obtienende la lectura del Wattmetro.

Se deben tener siempre en mente, que el valor de la resistencia Rt, no es
lasuma aritmética de las resistencias en los devanados primario y secundario. Es un
valor que se determina del circuito equivalente y por tal motivo se le denomina "“la
resistencia equivalente del transformador”.

Estos valores están por lo general referidos al devanado de alto voltaje, debido a que se
acostumbra poner en corto circuito el devanado de bajo voltaje, es decir las mediciones
se hacen en el devanado de alto voltaje. Esto es por lo general el método normal de
prueba. Las razones principales para esto:

1. La corriente nominal en le devanado de alto voltaje es menor que la corriente
nominal en el devanado de bajo voltaje. Por lo tanto, son menos peligrosas y por otra
parte es más fácil encontrar instrumentos de medición dentro del rango.

32

2. Debido a que el voltaje aplicado es por lo general menor que el 5% del valor del
voltaje nominal del devanado alimentado, se obtiene una lectura del vóltimeto con una
de flexión apropiada para el rango de voltajes que se miden.

Regulación del transformador.

La regulación de un transformador se define como al diferencia entre los voltajes
secundarios en vacío y a plena carga, medidos en terminales, expresada esta diferencia
como un porcentaje del voltaje a plena carga. Para el cálculo del voltaje en vacío se
debe tomar en consideración el factor de potencia de la carga.

POTENCIA Y RENDIMIENTO DE LOS TRANSFORMADORES
MONOFASICOS Y TRIFASICOS.

La potencia de los transformadores.

Como se sabe, la potencia en corriente alterna monofásica está dada como el producto
de la tensión por la corriente y por el factor de potencia, de acuerdo a la expresión.

P = VI cos 9

Esta fórmula expresa la “potencia real” que se mide en watts, el producto del voltaje
(solo) por la corriente da la denominada potencia aparente.

P = VI

Las normas para transformadores cuando hablan de potencia nominal, se refieren a una
potencia que es el producto de la corriente por el voltaje en vacío. La potencia nominal
es por lo tanto una “potencia aparente” que es la misma, ya sea que se considere el
devanado primario o el devanado secundario. La razón de esta definición que es sólo
convencional, se debe al hecho de que se caracteriza a la máquina desde el punto de
vista del dimensionamiento. Las prestaciones de una máquina eléctrica están limitadas
por el calentamiento de sus componentes, las cuales está causadas por las pérdidas que
tiene. En particular, en un transformador se tienen las pérdidas en el núcleo y al
pérdidas en los devanados.

Para el núcleo magnético, las pérdidas dependen de la inducción magnética B, la cual es
proporcional a la tensión inducida, en los devanados, las pérdidas son proporcionales al
cuadrado de la corriente.

La prueba de corto circuito del transformador, permite obtener las pérdidas a plan carga
con los devanados, a parir de éstas se pueden calcular para cualquier otro valor de carga.

La llamada prueba de “circuito abierto” en el transformador, permite obtener el valor de
las llamadas pérdidas en vacío o pérdidas den el núcleo, que como se mencionó,
consisten de dos partes, las pérdidas por histéresis y las pérdidas por corriente
circulantes.

En la prueba de circuito abierto, el devanado que se alimenta es por lo general el de bajo
voltaje, debido a que resulta el más conveniente par a la medición.

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La eficiencia en los transformadores.
En general, la eficiencia de cualquier máquina eléctrica, se calcula como:

Pot. Salida Pot. Salida
Eficiente Pot. Entrada = Pot. Salida + Pérdidas

En virtud de que la capacidad de un transformador está basada en su potencia de salida,
esta ecuación se puede escribir como:

KVA salida x FP
Eficiente = KVA salida por FP Perd. Núcleo + perd. devanados

Eficiencia diaria de los transformadores.

Dependiendo de la aplicación de los transformadores, con frecuencia se usan para
operar las 24 horas por día, aun cuando la carga no sea contínua en el período total de
operación. En estas condiciones un transformador tiene dos conceptos de eficiencia, una
global para condición de plena carga y otro para distintas cargas al día, es decir, la
llamada eficiencia diaria. Esta eficiencia diaria se expresa como la relación de la energía
de salida a la energía de entrada durante el período de 24 horas.

Transformadores trifasicos.

La mayoría de las redes de distribución son trifásicas y también un buen número de
usuarios de tipo comercial e industrial hacen uso de sistemas de alimentación tfifásicos,
esto hace que sea necesario considerar la importancia que tienen los sistemas trifásicos
en las instalaciones eléctricas y en consecuencia los transformadores trifásicos en estas.

La energía de un sistema trifásico se puede transformar, ya sea por medio de tres
transformadores monofásicos (formando un banco trifásico) o bien mediante el uso de
un transformador trifásico. Por razones de tipo económico, de espacio en las
instalaciones y confiabilidad en los equipos, se puede decir, que en general, es preferida
la solución del uso de transformadores trifásicos en las instalaciones eléctricas que
requieren de este tipo de alimentación.

Los transformadores trifásicos normalmente están constituidos de un núcleo que tiene 3
piernas o columnas, sobre cada una de las cuales se encuentra dispuestas los devanados
primarios y secundarios de la misma fase. Estos devanados para cada una de las fases
ese pueden conectar en estrella, delta a Zig-Zag.

La conexiones entre los devanados secundarios pueden ser iguales o distintas de
aquellas que se usen entre las fases del primario por lo que en teoría puede haber nueve
combinaciones de conexión. En la práctica se pueden usar las siguientes conexiones
entre los devanados primario y secundario: Estrella-estrella, delta-estrella, estrella/zig-
zag, estrella-delta, delta-delta.

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Relación de transformación para los transformadores trifásicos.

Cuando los devanados primario y secundario de un transformador trifásico tienen
conexiones distintas, la relación entre las dos tensiones de vacío (sin carga) en las
terminales, no es igual a la relación entre las espiras de una fase primaria y secundaria.
Esto depende de los tipos de conexiones que se seleccionen, debido a que, como se ha
notado, cada tipo de conexión corresponde una determinada realización entre las
tensiones concatenadas y las tensiones de fase.

Si se considera por ejemplo un transformador con devanado primario en delta y
devanado primario en delta y devanado secundario en estrella. Si se designan por V1 y
V2 las tensiones de una fase del primario y de una fase del secundario respectivamente
y con V1 y V2, los voltajes concatenados (indicados) en terminales del primario y
secundario, respectivamente.

En el devanado primario, por estar conectado en delta se tiene:

V1 = V1

En el devanado secundario conectado en estrella:

V2 = 3 V2 = 1,732 V2, por lo tanto, la relación entre las tensiones en
vacío en las terminales será:

V1 = V1
V20 1,732 V20

Hasta ahora, se ha hablado de transformadores monofásicos, y en estos, la relación entre
las tensiones primaria y secundaria en vacío se le conoce como “relación de
transformación” (se designa con la letra A) y esta relación es válida también para le
número de espiras primarias N1 y secundarias N2. Si se le quiere dar el significado de
relación de transformación a la relación entre espiras:

A = N1
N2

4.- Marco Práctico

La tensión de batería se aplica al circuito a través de un fusible de 10 A, el diodo LED
indica que esta conexión está realizada, el condensador C6 filtra el ruido que puedan
llevar la línea de alimentación de 12v, la llevar la línea de alimentación de 12v, la
misión de diodo D2 es la de proteger al convertidor contra inversiones de polaridad al
conectar la batería, si se intercambiasen al conectar la batería los cables de conexión a la
misma, el diodo los cables de conexión a la misma , el diodo D2 es de proteger al
convertidor contra inversiones de polaridad al conectar la batería, si se intercambiasen
los cables de conexión a la misma , el diodo D2 quedaría conectado en directo,
actuando casi como un corto circuito y se fundiría el fusible que protege el al equipo.
Bastara sustituir el fusible y conectar correctamente los cables.

35

La resistencia R7 de 220R y el diodo zener estabilizan la tensión de alimentación del
oscilador para que la frecuencia sea estable, los condensadores C1 y C2 son filtros de
esta alimentación 9v.
El oscilador está formado por el circuito integrado, un 4047 y sus componentes
asociados; se trata de un multivibrador astable cuya frecuencia depende de los valores
del condensador C4, de la resistencia R5 y de la posición del curso del potenciómetro.
R1, este circuito tiene dos salidas, una negada de la otra, es decir, cuando una de ellas se
encuentra a nivel alto la otra está a nivel bajo. La corriente que pueda entregar cada una
de estas salidas es muy pequeña y se amplifica utilizando transistores T1 y T2; estos, a
su vez, excitan a los transistores de salida T3 y T4 llevándolos alternativamente a la
saturación y al propio tiempo, excitan a los transistor de salida T5 y T6, que actúan
como si de interruptores se tratase, cada uno de ellos puede conducir como máximo
unos 20 A sin estropearse, pero no es conveniente llegar a estos límites. Los diodos D3
y D4 evitan que en el momento de la desconexión circulen corrientes inversas que
dañen los transmisores de potencia.
Para poder conducir mucha corriente, los transistores finales deben tener una tensión
colector-emisor lo más reducida posible, de esta manera se obtiene también el
rendimiento máximo, máximo lo cual se consigue haciendo que estos transistores
trabajen en saturación cuando la salida del oscilador que corresponde este nivel tan alto.
Si, se logra que la tensión colecto-emisor sea de 1.1v, cuando circulan por el transistor
debe disipar es tan solo 4.4w y ello solamente durante uno de los semiciclos de la onda
por lo que el transistor apenas se calentara, pasemos ahora a la elección del
transformador. El equipo fue diseñado para un transformador de 100w de potencia
utilizable a la salida para obtener esta tensión de salida se necesita un transformador de
9.3v, en el primario y 220v en el secundario y preparado para trabajar a 50 Hz y por
supuesto de 100 wattios. Este transformador no se encuentra como componente
estandarizado en las tiendas del ramo sin embargo hemos encontrado un transformador
de alimentación de uso corriente con primario a 220v y el secundario de 10 + 10 como
primario y el 220v cuando la tensión de alimentación de batería es de exactamente 12v
y con el circuito cargado al 75% con una lámpara incandescente de 60w/220v, se
obtuvo una tensión de 204v, con el automóvil en marcha la tensión suele subir hasta
unos 13.5v por lo que la tensión de salida es de salida es de unos 226v. Normalmente,
los equipos soportan sin problemas variaciones en la tensión de red del 15%, en este
caso entre 187v y 235v. La salida se protege con un varistor de 270v que causaría la
fusión del fusible de protección si la salida superarse esta tensión y también absorbe los
picos de tensión.
Queda por indicar que la forma de onda de salida es cuadrada, lo que no supone un
problema para casi ningún equipo pues, los motores de tipo universal (con escobillas),
las lámparas y equipos basados en elementos resistivos, tales como el soldador,
funcionaran correctamente.

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5.- CONCLUCIONES Y RECOMENDACIONES

Se ha logrado realizar una investigación acerca de un circuitode potencia conversor DC
a AC,la implementación del mismo, capaz de convertir la corriente continua de una
batería de 12v a una corriente alterna de 110v, analizar el circuito, expresarlo de manera
gráfica y se elaboró el documento informe final, se evidencio que al variar la
resistividad del termistor variara la frecuencia de nuestra corriente alterna.

Se recomienda utilizar unos componentes de calidad y un transformador de gran
amperaje para más conexiones.
Se recomienda tener precaución en los disipadores de calor para los transistores de
potencia.
Tener las precauciones necesarias debido a que se trabaja con corrientes altas.

6.- BIBLIOGRAFIA

 ANALISIS DE CIRCUITOS DE INGENIERIA W. H. Hayt, Jr. Y L.E.
Kemmerly 5° Edición., Ed. Mc. Graw Hill, 1995.
 CIRCUITOS ELECTRICOS J. W. Nilsson. Ed. Addison Wesley
Iberoamericana
 ANALISIS BASICO DE CIRCUITOS ELECTRICOS D.E. Jonson, J.L. Hilburn
y J.R. Johnson. Ed. Prentice Hall.
 http://www.inele.ufro.cl/bmonteci/semic/apuntes/capacitores/capacitores.htm
 http://www.uma.es/investigadores/grupos/electronica_potencia/laboratorio/index
.php?option=com_content&view=article&id=63&Itemid=105
 http://spanish.alibaba.com/products/electric-potentiometers.html
 http://www.terra.es/personal2/equipos2/tcr.htm
 http://www.google.com/url?sa=t&source=web&cd=6&ved=0CFEQFjAF&url=h
ttp%3A%2F%2Fspanish.alibaba.com%2Fproducts%2Felectric-
potentiometers.html&rct=j&q=potenciometro%20electrico&ei=bTHrTc6NFY6

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EtgftzM3DAQ&usg=AFQjCNFTVfqjJwz8y-
tw1JzPqJyoZCAPtQ&sig2=vq2_FRzKGg_kRSqzsEWC-w&cad=rja
 http://ayudaelectronica.com/que-es-un-termistor/

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