Principios básicos de los semiconductores

Principios básicos
de los semiconductores
Manual de trabajo
Con CD-ROM
R1
RC
UB = 12 V
IC
IB
Rm
K
C2
C1
G
US
(Sinus)
f = 1 kHz
UE = 0.1 V
R2
RE
C3
UA
Y1
Y2
R3
0 (Y1) – UE
0 (Y2) – UA
Festo Didactic
567285 es
Nº de artículo:
Actualización:
Autor:
Redacción:
Gráficos:
Layout:
567285
09/2010
Melanie Wäschle
Frank Ebel
Remo Jedelhauser, Melanie Wäschle
06/2011, Frank Ebel, Sophia Härer
© Festo Didactic GmbH & Co. KG, D-73770 Denkendorf, Alemania, 2011
Internet: www.festo-didactic.com
E-mail: did@de.festo.com
Sin nuestra expresa autorización, queda terminantemente prohibida la reproducción total o parcial de este
documento, asi como su uso indebido y/o su exhibición o comunicación a terceros. De los infractores se
exigirá el correspondiente resarcimiento de daños y perjuicios. Quedan reservados todos los derechos
inherentes, en especial los de patentes, de modelos registrados y estéticos.
Contenido
Utilización debida ________________________________________________________________________ IV
Prólogo
______________________________________________________________________________ V
Introducción ____________________________________________________________________________ VII
Indicaciones de seguridad y utilización _____________________________________________________ VIII
Conjunto didáctico: Fundamentos de electrotecnia/electrónica (TP 1011) __________________________ IX
Objetivos didácticos: Principios básicos de los semiconductores ___________________________________X
Atribución de los ejercicios en función de objetivos didácticos: Principios básicos
de los semiconductores ____________________________________________________________________ XI
Equipo didáctico_________________________________________________________________________ XII
Atribución de componentes y ejercicios en función de objetivos didácticos: Principios básicos
de los semiconductores ___________________________________________________________________ XVI
Informaciones para el instructor ___________________________________________________________ XVIII
Estructura de los ejercicios ________________________________________________________________ XIX
Denominación de los componentes _________________________________________________________ XIX
Contenido del CD-ROM: ___________________________________________________________________ XX
Ejercicios y soluciones
Ejercicio 1:
Ejercicio 2:
Ejercicio 3:
Ejercicio 4:
Ejercicio 5:
Selección de diodos semiconductores para reducir la potencia __________________________3
Estabilización de la tensión de salida de una fuente de alimentación mediante diodos Z ____ 21
Determinación de la resistencia primaria de un diodo emisor de luz ____________________ 39
Amplificación de la señal de salida de un micrófono _________________________________ 51
Control de una lámpara con un transistor de efecto de campo _________________________ 81
Ejercicios y hojas de trabajo
Ejercicio 1:
Ejercicio 2:
Ejercicio 3:
Ejercicio 4:
Ejercicio 5:
Selección de diodos semiconductores para reducir la potencia __________________________3
Estabilización de la tensión de salida de una fuente de alimentación mediante diodos Z ____ 21
Determinación de la resistencia primaria de un diodo emisor de luz ____________________ 39
Amplificación de la señal de salida de un micrófono _________________________________ 51
Control de una lámpara con un transistor de efecto de campo _________________________ 81
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III
Utilización debida
El conjunto didáctico de fundamentos de electrotecnia/electrónica deberá utilizarse únicamente
cumpliendo las siguientes condiciones:
• Utilización apropiada y convenida en cursos de formación y perfeccionamiento profesional
• Utilización en perfecto estado técnico
Los componentes del conjunto didáctico cuentan con la tecnología más avanzada actualmente disponible y
cumplen las normas de seguridad. A pesar de ello, si se utilizan indebidamente, es posible que surjan
peligros que pueden afectar al usuario o a terceros o, también, provocar daños en el sistema.
El sistema para la enseñanza de Festo Didactic ha sido concebido exclusivamente para la formación y el
perfeccionamiento profesional en materia de sistemas y técnicas de automatización industrial. La empresa
u organismo encargados de impartir las clases y/o los instructores deben velar por que los
estudiantes/aprendices respeten las indicaciones de seguridad que se describen en el presente manual.
Festo Didactic excluye cualquier responsabilidad por lesiones sufridas por el instructor, por la empresa u
organismo que ofrece los cursos y/o por terceros, si la utilización del presente conjunto de aparatos se
realiza con propósitos que no son de instrucción, a menos que Festo Didactic haya ocasionado dichos daños
premeditadamente o con extrema negligencia.
IV
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Prólogo
El sistema de enseñanza en materia de sistemas y técnica de automatización industrial de Festo se rige por
diversos planes de estudios y exigencias que plantean las profesiones correspondientes. En consecuencia,
los equipos didácticos están clasificados según los siguientes criterios:
• Conjuntos didácticos de orientación tecnológica
• Mecatrónica y automatización de procesos de fabricación
• Automatización de procesos continuos y técnica de regulación
• Robótica móvil
• Equipos didácticos híbridos
El sistema para enseñanza de la técnica de automatización se actualiza y amplía regularmente, a la par que
avanzan los métodos utilizados en el sector didáctico y se introducen nuevas tecnologías en el sector
industrial.
Los equipos didácticos técnicos abordan los siguientes temas: neumática, electroneumática, hidráulica,
electrohidráulica, hidráulica proporcional, controles lógicos programables, sensores, electrotecnia,
electrónica y actuadores eléctricos.
Los equipos didácticos tienen una estructura modular, por lo que es posible dedicarse a aplicaciones que
rebasan lo previsto por cada uno de los equipos didácticos individuales. Por ejemplo, es posible trabajar
con controles lógicos programables para actuadores neumáticos, hidráulicos y eléctricos.
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V
Todos los conjuntos didácticos incluyen lo siguiente:
• Hardware (equipos técnicos)
• Material didáctico
• Seminarios
Hardware (equipos técnicos)
El hardware incluye componentes y equipos industriales que han sido adaptados para fines didácticos. La
selección de componentes de los equipos didácticos y su ejecución se realiza específicamente según los
proyectos previstos para cada nivel.
Material didáctico
Los medios relacionados con cada tema se clasifican en teachware (material didáctico) y software. El
«teachware» orientado hacia la práctica, incluye lo siguiente:
• Libros técnicos y libros de enseñanza (publicaciones estándar para la adquisición de conocimientos de
carácter fundamental).
• Manuales de trabajo (con ejercicios prácticos, informaciones complementarias y soluciones modelo)
• Diccionarios, manuales, publicaciones técnicas (profundizan los temas técnicos)
• Transparencias para proyección y vídeos (para crear un entorno de estudio ilustrativo y activo)
• Pósters (para la representación esquematizada de temas técnicos)
El software incluye programas para las siguientes aplicaciones:
• Programas didácticos digitales (temas de estudio preparados didácticamente, aprovechando diversos
medios digitalizados)
• Software de simulación
• Software de visualización
• Software para la captación de datos de medición
• Software para diseño de proyectos y construcción
• Software de programación para controles lógicos programables
Los medios de estudio y enseñanza se ofrecen en varios idiomas. Fueron concebidos para la utilización en
clase, aunque también son apropiados para el estudio autodidáctico.
Seminarios
Los contenidos que se abordan mediante los equipos didácticos se completan mediante una amplia oferta
de seminarios para la formación y el perfeccionamiento profesional.
¿Tiene alguna sugerencia o desea expresar una crítica en relación con el presente manual?
Envíe un e-mail a: did@de.festo.com
Los autores y Festo Didactic están interesados en conocer su opinión.
VI
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Introducción
El presente manual de trabajo forma parte del sistema para la enseñanza en materia de sistemas y técnica
de automatización industrial de Festo Didactic GmbH & Co. KG. El sistema constituye una sólida base para la
formación y el perfeccionamiento profesional de carácter práctico. El equipo didáctico para
electrotecnia/electrónica (TP 1011) aborda los siguientes temas:
• Principios básicos de la técnica de corriente continua
• Principios básicos de la técnica de corriente alterna
• Principios básicos de los semiconductores
• Circuitos básicos en la electrónica
El manual de trabajo de principios básicos de los semiconductores aborda el tema de los elementos de
sistemas con semiconductores. En una primera fase se analizan diversos tipos de diodos, tales como diodo
semiconductor, diodo Z y diodo emisor de luz, para explicar diversos conceptos básicos. Se trata la teoría de
diversos temas (por ejemplo, unión P-N, tensión inversa o corriente directa) y, siempre que sea posible, se
realizan mediciones prácticas. Además se aborda el tema de los transistores bipolares y unipolares.
Para efectuar el montaje de los circuitos eléctricos y para evaluarlos, es necesario disponer de un equipo de
laboratorio que debe incluir una fuente segura de alimentación de tensión de la red, dos multímetros
digitales, un osciloscopio con memoria y dos cables de seguridad de laboratorio.
Para solucionar las tareas de los 5 ejercicios relacionados con el tema de los semiconductores se necesitan
los componentes incluidos en el conjunto TP 1011.
Además, se ofrecen hojas de datos correspondientes a todos los componentes (diodos, transistores,
aparatos de medición, etc.).
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VII
Indicaciones de seguridad y utilización
Informaciones generales
• Los estudiantes únicamente podrán trabajar con los equipos en presencia de un instructor.
• Lea detenidamente las hojas de datos correspondientes a cada uno de los componentes y,
especialmente, respete las respectivas indicaciones de seguridad.
• Los fallos que podrían mermar la seguridad no deberán ocasionarse durante las clases y deberán
eliminarse de inmediato.
Sistema eléctrico
• ¡Peligro de muerte en caso de rotura del cable de protección!
– El cable protector (amarillo/verde) no deberá cortarse
ni dentro ni fuera del aparato.
– No deberá dañarse o retirarse el aislamiento del cable de protección.
• En plantas o talleres industriales deberán respetarse las normas de utilización de equipos eléctricos
definidas por las autoridades competentes.
• En centros de formación y en talleres de instrucción, el uso de unidades de conexión a la red eléctrica
deberá supervisarse por personal debidamente cualificado.
• Precaución
Los condensadores pueden estar cargados, aunque el aparato como tal haya sido separado de todas
las fuentes de tensión.
• A tener en cuenta al sustituir fusibles: Utilice únicamente fusibles apropiados y previstos para la
intensidad nominal correcta.
• Nunca conecte de inmediato la unidad de conexión a la red eléctrica si estuvo almacenada en un
espacio de baja temperatura y si se pretende utilizarla en un espacio de temperatura ambiente mayor.
En determinadas circunstancias adversas, el condensado que se forma en estas condiciones podría
destruir la unidad. No conecte la unidad hasta que alcance la temperatura ambiente.
• Al resolver las tareas utilice en los circuitos una tensión de funcionamiento máxima de 25 V AC.
• Establezca las conexiones únicamente si no está conectada la tensión.
• Separe las conexiones eléctricas únicamente tras haber desconectado la tensión.
• Utilizar únicamente cables provistos de conectores de seguridad.
• Al desconectar los cables, únicamente tire de los conectores de seguridad, nunca de los cables.
VIII
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Conjunto didáctico: Fundamentos de electrotecnia/electrónica (TP 1011)
El equipo didáctico tecnológico TP 1011 incluye una gran cantidad de material didáctico. Esta parte del
conjunto didáctico TP 1011 aborda el tema de los principios básicos de los semiconductores. Los
componentes del equipo didáctico TP 1011 también pueden formar parte del contenido de otros equipos
didácticos.
Componentes principales del TP 1011
• Laboratorio de estudio EduTrainer® con sistema de conexiones universales
• Conjunto de componentes para electrotecnia/electrónica, con conectores y cables de seguridad
• Fuente de alimentación eléctrica para EduTrainer®
• Instalaciones de laboratorio completas
Material didáctico
El material didáctico del equipo didáctico TP 1011 incluye manuales de estudio, colecciones de tablas y
manuales de trabajo. Los manuales técnicos ofrecen explicaciones ilustrativas y claramente estructuradas
sobre los fundamentos de los semiconductores. Los manuales de trabajo incluyen las hojas de ejercicios,
las soluciones y un CD-ROM. Cada manual de trabajo se entrega con las hojas de ejercicios y de trabajo
correspondientes a cada tarea a resolver.
El equipo didáctico se entrega con hojas de datos correspondientes a los componentes del hardware.
Además, las hojas de datos también constan en el CD-ROM.
Material didáctico
Manuales de trabajo
Fundamentos de la técnica de corriente continua
Fundamentos de la técnica de corriente alterna
Fundamentos de semiconductores
Circuitos básicos de la electrónica
Programas de estudio
WBT Electricidad 1: Fundamentos de la electricidad
digitalizados
WBT Electricidad 2: Circuitos de corriente continua y circuitos de corriente alterna
WBT Electrónica 1: Fundamentos de los semiconductores
WBT Electrónica 2: Circuitos impresos integrados
WBT Medidas de protección eléctricas
(WBT = Web Based Training = curso a través de la red)
Cuadro general de los medios correspondientes al equipo didáctico TP 1011
El equipo didáctico TP 1011 incluye los siguientes programas didácticos digitales: «Electricidad 1»,
«Electricidad 2», «Electrónica 1», «Electrónica 2» y «Medidas de protección eléctricas». Estos programas
didácticos ofrecen explicaciones exhaustivas sobre los fundamentos de la electricidad y la electrónica. Los
contenidos didácticos abordan estos temas de modo sistemático y recurriendo a ejemplos reales.
El material didáctico se ofrece en varios idiomas. Los materiales didácticos disponibles constan en los
catálogos y en Internet.
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IX
Objetivos didácticos: Fundamentos de los semiconductores
Al final del curso, el estudiante habrá adquirido los siguientes conocimientos:
• Construcción y funcionamiento de diodos semiconductores.
• Transcurso de la línea característica del diodo de silicio.
• Valores característicos más importantes de diodos semiconductores.
• Determinación del punto de trabajo de un diodo mediante diagrama.
• Funcionamiento de un diodo Z.
• Relación existente entre tensiones y corrientes en un circuito estabilizador con diodo Z.
• Dimensionamiento de un circuito estabilizador.
• Funcionamiento de diodos emisores de luz.
• Relación existente entre los colores de los diodos emisores de luz (LED) y la tensión directa.
• Dimensionamiento de la resistencia primaria de un LED.
• Construcción y funcionamiento de transistores.
• Línea característica de entrada, línea característica de amplificación de corriente y línea característica
de salida
• Ajuste del punto de trabajo de un transistor.
• Determinación de la amplificación de tensión alterna y de corriente alterna correspondiente a una etapa
de potencia.
• Funcionamiento de transistores de efecto de campo y diferencias entre estos tipos de transistores.
• Parámetros característicos principales del transistor de efecto de campo de unión.
• Líneas características de entrada y de salida del transistor de efecto de campo de unión.
• Lectura de la tensión de estrangulamiento del transistor de efecto de campo (FET) en base a las líneas
características.
• Sistema de accionamiento de una lámpara mediante un transistor de efecto de campo (FET).
X
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Atribución de los ejercicios en función de los objetivos didácticos.
Fundamentos de los semiconductores.
Ejercicio
1
2
3
4
5
Objetivo didáctico
Construcción y el funcionamiento de diodos semiconductores.
•
Transcurso de la línea característica del diodo de silicio.
•
Valores característicos más importantes de diodos semiconductores.
•
Determinación del punto de trabajo de un diodo mediante diagrama.
•
Funcionamiento de un diodo Z.
•
Relación existente entre tensiones y corrientes en un circuito estabilizador con diodo Z.
•
Dimensionamiento de un circuito estabilizador.
•
Funcionamiento de diodos emisores de luz.
•
Relación existente entre los colores de los diodos emisores de luz (LED) y la tensión
directa.
•
Dimensionamiento de la resistencia primaria de un LED.
•
Construcción y funcionamiento de transistores.
•
Línea característica de entrada, línea característica de amplificación de corriente y línea
característica de salida
•
Ajuste del punto de trabajo de un transistor.
•
Determinación de la amplificación de tensión alterna y de corriente alterna
correspondiente a una etapa de potencia.
•
Funcionamiento de transistores de efecto de campo y diferencias entre estos tipos de
transistores.
•
Parámetros característicos principales del transistor de efecto de campo de unión.
•
Líneas características de entrada y de salida del transistor de efecto de campo de unión.
•
Lectura de la tensión de estrangulamiento del transistor de efecto de campo (FET) en base
a las líneas características.
•
Sistema de accionamiento de una lámpara mediante un transistor de efecto de campo
(FET).
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•
XI
Equipo didáctico
El manual del trabajo titulado «Fundamentos de los semiconductores» permite adquirir conocimientos
relacionados con la construcción y el funcionamiento de los componentes incluidos en circuitos básicos y
circuitos de aplicaciones sencillas.
El equipo didáctico de electrotecnia/electrónica (TP 1011) incluye los componentes necesarios para
alcanzar los objetivos didácticos definidos. Para efectuar el montaje de los circuitos y evaluarlos se
necesitan adicionalmente dos multímetros digitales, un osciloscopio con memoria y cables de seguridad de
laboratorio.
Equipo didáctico «Fundamentos de la electrotecnia/electrónica», referencia: 571780
Componente
Referencia
Cantidad
Fuente de alimentación eléctrica para EduTrainer®
567321
1
Conectores universales EduTrainer®
567322
1
Conjunto de componentes electrotecnia/electrónica
567306
1
Conjunto de conectores de 19 mm de color gris
571809
1
Lista de componentes incluidos en el equipo didáctico «Fundamentos de la
electrotecnia/electrónica», referencia: 567306
XII
Componente
Cantidad
Resistencia, 10 Ω/2 W
1
Resistencia, 22 Ω/2 W
2
Resistencia, 33 Ω/2 W
1
Resistencia, 100 Ω/2 W
2
Resistencia, 220 Ω/2 W
1
Resistencia, 330 Ω/2 W
1
Resistencia, 470 Ω/2 W
2
Resistencia, 680 Ω/2 W
1
Resistencia, 1 KΩ/2 W
3
Resistencia, 2,2 KΩ/2 W
2
Resistencia, 4,7 KΩ/2 W
2
Resistencia, 10 KΩ/2 W
3
Resistencia, 22 KΩ/2 W
3
Resistencia, 47 KΩ/2 W
2
Resistencia, 100 KΩ/2 W
2
Resistencia, 1 MΩ/2 W
1
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Componente
Cantidad
Potenciómetro, 1 KΩ/0,5 W
1
Potenciómetro, 10 KΩ/0,5 W
1
Resistencia dependiente de la temperatura (NTC), 4,7 KΩ/0,45 W
1
Resistencia dependiente de la luz (LDR), 100 V/0,2 W
1
Resistencia dependiente de la tensión (VDR), 14 V/0,05 W
1
Condensador, 100 pF/100 V
1
Condensador, 10 nF/100 V
2
Condensador, 47 nF/100 V
1
Condensador, 0,1 μF/100 V
2
Condensador, 0,22 μF/100 V
1
Condensador, 0,47 μF/100 V
2
Condensador, 1,0 μF/100 V
2
Condensador, 10 μF/250 V, polarizado
2
Condensador, 100 μF/63 V, polarizado
1
Condensador, 470 μF/50 V, polarizado
1
Bobina, 100 mH/50 mA
1
Diodo, AA118
1
Diodo, 1N4007
6
Diodo Z, ZPD 3,3
1
Diodo Z, ZPD 10
1
Diac, 33 V/1 mA
1
Transistor NPN, BC140, 40 V/1 A
2
Transistor NPN, BC547, 50 V/100 mA
1
Transistor PNP, BC160, 40 V/1 A
1
Transistor JFET canal P, 2N3820, 20 V/10 mA
1
Transistor JFET canal N, 2N3819, 25 V/50 mA
1
Transistor UNIJUNCTION, 2N2647, 35 V/50 mA
1
Transistor MOSFET canal P, BS250, 60 V/180 mA
1
Tiristor, TIC 106, 400 V/5 A
1
Triac, TIC206, 400 V/4 A
1
Bobina de transformador, N = 200
1
Bobina de transformador, N = 600
2
Inducido férrico de transformador, con elemento de fijación
1
Lámpara indicadora, 12V/62 mA
1
Diodo emisor de luz (LED), 20 mA, azul
1
Diodo emisor de luz (LED), 20 mA, rojo o verde
1
Conmutador
1
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XIII
Símbolos de los componentes
Componente
Símbolo gráfico
Componente
Símbolo gráfico
Resistencia
Diodo Z
Potenciómetro
Diac
Resistencia dependiente de la
temperatura (NTC)
Transistor NPN
Resistencia dependiente de la
luz (LDR)
Transistor PNP
Resistencia dependiente de la
Transistor JFET canal P
tensión
U
XIV
Condensador
Transistor JFET canal N
Condensador polarizado
Transistor UNIJUNCTION
Bobina
Transistor MOSFET canal P
Diodo
Tiristor
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Componente
Símbolo gráfico
Componente
Triac
LED azul
Bobina de transformador
LED rojo o verde
Lámpara indicadora
Conmutador
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Símbolo gráfico
XV
Atribución de componentes y ejercicios en función de los objetivos
didácticos. Fundamentos de los semiconductores.
Ejercicio
1
2
3
4
5
Componente
Resistencia de 10 Ω, 2W
1
Resistencia de 100 Ω, 2W
1
Resistencia de 220 Ω, 2W
1
Resistencia de 330 Ω, 2W
1
1
Resistencia de 470 Ω, 2W
1
1
Resistencia de 680 Ω, 2W
1
Resistencia de 1 kΩ, 2W
1
1
1
1
Resistencia de 2,2 kΩ, 2W
2
Resistencia de 4,7 kΩ, 2W
2
Resistencia de 10 kΩ, 2W
1
1
Resistencia de 47 kΩ, 2W
2
Resistencia de 100 kΩ, 2W
1
Potenciómetro, 1 kΩ, 0,5 W
1
Potenciómetro, 10 kΩ, 0,5 W
1
Condensador 10 μF, polarizado
2
Condensador 100 μF, polarizado
1
Diodo 1N4007
XVI
1
1
Diodo Z, ZPD 10
1
Diodo emisor de luz, 20 mA, azul
1
Diodo emisor de luz, 20 mA, rojo o verde
1
Lámpara indicadora, 12V, 62 mA
1
1
1
Transistor NPN, BC140
1
Transistor NPN, BC547
1
Transistor PNP, BC160
1
1
Transistor JFET canal N, 2N3819
1
Transistor MOSFET canal P, BS250
1
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Ejercicio
1
2
3
4
5
Voltímetro
1
1
1
1
2
Amperímetro
1
1
1
2
2
Componente
Osciloscopio
1
Fuente de alimentación eléctrica
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1
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1
1
1
1
XVII
Informaciones para el instructor
Objetivos didácticos
La meta didáctica general del presente manual consiste en que los estudiantes sean capaces de analizar y
evaluar circuitos sencillos con semiconductores. Los estudiantes podrán adquirir estos conocimientos
aprendiendo la teoría, montando circuitos reales y efectuando la medición de las magnitudes eléctricas. La
interacción directa entre la teoría y la práctica asegura un rápido y sostenible progreso de los estudios. Los
objetivos detallados constan en la lista anterior correspondiente. Los objetivos didácticos concretos e
individuales están relacionados con cada ejercicio específico.
Duración aproximada
El tiempo necesario para desarrollar los ejercicios depende de los conocimientos previos de los alumnos.
Los ejercicios pueden resolverse en aproximadamente una hora o en una hora y media.
Componentes del equipo didáctico
Los ejercicios y los componentes se corresponden. Para resolver los cinco ejercicios, únicamente se
necesitan los componentes del equipo didáctico TP 1011.
Las normas
En el presente manual de trabajo se aplican las siguientes normas:
EN 60617-2 hasta EN 60617-8
Símbolos gráficos utilizados en esquemas de distribución
EN 81346-2
Sistemas industriales, equipos y productos industriales;
principios aplicados para la estructuración e identificación de referencias
IEC 60364-1
Configuración de equipos de baja tensión: principios básicos,
(DIN VDE 0100-100)
Normas, características generales, conceptos técnicos
IEC 60346-4-41
Configuración de equipos de baja tensión: medidas de protección,
(DIN VDE 0100-410)
Protección contra descarga eléctrica
Identificaciones utilizadas en el manual de trabajo
Los textos con las soluciones y las informaciones complementarias en las representaciones gráficas
aparecen en color rojo.
Excepciones: Las indicaciones y las evaluaciones relacionadas con la corriente siempre aparecen de color
rojo. Las indicaciones y evaluaciones relacionadas con la tensión siempre aparecen de color azul.
Identificaciones utilizadas en la colección de ejercicios
Las partes que deben completarse en los textos aparecen marcadas con líneas o con celdas sombreadas en
las tablas.
Las gráficas que deben completarse están identificadas mediante un fondo matricial.
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Soluciones
Las soluciones que se ofrecen en el presente manual de trabajo se obtuvieron llevando a cabo mediciones
de prueba. Por lo tanto, los resultados obtenidos por el instructor pueden ser diferentes.
Especialidades de estudio
El tema «Fundamentos de los conductores» cubre temas tratados durante el primer ciclo de estudios de
formación profesional de técnicos especializados en electrónica.
Estructura de los ejercicios
La estructura metódica es la misma para todos los 5 ejercicios. Los ejercicios están estructurados de la
siguiente manera:
• Título
• Objetivos didácticos
• Descripción de la tarea a resolver
• Circuito o esquema de instalación
• Tarea
• Medios auxiliares
• Hojas de ejercicios
El manual de trabajo contiene las soluciones de las tareas incluidas en la colección de ejercicios.
Denominación de los componentes
La denominación de los componentes que constan en los esquemas se rige por la norma DIN EN 81346-2.
Dependiendo del tipo de componente, su identificación incluye letras. Si un circuito incluye varios
componentes iguales, éstos están numerados correlativamente.
Resistencias:
Condensadores:
Equipos emisores de señales:
R, R1, R2, ...
C, C1, C2, …
P, P1, P2, ...
Importante
Si las resistencias o condensadores se entienden como magnitudes físicas, la letra de identificación
aparece en cursiva (símbolo de fórmula). Si para la numeración es necesario utilizar cifras, éstas se
utilizan como índices y, por lo tanto, aparecen como subíndices.
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XIX
Contenido del CD-ROM
El manual de trabajo está incluido en el CD-ROM adjunto en forma de archivo de formato pdf. El CD-ROM se
incluye en calidad de material didáctico complementario.
Estructura del contenido del CD-ROM:
• Instrucciones de utilización
• Imágenes
• Información sobre productos
Instrucciones de utilización
Instrucciones para la utilización apropiada de los diversos componentes incluidos en el equipo didáctico.
Estas instrucciones son útiles al efectuar el montaje y poner en funcionamiento los componentes
respectivos.
Imágenes
Mediante fotografías y representaciones gráficas se muestran aplicaciones industriales reales. Estas
imágenes pueden aprovecharse para entender mejor la tarea a resolver en cada ejercicio. Además, pueden
utilizarse para ampliar y completar la presentación de proyectos.
Información sobre productos
Se ofrecen informaciones del correspondiente fabricante sobre cada uno de los componentes
seleccionados. Esta forma de explicar estos componentes tiene la finalidad de demostrar cómo se presentan
los componentes en un catálogo industrial. Además, estas páginas incluyen informaciones complementarias
sobre los componentes.
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Contenido
Ejercicios y soluciones
Ejercicio 1:
Ejercicio 2:
Ejercicio 3:
Ejercicio 4:
Ejercicio 5:
Selección de diodos semiconductores para reducir la potencia __________________________3
Estabilización de la tensión de salida de una fuente de alimentación mediante diodos Z ____ 21
Determinación de la resistencia primaria de un diodo emisor de luz ____________________ 39
Amplificación de la señal de salida de un micrófono _________________________________ 51
Control de una lámpara con un transistor de efecto de campo _________________________ 81
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1
2
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Ejercicio 1
Selección de diodos semiconductores para reducir la potencia
Objetivos didácticos
Una vez realizado este ejercicio, habrá adquirido los conocimientos que se indican a continuación y, por lo
tanto, habrá alcanzado las metas didácticas correspondientes:
• Construcción y funcionamiento de diodos semiconductores.
• Transcurso de la línea característica del diodo de silicio.
• Valores característicos más importantes de diodos semiconductores.
• Determinación del punto de trabajo de un diodo mediante diagrama.
Descripción de la tarea a resolver
Un secador de pelo con dos niveles de regulación utiliza un rectificador de una vía para reducir la potencia
en el nivel 1 de temperatura. Debido a la tensión continua pulsante, la potencia se reduce a la mitad. La
corriente máxima que fluye a través del diodo es de 0,7 A. Usted puede elegir entre los diodos 1N4007,
1N4148 y BAX18. Compruebe cuál de estos diodos es apropiado en este caso.
Esquema de situación
Secador de pelo con dos niveles de temperatura
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Ejercicio 1: Selección de diodos semiconductores para reducir la potencia
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1.
2.
3.
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5.
6.
Tareas a resolver
Estudie la construcción de diodos semiconductores.
Analice el funcionamiento de un diodo semiconductor.
Obtenga la línea característica de un diodo semiconductor.
Determine el punto de trabajo de un diodo semiconductor.
Explique los valores característicos y valores límite de diodos semiconductores
Seleccione el diodo más apropiado para el secador de pelo. Explique su elección.
•
•
•
•
Medios auxiliares
Hojas de datos
Manuales de textos técnicos
Colección de tablas
WBT Electrónica 1 (Web Based Training)
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Ejercicio 1: Selección de diodos semiconductores para reducir la potencia
1. Construcción de diodos semiconductores
Información
Los diodos son semiconductores. Tienen una capa P y una capa N. Al unir ambas capas de dopado
diferente, se obtiene la unión PN.
P
N
a) Complete las frases siguientes:
La conexión en la capa P se llama ánodo.
La conexión en la capa N se llama cátodo.
b) Nombre dos materiales semiconductores que se utilizan en diodos.
Los materiales más utilizados en semiconductores son el silicio y, en menor medida, el germanio.
c)
Dibuje el símbolo de un diodo semiconductor e identifique las dos conexiones por su nombre.
1
1 : Ánodo
2
2 : Cátodo
d) Compare el símbolo y la imagen del diodo que se incluye a continuación. Identifique las conexiones.
Explique su respuesta.
1
1 : Ánodo
2
2 : Cátodo
Explicación
El anillo se utiliza para identificar el cátodo.
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Ejercicio 1: Selección de diodos semiconductores para reducir la potencia
2. Funcionamiento de diodos semiconductores
a) En resistencia y bombillas no tiene importancia la polaridad. ¿Sucede lo mismo en el caso de los
diodos?
Efectúe el montaje según el esquema. Primero incluya en el circuito el diodo con la polaridad que se
indica en 1. A continuación, incluya en el circuito el diodo con la polaridad que se indica en 2.
P
R
+
R
U = 12 V
1
2
Circuito de medición con diodo
Identificación
Denominación
Parámetros
R
Diodo
1N4007
P
Lámpara indicadora
12 V, 62 mA
—
Fuente de alimentación
0 – 25 V
Lista de componentes
b) Indique lo que observó en ambos casos.
La lámpara únicamente se enciende si el diodo tiene la polaridad que se indica en el circuito 1.
c)
¿A qué conclusión puede llegarse en relación con el diodo?
Ello significa que la polarización sí tiene importancia en el caso de los diodos. Los diodos
semiconductores permiten el paso de corriente en un solo sentido. En sentido contrario, bloquean el
paso de corriente.
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Ejercicio 1: Selección de diodos semiconductores para reducir la potencia
d) Según la polarización, se diferencia entre sentido directo y sentido de bloqueo. Incluya en el circuito el
diodo con la polarización correcta.
Sentido directo
Sentido de bloqueo
P
+
U = 12 V
P
V
R
UF
+
U = 12 V
V
R
UR
e) Verifique si se trata de un diodo ideal. Con ese fin conecte un multímetro en paralelo en relación con el
diodo y mida la caída de tensión en el diodo, una vez en sentido directo y la siguiente en sentido de
bloqueo.
Sentido directo UF =
f)
0,7 V
Sentido de bloqueo UR =
12 V
Una vez realizadas las mediciones, ¿a qué conclusiones se puede llegar?
En el sentido de bloqueo toda la tensión está puesta en el diodo debido a la gran resistencia que éste
ofrece. En sentido directo, la tensión directa es pequeña. Por esta razón, la conductividad del diodo
no es ideal.
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Ejercicio 1: Selección de diodos semiconductores para reducir la potencia
3. Obtención de la línea característica de un diodo semiconductor
Información
La línea característica corriente-tensión describe el funcionamiento del diodo semiconductor. Esta línea
muestra la relación existente entre la corriente que fluye a través del diodo y la tensión conectada.
RV
+
A
IF
V
U = 0 – 25 V
R
UF
Sentido directo
RV
+
U = 0 – 25 V
A
V
IR
R
UR
Sentido de bloqueo
Circuitos de medición para obtener la línea característica
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Ejercicio 1: Selección de diodos semiconductores para reducir la potencia
Identificación
Denominación
Parámetros
RV
Resistencia
1 kΩ, 2 W
R
Diodo
1N4007
—
Voltímetro
—
Amperímetro
—
Fuente de alimentación
0 – 25 V
Lista de componentes
a) Para determinar la dependencia que tiene el flujo de corriente de la tensión puesta, conecte al diodo
diversas tensiones directas UF según se indica en la tabla y mida en cada caso la correspondiente
corriente de directa IF. Incluya los valores medidos en la tabla.
•
Para efectuar la medición en la zona directa, utilice el procedimiento voltiamperimétrico, conexión U
(circuito a).
UF [V]
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
IF [mA]
0
0
0
0
0
0,17
1,47
12,6
Sentido directo
•
Para efectuar la medición en la zona de bloqueo, utilice el procedimiento voltiamperimétrico, conexión I
(circuito b).
UR [V]
0,0
2,5
5
7,5
10
15
20
25
IF [nA]
0
0
0
0
0
0
0
0
Sentido de bloqueo
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Ejercicio 1: Selección de diodos semiconductores para reducir la potencia
b) Obtención de la línea característica de diodos
Incluya en el diagrama los valores obtenidos mediante las dos mediciones.
IF [mA]
45
40
35
30
25
20
15
10
5
30
20
10
0
20
40
UR [V]
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
UF [V]
60
IR [nA]
80
Línea característica de diodos
c)
Describa la relación que existe entre intensidad y tensión.
Primero aumenta lentamente la tensión directa al aumentar la intensidad. A partir de una
determinada tensión, aumenta rápidamente la corriente directa. Al conectarse una tensión inversa, no
se detecta flujo de corriente al aumentar la tensión.
d) ¿Cómo se llama la tensión que se torna conductiva en un diodo?
Esta tensión se llama tensión umbral o tensión de codo.
e) Determine la tensión umbral del diodo trazando una tangente en la línea característica del diodo. ¿De
qué material semiconductor se trata?
(Tensiones umbral: Diodo de Ge: 0,3 V. Diodo de Si: 0,7 V)
La tensión umbral es de 0,7 V. Por lo tanto, se trata de un diodo de silicio.
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Ejercicio 1: Selección de diodos semiconductores para reducir la potencia
4. Determinación del punto de trabajo
Información
Para determinar el punto de trabajo de un diodo suele recurrirse a una representación gráfica.
a) Determine el punto de trabajo del siguiente circuito.
R
RV
UR
UF
U
Conexión en serie de diodo y resistencia; U = 1,5 V, RV = 0,5 Ω
10
I [A]
8
6
4
2
IF
0
0
0.5
1
1.5
2
U [V]
UF
UR
Línea característica del diodo 1N4007
•
Incluya la recta de carga de la resistencia de manera simétricamente inversa.
1. Marque el punto de intersección con el eje X en U.
2. Marque el punto de intersección con el eje Y en U/RV.
3. Una los dos puntos.
•
Marque el punto de trabajo.
El punto de trabajo marca el punto de intersección entre la línea recta de carga.
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Ejercicio 1: Selección de diodos semiconductores para reducir la potencia
b) Recurriendo al punto de trabajo es posible determinar la tensión UF, la tensión UR y la corriente IF.
Incluya los valores necesarios en la línea característica y lea los valores obtenidos de esta manera.
Tensión directa UF =
0,96 V
Tensión UR =
0,54 V
Corriente directa IF =
1,07 A
5. Valores característicos y valores límite de diodos semiconductores
a) Describa lo que se entiende bajo valores característicos y valores límite.
Valores característicos
Estos valores se refieren a las propiedades que tiene un semiconductor considerando un determinado
punto de trabajo.
Valores límite
Se trata del valor que no debe superarse para evitar el daño inmediato del semiconductor.
b) Defina el significado de los valores característicos más importantes.
Tensión directa UF
Se trata de la tensión eléctrica que fluye en sentido directo.
Corriente directa IF
Se trata de la corriente eléctrica que fluye en sentido directo.
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Ejercicio 1: Selección de diodos semiconductores para reducir la potencia
c)
Defina el significado de los valores límite más importantes.
Tensión inversa máxima de pico repetitivo URRM
Tensión inversa de manifestación periódica máxima admitida.
Impulso de corriente directa IFSM
Impulso de corriente único y máximo admisible de duración definida.
Potencia disipada Ptot
Potencia disipada máxima admisible
d) Recurriendo a la hoja de datos, determine los valores característicos y los valores límite
correspondientes al diodo 1N4007.
Diodo
1N4001
Tensión directa UF
< 1,1 V
Corriente directa IF
Tensión inversa de pico
Impulso de corriente
repetitivo URRM
directa IFSM
1A
1.000 V
30 A
e) Averigüe qué significa el «RMS máximo» que consta en la hoja de datos del diodo.
RMS son las siglas correspondientes al valor eficaz (inglés: root mean square). Por lo tanto, URMS es el
valor eficaz repetitivo máximo admisible de la tensión inversa.
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Ejercicio 1: Selección de diodos semiconductores para reducir la potencia
6. Selección del diodo apropiado para reducir la potencia
Información
Para seleccionar un diodo rectificador deben tenerse en cuenta principalmente la tensión inversa máxima
de pico repetitivo URRM y la potencia disipada Ptot. Ambos valores no deben exceder los respectivos
valores límite.
a) Recurriendo a las hojas de datos disponibles, determine cuál de los tres diodos es apropiado en el
circuito. Explique su respuesta.
3
2
1
0
Ueff = 230 V
f = 50 Hz
R
UF
RV
Esquema del circuito. Resistencia RV: 680 Ω
Valores conocidos
Datos incluidos en las hojas de datos de los diodos BAX18, 1N4148 y 1N4007
Tensión de entrada Ueff = 230 V
Corriente directa IFmáx = 0,5 A
Incógnita
Tensión inversa máxima de pico repetitivo URRM
Potencia disipada Ptot
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Ejercicio 1: Selección de diodos semiconductores para reducir la potencia
Cálculo
•
¿Qué tensión inversa máxima de pico repetitivo URRM se puede conectar al diodo?
El valor eficaz de la tensión alterna es Ueff = 230 V. Por lo tanto, el valor de la amplitud de la tensión
alterna es U = 325 V. En consecuencia, la tensión inversa máxima que puede conectarse al diodo es
de 325 V.
•
Calcule la potencia disipada P máxima de los diodos con una temperatura ambiente de 25 °C. Para
efectuar el cálculo, recurra a las hojas de datos.
La potencia disipada máxima del diodo se obtiene cuando se conecta la tensión máxima en la entrada.
La tensión es máxima cuando se alcanza la amplitud máxima de la tensión de entrada (U = 325 V).
Marque el punto de trabajo y constate los valores de UF en ese punto.
Cálculo de potencia: P = UF ⋅ IF
Leer UF en la línea característica correspondiente.
P1N4148 = No es necesario realizar el cálculo, ya que IF = 150mA
PBAX18 = 0,9 V · 0,5 A = 0,45 W = 450 mW (no es necesario realizar el cálculo, ya que URRM = 110 V)
P1N4007 = 0,85 V · 0,5 A = 0,425 W = 425 mW
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Ejercicio 1: Selección de diodos semiconductores para reducir la potencia
b) Compare los valores calculados con los valores límite que constan en la hoja de datos. Seleccione un
diodo. Explique su respuesta.
En las hojas de datos constan los siguientes valores:
Diodo 1N4007
Diodo BAX18
Diodo 1N4148
URRM
1.000 V
110 V
100 V
Ptot
3W
80 mW
500 mW
Diodo 1N4007
Diodo BAX18
Diodo 1N4148
URRM
325 V
325 V
325 V
Ptot
425 mW
450 mW
–
Según los cálculos se obtienen los siguientes valores:
En este circuito únicamente se puede utilizar el diodo 1N4007.
Si se utiliza el diodo BAX18, la tensión inversa pico periódica URRM es inferior a la tensión de bloqueo
real. Además, la potencia disipada que surge con el diodo BAX18 es superior a la potencia disipada
admisible Ptot.
En el caso del diodo 1N4148, la corriente directa máxima admisible es de tan sólo 150 mA, por lo que
es muy inferior a la corriente real en estado de conducción de 0,5 A.
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Ejercicio 1: Selección de diodos semiconductores para reducir la potencia
Extracto de la hoja de datos del diodo 1N4007
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Ejercicio 1: Selección de diodos semiconductores para reducir la potencia
Extracto de la hoja de datos del diodo 1N4148
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Ejercicio 1: Selección de diodos semiconductores para reducir la potencia
Extracto de la hoja de datos del diodo BAX18
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