FUNDAMENTOS E.E.B.E. Tecnologia Electrònica MODELO DE BANDAS ENERGÉTICAS Definición de energía de una carga eléctrica: Energía: E = ΔV·Q (J) ΔV = 1 (V) Q = qe = 1,6·10-19 (C) E = 1,6·10-19 (J) = 1 (eV) - Se basa en la descripción atómica proporcionada por el modelo de Bohr: electronvolt BANDA DE CONDUCIÓN ...... NIVEL ENLACE ATÓMICO BANDA PROHIBIDA (BANDGAP) BANDA DE VALENCIA 1 FUNDAMENTOS E.E.B.E. Tecnologia Electrònica DIAGRAMA DE BANDAS Energía del gap: Egap= Ec - Ev AISLANTE, CONDUCTOR Y SEMICONDUCTOR - AISLANTE: EG ~ 5 a 8 (eV) - CONDUCTOR: EG << 1 (eV) 2 AISLANTE, CONDUCTOR Y SEMICONDUCTOR E.E.B.E. Tecnologia Electrònica - SEMICONDUCTOR: - Presenta un diagrama de bandas intermedio entre el conductor y el aislante. - Generación par e- - h+: Ejemplo de aplicación del diagrama de bandas: E f h f (eV ) Ef : energía de los fotones (eV) h: constante de Planck: (4,141.10-5 eV.s) f: frecuencia de la onda 3 FUNDAMENTOS E.E.B.E. Tecnologia Electrònica EFECTOS DE LA TEMPERATURA EN LOS MATERIALES - CONDUCTOR: T conductividad R - SEMICONDUCTOR: T conductividad R p.e. semiconductor intrínseco: ni = f(T) - AISLANTE: T conductividad R (Esta disminución de la resistencia genera problemas en los materiales aislantes de los cables) 4 EFECTOS DE LA TEMPERATURA EN LOS MATERIALES E.E.B.E. Tecnologia Electrònica - Resistencia en un material homogéneo y sección constante: R L () S Siendo el coeficiente de resistividad (.m) 0º C > 0º C > 0º C > … T 0 º C 1 0 º C T Cambio de referencia T2 T 1 T T 1 1 R Ti RT RT 1 T T 2 1 1 RTi T (coeficiente de Temperatura): variación relativa de la resistencia respecto a la variación de la temperatura. 5 MODELOS DE COMPONENTES E.E.B.E. Tecnologia Electrònica - INTRODUCCIÓN: - Un modelo matemático de un sistema es un conjunto de ecuaciones que representan la interconexión entre sus elementos y que permiten relacionar su respuesta con la entrada al sistema. - Un modelo matemático de un componente electrónico consiste en una expresión matemática que relaciona su respuesta con una determinada variable o variables de entrada (típicamente v o i). - Un modelo puede ser muy completo o puede expresarse de una forma más simplificada, y la utilización de una u otra forma dependerá de la exactitud que requiramos o según el tipo de problema que analicemos: Ejemplo componente no lineal: diodo I I o (e V AK VT 1) Dn V V Dp I AQ n po p no e T 1 Ln Lp 6 COMPONENTES NO LINEALES E.E.B.E. Tecnologia Electrònica - La característica estática de un componente es la representación gráfica de la función tensión corriente obtenida en continua (con variaciones lentas) y con unas condiciones de ensayo prefijadas, por ejemplo a una temperatura ambiente constante: - La linealización de la característica estática de un componente (aproximación segmental), nos permite obtener modelos simplificados de componentes no lineales que permiten analizar más cómodamente circuitos complejos en los que no requiramos una exactitud muy elevada. El análisis de los circuitos se realiza en las distintas zonas de trabajo del componente. modelo ideal modelo orden cero modelo primer orden 7 E.E.B.E. PUNTO DE TRABAJO DE UN COMPONENTE Tecnologia Electrònica - La característica estática de un componente también nos permite obtener el punto de trabajo de un componente no lineal de una forma más cómoda, al no tener que trabajar directamente con su modelo matemático no lineal. a) Obtención del circuito equivalente de Thevenin del circuito lineal: Ecuación de la recta de carga del circuito lineal: Vth Rth I U b) Obtención del punto de trabajo Q en continua (solución gráfica): 8 TEOREMA DE LA SUPERPOSICIÓN E.E.B.E. Tecnologia Electrònica - Ejemplo con pequeña señal o señal débil: v(t) << E E = 10 V v(t) = 0,5·sin(2π2000t) V ¿vR2(t)? - Análisis en continua: VR2(DC) = 5 V - Análisis en alterna: vR2 (AC) = 0,25·sin(2π2000t) V vR2(t) = VR2(DC) + vR2 (AC) vR2(t) = 5 + 0,25·sin(2π2000t) V vR2(t) = f(t) 9 vR2(t) = 5 + 0,25·sin(2π2000t) V NIVEL DE CONTINUA (Offset) 10 TRANSISTOR BJT E.E.B.E. Tecnologia Electrònica - Estudio de un amplificador con transistor BJT en clase A: MODELO LINEALIZADO DEL BJT EN CONTINUA: a) Análisis en continua: B C I C .I B VBE GENERADOR DE SEÑAL IB E Solución obtenida mediante la recta de carga (solución gráfica): CONDENSADOR DE ACOPLO Solución obtenida mediante el modelo linealizado: I BQ VCC VBE R1 I CQ VCC VBE R1 VCEQ VCC R2 I C VCEQ VCC R2 VCC VBE R1 11 TRANSISTOR BJT: MODELOS DE PEQUEÑA SEÑAL E.E.B.E. Tecnologia Electrònica b) Análisis con señal débil: Característica de transferencia: Obtención del modelo con señal débil a partir de un modelo no linealizado del transistor: iC I S (e v BE VT 1) I S e v BE VT Is : corriente de saturación. VT KT : tensión equivalente a la Q temperatura. v BE VBEQ vbe Componente continua señal Pequeñas variaciones de la tensión base-emisor provocan grandes variaciones de la corriente de colector. 12 TRANSISTOR BJT: MODELOS DE PEQUEÑA SEÑAL E.E.B.E. Tecnologia Electrònica - Modelo en π del BJT como fuente de corriente controlada por corriente (amplificador de corriente): - Ganancia de corriente con señal débil: h fe iC iB Q h fe hFE (dato de catálogo) - Resistencia dinámica base-emisor: r v BE v BE i B Q i B - La intensidad de base corresponde a la de la unión base-emisor polarizada en directa : i B I o e i B 1 vBE VT Io e v BE VT VBEQ I BQ i B 1 vT I oe v BE Q VT VT VBEQ I BQ I o e VT Q v BE VT r v BE V T i B Q I BQ r VT V T I BQ I CQ 13 E.E.B.E. TRANSISTOR BJT: MODELOS DE PEQUEÑA SEÑAL Tecnologia Electrònica - Circuito equivalente del amplificador con señal débil a frecuencias medias: A frecuencias medias, el valor de C es lo suficientemente elevado como para que su reactancia capacitiva sea despreciable a la frecuencia de la señal: 1 XC 0 C ib ic + - PQ = PDC + PAC 14 TRANSISTOR BJT: MODELOS DE PEQUEÑA SEÑAL E.E.B.E. Tecnologia Electrònica - Modelo en π del BJT como fuente de corriente controlada por tensión (amplificador de transconductancia): gm : transconductancia del transistor con señal débil. gm ic i c v BE Q v BE Q VBEQ I CQ I S e VT iC I S e v BE VT ic 1 vBE VT IS e v BE VT V BEQ ic 1 VT gm ISe v BE Q VT gm I CQ VT r g m 15 TRANSISTOR JFET: INTRODUCCIÓN E.E.B.E. Tecnologia Electrònica - JFET de canal N (n-JFET) : Transistor de efecto de campo de unión. - Presenta una impedancia de entrada muy alta y el transistor se controla mediante la tensión puerta-fuente que debe ser negativa y mayor que el valor de la tensión umbral Vp para que el transistor conduzca. - Parámetros del JFET: D: drenador G: puerta S: fuente IDSS : corriente de saturación (intensidad con VGS = 0) Vp : tensón umbral. (tensión mínima puerta-fuente de puesta en conducción) Vpo : tensón de pinzamiento o estrangulamiento del canal. CANAL N Vp Vp = -Vpo (Electrónica: A. R. Hambley. Ed. Prentice Hall.) 16 TRANSISTOR JFET E.E.B.E. Tecnologia Electrònica a) Análisis en continua: VGS VGG VDS VDD RD I D Zona óhmica o lineal: VDS VGS VP 2 I D k n 2VGS VP VDS VDS kn I DSS VP 2 Zona de saturación o activa: VDS VGS VP V I D k n VGS VP I DSS 1 GS V po 2 2 - En esta zona trabaja en amplificación de señal débil. 17 E.E.B.E. TRANSISTOR JFET: MODELO DE PEQUEÑA SEÑAL Tecnologia Electrònica b) Análisis con señal débil: Modelo de transconductancia: gm 2 I DSS VGSQ 1 V po V po vds g m v gs RD 18 FUNDAMENTOS E.E.B.E. Tecnologia Electrònica FIABILIDAD - Definiciones y ejemplos. - Definición de fiabilidad. Probabilidad de funcionamiento sin fallos de un componente o equipo en un determinado instante (con condiciones de trabajo prefijadas). N: número de componentes o equipos iniciales. F (t ) N S (t ) N NS(t) : número de componentes o equipos sin fallos en t. NF(t) : número de componentes o equipos con fallos en t. - Probabilidad de fallos: infiabilidad. Q(t ) N F (t ) N F (t ) Q(t ) 1 - Vida media: Mean Time To Failure: MTTF Mean Time Between Failures: MTBF (para sistemas o equipos reparables) 19 FIABILIDAD E.E.B.E. Tecnologia Electrònica λ (Tasa de Fallos): nº fallos por unidad de tiempo (h-1) - Modelo exponencial: F (t ) e t MTTF 1 Ejemplos. 20 FUNDAMENTOS E.E.B.E. Tecnologia Electrònica CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS GENERALES (de catálogo) - ESTRUCTURA DE UN DATASHEET: 1) 2) ABSOLUTE MAXIMUM RATINGS. CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS (ESTÁTICAS Y DINÁMICAS). - ABSOLUTE MAXIMUM RATINGS (VALORES MAXIMOS NOMINALES). Son valores límites de operación de un componente o dispositivo. Valor magnitud considerada en el circuito < Valor máximo de catálogo del componente seleccionado. (cálculo del peor caso) Para el cálculo del peor caso, hay que considerar las posibles variaciones de: - La tensión de alimentación. - La carga. - La señal en amplificadores. - Las características de otros componentes. - Las condiciones ambientales, etc. 21 E.E.B.E. CARACTERÍSTICAS DE CATÁLOGO Tecnologia Electrònica 22 E.E.B.E. CARACTERÍSTICAS DE CATÁLOGO Tecnologia Electrònica 23 E.E.B.E. CARACTERÍSTICAS DE CATÁLOGO Tecnologia Electrònica 24 ENSAYOS DE COMPONENTES Y EQUIPOS E.E.B.E. Tecnologia Electrònica - Tipos de ensayos - Eléctricos: poder de corte y cortocircuito, resistencia al paso de la corriente, dieléctricos y de resistencia de aislamiento, compatibilidad electromagnética (CEM)... - Climáticos: variaciones de presión atmosférica, variaciones de humedad, ciclos térmicos ... - Mecánicos: robustez de los terminales, resistencia a la vibración ... .... Ejemplos EQUIPO - Aislamiento. - Disturbios de alta frecuencia. - Onda de choque. LABORATORIOS OFICIALES (ACREDITADOS) Filtros de línea: CERTIFICADO: DECLARACIÓN CONFORMIDAD NORMAS p.e. MARCADO El marcado CE es un indicador de la conformidad de un producto con la legislación de la UE y permite la libre circulación de productos dentro del mercado europeo. 25 TECNOLOGÍA SMT E.E.B.E. Tecnologia Electrònica TECNOLOGÍA DE MONTAJE SUPERFICIAL (SMT) -Tecnología de inserción. -Tecnología SMT: Ventajas: - Disminución del tamaño de los terminales: Cp, Lp - Densidad de dispositivos en PCB . - Máquinas automáticas de posicionamiento de componentes: producción Desventajas: - Dificultad de manipulación manual de los componentes. - Precio equipos fabricación elevado. - Dificultad de disipación del calor. - Posibilidad de crear esfuerzos en las soldaduras muy altos (hornos soldadura). 26 E.E.B.E. COMPONENTES DISCRETOS (SMT) Tecnologia Electrònica 27 E.E.B.E. CIRCUITOS INTEGRADOS (SMT) Tecnologia Electrònica 28 E.E.B.E. CIRCUITOS INTEGRADOS (SMT) Tecnologia Electrònica 29 E.E.B.E. Tecnologia Electrònica ANEXOS 30 FUNDAMENTOS E.E.B.E. Tecnologia Electrònica ENSAYOS DE COMPONENTES Y EQUIPOS - Las normas son un conjunto de documentos que contienen especificaciones técnicas basadas en los resultados de la experiencia y el desarrollo tecnológicos. -Las desarrollan los Comités Técnicos de Normalización en los que participan todas las entidades y agentes interesados en la actividad objeto de la disposición. - Son de obligado cumplimiento las que la administración competente las convierta en obligatorias mediante Ley, Decreto o Reglamento (p.e. el REBT). - Los fabricantes pueden someter a sus productos al cumplimiento de las normas de forma voluntaria con objeto de asegurar la calidad y seguridad de sus productos. - NORMAS: EN, UNE-EN, VDE, MIL-STD, ISO... NORMAS INTERNACIONALES: ISO IEC (CEI) Comisión Electrotécnica Internacional COMUNIDAD EUROPEA: CEN (Comité Europeo de Normalización) CENELEC: Normas eléctricas y electrónicas. 31 E.E.B.E. ENSAYOS DE COMPONENTES Y EQUIPOS Tecnologia Electrònica - Ejemplo ensayos de condensadores: conforme a la norma IEC 1071 32 E.E.B.E. ENSAYOS DE COMPONENTES Y EQUIPOS Tecnologia Electrònica - Ejemplo circuitos de test de un fabricante de reguladores de tensión lineales: 33 MARCADO DE DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES DISCRETOS NOMENCLATURA DE MARCADO - Norma Pro Electron (Europea) - Norma JEDEC (Americana): - Diodos: 1N + 4 cifras. - Transistores BJT: 2N + 4 cifras. - Transistores FET: 3N + 4 cifras ... - Norma EIAJ (Japonesa): - Diodos: 1S + 4 cifras. - Transistores: 2S + 4 cifras ... -Ejemplos: - BD139 - 1N4004 - 2N2222 34 E.E.B.E. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS GENERALES. Tecnologia Electrònica 35 E.E.B.E. CIRCUITOS INTEGRADOS SMT Tecnologia Electrònica ENCAPSULADOS SO-SOP (SMALL OUTLINE PACKAGE) SOIC: SMALL OUTLINE INTEGRATED Paso: 0,050’’ (1,27 mm) CIRCUIT. Nº pins: 8 a 28 en L (en dos lados) [1] SOLIC: SMALL OUTLINE LARGE Paso: 0,050’’ (1,27 mm) INTEGRATED CIRCUIT Nº pins: 16 a 28 en L (en dos lados) [1] SOJ: SMALL OUTLINE J-LEADED Paso: 0,050’’ (1,27 mm) Nº pins: 14 a 40 en J (en dos lados) [1] SSOP: SMALL SHRINK OUTLINE Paso: 0,65 mm (0,0256’’) PACKAGE Nº pins: 8 a 30 en L (en dos lados) [2] TSOP: THIN SMALL OUTLINE Paso: 0,5 mm (0,0197’’) PACKAGE Nº pins: 20 a 48 en L (en dos lados) [2] OTROS TIPOS LCCC: LEADLESS CERAMIC CHIP Paso: 0,050’’ (1,27 mm) CARRIER Nº pins: 16 a 124 (en cuatro lados) [1] PLCC: PLASTIC LEADED CHIP Paso: 0,050’’ (1,27 mm) CARRIER Nº pins: 20 a 124 en J (en cuatro lados) [1] QFP: QUAD FLAT PACK Paso: 1 mm (0,0394’’); 0,5 mm (0,0197’’) Nº pins: 44 a 304 en L (en cuatro lados) [2] BQFP: BUMPERED QUAD FLAT PACK Paso: 0,025’’ (0,635 mm) Nº pins: 84 a 196 en L (en cuatro lados) [1] TAPE PACK (National Semiconductors) Paso: 0,020’’ (0,508 mm) Nº pins: hasta 284 en J (en cuatro lados) [1] [1]: JEDEC: JOINT ELECTRONIC DEVICES ENGINEERING COUNCIL (USA). [2]: EIAJ: ELECTRONIC INDUSTRIES ASSOCIATION JAPAN. 36
