semiconductor intrínseco y extrinseco

Semiconductores intrínsecos

Un material semiconductor hecho sólo de un único tipo de átomo, se denomina semiconductor intrínseco.

Los más empleados históricamente son el germanio (Ge) y el silicio (Si); siendo éste último el más empleado (por ser mucho más abundante y poder trabajar a temperaturas mayores que el germanio).

Cada átomo de un semiconductor tiene 4 electrones en su órbita externa (electrones de valencia), que comparte con los átomos adyacentes formando 4 enlaces covalentes. De esta manera cada átomo posee 8 electrones en su capa más externa., formando una red cristalina, en la que la unión entre los electrones y sus átomos es muy fuerte. Por consiguiente, en dicha red, los electrones no se desplazan fácilmente, y el material en circunstancias normales se comporta como un aislante.

Sin embargo, al aumentar la temperatura, los electrones ganan energía, por lo que algunos pueden separarse del enlace e intervenir en la conducción eléctrica. De esta manera, la resistividad de un semiconductor disminuye con la temperatura (su conductividad aumenta). A temperatura ambiente, algunos electrones de valencia absorben suficiente energía calorífica para librarse del enlace covalente y moverse a través de la red cristalina, convirtiéndose en electrones libres. Si a estos electrones, se les somete al potencial eléctrico, como por ejemplo de una pila, se dirigen al polo positivo. Cuando un electrón libre abandona el átomo de un cristal de silicio, deja en la red cristalina un hueco, cuyo efecto es similar al que provocaría una carga positiva.

Los electrones y los huecos reciben el nombre de portadores. La conducción eléctrica a través de un semiconductor es el resultado del movimiento de electrones (de carga negativa) y de los huecos (cargas positivas) en direcciones opuestas al conectarse a un generador. Si se somete el cristal a una diferencia de potencial se producen dos corrientes eléctricas: una debida al movimiento de los electrones libres de la estructura cristalina, y otra debida al desplazamiento de los electrones en la banda de valencia, que tenderán a saltar a los huecos próximos, originando una corriente de huecos. Los electrones libres se dirigen hacia el polo positivo de la pila (cátodo), mientras que los huecos pueden considerarse como portadores de carga positiva y se dirigen hacia el polo negativo de la pila, llamado ánodo (hay que considerar que por el conductor exterior sólo circulan los electrones que dan lugar a la corriente eléctrica; los huecos sólo existen en el seno del cristal semiconductor).

Semiconductores extrínsecos

Para mejorar las propiedades de los semiconductores, se les somete a un proceso de impurificación (llamado dopaje), consistente en introducir átomos de otros elementos con el fin de aumentar su conductividad. El semiconductor obtenido se denominará semiconductor extrínseco. Según la impureza (llamada dopante) distinguimos:

• Semiconductor tipo P : se emplean elementos trivalentes (3 electrones de valencia) como el Boro (B), Indio (In) o Galio (Ga) como dopantes. Puesto que no aportan los 4 electrones necesarios para establecer los 4 enlaces covalentes, en la red cristalina éstos átomos presentarán un defecto de electrones (para formar los 4 enlaces covalentes). De esa manera se originan huecos que aceptan el paso de electrones que no pertenecen a la red cristalina. Así, al material tipo P también se le denomina donador de huecos (o aceptador de electrones).

• Semiconductor tipo N: Se emplean como impurezas elementos pentavalentes (con 5 electrones de valencia) como el Fósforo (P), el Arsénico (As) o el Antimonio (Sb). El donante aporta electrones en exceso, los cuales al no encontrarse enlazados, se moverán fácilmente por la red cristalina aumentando su conductividad. De ese modo, el material tipo N se denomina también donador de electrones.

Un circuito RL es un circuito eléctrico que contiene una resistencia y una bobina en serie. Se dice que la bobina se opone transitoriamente al establecimiento de una corriente en el circuito.

La ecuación diferencial que rige el circuito es la siguiente:

Donde:

•  es la tensión en los bornes de montaje, en V;
• ${\displaystyle i}$ es la intensidad de corriente eléctrica en A;
• ${\displaystyle L}$ es la inductancia de la bobina en H;
• ${\displaystyle R_{t}}$ es la resistencia total del circuito en Ω   
• 

rectificación de corriente alterna

 Lo que hace el rectificador es convertir la corriente alterna que sale del secundario del transformador a corriente continua, lo que pasa es que esta corriente aún no es totalmente continua, si no que consta de una parte continua y una parte alterna; el rectificador esta constituido por diodos, de los que se aprovecha la propiedad que tienen de conducir la corriente eléctrica en un solo sentido, cuando conducen se dice que están polarizados en forma directa y cuando no conducen se dice que están polarizados en forma inversa.

La corriente alterna en un momento tendrá valores positivos, luego de un tiempo tendrá valores negativos, su valor de voltaje irá alternando en el tiempo, ademas pasado un tiempo sus valores de voltaje se repiten y es a ese tiempo que tardan en repetirse esos valores a lo que se le llama periodo, de ahí que se diga que la corriente alterna es periódica, y a la inversa de este tiempo se le conoce como frecuencia,   la imagen que  sigue es una muestra de como se observa en el osciloscopio la corriente alterna variando en el tiempo.

En la imagen anterior se observa que la corriente alterna es una onda senoidal; lo que se ve y se puede medir en el osciloscopio es lo que se conoce como voltaje pico (Vp), el voltaje pico pico (Vpp), y el periodo (T); para continuar, será necesario conocer algunos términos que se utilizarán muchas veces, para ello se recurre a la siguiente imagen:

La parte de la alterna que se repite se conoce como ciclo, el periodo es la medida del tiempo que transcurre para que se complete un ciclo, normalmente en milisegundos (ms), la frecuencia es la inversa del periodo e indica cuantos ciclos ocurren en un segundo, se mide en Hz; por ejemplo si la corriente alterna que llega de  la red eléctrica tiene una frecuencia de 50Hz, este valor indica que se repiten 50 ciclos cada segundo, de aquí se obtiene que el periodo de cada ciclo será 1/(50Hz) lo cual da 20ms, es decir que cada ciclo de la corriente alterna que llega de la red eléctrica tardará 20ms en completarse.

La tensión alterna tiene un valor de continua de cero, esto es que tiene un valor medio de cero, si se mide la tensión alterna con un multitester al cual se le ha puesto para medir tensión continua, se leerá un valor de cero, en cambio si se pone el multitester para medir tensión alterna, lo que se mide es el valor eficaz de la tensión alterna de la que su representación matemática es:

El rectificador de onda media.

Para comprender la utilización del diodo como rectificador se comenzará por lo mas sencillo, con lo que se conoce como rectificador de onda media; el circuito que se utiliza para la rectificación de onda media consta de un solo diodo, una fuente de tensión alterna y un resistencia de carga que es donde se mide la tensión alterna una vez que haya pasado por el diodo; para que el diodo se active o se encienda o comience a conducir debe superar una barrera de potencial de 0,7V, en otras palabras el diodo siempre necesitará aproximadamente 0,7V para que encienda, mientras sobre el diodo no caiga este voltaje mínimo el diodo estará apagado o no conducirá; se utilizará la siguiente imagen para la rectificación de onda media.

En este caso se interpone un diodo en el camino de la tensión alterna, cuando Vent se hace positiva y va aumentando en valor hasta llegar aproximadamente a 0,7V (ya que para que el diodo se active, necesita que la tensión en el ánodo sea mayor en aproximadamente 0,7V con respecto a la tensión del cátodo) el diodo conducirá la corriente alterna, mientras la tensión alterna no se aproxime a los 0,7V el diodo no conducirá, el máximo valor que se mide en la salida, en este caso la tensión medida en la resistencia de carga será (Vp-0,7)V, ya que de la Vent el diodo consume 0,7V para que conduzca corriente una vez está polarizado en directa; luego el valor de la tensión de entrada comenzará a disminuir y cuando se haga menor que 0,7V el diodo se apagará, cuando la Vent se haga negativa el diodo se polarizará en inversa y no conducirá la corriente alterna, midiéndose ahora sobre la carga 0V ya que no circulará corriente a través del circuito mientras el diodo está polarizado en inversa.

A la forma de onda obtenida en la salida se le conoce como rectificación de onda media, porque no se rectifica toda la corriente alterna, solo se rectifica la parte positiva, esta forma de onda obtenida ya no es totalmente senoidal, sino que esta rectificada, contendrá algo de corriente continua; si esta Vsal obtenida en la resistencia de carga se mide con el multitester al que se ha preparado para  medir tensión continua, el tester dará ahora una medida de continua, a este valor obtenido se le conoce como Valor promedio del voltaje de salida o Valor en corriente directa de voltaje de salida del rectificador de onda media, matemáticamente su valor es:

A continuación se deja un  vídeo con el cual se espera aclarar un poco mas en cuanto al tema de la rectificación en onda media de la corriente alterna:

El rectificador de onda completa

Para realizar la fuente de alimentación lo que se necesita es rectificar toda la tensión alterna, no solo la parte positiva, esto se logra mediante el arreglo conocido como puente de diodos y a lo que se obtiene una vez que la corriente alterna a pasado por el puente de diodos se conoce como rectificación de onda completa.

En la imagen anterior se puede ver como será la distribución de los diodos para este tipo de rectificador, además se muestra como hay que conectar el secundario del transformador y la carga al puente de diodos; a la tensión que se mide en el secundario del transformador se le llama tensión de entrada Vent para el puente de diodos, y la tensión que se mide en la resistencia de carga es la tensión de salida Vsal para el puente de diodos que viene a ser también la tensión alterna rectificada.

Primeramente se verá como trabaja el puente de diodos cuando la  parte positiva da la tensión alterna ingresa al puente de diodos, para ello será de utilidad la siguiente imagen:

Cuando la parte positiva de la tensión alterna (en color rojo) ingresa al puente de diodos,  D1 y D2 se polarizarán en directa y cuando sobre cada uno de ellos caiga aproximadamente 0,7V ambos diodos se activarán y conducirán la corriente, mientras que para este caso D3 y D4 se polarizan en inversa por lo cual no se activan y no conducen corriente, sobre  la resistencia de carga la corriente ingresará por A, por lo tanto el potencial de A será mayor que el potencial de B, entonces A será positivo con respecto de B, la Vsal será positiva, esto por Kirchoff, como no hay mas carga en el camino de la corriente la tensión que caerá sobre la resistencia de carga será Vsal=Vent-1,4, ya que sobre cada diodo cae 0,7V.

Cuando la parte negativa de la tensión alterna (en color azul) ingresa al puente de diodos,  D4 y D3 se polarizan en directa y cuando sobre cada uno de ellos caiga aproximadamente 0,7V ambos diodos se activarán y conducirán la corriente, mientras que para este caso D1 y D2 se polarizan en inversa por lo cual no se activan y no conducen corriente, sobre  la resistencia de carga la corriente ingresará por A, por lo tanto en la resistencia la corriente tiene el mismo sentido que cuando es la corriente positiva la que ingresa al puente, nuevamente el potencial de A es mayor que el potencial de B, entonces A será positivo con respecto de B, la Vsal será positiva, esto por Kirchoff, como no hay mas carga en el camino de la corriente, la tensión que caerá sobre la resistencia de carga será Vsal=Vent-1,4, ya que sobre cada diodo cae 0,7V.

Ahora se puede comparar como será la tensión de salida con respecto a la tensión de entrada.

Se puede ver la forma de onda de la salida (en verde) que corresponde a la rectificación de onda completa, se comprueba que mediante el puente de diodos se puede rectificar la parte positiva y la parte negativa de la tensión alterna de la  entrada; en la comparación se observa que la Vsal será menor en 1,4V a la Vent, ademas, el periodo de la Vsal es la mitad del periodo de la Vent, lo que indica que la frecuencia de la Vsal es el doble de la frecuencia de Vent, esto se puede indicar así:

fsal = 2(fent)

Para esta forma de onda el valor medio de voltaje o el valor en voltaje de corriente directa, es decir lo que se mide en la salida con un multitester cuando esté  preparado para medir corriente continua, se puede hallar matemáticamente de la siguiente forma:

A continuación se deja un vídeo que se preparó justamente para comentar sobre la rectificación de onda completa con el puente de diodos:

Ahora que se ha visto como trabaja el rectificador de onda completa se tendrá que agregar los diodos adecuados a la lista de materiales, los diodos dependerán de cuanta corriente va suministrar la fuente, además se tiene que tener en cuenta el voltaje de pico inverso del diodo, el que indica cuanta tensión en inversa es capaz de soportar el diodo antes que entre en avalancha, este voltaje de pico inverso tiene que ser mayor que el voltaje de pico de la salida del secundario del transformador, si es el doble mejor, esto porque el diodo trabajará en directa y en inversa en el rectificador de puente, se necesita entonces 4 diodos, también  existen puente de diodos encapsulados.

En  la imagen se puede ver un puente de diodos  encapsulado, y cuatro diodos independientes, en este caso se va a preparar una fuente que suministre hasta 1A que es suficiente para la mayor parte de circuitos electrónicos que se verán, mas adelante se comentará para cuando una fuente tenga suministrar hasta 3A. Hay una serie de diodos que van bien para las fuentes de alimentación, se utilizará el 1N4004, este tiene una tensión de pico inverso de 280V  y puede conducir hasta 1A de forma continua según su hoja de datos.

Corriente alterna (abreviada CA en español y AC en inglés, de alternating current) se denomina a la corriente eléctrica en la que la magnitud y el sentido varían cíclicamente.

Fue descubierta por el inventor, ingeniero mecánico, eléctrico y físico Nikola Tesla todas las patentes referentes a esta corriente fueron cedidas por el inventor a Westinghouse para que se continuaran los proyectos con la corriente alterna.

La forma de oscilación de la corriente alterna más comúnmente utilizada es la oscilación senoidal ​con la que se consigue una transmisión más eficiente de la energía, a tal punto que al hablar de corriente alterna se sobrentiende que se refiere a la corriente alterna senoidal.

Sin embargo, en ciertas aplicaciones se utilizan otras formas de oscilación periódicas, tales como la triangular o la cuadrada.

Utilizada genéricamente, la CA se refiere a la forma en la cual la electricidad llega a los hogares y a las industrias. Sin embargo, las señales de audio y de radio transmitidas por los cables eléctricos, son también ejemplos de corriente alterna. En estos usos, el fin más importante suele ser la transmisión y recuperación de la información codificada (o modulada) sobre la señal de la CA.

corriente alterna 

Corriente eléctrica variable en la que las cargas eléctricas cambian el sentido del movimiento de manera periódica.

"la corriente alterna que se utiliza para usos domésticos e industriales se produce en grandes centrales hidroeléctricas, térmicas o nucleares, por medio de generadores llamados alternadores"

pulsadores

Los circuitos de conmutación se basan en interruptores que permiten o no la circulación de una corriente eléctrica, estos interruptores pueden ser manuales si se actúan directamente, como un interruptor de la luz, por ejemplo; eléctricos: relés o contactores, si su actuación es electro-mecánica, o electrónicos, transistores o puertas lógicas, si se basan en la tecnología electrónica.
Por sencillez, representaremos un interruptor o conmutador por sus contactos eléctricos, si un interruptor conecta dos puntos a y b, diremos que esta abierto si no permite la circulación eléctrica entre esos dos puntos: a y b. Diremos que esta cerrado si permite la circulación eléctrica entre esos dos puntos.





Un interruptor diremos que esta normalmente abierto (NA) si cuando no se actúa sobre él esta abierto, a la posición normal también se le denomina posición de reposo, que el interruptor tendrá normalmente por la actuación de un muelle o resorte que lo lleva a esa posición.
Cuando se actúa sobre un interruptor normalmente abierto (NA), el interruptor se cierra, permitiendo la circulación eléctrica a su través.
Venciendo la fuerza ejercida por el muelle o resorte, y dando lugar al contacto eléctrico entre sus terminales.
En la figura se representa un pulsador normalmente abierto, en reposo en la parte superior, con el muelle en reposo y sus contactos separados, en la parte inferior se ve ese mismo pulsador actuado, con el muelle comprimido y sus terminales eléctricos en contacto, permitiendo la circulación eléctrica entre los puntos a y b.






Si entre dos puntos a y b, colocamos un interruptor normalmente cerrado (NC), que cuando no se actúa sobre él esta cerrado, en este caso, la actuación del muelle o resorte da lugar a poner en contacto los terminales eléctricos del interruptor, permitiendo la circulación eléctrica a su través, el interruptor esta cerrado.
Si actuamos sobre el venciendo la ación del muelle, separando los contactos, el interruptor se abre, no permitiendo la circulación eléctrica.
En estos interruptores el resultado es el contrario de la acción, si actuamos sobre el interruptor el interruptor se abre, cortando el paso de la corriente eléctrica, si no actuamos sobre el, se cierra permitiendo la circulación eléctrica.


Como se ha visto, los interruptores pueden ser actuados manualmente, o mecánicamente mediante fines de carrera, presostatos u otros elementos que partiendo de una acción exterior den lugar a una conexión o desconexión eléctrica.
Pero un circuito pude actuar sobre otro circuito, mediante relés o contactores, de modo que podemos disponer de un circuito de conmutación, cuyo resultado es la actuación sobre otro circuito, en estos casos la presencia o no de una corriente eléctrica da lugar a la modificación del estado de un interruptor, que pasara de su posición de reposo a la de actuado.
En la figura podemos ver, una serie de interruptores de este tipo. La actuación sobre ellos se hace mediante un solenoide, que genera un campo magnético y que desplaza el núcleo ferromagnético de la armadura, venciendo al muelle, y cambiando los contactos eléctricos. Cuando la corriente eléctrica no actúa, el muelle eleva al interruptor a la posición de reposo.
Convenio de representación



En un circuito de conmutación se realiza un análisis de la lógica del circuito, haciendo abstracción de los detalles de funcionamiento de los mecanismos que intervienen, así como del dimensionado de los aparatos y resto del circuito para las intensidades de corriente y diferencia de potencial con los que trabaja, prestando atención prioritaria a la lógica de la conmutación, por ello no son necesarios, algunos de los detalles eléctricos, propios de los circuitos eléctricos, y si es necesario determinar un convenio de representación de los circuitos que impida errores en su interpretación, teniendo en cuenta lo siguiente:
1. Circuito de conmutación, es un esquema de funcionamiento y no un plano de construcción, por lo tanto la situación de los aparatos se hará según esa lógica.
2. En un circuito de conmutación no se señalan detalles eléctricos, como intensidades o tensiones eléctricas.
3. Los aparatos se representan siempre en su posición de reposo, aunque estén conectados directamente a una fuente de energía.
4. La actuación de los interruptores es siempre de arriba hacia abajo, la posición de reposo es la más alta y la actuada la más baja.
Componentes para un circuito de interruptores.



Figura 1
Se deberán de tener en cuenta los siguientes convenios (ver Figura 1):
• Un contacto NA representa una variable comutable
• Un contacto NC representa una variable lógica negada (A').
• Un circuito cerrado se considera un uno lógico (1).
• Un circuito abierto se considera un cero lógico (0).
• Si no se actúa sobre un contacto se considera que la variable que representa es 0.
• Si se actúa sobre un contacto se considera que la variable que representa es 1.
• Si la carga no se excita la función se considera 0 (por ejemplo una lámpara apagada).
• Si la carga se excita la función se considera 1 (lámpara encendida).


Interruptor múltiple



Figura 2
Un interruptor múltiple, es el que con sólo un mando mueve varios contactos simultáneamente, este tipo de interruptor, no tan sencillo, se emplea para conmutar varios circuitos al mismo tiempo, electivamente separados.
Este tipo de interruptor puede tener contactos directos e inversos, en la figura los dos primeros son directos y el tercero inverso, que a su vez pueden ser de distinta sección, según la intensidad de corriente que circule por cada uno de ellos.