Conceptos Esenciales de Semiconductores, Diodos, Transistores y Fuentes de Alimentación

Fundamentos de Componentes Electrónicos

Semiconductores

Un material semiconductor es aquel que puede comportarse como un conductor o un aislante, dependiendo de factores como la temperatura o la aplicación de un campo eléctrico. Los materiales semiconductores más comunes y ampliamente utilizados en la industria electrónica son el germanio y el silicio.

La Unión P-N

La unión P-N es la interfaz formada entre dos regiones de un mismo material semiconductor dopado de forma diferente: una región tipo P y una región tipo N.

• La región P se caracteriza por tener un exceso de huecos libres (que actúan como portadores de carga mayoritarios) y iones aceptores negativos fijos.
• La región N se caracteriza por tener un exceso de electrones libres (que actúan como portadores de carga mayoritarios) y iones donadores positivos fijos.

Curva Característica del Diodo

La curva característica de un diodo describe la relación entre la corriente que lo atraviesa y la tensión aplicada entre sus terminales. Un diodo puede polarizarse de dos formas principales:

• Polarización Directa: Cuando la tensión se aplica de manera que permite el flujo de corriente.
• Polarización Inversa: Cuando la tensión se aplica de manera que bloquea el flujo de corriente (hasta cierto punto).

Tipos de Diodos

Existen diversos tipos de diodos, cada uno con aplicaciones específicas:

• Diodo Rectificador

  Este tipo de diodos se emplea principalmente en la rectificación de corriente alterna (CA) para convertirla en corriente continua (CC) pulsante, fundamental en las fuentes de alimentación.

• Diodo Zener

  El diodo Zener está diseñado para operar en la región de ruptura inversa. Cuando la tensión inversa aplicada alcanza un valor específico, conocido como tensión Zener, se produce un fenómeno de avalancha o ruptura Zener, permitiendo que una corriente inversa significativa fluya mientras mantiene una tensión casi constante en sus terminales. Esto lo hace ideal para la regulación de tensión.

• Diodo LED (Light Emitting Diode)

  Los diodos LED están fabricados con compuestos semiconductores especiales. Se caracterizan por emitir radiación electromagnética (luz, visible o infrarroja) cuando se polarizan en forma directa. Son ampliamente utilizados en iluminación, indicadores y pantallas.

• LED Bicolor

  Un LED bicolor está compuesto por dos diodos LED encapsulados en un mismo componente. Pueden configurarse de dos formas principales:

  • Con tres terminales (ánodo común o cátodo común).
  • Con dos terminales, donde los diodos están dispuestos en antiparalelo (paralelo e inverso), permitiendo la emisión de dos colores diferentes según la polaridad de la tensión aplicada.

• Display LED de Siete Segmentos

  Los displays LED de siete segmentos son dispositivos optoelectrónicos que se construyen utilizando un conjunto de diodos LED dispuestos de tal manera que, al encenderlos selectivamente, pueden formar dígitos numéricos y algunos caracteres alfanuméricos.

• Fotodiodo

  Un fotodiodo es un diodo semiconductor que convierte la luz en corriente eléctrica. Cuando se polariza en directa, se comporta de manera similar a un diodo básico. Sin embargo, su aplicación principal es en polarización inversa, donde la corriente inversa (corriente de oscuridad) es muy pequeña y aumenta significativamente cuando incide luz sobre su unión P-N, lo que lo hace útil como sensor de luz.

El Transistor Bipolar de Unión (BJT)

Los transistores bipolares de unión (BJT) son dispositivos electrónicos de tres terminales (emisor, base y colector) construidos a partir de dos uniones P-N contenidas en un cristal semiconductor (generalmente silicio o germanio). Su estructura puede verse como dos diodos conectados en serie y en oposición, compartiendo la región de la base como punto común. Los BJT son fundamentales para la amplificación y conmutación de señales electrónicas.

Principios de Funcionamiento de las Fuentes de Alimentación Lineales

Las fuentes de alimentación lineales tienen como principio fundamental convertir una tensión de corriente alterna (CA) de entrada en una tensión de corriente continua (CC) regulada y estable a la salida. La rectificación es una de las tareas principales para lograr esta conversión.

Etapas de Rectificación

• Etapa Rectificadora de Media Onda

  La etapa rectificadora de media onda utiliza uno o más diodos semiconductores para permitir el paso de la corriente en un solo sentido, bloqueándola en el sentido contrario. De esta forma, solo una parte (medio ciclo) de la señal de CA de entrada se convierte en CC pulsante.

• Etapa Rectificadora de Onda Completa

  La etapa rectificadora de onda completa tiene como objetivo convertir ambos semiperiodos de la tensión alterna de entrada en una tensión pulsante de la misma polaridad a la salida, logrando una conversión más eficiente de CA a CC. Esto se puede conseguir mediante un puente de diodos o un transformador con toma central.

Parámetros Clave de Reguladores de Tensión

Al seleccionar o diseñar con reguladores de tensión, es crucial considerar los siguientes parámetros:

• Voltaje de Entrada Máximo y Mínimo

  El fabricante especifica el rango de tensión de entrada (mínima y máxima) dentro del cual el regulador puede operar correctamente y mantener sus características de salida.

• Máxima Corriente de Salida

  Es la corriente máxima que el regulador puede suministrar a la carga sin que la tensión de salida se desvíe de sus especificaciones o el dispositivo sufra daños permanentes.

• Tensión de Salida

  Se refiere a los valores nominales, mínimos y máximos de la tensión de salida que el regulador puede proporcionar bajo condiciones específicas de temperatura y tensión de entrada.

• Intensidad de Reposo (Quiescent Current)

  Es la corriente que consume el propio regulador cuando no hay carga conectada o cuando la carga es mínima. Representa la corriente de entrada que no se entrega a la carga y es un indicador de la eficiencia del regulador en vacío.

• Regulación de Línea

  Indica el cambio en la tensión de salida para una corriente de carga constante, cuando la tensión de entrada varía dentro de su rango especificado. Es una medida de la capacidad del regulador para mantener una tensión de salida estable ante variaciones en la entrada.

• Máxima Potencia Disipable

  Es la máxima potencia térmica que el dispositivo puede disipar de forma segura sin exceder su temperatura de unión máxima, especificada tanto con como sin el uso de un disipador de calor externo. Este parámetro es crítico para evitar el sobrecalentamiento y la falla del componente.