H. Dispositivos semiconductores

Previo a la explicación y mención de los dispositivos semiconductores así como algunos ejemplos y sus funcionamientos es recomendable saber de base a que no referimos como un semiconductor.

Semiconductor: es un elemento que se comporta como un conductor o como un aislante dependiendo de diversos factores, como por ejemplo el campo eléctrico o magnético, la presión, la radiación que le incide, o la temperatura del ambiente en el que se encuentre. Los elementos químicos semiconductores de la tabla periódica se indican en la tabla adjunta.

Los tipos de semiconductores más utilizados en este tipo de dispositivos, por ejemplo en transistores son los siguientes:

-Semiconductor tipo N: Un Semiconductor tipo N se obtiene llevando a cabo un proceso

de dopado añadiendo un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el número de

portadores de carga libres (en este caso negativos o electrones).

-Semiconductor tipo P: Un Semiconductor tipo P se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado,

añadiendo un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de

carga libres (en este caso positivos o huecos).

Ya que tenemos más clara la idea de lo que es un semiconductor pasemos a la aclaración de lo que es

un dispositivo semiconductor de potencia y su utilización en distintos dispositivos electrónicos, teniendo

una gran importancia en el mundo de la tecnología.

-Dispositivo semiconductor:  es un componente electrónico que emplea las propiedades electrónica de

los materiales semiconductores, principalmente del silicio, el germanio y el arseniuro de galio, así como

de los semiconductores orgánicos. Los dispositivos semiconductores han reemplazado a los dispositivos

termoiónicos (tubos de vacío) en la mayoría de las aplicaciones. Usan conducción electrónica en estado

sólido, como diferente del estado gaseoso o de la emisión termoiónica en un gran vacío.

Los dispositivos semiconductores se fabrican tanto como dispositivos individuales discretos,

como circuitos integrados (CI), que consisten en un número -desde unos pocos (tan pocos como dos) a

miles de millones- de dispositivos fabricados e interconectados en un único sustrato semiconductor,

también denominado oblea.

La funcionalidad de estos dispositivos es enorme tanto como un dispositivo de control, transformar a

distintos tipos de energía entre otras, aquí mencionamos algunos de los ejemplos más comunes de

dispositivo semiconductores de potencia así como sus aplicaciones.

-H1 Ejemplo de algunos dispositivos de potencia aplicados a sistemas de control y sus

respectivas aplicaciones:

Tiristor: es un componente electrónico constituido por elementos semiconductores que

utiliza realimentación interna para producir una conmutación. Los materiales de los que se compone son

de tipo semiconductor, es decir, dependiendo de la temperatura a la que se encuentren pueden funcionar

como aislantes o como conductores. Son dispositivos unidireccionales porque solamente transmiten la

corriente en un único sentido. Se emplea generalmente para el control de potencia eléctrica.

(Ver Fig. 2.4 a)

Normalmente son usados en diseños donde hay corrientes o voltajes muy grandes, también son

comúnmente usados para controlar corriente alterna donde el cambio depolaridad de la corriente revierte

en la conexión o desconexión del dispositivo. Se puede decir que el dispositivo opera de forma síncrona

cuando, una vez que el dispositivo está abierto, comienza a conducir corriente en fase con el voltaje

aplicado sobre la unión cátodo-ánodo sin la necesidad de replicación de la modulación de la puerta. En

este momento el dispositivo tiende de forma completa al estado de encendido. No se debe confundir con

la operación simétrica, ya que la salida es unidireccional y va solamente del cátodo al ánodo, por tanto

en sí misma es asimétrica.

Transistor IGBT: es un dispositivo semiconductor que generalmente se aplica como interruptor

controlado en circuitos de electrónica de potencia. Los transistores IGBT han permitido desarrollos que

no habían sido viables hasta entonces, en particular en los Variadores de frecuencia así como en las

aplicaciones en máquinas eléctricas y convertidores de potencia que nos acompañan cada día y por

todas partes, sin que seamos particularmente conscientes de eso: automóvil, tren, metro, autobús, avión,

barco, ascensor, electrodoméstico, televisión, demótica, Sistemas de Alimentación Ininterrumpida etc.

(Ver Fig.2.4 b)

Es usado en aplicaciones de altas y medias energía como fuente conmutada, control de la tracción en

motores y cocina de inducción. Grandes módulos de IGBT consisten en muchos dispositivos colocados

en paralelo que pueden manejar altas corrientes del orden de cientos de amperios con voltajes de

bloqueo de 6.000 voltios.

Ejemplo de dispositivos de potencia aplicados a la transformación de energía y sus respectivas

aplicaciones:

Rectificadores: es el elemento o circuito que permite convertir la corriente alterna en corriente

continua.1 Esto se realiza utilizando diodos rectificadores, ya sean semiconductores de estado

sólido, válvulas al vacío o válvulas gaseosas como las de vapor de mercurio (actualmente en desuso).

Inversores: La función de un inversor es cambiar un voltaje de entrada de corriente continua a un voltaje

simétrico de salida de corriente alterna, con la magnitud y frecuencia deseada por el usuario o el

diseñador. Los inversores se utilizan en una gran variedad de aplicaciones, desde pequeñas fuentes de

alimentación para computadoras, hasta aplicaciones industriales para controlar alta potencia. Los

inversores también se utilizan para convertir la corriente continua generada por los paneles solares

fotovoltaicos, acumuladores o baterías, etc, en corriente alterna y de esta manera poder ser inyectados

en la red eléctrica o usados en instalaciones eléctricas aisladas.

Cicloconversores: Un cicloconversor es un Convertidor estático de potencia que convierte un voltaje AC, como es el suministro que ofrece la red eléctrica, a otro voltaje AC sin la necesidad de una etapa intermedia de CC. La amplitud y la frecuencia del voltaje de entrada tienden a ser fijas, mientras que tanto la amplitud como la frecuencia del voltaje de salida pueden ser variables dependiendo del control.

En general las principales aplicaciones de los dispositivos semiconductores de control y potencia son:

Fuentes de alimentación: En la actualidad han cobrado gran importancia un subtipo de fuentes de

alimentación electrónicas, denominadas fuentes de alimentación conmutadas. Estas fuentes se

caracterizan por su elevado rendimiento y reducción de volumen necesario. El ejemplo más claro de

aplicación se encuentra en la fuente de alimentación de los ordenadores.

Control de motores eléctricos: La utilización de convertidores electrónicos permite controlar

parámetros tales como la posición, velocidad o par suministrado por un motor. Este tipo de control se

utiliza en la actualidad en los sistemas de aire acondicionado. Esta técnica, denominada

comercialmente como "inverter" sustituye el antiguo control encendido/apagado por una regulación

de velocidad que permite ahorrar energía. Asimismo, se ha utilizado ampliamente en tracción

ferroviaria, principalmente en vehículos aptos para corriente continua (C.C.)durante las décadas de

los años 70 y 80, ya que permite ajustar el consumo de energía a las necesidades reales del motor

de tracción, en contraposición con el consumo que tenían los vehículos controlados por resistencias

de arranque y frenado. Actualmente el sistema chopper sigue siendo válido, pero ya no se emplea

en la fabricación de nuevos vehículos, puesto que actualmente se utilizan equipos basados en el

motor trifásico, mucho más potente y fiable que el motor de colector.

Calentamiento por inducción: Consiste en el calentamiento de un material conductor a través del

campo generado por un inductor. La alimentación del inductor se realiza a alta frecuencia,

generalmente en el rango de los kHz, de manera que se hacen necesarios convertidores

electrónicos de frecuencia. La aplicación más vistosa se encuentra en las cocinas de inducción

actuales.

Otras: Como se ha comentado anteriormente son innumerables las aplicaciones de la electrónica de

potencia. Además de las ya comentadas destacan: sistemas de alimentación ininterrumpida,

sistemas de control del factor de potencia, balastos electrónicos para iluminación a alta frecuencia,

interfase entre fuentes de energía renovables y la red eléctrica, etc.

-H2 Aplicaciones de amplificadores operacionales.

Se trata de un dispositivo electrónico (normalmente se presenta como circuito integrado) que tiene dos entradas y una salida. La salida es la diferencia de las dos entradas multiplicada por un factor (G) (ganancia):

Vout = G·(V+ − V−) el más conocido y comúnmente aplicado es el UA741 o LM741(ver Fig.2.4 f)

Aunque es usual presentar al A.O. como una cajita negrita con características ideales es importante

entender la forma en que funciona, de esta forma se podrá entender mejor las limitaciones que presenta.

Los diseños varían entre cada fabricante y cada producto, pero todos los A.O. tienen básicamente la

misma estructura interna, que consiste en tres etapas:

1. Amplificador diferencial: es la etapa de entrada que proporciona una baja amplificación del ruido

y gran impedancia de entrada. Suelen tener una salida diferencial.

2. Amplificador de tensión: proporciona una ganancia de tensión.

3. Amplificador de salida: proporciona la capacidad de suministrar la corriente necesaria, tiene una

baja impedancia de salida y, usualmente, protección frente a corto circuitos.

Algunas aplicaciones de los amplificadores operacionales:

Calculadoras analógicas

Filtros

Preamplificadores y buffers de audio y video

Reguladores

Conversores

Evitar el efecto de carga

Adaptadores de niveles (por ejemplo CMOS y TTL)

Fig. 2.4 a. Ejemplo de tiristor. Fig.2.4 b. Ejemplo de transistores

Fig.2.4 c. Estructura y símbolo de un tiristor.

Fig.2.4 d. Rectificadores cuadrados. Fig.2.4 e. Ejemplo de Inversor.

Fig.2.4 f. Amplificador operacional 741.

Introducción

La electrónica es parte vital en el avance científico y tecnológico de la humanidad, estos dispositivos son los que posibilitan la gran mayoría de actividades del hombre moderno por lo que somos en cierta medida dependientes de ellos. En la actualidad existen pocos sino ningún proceso industrial, medio de transporte o medio de comunicación independiente de la electrónica; ya que nuestro avance tecnológico es cada vez mayor nos volvemos de igual manera más dependientes de su eficacia y seguridad. Debido a este avance acelerada consecuencia de la gran competencia y mercado para estos dispositivos electrónicos, los principios físicos aplicados a estos dispositivos son cada vez más complejos y difíciles de optimizar, por ejemplo una famosa ley conocida como la ley de Moore expresa que aproximadamente cada dos años se duplica el número de transistores en un circuito integrado, esta predicción se ha cumplido hasta el momento llegando a increíbles cantidades como billones de transistores por circuito integrado, dado que el tamaño de estos transistores se vuelve cada vez más pequeño(actualmente hasta 22 nanómetros) los principios físicos que lo gobiernan están pasando a ser los de mecánica cuántica. Lo que dificulta enormemente su estudio.

La integración acelerada de los procesos electrónicos a todos los aspectos industriales hace que sea cada vez de mayor importancia el conocimiento básico de su funcionamiento y operación para un ingeniero sin importar la rama de especialización.

Armando De Icaza

8-871-1698