STEM Electronics
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Después de que el físico italiano Alessandro Count von Volta inventara la pila en 1800, por primera vez se disponía de una fuente de tensión utilizable. La investigación sobre la electricidad despegó realmente gracias al suministro fiable de electricidad.

En1873, tres cuartos de siglo después, Willoughby Smith pudo demostrar las propiedades fotoeléctricas del selenio. Sólo un año después, Ferdinand Braun descubrió el efecto rectificador de los semiconductores. Estos dos descubrimientos pueden considerarse el nacimiento de la electrónica.

En la primera mitad del siglo pasado, el tubo de electrones era el único componente activo de la electrónica. En1904, John Ambrose Fleming presentó un diodo de vacío. Al añadir rejillas de control a la corriente de electrones, en los años siguientes aparecieron tubos amplificadores cada vez más perfeccionados. Una especialidad de esta tecnología fue sin duda el tubo de imagen (Ferdinand Braun, 1897). Se fabricaron para televisores hasta la década de 2010. Otro tipo especial de tubo sigue siendo hoy parte integrante de todos los hogares: el magnetrón para hornos microondas.

En 1925,Julius Edgar Lilienfeld patentó un componente electrónico comparable a los actuales transistores de efecto de campo. La aplicación práctica no llegó a materializarse. No existían los requisitos técnicos para su fabricación.

John Bardeen, Walter Brattain y William Shockley, de los Laboratorios Bell, presentaron el primer transistor en 1947 y recibieron el Premio Nobel de Física nueve años más tarde.

En los años siguientes, la tecnología de fabricación de transistores en particular fue mejorando continuamente. En los años 50 y 60, el germanio utilizado inicialmente tuvo que dar paso al silicio. El silicio es más fácil de conseguir, más fácil de manipular y, por tanto, más barato. Al mismo tiempo, el transistor siguió sustituyendo al tubo.

Jack Kilby desarrolló el primer circuito integrado (CI) en 1958. Se trataba de un flip-flop formado por 2 transistores. Hoy en día, en un chip se combinan más de 50.000 millones de transistores. La conmutación se produce a velocidades del orden del gigahercio.

A partir de 1960, los MOSFET (transistores semiconductores de efecto de campo de óxido metálico) marcaron el comienzo de la electrónica de potencia moderna. Los IGBT (transistores bipolares de puerta aislada) son una evolución posterior. Combinan las propiedades de los transistores de efecto de campo y bipolares. Permiten conmutar tensiones de más de 6.000 voltios, corrientes de más de 3.000 amperios y potencias de hasta 100 megavatios, sin necesidad de energía y con tensiones de control bajas.

También la electrónica tiene una larga tradición en fischertechnik. Ya en 1969, fischerwerke lanzó al mercado su primer kit de construcción electrónica. El objetivo era ofrecer una introducción práctica a la electrónica. Muchos otros kits experimentales y de modelismo, incluida la informática, han seguido hasta nuestros días.

La resistencia

Tarea 4

La resistencia es un componente pasivo en electrotecnia y electrónica. Hace que circule una determinada corriente a una tensión dada. La resistencia eléctrica R es el valor físico de una resistencia. Se expresa en ohmios (Ω). La dependencia de la tensión y la corriente en una resistencia eléctrica es proporcional y se expresa mediante la ley de Ohm.

R = U / I Resistencia = tensión / corriente
U = R * I Tensión = resistencia x corriente
I = U / R Corriente = Tensión / Resistencia

La corriente y la tensión en una resistencia dependen proporcionalmente entre sí. Esta dependencia puede visualizarse en una curva característica. La figura muestra la curva característica de una resistencia de 330 Ω. A 9 voltios fluye una corriente de 0,027 A o 27 mA. La curva característica de una resistencia es una línea recta. Es lineal.

Condensador

Un condensador puede almacenar energía eléctrica. En principio, consta de dos placas conductoras separadas por un aislante. El aislante se denomina dieléctrico. Las placas y el dieléctrico pueden estar hechos de una gran variedad de materiales. Un ejemplo es el condensador de película. Se colocan dos láminas de plástico y dos láminas metálicas una encima de la otra y se enrollan o doblan. Cada lámina metálica tiene una conexión que luego sobresale de la carcasa.

Otro diseño importante es el condensador electrolítico o condensador electrolítico. El dieléctrico está formado por una capa de óxido aislante. Los condensadores electrolíticos son componentes polarizados. Una polaridad incorrecta provoca su destrucción.
Si el condensador se conecta a una fuente de tensión, los portadores de carga fluyen hacia las placas. El condensador se carga. Si el condensador se desconecta de la fuente de tensión, la carga se mantiene. Sin embargo, la carga de los condensadores convencionales es tan baja que no puede utilizarse para hacer funcionar consumidores eléctricos. Un LED sólo se encendería brevemente. En los circuitos electrónicos circulan corrientes muy bajas. Aquí, la carga de los condensadores es suficiente para muchas tareas. En el experimento sobre el condensador, éste se descarga lentamente a través de altas resistencias para ilustrar el efecto.

Diodo

Tareas 7 y 8

El diodo es uno de los componentes semiconductores más sencillos. Consta de una sola unión pn. En un cristal semiconductor dopado con n suele introducirse un dopaje de tipo p en un punto. Ambas zonas se conducen fuera de la carcasa a través de conexiones. La conexión en la zona p se denomina ánodo, la conexión en la zona n, cátodo.
Si se utiliza un diodo de silicio en un circuito, existen dos posibilidades.

El ánodo es más positivo que el cátodo o viceversa. Si la tensión del ánodo es aprox. 0,6 - 0,7 voltios más positiva, el diodo funciona en dirección de avance. La tensión de difusión se disipa, los electrones y los huecos disuelven su recombinación y actúan como portadores de carga libres. Fluye una corriente.

En el caso contrario, el campo eléctrico de la unión y la tensión aplicada actúan en la misma dirección. El campo eléctrico se refuerza aún más con la tensión externa, el diodo se bloquea y no puede circular ninguna corriente. El diodo funciona en sentido inverso.
Si se aumenta demasiado la tensión en sentido inverso, los efectos físicos en el semiconductor provocan una ruptura no deseada. Una corriente elevada fluye como una avalancha, destruyendo el diodo. Las tensiones de ruptura de los diodos utilizados en los experimentos son de aproximadamente 700 voltios.

Los LED (diodos emisores de luz) son un tipo especial de diodos. Cuando funcionan hacia delante, convierten la energía eléctrica en luz. La tensión directa es de 1,8 a 3,7 voltios, según el material y el color de la luz. La tensión inversa suele ser de unos 5 voltios.

Algunos parámetros se representan mediante curvas características para expresar la dependencia de distintos valores entre sí. La curva característica más importante que describe un transistor es la curva característica de salida (figura de la derecha). En ella puede leerse la relación entre la tensión colector-emisor y la corriente de colector para diferentes corrientes de base. El factor de amplificación también puede calcularse a partir de la línea de una corriente de base después de leer la corriente de colector. La línea amarilla indica el rango que no debe superarse. El producto de la tensión colector-emisor y la corriente de colector indica la potencia convertida en calor. Si se sobrepasara la línea, se destruiría el transistor.

Muchos fabricantes ya no especifican todas las curvas características. Por tanto, para calcular los circuitos hay que utilizar los parámetros que figuran en la ficha técnica. Los circuitos de transistores pueden calcularse utilizando la información de la hoja de datos. Para ello sólo se necesitan la ley de Ohm y las reglas de Kirchhoff.

Si se fija la resistencia de una carga (consumidor), se puede determinar la corriente que la atraviesa y, por tanto, la que pasa por el colector:
UL = UB - UCE, IL = IC = UL / R
La corriente de base puede calcularse simplemente dividiendo la corriente de colector por el factor de amplificación de corriente B:
IB = IC / B
La corriente de base necesaria determina a su vez la resistencia en serie de la base. A través de ella cae la tensión URB. La tensión corresponde a la tensión de alimentación menos la tensión de difusión del trayecto base-emisor:
URB = UB - 0,7V
Si se conoce esta tensión, se puede calcular la resistencia en serie de la base:
RB = URB / IB

El circuito Darlington

Tarea 12

El circuito Darlington es una interconexión especial de dos transistores (ver ilustración). Las corrientes de base y de colector que salen del transistor a través del emisor se utilizan directamente como corriente de base para el segundo transistor. En este circuito, los factores de amplificación de corriente de los dos transistores se multiplican.
Btotal = BT1 x BT2

Los circuitos Darlington tienen factores de amplificación de corriente muy elevados. Se alcanzan factores superiores a 500.000.
Si se necesitan circuitos Darlington, hoy en día se utilizan directamente transistores Darlington. Constan de un circuito Darlington en una carcasa de transistor.

MOSFET

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Tareas 13 a 15

Los MOSFET han sustituido a los transistores en muchos ámbitos. Este componente se utiliza sobre todo en la electrónica digital y de potencia. Los MOSFET pueden producirse de forma muy eficiente en enormes cantidades y combinarse en circuitos complejos en una sola pieza de silicio. Hay microprocesadores que constan de más de 50.000 millones de MOSFET individuales.
En electrónica de potencia, los MOSFET se utilizan para conmutar corrientes enormes a tensiones muy altas. Ya no es necesario utilizar interruptores de potencia mecánicos. Esto es posible gracias a las excelentes propiedades eléctricas de los MOSFET modernos.
En principio, el MOSFET es un componente semiconductor que se comporta como una resistencia controlada por tensión. A diferencia de un transistor bipolar, no circula ninguna corriente de control. El MOSFET se controla sin alimentación.
Un MOSFET está formado por un cristal semiconductor que puede estar débilmente dopado con n o con p. Hay tipos especiales que se basan en un cristal no dopado.

Un MOSFET de canal n, como el utilizado para los experimentos, consiste en un silicio dopado con p (sustrato) en el que se insertan dos zonas n (figura superior izquierda). Las dos zonas están conectadas a los terminales de drenaje y fuente. En el área entre las zonas se aplica una capa aislante. El electrodo de puerta está situado en la capa aislante. La conexión principal se encuentra en el sustrato. Está conectada internamente a la fuente.

Si se aplica una tensión positiva a la puerta (figura inferior izquierda), los electrones son atraídos por el campo eléctrico resultante. La puerta se comporta como un condensador en relación con el sustrato. Los electrones acumulados forman un canal bajo el electrodo de la puerta, que se comporta como el silicio dopado con n. El canal conecta los dos n-electrodos. El canal conecta las dos zonas n entre sí y anula las capas barrera. Puede circular corriente. En los MOSFET modernos, el canal tiene una resistencia muy baja (< 10 mOhm). Por tanto, la pérdida de potencia puede mantenerse muy baja, incluso con corrientes elevadas.

El flujo de corriente entre el drenaje y la fuente es posible en ambas direcciones. Sin embargo, los fabricantes optimizan los MOSFET para la dirección de flujo drenaje - fuente.
Conectando varias células MOSFET en paralelo sobre un sustrato, se pueden realizar componentes capaces de conmutar corrientes considerables (> 3000 amperios). 

El MOSFET como interruptor

Tarea 14 a 15

Los MOSFET para electrónica de potencia deben tener la menor resistencia posible RDS(on) del canal entre drenador y fuente. Hoy en día, se consiguen valores de unos pocos miliohmios.
La corriente de carga ID fluye a través de la resistencia de carga y el canal entre el drenador y la fuente. El canal está conectado en serie con la resistencia de carga RL. La figura muestra la conexión en nuestro circuito y como diagrama de circuito equivalente. El objetivo es que RDS(on) sea significativamente menor que RL. Esto garantiza que sólo una parte muy pequeña de la tensión de alimentación caiga a través del MOSFET. La potencia que se convierte en calor en el MOSFET sigue siendo baja. El componente no se calienta tanto como para destruirse.

Existen parámetros que describen las propiedades eléctricas de un MOSFET. Están determinados por el proceso de fabricación. Todos los parámetros se pueden encontrar en las hojas de datos del fabricante.

UBR - Tensión de ruptura de la ruta drenador-fuente.
IDmax - Corriente máxima que puede circular por la vía drenador-fuente.
RDS(on) - Resistencia del camino drenador-fuente cuando está conectado.
UGSth - Tensión de umbral a partir de la cual la vía drenador-fuente conduce.
Ptot - Máxima pérdida de potencia que se convierte en calor en el semiconductor.

Los parámetros anteriores son suficientes en electrónica de potencia para diseñar circuitos con MOSFETs. El rango en el que puede funcionar un MOSFET está limitado por los parámetros.
Puede ...
... no conmutar una tensión superior a UBR.
... no puede circular una corriente superior a IDmax.
... no puede convertir una potencia superior a UDS x ID.
... no puede circular una corriente superior a UDS / RDS(on).

La etapa basculante biestable

Tarea 17

El flip-flop biestable o multivibrador biestable es un importante circuito electrónico básico. En principio, representa una posición de memoria para un bit. Este circuito se encuentra en miles de microprocesadores y es el circuito básico de los componentes RAM dinámicos. El flip-flop biestable también se conoce como flip-flop.
Hoy en día, los flip-flop biestables sólo se construyen a partir de transistores individuales en casos excepcionales. Existe una gran selección de circuitos integrados que contienen uno o varios de estos circuitos.
La siguiente tabla lógica muestra las relaciones entre las señales en las entradas y las dos salidas. Esta es la forma más simple de un flip-flop biestable, el flip-flop RS. El nombre deriva de las dos entradas.

El flip-flop suele tener dos salidas. La segunda salida se niega. Esto significa que la señal lógica opuesta está siempre presente. La negación se indica mediante el círculo pequeño.
Si una de las dos entradas se activa con una señal lógica, ésta se transmite a la salida y se almacena. Si no hay señales en las entradas, este estado se mantiene. Sólo una señal en la entrada R puede restablecer la salida. Si ambas entradas tienen asignadas señales, se produce un estado no deseado. Una vez eliminadas las señales, la salida permanece activada o anulada en función del orden en que se desconectó.

Escalón inclinable astable

Tarea 19

 La etapa basculante astable o el multivibrador astable es un circuito electrónico básico que conmuta automáticamente de forma periódica entre dos estados. Los tiempos de conmutación están determinados por 2 elementos RC.
No existe ningún símbolo de conmutación separado para la etapa basculante astable. En principio, se trata de un generador con una frecuencia determinada. Como la tensión de salida oscila entre dos valores, es similar a un generador de ondas cuadradas.
Se necesita un cierto tiempo T para recorrer un ciclo completo. Es la suma de los tiempos de los dos elementos RC. Si ambos elementos RC tienen idénticas dimensiones, son simétricos. Entonces se puede aplicar la siguiente fórmula. La constante 2 indica que hay 2 elementos RC idénticos.

T=2*ln⁡(2)*R1*C1≈1,386*R1*C1

En la práctica, la duración del periodo T rara vez se especifica. Es más importante el número de impulsos emitidos por unidad de tiempo. El número de impulsos por segundo es la frecuencia f. La unidad de medida de la frecuencia es la frecuencia cardíaca (Hz). La frecuencia puede calcularse mediante la siguiente fórmula

f=1/T

El disparador Schmitt

Tarea 20

El disparador Schmitt es un circuito de conmutación en el que una tensión de entrada se compara con una tensión especificada en el circuito. Una característica especial del disparador Schmitt es que las tensiones de conexión y desconexión no son idénticas. La diferencia se denomina histéresis de conmutación o simplemente histéresis.
La tensión de salida puede estar próxima a la tensión de alimentación. El disparador Schmitt es adecuado para convertir cualquier tensión en un nivel de salida lógico definido.

La conmutación brusca de la tensión de salida se consigue mediante la resistencia de emisor común RE. La tensión de emisor de T2 también aumenta por una caída de tensión que se produce allí en cuanto T1 pasa por una tensión de base. Al mismo tiempo, la tensión de base de T2 disminuye a medida que T1 conduce. La tensión entre la base y el emisor de T2 cae bruscamente, T2 se bloquea y el circuito se invierte.
La capacidad de proporcionar niveles de salida claramente definidos en particular hace del disparador Schmitt un circuito de uso muy frecuente. Todas las señales que se transmiten por el mundo real están sujetas a interferencias. La transmisión de información digital vía satélite o por largos cables submarinos sería imposible si los disparadores Schmitt no restauraran las señales originales.

Esta capacidad se ilustra en la figura inferior izquierda. La diferencia de tensión mostrada por las dos líneas horizontales negras es la histéresis. La tensión de conexión es siempre superior a la de desconexión.