FUENTES DE CORRIENTE BASICAS

FUENTES DE CORRIENTE BASICAS

Fuente con tensión de referencia Diodo Zener:

VCC = 12 V
VZ = 3.9 V
R = 10 K
Rmin = 240
RL = 1 K ó
4,7 K
Q1 = BC557

El diodo zener funcionando en inversa sirve para fijar una tensión que en este caso será la referencia para una fuente de corriente.
En este circuito vamos a observar dos cuestiones: la dependencia de la fuente de corriente con la resistencia R, y el funcionamiento no ideal del Zener. Obtenga las siguientes expresiones generales en función de los parámetros del circuito Vz, R, ... y haciendo las aproximaciones oportunas:

IC:

Si suponemos que la corriente en de la base del transistor bipolar IB = 0, entonces se cumpliría que la corriente en el colector y en el emisor, del mismo transistor Q1 serian iguales a: IC = IE = I, y de acuerdo con la ley de Kirchoff con respecto a las tensiones tendremos que :

VCC = I · R + I · Rmin + VEB + VZ

Por lo que despejando I, quedaría :

Valor de resistencia de carga, RL, para el cual deja de funcionar como fuente de corriente.

Si tomamos una parte del circuito y aplicamos la ley de Kirchoff relacionada con las tensiones: donde VZ es la tensión en el diodo zener y VCB es la tensión entre los terminales colector y base del transistor Q1. Ahora, para que el circuito deje de funcionar como fuente de corriente para el valor de RL que haga que el transistor pase de activa a saturación entonces se debe cumplir que VBC < 0, por lo que:

Regiones de funcionamiento del transistor vs. funcionamiento de la fuente.

Para ver como trabaja el transistor, hay que tener en cuenta dos regiones de trabajo del transistor, la activa y la de saturación. Mientras el transistor trabaje en su región activa, la fuente de corriente funcionará, pero cuando el transistor pase a la región de saturación, la fuente de corriente no funcionará.

Corriente que circula por el diodo zener (IZ).

Si aplicamos la ley de Kirchoff con respecto a las corrientes, en el nudo:
Por otra parte, si aplicamos la ley de Kirchoff con respecto a las tensiones, en la siguiente parte del circuito:

En un transistor bipolar cuando funciona en su zona activa, se cumple:

Para responder a las siguientes cuestiones no olvide consultar con las hojas de características de los componentes:

Resistencia de polarización del diodo zener, RZ, que haga cumplir que este se encuentre en la región de funcionamiento adecuada (referencia fija de tensión). Desprecie para ello la corriente de base del transistor.

Tomamos el valor aproximado de IZ = 5 mA para la corriente que pasa por el zener. Al estar RZ y VZ en serie tenemos que se tendrá que , por lo que de acuerdo a la ley de Kirchoff con respecto a las tensiones, entonces, tendremos que:

Calcule la tensión de referencia fijada por el diodo zener (VZ " cte) cuando la corriente de base (IB) no es despreciable e indique el límite de IB para el cual el diodo zener deja de funcionar en la región adecuada, teniendo en cuenta el valor escogido de RZ.

Si aplicamos la ley de Kirchoff con respecto a las corrientes en:

Suponiendo que no existe restricciones debidas a la corriente que polariza el diodo zener, calcular los valores de R correspondientes al mínimo y máximo de corriente (Imin, Imax) que puede suministrar la fuente para el valor de Rl dado. Indicar dichos valores de I y de la corriente que circula por el zener (IZ + IB).

R(Imin) = 10 K (potenciómetro)
R(Imax) = 0 K (potenciómetro)
Por la ley de Kirchoff que aplicamos sobre una parte del circuito:
Por lo que los valores de Imax = 0.03125 A e Imin = 0.0007324 A
Hay que tener en cuenta que el valor de Imax es ligeramente superior al máximo que tolera el transistor, por lo que se quemaría.

UNIVERSIDAD PUBLICA CARLOS III

DE

MADRID

FUENTES DE CORRIENTE BASICAS

MADRID - 2002

PABLO R DUQUE M

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CAF

Chips de grafeno

CHIPS DE GRAFENO



El reinado del silicio está llegando a su fin. No sufran, ya tiene sustituto y se llama grafeno. En 15 o 20 años ordenadores, móviles, sensores y otros equipos electrónicos serán de este nuevo material, una forma de carbono puro.
Un equipo de investigación del Instituto Tecnológico de Massachussets (MIT), liderado por el español Tomás Palacios, está fabricando alguno de los primeros aparatos y circuitos electrónicos basados en grafeno, descubierto en 2004 por los científicos Andre Geim y Kostya Novoselov de la Universidad de Manchester.
Con propiedades entre semiconductor y metal, este nuevo material de una sola capa atómica de espesor revolucionará las telecomunicaciones y la informática al permitir la fabricación de microprocesadores, sensores y sistemas de comunicación mucho más veloces que los actuales. "Uno de los paradigmas de la electrónica es incrementar la frecuencia de las señales eléctricas, para fabricar ordenadores cada vez más rápidos o móviles capaces de transmitir datos a mayor velocidad. "Si con los chips de silicio podríamos llegar como máximo a los 100 GHz de velocidad, usando transistores de grafeno se alcanzaría el terahercio (1 THz). Es decir, 10 veces más", dice este madrileño de 30 años, profesor del MIT.El prototipo de "transistor de grafeno" fue presentado en la reunión anual de la Sociedad Americana de Física en marzo. También se publicará en la Electron Device Letters, la revista más prestigiosa de aparatos eléctronicos de Estados Unidos, en su edición de mayo. Si todo va bien, en dos años saldrán versiones comerciales de estos chips avanzados al mercado.
El equipo de Palacios no sólo ha fabricado transistores diez veces más rápidos que los de silicio. También aprovecha las propiedades del grafeno para desarrollar aparatos electrónicos que no se podrían fabricar con ningún otro material. Por ejemplo, un multiplicador de frecuencia que "mejorará las comunicaciones inalámbricas y la electrónica de silicio actual, duplicando la capacidad de transmisión de cada chip al que se le añada el multiplicador".



Palacios es un ingeniero de telecomunicaciones. Con 19 años ya investigaba sobre semiconductores compuestos, como el nitruro de galio, en la Universidad Politécnica de Madrid (UPM). Al año de acabar la carrera, se trasladó a la de California para ampliar estudios. Terminado el doctorado, consiguió plaza de profesor en el departamento de ingeniería electrónica y ciencias de la computación del MIT. Además, empezó a dirigir un equipo de 12 personas en los laboratorios de tecnología de microsistemas del mismo centro tecnológico. Allí han conseguido fabricar los transistores de grafeno capaces de transmitir datos a gran velocidad. También desarrollan un sensor basado en este material que, con sólo apuntar a un alimento, determinará si es fresco.
El grafeno es carbono en estado puro. Muchos investigadores lo han estudiado de manera teórica durante más de 50 años. Nadie creía que se podían fabricar dispositivos con este material hasta que, en 2004, científicos de la universidad de Manchester (Gran Bretaña) descubrieron cómo obtener grafeno del grafito, el material de la mina del lápiz. "Si pegas y despegas múltiples veces un trozo de celo impregnado con fragmentos de grafito de la mina, acabas obteniendo grafeno: una única capa de átomos de carbono", precisa Palacios.
El procedimiento era muy rudimentario, pero abrió la puerta para que muchos científicos empezaran a trabajar con el material, cuyas propiedades son "asombrosas y únicas. A nivel mecánico, es el más resistente jamás descubierto. En un futuro, podría permitir la fabricación de cualquier estructura, como coches y aviones, más resistente y ligera. A nivel electrónico, es el de mayor movilidad, cien veces la del silicio, lo que permite acelerar los electrones hasta velocidades muy superiores a las posibles en cualquier otro semiconductor", asegura Palacios.
Graphene Industries, creada por los descubridores del grafeno, es la única compañía que lo vende. De momento. Varios grupos universitarios y empresas tratan de desarrollar una manera alternativa para obtenerlo, y que sea fácil de producir industrialmente, su principal escollo.
Jing Kong, colega de Palacios en el MIT, crea obleas enteras de grafeno sobre una superficie de níquel. "Este método es más útil desde el punto de vista comercial, sin embargo la movilidad del grafeno es menor que la que se obtiene pegando y despegando trozos de celo". El investigador, convencido de sus posibilidades, afirma: "Es un material increíble. No sólo revoluciona la electrónica, la informática y las comunicaciones, sino que está cambiando la manera en la que se estudia la física".

Mini acelerador de partículas

¿Le suena el acelerador de partículas del CERN? El complejo, que ocupa kilómetros cuadrados cerca de Ginebra (Suiza), sirve para explorar el mundo de lo infinitamente pequeño para buscar los elementos fundamentales de la materia. Los físicos están tratando de usar el grafeno para fabricar una especie de acelerador en miniatura. "En un fragmento de grafeno de un único centímetro cuadrado es posible realizar muchos de los experimentos que hasta ahora requerían laboratorios como el del CERN".
Si se convierte en realidad, los científicos podrían buscar el Bosón de Higgs, una partícula elemental hipotética, que aún no ha sido observada, y conocida como la partícula Dios, en un laboratorio que cabe en la yema del dedo.

Materiales que han cambiado el mundo

En la naturaleza, los materiales se pueden dividir en tres tipos según cómo conducen la electricidad: los conductores, los aislantes y los semiconductores.
El cobre fue, es y seguirá siendo un material estratégico, que se emplea desde la antiguedad. Es el metal no precioso (oro, plata) que mejor conduce la electricidad. El cable que permitió transmitir información de un punto a otro por primera vez estaba hecho de este duradero material que se puede reciclar casi ilimitadamente. También utilizan cobre los cables eléctricos, los componentes de numerosos equipos electrónicos y la mayoría de hilos telefónicos que dan acceso a Internet.
El primer transistor era de germanio, un semiconductor, y fue inventado por John Bardeen, Walter Houser Brattain y William Bradford Shockley en los laboratorios Bell, por lo que recibirían el Premio Nobel. Su desarrollo desembocó en numerosas aplicaciones en el campo de la electrónica, pero fue rápidamente sustituido por el silicio, otro semiconductor mucho más estable y fácil de fabricar. Actualmente, el germanio se emplea en la fabricación de fibra óptica o los equipos de visión nocturna, entre otras aplicaciones.
Hasta ahora, el mejor material para desarrollar los transistores de los chips es el silicio, el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre.
La región al sur de San Francisco, donde se concentran muchas empresas de informática y electrónica, se conoce como Silicon Valley (Valle del Silicio). Sin embargo, este material, que se obtiene de la arena, no sirve para fabricar emisores de luz como el láser, los LEDs o las señales de tráfico, de ahí que se desarrollaran los semiconductores compuestos, como el arseniuro de galio y el nitruro de galio. Los móviles, por ejemplo, combinan varios chips de silicio, arseniuro de galio y nitruro de galio, entre otros componentes


PABLO R DUQUE M
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AVANCES

Avances en electrónica, el nuevo microchip Cell

Las grandes empresas electrónicas están desarrollando nuevos productos que llevan un nuevo microchip revolucionario llamado "Cell". IBM, Sony y Toshiba llevan 3 años colaborando en el desarrollo de Cell, pero hasta ahora se han mostrado reacios a divulgar información relacionado con este nuevo avance que podría revolucionar el sector audiovisual. Hace una semana no obstante, anunciaron que Cell permitirá que los ordenadores y productos electrónicos procesen enormes cantidades de contenido digital y vídeo.

Sony Corp. anunció que comercializará servidores domésticos para sistemas de televisión de banda ancha y alta definición en el año 2006. También está desarrollando una video-consola de próxima generación.

Los detalles técnicos de este nuevo microchip serán divulgados en el Congreso International Solid State Circuits Conference que se celebra en febrero en San Francisco. Hasta ahora solo se sabe que el nuevo chip está compuesto por un procesador interno de potencia 64 bytes, además de múltiples procesadores internos capaces de manejar aplicaciones de banda ancha, incluyendo juegos de vídeo, películas y otro contenido digital.

Según el presidente de Sony Computer Entertainment Inc., los aparatos del futuro integrarán banda ancha para procesar enormes cantidades de imágenes de películas e imágenes digitales.

IBM pretende empezar a fabricar aplicaciones con Cell durante el año que viene en colaboración con Sony, mientras que Toshiba ha dicho que espera lanzar un televisor de alta definición en 2006.


PABLO R DUQUE M
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ETAPA DIFERENCIAL CON FUENTE DE CORRIENTE

Etapa diferencial con fuente de corriente

La etapa diferencial básica tiene varios facotres que la desvían del comportamiento ideal, que sería amplificar únicamente la diferencia entre las dos entradas.
La más importante es que amplifica, aunque en menor valor, la tensión no diferencial. Esto es un problema que reduce las prestaciones. Tener una etapa que amplifica una diferencia y no la parte común puede servir por ejemplo para cancelar los ruidos que se inducen en una línea y que tienen el mismo valor o para amplificar señales de sensores que tienen componentes de DC que no interesan.
Esta habilidad de no amplificar la parte común y sí la diferencial se llama rechazo al modo común (CMRR, common mode rejection ratio), se expresa en dB porque suele ser una cifra alta y se halla mediante la fórmula:
CMRR=Av(dif)/Av(com)
CMRR(dB)= 20·log(Av(dif)/Av(com))
Av(dif) es la ganancia para señales diferenciales y Av(com) la ganancia para señales comunes. Se puede ver que es una proporción entre la amplificación de señal diferencial y la amplificación se señal común.
Debemos decir que esta cifra tiene una importancia crítica en el comportamineto de la etapa cuando se aplique la realimentación negativa porque va a existir una gran componente de señal común, puede ser entre 20 y 100dB mayor que la componente diferencial. No es una garantía de buen funcionamiento por sí sóla pero es una condición necesaria.
Veamos porqué: La corriente que pase por R1 será igual a la tensión que caiga entre los emisores de Q1 y Q2 y -Vcc dividida por el valor de R1. Si varía la tensión en las dos bases también variará en los emisores y esto varía la corriente de polarización de esta etapa. Hemos dicho que la suma entre la corriente de las dos ramas es igual al la corriente de R1, Si I(R1) varía, variará la corriente de las ramas y variarán los voltajes de salida.

Otro problema añadido es que se pueden recoger ruidos de la alimentación. Hemos dicho que la corriente por R1 depende de la tensión de alimentación negativa, -Vcc. Si esta tiene ruido, la corriente también lo tendrá, y la tensión en Rc1 y Rc2 también tendrá ruido. Esto se define mediante otro parámetro llamado PSRR, semejante a CMRR. Una mejora muy importante consiste en sustituir la resistencia R1 por una fuente de intensidad, como la de la derecha. De esta manera aumentan CMRR y PSRR. Ahora la etapa es más diferencial. Y esto se consige únicamente haciendo que la corriente de polarización sea independiente de la tensión de los emisores de Q1 y Q2 y de la tensión de alimentación. Cuanto más perfecta sea esta fuente, mayor CMRR y PSRR. Es ncesario comentar que el resto de las etapas también influye en PSRR y que no tiene porqué ser igual el rechazo al ruido de la alimentación positiva que el de la alimentación negativa.

En un circuito de ejemplo con los 2N3904 y 2mA se obtiene un CMRR de 103dB con una fuente de corriente ideal frente a los 54dB que se obtendrían con una resistencia de 7170 Ohm que suministaría la misma corriente de polarización, y con una tensión diferencial de 0.02Vp.




Pablo Duque
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DOCUMENTO EN PDF

En el siguiente enlace se puede observar un documento extenso sobre espejos de corriente y cargas activas


http://www.scribd.com/doc/14552838/Tema5-Fuentes-de-corriente-y-cargas-activas


Pablo R Duque M
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Espejo de corriente

Introducción

Las fuentes de corriente son ampliamente utilizadas en circuitos electronicos integrados como elementos de

polarizacion y como cargas activas en etapas amplificadoras. Estas fuentes en polarizacion resultan mas

insensibles a variaciones de las tensiones de polarizacion y de la temperatura, y son mas economicas que los

elementos resistivos en terminos de area de ocupacion, especialmente cuando las corrientes son bajas. Las

fuentes de corriente como cargas activas proporcionan resistencias incrementales de alto valor resultando etapas

amplificadoras con elevada ganancia operando incluso con bajos niveles de tensiones de polarizacion. Asi, la

ganancia tipica en tension de una etapa en emisor comun es A

V≈–hfeRC/hie. Para obtener una gran ganancia,

debe utilizarse una R

C muy grande que resulta un solucion inviable en un circuito integrado por dos motivos:

una resistencia de difusion alta ocupa un area prohibitiva y una R

C grande tiene una caida de tension muy

elevada que complicaria la polarizacion del amplificador. Las fuentes de corriente eliminan ambos inconvenientes

y permiten lograr ganancias del orden de 10.000 en una simple etapa con carga de corriente.

5.2.- Espejo de corriente bipolar

La forma mas simple de una fuente de corriente es la basada en un espejo de corriente. El espejo de

corriente esta constituido por una asociacion de dos transistores identicos que tienen la misma tension V

BE tal

como se muestra en la figura 5.1.a. El transistor Q1 esta operando en modo diodo (colector y base

cortocircuitada) y por ello en numerosas ocasiones se puede ver representado segun el esquema de la figura

5.1.b. Ambos circuitos se comportan como una fuente de corriente de valor I

o.

Pablo R Duque M

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ESPEJO DE CORRIENTE

Introducción

Las fuentes de corriente son ampliamente utilizadas en circuitos electronicos integrados como elementos de

polarizacion y como cargas activas en etapas amplificadoras. Estas fuentes en polarizacion resultan mas

insensibles a variaciones de las tensiones de polarizacion y de la temperatura, y son mas economicas que los

elementos resistivos en terminos de area de ocupacion, especialmente cuando las corrientes son bajas. Las

fuentes de corriente como cargas activas proporcionan resistencias incrementales de alto valor resultando etapas

amplificadoras con elevada ganancia operando incluso con bajos niveles de tensiones de polarizacion. Asi, la

ganancia tipica en tension de una etapa en emisor comun es A

V≈–hfeRC/hie. Para obtener una gran ganancia,

debe utilizarse una R

C muy grande que resulta un solucion inviable en un circuito integrado por dos motivos:

una resistencia de difusion alta ocupa un area prohibitiva y una R

C grande tiene una caida de tension muy

elevada que complicaria la polarizacion del amplificador. Las fuentes de corriente eliminan ambos inconvenientes

y permiten lograr ganancias del orden de 10.000 en una simple etapa con carga de corriente.

5.2.- Espejo de corriente bipolar

La forma mas simple de una fuente de corriente es la basada en un espejo de corriente. El espejo de

corriente esta constituido por una asociacion de dos transistores identicos que tienen la misma tension V

BE tal

como se muestra en la figura 5.1.a. El transistor Q1 esta operando en modo diodo (colector y base

cortocircuitada) y por ello en numerosas ocasiones se puede ver representado segun el esquema de la figura

5.1.b. Ambos circuitos se comportan como una fuente de corriente de valor I

o.

 

Definicion de Fuente de corriente

Las fuentes ideales son elementos utilizados en la teoría de circuitos para el análisis y la creación de modelos que permitan analizar el comportamiento de componentes electrónicos o circuitos reales. Pueden ser independientes, si sus magnitudes (tensión o corriente) son siempre constantes, o dependientes en el caso de que dependan de otra magnitud (tensión o corriente).
Las fuentes Ideales de tensión o de Corriente NO dependen de la carga que tengan conevctada.
Las fuentes Reales de tensión o de Corriente, dependen de la carga que tengan conectada.


Fuente de Corriente ideal: aquella que proporciona una intensidad constante e independiente de la carga que alimente. Si la resistencia de carga es cero se dirá que la fuente está en cortocircuito, y si fuese infinita estaríamos en un caso absurdo, ya que según su definición una fuente de intensidad ideal no puede estar en circuito abierto.

Cuando dos o más fuentes ideales de Coriente se conectan en paralelo, la corriente resultante es igual a la suma algebraica de las corrientes de cada una de las fuentes. Cuando la conexión se realiza en serie, las corrientes de las fuentes han de ser iguales, ya que en caso contrario se estaría en un caso absurdo.

Otros caso es el de la fuente de Corriente Real:
una fuente de corriente real se puede considerar como una fuente de intensidad ideal, Is, en paralelo con una resistencia, Rs, a la que se denomina resistencia interna de la fuente.
En cortocircuito, la corriente que proporciona es igual a Is, pero si se conecta una carga, RL, la corriente proporcionada a la misma, IL, pasa a ser:

IL = Is x [{Rs / {RL + Rs}]

resalto que el valor de IL depende de la carga conectada.

En la práctica las cargas deberán ser mucho menores que la resistencia interna de la fuente (al menos diez veces) para conseguir que la corriente suministrada no difiera mucho del valor en cortocircuito.

La potencia se determina multiplicando su intensidad por la diferencia de potencial en sus bornes. Se considera positiva si el punto de mayor potencial está en el terminal de salida de la corriente y negativa en caso contrario.

Al contrario que la fuente de tensión real, la de intensidad no tiene una clara realidad física, utilizándose más como modelo matemático equivalente a determinados componentes o circuitos.



Tratando de resumir los conceptos de fuente de corriente ideal y de fuente de corriente real, se tiene:

* Fuente de corriente ideal es la que tiene una Rint = infinito y produce en la salida una IL = cte.
* Fuente de corriente real es la que tiene una determinada Rint. En esta hay pérdida de corriente. El resto de la corriente va a la carga que es la que se aprovecha.
* Fuente de corriente constante es la que tiene una Rint >= 100RL. La corriente que se pierde por la Rint es como mucho el 1 %, aproximadamente a la ideal, que es el 0 %.

Si tenemos que comparar 2 fuentes de corriente, la mejor será la que tenga una Rint más grande (o sea la más parecida a la ideal, que tiene una Rint = infinito).

ELABORADO POR : Pablo R Duque

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