Diodos y Transistores

Articulo leido en el programa Colombiano para Radioaficionados, Domingo 20 Septiembre 2015.

Todos recordamos desde el colegio nos hablaros del físico ruso Dmitri Ivánovich Mendeléyev quien publicó su primera Tabla Periódica de los Elementos Químicos en 1869. Según su propuesta, generalmente aceptada, todos los elementos químicos pueden ser agrupados en 8 grupos que poseen características similares. Los elementos localizado en los primeros grupos; 1, 2,.. se consideran “metales” y son buenos conductores de la electricidad, en cambio lo de grupos altos 7, 8, su comportamiento es no metálicos y no conducen bien la electricidad.
Pero en la mitad de la tabla está el grupo 4 al cual pertenecen el Carbón, Silicio, Germanio Estaño y Plomo. De este grupo el Silicio y el Germanio presentan características especiales muy usadas en electrónica. El Silicio y el Germanio, en estado puro, no son ni buenos ni malos conductores de electricidad por eso han tomado el nombre de Semi-Conductores pero si se contaminan un poquito con elementos del grupo 5 o 3 (de la tabla periódica) mejoran su conductividad y presentan características muy interesantes para la electrónica que se conoce como “electrónica de estado sólido”.

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Fig. 1 Tabla Periodica segun Mendeleyev en 1869. Observe que en el grupo iv esta el Carbon “C” y el Silicio “Si” pero no figura el Germanio (Ge) porque en 1867 no se conocía su existencia pero Mendeleyev lo predijo con el nombre de Eka-Silicio. Este elemento fue descubierto en 1881 y se le dio el nombre de Germanio en honor a Alemania y ayudo a confirmar que las ideas de Mendeleyev eran correctas.

Debido a una mejor estabilidad térmica y menor coste de silicio, en la actualidad se prefiere el uso del Silicio sobre el Germanio, pero al principio de los semiconductores era muy usado el Germanio.
Cuando un semiconductor puro se mezcla (alea) con una pequeñísima parte del Galio o indio (elemento del grupo 3), se dice que el semiconductor se ha “dopado” y el nuevo elemento se llama Semiconductor tipo P, en cambio si se dopa con un elemento del grupo 5: Arsénico o Antimonio, el semiconductor se llama de tipo N.
Si ponemos en contacto un semiconductor tipo P con otro tipo N se forma lo que se denomina un DIODO y tiene la propiedad que la electricidad puede fluir en un sentido pero es nula en sentido inverso. Esta propiedad permite usar los diodos de semiconductor como elementos rectificadores de corriente.

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Fig 2. Diodo semiconductor

En otros términos decimos que un diodo semiconductor es simplemente una unión (juntura) de un semiconductor tipo P con otro N, se llama diodo por su similitud a los diodos hechos con tubos de vacío ya que su comportamiento es similar y su uso primario era la rectificación de corriente. Con el tiempo han aparecido diodos de semiconductores con comportamientos eléctricos muy interesantes:
Existen unos diodos llamados Zener, los cuales se polarizan en el sentido inverso a su conducción, pero si el voltaje inverso sobrepasa cierto valor predeterminado, el diodo entra en conducción. Como el voltaje a que entra en conducción es muy exacto, los diodos Zener son usados como reguladores de voltaje.

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Fig 3. Diodo Zener.

Hay unos diodos llamados Túnel porque cuando están funcionando en el sentido de conducción y el voltaje directo es pequeño, el diodo presenta características de resistencia negativa debido a un fenómeno físico llamado efecto Túnel.
¿Pero que es resistencia negativa?
En una resistencia normal, si nosotros aumentamos el voltaje aplicado a la resistencia entonces la corriente aumenta debido a la ley de Ohm I = V/R. Pero, hablamos de resistencia negativa de un dispositivo cuando un aumento de voltaje aplicado nos produce una disminución de la corriente, es decir lo contrario al efecto de una resistencia. . Pues resulta que un diodo Túnel presenta características de resistencia negativa que en cierta manera lo podemos asociar a un amplificador (lo contrario de atenuar) y lo hace muy útil como oscilador y amplificador de radiofrecuencia de muy bajo ruido.

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Fig 4. Diodo Tunel y su caracteristica.

Hay otro tipo de diodo llamados Schottky. En los diodos normales existe un retardo entre un diodo que está en estado de no conducción pasa a conducir o viceversa, esto limita el uso de los diodos a frecuencias elevadas (VHF, UHF y microondas), en cambio los diodos Schotky pueden hacer transiciones mucho más rápidas permitiendo su uso en frecuencias muy elevadas.

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Fig 5. Extructura del diodo Schottky y su simbolo.

Por último mencionaremos los LED o “Diodos Emisores de Luz” Light Emmiting Diode que son diodos de semiconductor adaptados para que cuando pase corriente por la unión PN emita luz en el espectro de luz visible y su utilización está en aumento.

Así como la unión de un semiconductor tipo P con otro tipo N crean un Diodo, la combinación de tres elementos P y N producen lo que se llama un Transistor. Un transistor presenta características eléctricas muy similares a los tubos electrónicos (tríodos, tetrodos, pentodos) que paso a sustituirlo.

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Fig 6. Diodos LED

Con tres elementos P o N podemos hacer dos configuraciones básicas: Combinación PNP o NPN por lo cual existen dos tipos de transistores llamados precisamente PNP o NPN. Los tres contactos de estos elementos se llaman Emisor, Base, y Colector. El emisor y colector utilizan semiconductor del mismo tipo, pero la base es de semiconductor del otro tipo a emisor y colector.
Los transistores de tres contactos: emisor, Base, Emisor, hechos con material semiconductor tipos N y P se conocen como Transistores Bipolares y como se hace juntando elementos semiconductores entonces su nombre mas exacto son Transistores Bipolares de Juntura o en ingles inglés bipolar junction transistor, o sus siglas BJT

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transistor-middot-how-does-aFig 7. Transistores y su simbolo.

Los transistores bipolares fueron inventados en los Laboratorios Bell que era el centro de desarrollo de la compañía Norteamericana de teléfonos ATT por John Bardeen y Walter Brattain bajo la dirección de William Shockley, en diciembre de 1947. Los primeros transistores se construían utilizando un semiconductor tipo N, la base, al cual se tocaba con dos electrodos metálicos muy finos y poca distancia. Después de construido se le aplicaba una corriente eléctrica elevada que provocaba que la región cercana al electrodo se dopaba pasando a ser de tipo P, de esta forma se creaba el emisor y colector para posterior uso. Los transistores hechos de esta forma se denominan transistores de punta de contacto pero ya no se fabrican de esta forma.

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Fig 8. El primer transistor

Hay otro tipo de transistor de arquitectura diferente a los bipolares. Estan construido de una barra de material semiconductor tipo P o N alimentada en corriente en sus dos extremos. Un terminal se llama en ingles Source que significa fuente y el otro estremo se llama Drain o drenaje. En la mitad de la barra, entre Source y Drain se conecta un electrodo metálico aislado de la barra que se llama Gate o compuerta en español. Entre el source y el Gate se aplica un voltaje. A pesar que el Gate no está unido eléctricamente a la barra el voltaje aplicado genera un campo eléctrico que afecta el flujo de electrones que van de Souce a Drain. Esto se comporta como si la resistencia existente entre Source y Drain es afectada por el voltaje de la Gate.
Este tipo de transistores se llaman Field Effect Transistor o FET que se traduciría como Transistores de Efecto de Campo ya que su funcionamiento es debido al efecto del campo eléctrico generado en la Gate. La barra que conecta el Souce y el Drain se llama el substrato y puede ser de tipo P o N, es decir que existen FET de sustrato P o substrato N.

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Fig 9. Transistor de Efecto de Campo FET y su simbolo.

Hay algunas buenas propiedades para los transistores FET, primero que todo el substrato puede ser un pequeño bloque de material semiconductor al que se le agrega los terminales S y D y la Gate seria pequeños contactos metálicos colocados sobre la superficie del bloque. Esto facilita la construcción de circuitos integrados en la cual se incorporan ciento y millones de transistores sobre un substrato común. Otra ventaja es que como la Gate esta aislada del sustrato su resistencia se considera muy elevada o lo que se dice que su impedancia de entrada es muy elevada lo cual tiene su importancia en la construcción de circuitos.
En un FET clásico el gate es una superficie metálica separada del substrato por una capa de material aislante pero hay otros transistores que el Gate se construye como si fuera un diodo o juntura de material contrario al substrato. Estos transistores se denominan en ingles Juntion FET abreviados JFET o en español diríamos FET de Juntura.
El desarrollo de los transistores han creado otro tipo de transistor que funcionan por el mismo efecto de campo de los FET pero con algunos detalles constructivos diferentes. El sustrato es de semiconductor puro, el source y el drein se construye con un material dopado N o P. Entre S y D donde se encuentra el semiconductor no dopado se superpone la Gate separado del substrato por un material que lo denominan Metal Oxido Silicio por lo cual estos transistores se conocen como MOS, mas exactamente MOSFET.Si S y D son de tipo P se denominan de Canal P y si S y D son N entonces tendremos transistores de canal N.

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Fig 10. Estructura y simbolo del MOSFET

Es posible conectar un MOSFET de canal P con otro de canal N y hacerlos trabajar como si fuera una sola unidad. Estos montajes se llaman Complementarios y dan origen a otros tipos de dispositivos denominados CMOS FET
Una característica de los CMOS-FET es que dependiendo del voltaje de Gate la resistencia entre Source y Drain cambia entre casi 0 (cero) a un valor casi infinito, es decir que un CMOSFET se comporta como un switch casi perfecto controlado por el Gate. Esto ha permitido construcción de circuitos impensables en otras épocas.

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Fig11. Extructura y simbolo de CMOS FET.

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HK6G PROPAGACION

Participacion del colega Roberto Lopez HK6G/3 en el programa Colombiano para Radioaficionados del Domingo 20 de Septiembre 2015.

La propagacion de ondas de radio es un tema muy complejo y depende:

Coontexto.: Cuando hay Concursos y este termina se opina que las condiciones se dañaron lo que no es cierto lo que pasa es que no hay estaciones transmitiendo, lo mismo pasa con las Cadenas.
Ruido: Caso grandes ciudades
Ubicación geográfica: Hemisferio norte, hemisferio sur, región tropical propagación Ecuatorial, propagación norte sur, ecuatorial. Corta distancia, larga distancia.

Portales de Internet comúnmente usadas:

Casi todos el mundo se refiere a el cuadrito que aparece en (por ejemplo QRZ.com)

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Esta solo se refiera a algo muy general y para América del Norte. Pero frecuentemente se usa para generaalizar.
Mejor ir a la página de origen en:
http://www.hamqsl.com/solar3.html#hfprop

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En esta página aparece un mapa mundial que se crea en el momento que se abre la página en el cual se puede ver Colombia y que frecuencia se puede utilizar para un comunicado ustedes podrán con el tiempo estimar si una banda estará abierta dentro de poco.

También hay un mapa de propagación interesante y fácil de usar en:

http://dr2w.de/dx-propagation/

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Esta página es interactiva y da la propagación de la hora actual (UTC) Se puede elegir el continente, la banda y dibujará el mapa de propagación correspondiente, mientras más rojo mas probabilidades de obtener un comunicado.

Otro mapa fácil de usar es:

http://www.voacap.com/prediction.html

VOACAP (Voice of America Coverage Analysis Program)

Finalmente:
Se puede tener un mapa de propagación centrado en vuestro QTH instalando un programa que a través de Internet se sincroniza con VOACAP para obtener los datos de propagación y calcular vuestro mapa.

Este programa se llama:
GCMWIN de SM3GSJ (Great Circle Maps) del Suizo Roger Hedin SM3GSJ

Este es un programa gratuito para Windows que se puede bajar de:
http://qsl.net/sm3gsj/

Seguir instrucciones en la página, programa difícil de instalar, también hay que bajar el programa para acceder a la base de datos de VOACAP. Trabaja a nivel de DOS.

Algebra de Boole

Articulo leído en el Programa Colombiano para Radio aficionados, el domingo 13 de Septiembre 2015.

George_Boole
A principio del siglo 19, cuando en Colombia estábamos en la guerra de independencia y gobiernos de Bolívar y Santander, en Europa vivieron algunos grandes matemáticos que desarrollaron ideas y conceptos que ahora en el siglo 21 permiten el desarrollo de la electrónica. En esa época, principio del siglo 19, vivieron Jean-Baptiste Joseph Fourier quien desarrollo la teoría de transformación con la idea de resolver el problema de como el calor se propaga a través de un sólido, el trabajo de Fourier ha sido usado últimamente para hacer equipos electrónicos para manjar radio y sonido. Otro matemático de esa época fue Clark Maxwell quien al tratar matemáticamente el efecto de la electricidad y magnetismo le permitió conocer la existencia de las ondas electromagnéticas que ahora permite la existencia de la radio.
La lista de matemáticos es larga pero hoy quería referirme a un matemático ingles de la época llamado George Boole quien nació en Inglaterra en 1815 y murió en Irlanda en 1864 a los 49 años. En su juventud se interesó por la religión y quiso ser monje pero los problemas económicos lo llevaron a ser maestro de matemática. Su interés por las matemáticas y la teología lo motivo a crear una lógica basada en leyes matemáticas.
La idea central de su pensamiento era usar solo dos magnitudes: cero o uno, verdadero o falso, el universo o la nada, etc. Dos magnitudes en oposición a el resto de la matemáticas que utilizan mas magnitudes: en geometría usamos 3 magnitudes (alto, largo, profundidad), en aritmética se utiliza base 10, 12 o 60, etc.
Con la idea de dos magnitudes, Boole desarrollo reglas al estilo matemático para relacionar estas dos magnitudes que a su vez dan resultado en dos magnitudes. A este nuevo desarrollo matemático se llamó “algebra de Boole” o algebra Booleana.
George Boole escribió un libro titulado “An Investigation of the Laws of Thought on Which are Founded the Mathematical Theories of Logic and Probabilities” algo asi como “Una investigación de las leyes del pensamiento sobre los cuales están fundados la teoría matemáticas de la lógica y las probabilidades. Un título largo pero fundamental en el desarrollo de las matemáticas modernas.
Al principio, la algebra booleana parecía más un juego de palabras pero con el tiempo tomo su importancia y ha sido la herramienta que ha permitido la construcción de los computadores. Ahora podemos decir que un computador es una máquina que maneja algebra booleana.
Como ya hemos dicho, en la algebra de Boole manejamos dos magnitudes únicamente: cero y uno o equivalentes cierto y falso que son conceptos de lógica. Además Boole relaciono palabras del lenguaje cotidiano a reglas matemáticas para manejar estas dos magnitudes.
En el lenguaje cotidiano usamos dos palabras que se usan para conectar otras palabras: Estas palabras en español son la “o” y la “y” y hacen parte de lo que en gramática se llaman “conjunciones”. Con estas dos conjunciones hacemos frases como “Pedro y Juan” o “Pedro o Juan”. En la primera frase “Pedro y Juan” estamos diciendo que los dos personajes Pedro y Juan deben estar presentes para que la expresión sea correcta. Si uno de los dos o los dos faltas, la expresión es incorrecta, es decir falsa. En cambio cuando decimos “Pedro o Juan” la expresión es correcta con solo uno de los dos nombre, para ser falsa se requiere que ninguno de los dos esté presente.
En el lenguaje hablado no es siempre preciso y depende de la actitud o el contexto en que se habla, por ejemplo a veces se habla en lenguaje figurado o en sentido irónico y las palabras pueden tener significados diferentes.
La idea de Boole con su algebra fue asimilar las dos conjunciones “y” y “o” a operaciones matemáticas regidas por la ley que las defines. En matemáticas tradicionales existen dos operadores: la suma y la resta regidas por unas reglas que se presentan generalmente como unas tablas que conocemos como “las tablas de sumar” o de restar: 1+1 = 2, 1+2=3, 1+4=5,…, etc.
Pues bien, según Boole, “y” y “o” son operadores en su nueva algebra definidos por tablas que se llaman tablas de verdad y son relativamente simples:
TablaOR_08309 TablaAND_08309
Para la Y: Si los dos ciertos el resultado es cierto, en otro caso, si uno o los dos son falsos) el resultado es falso. Para la operación O, si al menos uno de los elementos e cierto, el resultado es cierto. La operación será falsa solo si todos los elementos son falsos.
El idioma ingles se ha convertido en el idioma preferido para el manejo de la ciencia entonces la palabra Y en español es AND en inglés y la palabra O es en ingles OR. Por ese motivo cuando hablamos de algebra de Boole se prefiere usar las expresiones AND u OR.
Boole agrego otra operación a su algebra tomada también del lenguaje cotidiano. Es la palabra NO que corresponde a la negación. La nueva regla es que si algo es verdadero, el resultado de su negación será falso y si es falto su negación es verdadero.
El álgebra de Boole se basa en el uso de dos magnitudes y tres operaciones para generar una lógica parecida al idioma cotidiano pero con la rigidez dada por leyes matemáticas.
En el lenguaje cotidiano tenemos “proposiciones” (o frases) las cuales pueden ser ciertas o falsas lo cual puede asociarse a las funciones matemáticas (ecuaciones en algebra) las cuales dan un resultado. Una palabra usada para iniciar un proposición es la palabra SI: Si Pedro y Juan están o la otra “Si Pedro o Juan están”.
Hay una sutileza en el idioma español: La misma palabra SI tiene dos significados, la usamos para indicar afirmación, ejemplo Pedro si es católico, pero SI tiene significado de condición en la frase “Si Pedro es católico”, en este caso estamos proponiendo una condición que puede ser cierta o falsa. En el idioma ingles no existe esta dualidad de palabra, el Si como afirmación es la palabra YES y el si como condición es la palabra IF.
En algebra booleana se utiliza el SI condicional, es decir la palabra IF y va acompañada generalmente de otra palabra ENTONCES, (en inglés THEM). En los ejemplos tomados del lenguaje cotidiano hemos dicho Pedro y Juan como caso particular, es decir son los elementos de nuestra conversación, al asociarlo con el álgebra en donde se manejan variables podríamos decir que en el lenguaje usamos dos personas (Pedro y Juan) que son variables en Algebra. Para ilustrarnos pongamos unos ejemplos:
Decimos Si Pedro y Juan están, entonces hay once jugadores. Significaría que hay 9 jugadores y se necesita de ambos (Pedro y Juan) para que la frase sea cierta.
Pero también podemos decir Si perona1 y persona2 están entonces hay 11 jugadores. Es una forma más general de hablar, no nos referimos a Pedro ni a Juan, es sobre dos personas en forma genérica.
Para anotarlo como algebra diríamos Si A y B están entonces hay 11 jugadores.
Bueno, he estado hablando de un juego de frases que utilizan unas pocas palabras: Y, O, NO y SI condicional con los cuales George Boole creo una algebra que muchos años después ha sido transcendental para el desarrollo de la electrónica. ¿Porque?
Los valores 0 y 1 se simulan en electricidad por la presencia o no de electricidad. En la actualidad los circuitos electrónicos se consideran 0 voltios como 0 y 5 voltios como 1, esto es común en circuitos que utilizan transistores y se conocen como circuitos TTL que significa Transistor, transistor Lógica, pero en circuitos más recientes utilizan transistores de efecto de campo llamados C-MOS porque están hechos de uniones Metal Oxido Silicio (MOS) que consumen muy poca corriente y trabajan con un voltaje más bajo y el “1” se considera de 3.3 voltios.
Las operaciones AND (y) y OR(o) pueden ser simulados con simple circuitos de resistencias, diodos y transistores llamadas compuertas en ingles GATES. En la actualidad un computador depende de un procesador (llámese Intel, AMD, etc) que no es otra cosa que una colección de millones de compuertas para que realicen procesos OR, AND o NO.
Con el uso de un lenguaje parecido al que hablamos y utilizando unas poquísimas palabras (IF, OR, AND, NO,…) y siguiendo las ideas de la algebra booleana se puede lograr un conjunto de operaciones lógicas que nos llevan a resolver problemas usando la lógica. Esta forma de escribir textos siguiendo el álgebra de Boole y en un lenguaje muy parecido a nuestra forma de hablar se llama simplemente SOFTWARE y los circuitos que forman las compuertas para OR y AND se llama HARDWARE.
Estas dos palabras Software y Hardware son los constituyentes de todos los equipos electrónicos de última generación y todo es herencia de la algebra ideada por George Boole en el siglo 19.