Dispositivos No Lineales

 

Dispositivos no lineales

Los dispositivos que cumplen con la ley de Ohm se dice que son lineales, refiriéndose a que la relación entre voltaje y corriente es una función lineal, siendo la resistencia una constante. Aquéllos dispositivos que no cumplen con la ecuación la ley de Ohm se denominan en general no lineales. Aun así, es e s posible relacionar el voltaje y la corriente que atraviesa el dispositivo no lineal en una forma similar a la Ley de Ohm, de la forma siguiente: () = (  ( )       donde la resistencia R ya no es más una constante, sino que es una función de la corriente. Existen dos posibilidades de interés:

  R aumenta con la corriente: la gráfica de V vs I será una curva con concavidad



positiva. Ejs: metales.   R disminuye con la corriente: la gráfica de V vs I será una curva con concavidad negativa. Ejs. semiconductores.



Metales 

Un metal es una substancia elemental que está en forma cristalina y es capaz de conducir la corriente eléctrica con facilidad. La conductividad de los metales es una función de la temperatura: a mayor temperatura, la conductividad decrece. Esto puede explicarse dado que, si la temperatura aumenta, la agitación térmica de los átomos constituyentes y de los electrones de conducción aumenta. El resultado es que se dificulta el transporte de carga y la conductividad tiende a disminuir (o equivalentemente, la resistividad aumenta). Dado que un aumento en la corriente en un metal inyecta más cargas, los choques entre éstos y los átomos aumentan la temperatura y así la resistencia del dispositivo. Semiconductores 

Un semiconductor es un material (no necesariamente elemental) que está también en forma cristalina, pero tiene una conductividad eléctrica intermedia entre un metal y un aislante. Se dice que un semiconductor es “intrínseco” cuando se encuentra en estado puro, o sea, que no contiene ninguna impureza, ni átomos de otro tipo dentro de su estructura. En ese caso, la cantidad de huecos que dejan los electrones en la banda de valencia al atravesar la banda prohibida será igual a la cantidad de electrones libres que se encuentran presentes en la banda de conducción. Cuando se eleva la temperatura de la red cristalina de un elemento semiconductor intrínseco, algunos de los enlaces covalentes se rompen y varios electrones

 

pertenecientes a la banda de valencia se liberan de la atracción que ejerce el núcleo del átomo sobre los mismos. Esos electrones libres saltan a la banda de conducción y allí funcionan como “electrones de conducción”, pudiéndose desplazar libremente de un átomo a otro o tro dentro de la propia estructura cristalina, siempre que el elemento semiconductor se estimule con el paso de una corriente eléctrica. El silicio (Si) o el germanio (Ge) cristalino son semiconductores muy conocidos. En forma pura, los átomos de Si o Ge tienen 4 electrones de valencia (tetravalentes) y forman enlaces covalentes con sus átomos vecinos, No obstante, si una pequeña cantidad de átomos de Si o Ge (en el orden de partes por millón o menos) son sustituidos por otros átomos que tengan distinta valencia (trivalencia o pentavalencia), la capacidad de conducción del material aumenta notablemente puesto que la falta de un enlace electrónico (para trivalencia) o el exceso de un electrón (pentavalencia) genera ese aumento. Por otro lado, si al material se le inyecta más carga (más corriente), la temperatura aumenta, pero conductividad crece en lugar de decrecer como en los metales. La explicación tiene que ver con la teoría de bandas de un semiconductor. Cuando a la estructura molecular cristalina del silicio o del germanio se le introduce cierta alteración, esos elementos semiconductores permiten el paso de la corriente eléctrica por su cuerpo en una sola dirección. Para hacer posible, la estructura molecular del semiconductor se dopa mezclando los átomos de silicio o de germanio con pequeñas cantidades de átomos de otros elementos o "impurezas". Generalmente los átomos de las “impurezas” corresponden también a elementos semiconductores que, en lugar de cuatro, poseen tres electrones en su última órbita [como el galio (Ga) o el indio (In)], o que poseen cinco electrones también en su última órbita [como el antimonio (Sb) o el arsénico (As)]. Una vez dopados, el silicio o el “extrínsecos”

germanio seeléctrica. convierten la corriente   en semiconductores

 y serán capaces de conducir

Diodos: calles de un solo sentido en circuitos

Un diodo es un dispositivo electrónico diseñado para conducir corriente eléctrica en una dirección, pero no en la otra. Recuerde que la figura

 

muestra que una bombilla sigue encendida con la misma intensidad cuando la batería a la que está conectada se invierte. Si un diodo (representado por el símbolo → | − ) se agrega al mismo circuito, el diodo evita que la corriente fluya cuando la diferencia de potencial entregada por la batería se invierte

El diodo actúa como una calle de un solo sentido para la corriente.

La figura muestra la corriente contra la diferencia de potencial para un resistor óhmico de 3Ω 3Ω y un diodo de silicio. El resistor obedece la ley de Ohm, donde la corriente fluye en dirección opuesta cuando la diferencia de potencial es negativa. La gráfica de la corriente contra la diferencia de potencial para el resistor es una recta con pendiente Ω). El diodo de silicio está conectado de modo que no conduce corriente cuando 1/3(Ω 1/3( hay una diferencia de potencial negativa. Este diodo de silicio, como la mayoría, conduce corriente si la diferencia de potencial es superior a 0.7 V. Para diferencias de potencial por arriba de este umbral, el diodo es esencialmente un conductor; por debajo de este nivel, el diodo no conduce corriente. El tiempo de encendido del diodo por arriba de la diferencia de potencial crítica aumenta exponencialmente; puede ser casi instantáneo. Un tipo de diodo particularmente útil es el diodo emisor de luz (LED) , que no sólo regula la corriente en un circuito, también emite luz de una longitud de onda única de manera controlada. Se han producido LED que emiten luz de muchas longitudes de onda y lo hacen de manera más eficiente que las bombillas incandescentes convencionales. El flujo luminoso se mide en lumen. Las fuentes luminosas pueden compararse en términos de cuántos lúmenes producen por watt de potencia p otencia eléctrica.

 

El uso universal de iluminación LED podría ahorrar entre 70 y 90% de estos 100 mil millones de kW h, aproximadamente la producción anual de energía de 10 plantas nucleares (~1 GW de potencia cada una). Los LED también se usan en grandes pantallas, en las que se desea contar con una imagen de alta salida de luz. Las figuras

muestran los circuitos que serán usados en las partes A y B del procedimiento. Note que la diferencia entre ellos es el cambio que hay que hacer entre el y el diodo. El sensor de voltaje deberá conectarse para medir    o    , según el caso. Se puede calcular la resistencia del bombillo en cada punto de corriente, simplemente despejando   de la, de modo que:   =

 

 

En el caso del diodo, el cálculo es similar:   =

 