7440452 Enciclopedia de Electronic a Basica Tomo 4

8/6/2019 7440452 Enciclopedia de Electronic a Basica Tomo 4

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ISBN: 987-1116-10-1


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Prlogo

La Enciclopedia de Electrnica Bsica, es unaobra de 6 tomos acompaada de CDs MULTIME-

DIA y bibliografa adicional que se puede bajargratuitamente desde Internet con las clavesdadas en diferentes prrafos de cada tomo yde los CDs.

La Enciclopedia tiene como objeto mostrar lasbases, leyes y postulados de la electricidad yla electrnica adems de introducir al lectoren esta disciplina que abarca varias ramas ya

sea en la electrnica analgica como en la di-gital.

Esta enciclop[edia posee temas que se desa-rrollan tambin en el CD Enciclopedia Visualde la Electrnica y en Teora Servicio y Mon-tajes. Esto es as porque los postulados de laelectrnica son siempre los mismos y emplea-mos igual bibliografa para cada caso. Sin em-bargo, en la medida que avanza la obra, notar

que la que est leyendo en estos momentosest dirigida a que Ud. aprenda electrnica

mientras que Teora, Servicio y Montajes estorientada a los tcnicos reparadores. Por otraparte, en los CDs de esta Enciclopedia encon-trar abundante material prctico que no po-see la Enciclopedia Visual. Por lo dicho, acla-ramos que son tres productos creados con di-ferentes objetivos aunque algunos de los te-mas tratados sean los mismos.

2 Curso de Electrnica Bsica de Saber Electrnica

IndiceyPrlogo

INDICE

DIODOS Y TRANSISTORES .......................................3

Introduccin...................................................................3

El Atomo........................................................................3

Diferencias Entre Metales y Semiconductores.............4

Bandas de Energa .......................................................5

Generacin de Impurezas.............................................6

La Juntura P-N..............................................................6

Caracterstica Tensin-Corriente de un Diodo..............8

Tensin de Umbral........................................................9

Diodo Zener ..................................................................9

Diodo Emisor de Luz-LED ..........................................10Diodo de Capacidad Variable .....................................10

Transistor de Juntura Bipolar......................................10

Variacin de hFE con IC.............................................13

Curva Caracterstica de Salida ...................................14

Polarizacin.................................................................14

LOS REGULADORES DE TENSION ........................17

Introduccin.................................................................17

Regulador de Tensin Patrn .....................................18

Regulador Fijo con Mayor Tensin de Salida .............18

Aumentando la Tensin de Salida con Zener.............19Tensin de Salida Ajustable con CI Regulador Fijo....19

Fuente de Corriente Fija .............................................20

Fuente de Corriente Ajustable ....................................20

Cmo Aumentar la Corriente de Salida ......................20

Reguladores 78XX en Paralelo ..................................20

Regulador de Tensin Fijo de 7A................................21

Regulador de 7A con Proteccin contra Cortos .........21

Regulador Ajustable Utilizando CIs 7805 y 741 .........21

Fuente de Tensin Simtrica Utilizando CI 78XX.......22

CONTENIDO DEL CD N 4........................................22

Programas ACROBAT READER y

WINDOWS MEDIA PLAYER.......................................23

Video Presentacin.....................................................23

Enciclopedia Visual Parte 4 ........................................23

Curso de Electrnica con Prcticas 4.........................23

Video Manejo del Osciloscopio II................................23

Historia de la Electricidad y la Electrnica..................23

30 Diagramas de Equipos Electrnicos......................23

Utilitarios .....................................................................24

Curso de Tcnicas Digitales .......................................24


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DIODOS Y TRANSISTORES

Introduccin

Como los electrones obedecen a ciertas leyes bsicas, su comportamientopuede predecirse y controlarse con bastante precisin. De hecho, la elec-trnica se basa en la capacidad que tiene el hombre para predecir y contro-lar los movimientos de los electrones, y cuya finalidad es la produccin deun sistema que transfiera o transforme energa en cualquiera de sus for-mas.Algunas propiedades de un electrn son bien conocidas: la masa de unelectrn, que es de 9,1066x10-31 kg, es la partcula finita mensurable mspequea conocida de materia. La carga de un electrn es de 1,602x10 -19

coulomb y es la unidad de carga elctrica ms pequea que se conoce.

Adems, se pueden observar ciertos efectos del electrn. Por ejemplo, latrayectoria de un electrn puede verse, bajo ciertas condiciones, con el em-pleo de una cmara de niebla, o bien se pueden obtener registros perma-nentes de algunas trayectorias electrnicas, si se utilizan mtodos apropia-dos. Tambin, determinados materiales emiten destellos ms visibles cuan-do sufren el impacto de un electrn, en consecuencia es posible ver el pun-to del impacto de los electrones.El uso eficiente de los dispositivos electrnicos de estado slido requierepor lo menos de un conocimiento superficial de las propiedades fsicas enque se basa su operacin. Estos conocimientos debern permitir al tcnicocomprender y usar eficazmente los mltiples dispositivos que con toda cer-teza habrn de ser desarrollados en el futuro.

El Atomo

El modelo del tomo de Bohr se refiere a una disposicin adecuada de elec-trones que giran en rbitas circulares alrededor de un ncleo integrado porprotones y neutrones. Dicho modelo ser utilizado para ayudar a la visuali-zacin de los principios bsicos.

Los diagramas del modelode Bohr de algunos tomosinteresantes se muestran

en la figura 1. El tomo mssimple es el de hidrgenoque tiene un electrn plane-tario y un ncleo consisten-te de un protn.Los tomos tetravalentes(cuatro electrones en la ca-pa exterior, deducibles porconsideraciones energti-cas de sus niveles y subni-veles electrnicos) son decierto inters para el estu-dio de los semiconductores.El ms simple de stos es

Curso de Electrnica Bsica de Saber Electrnica 3

DiodosyTransistores

El uso eficiente de los dispositivos

electrnicos de estado slido re-quiere por lo menos de un conoci-

miento superficial de las propieda-

des fsicas en que se basa su ope-racin.

Estos conocimientos debern per-

mitir al tcnico comprender y usareficazmente los mltiples disposi-

tivos que con toda certeza habrnde ser desarrollados en el futuro.

Figura 1


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el carbono, que tiene seis electrones planetarios y seis protones en el n-cleo. Los dos electrones ms prximos al ncleo forman lo que se conocecomo una cubierta cerrada.Esto significa que slo pueden acomodarse dos electrones en ese nivel deenerga.Los cuatro electrones exteriores se conocen como electrones de valencia,y son los que determinan la actividad qumica del material. Respecto de es-tos electrones de valencia originalmente se consideraba que ocupaban elmismo nivel de energa; sin embargo, investigaciones y estudios ms pro-fundos han revelado que la rbita de valencia est separada por lo menosde dos niveles, con dos electrones en el nivel o subgrupo ms bajo.La capa externa debe tener cuatro electrones adicionales para completar larbita. Este comportamiento se puede observar en el diagrama del tomode silicio que, como el de carbono, tiene cuatro electrones de valencia, pe-ro tiene una capa completa entre la capa interior y la de valencia. Las pro-piedades qumicas del silicio son similares a la del carbono.Otro elemento pertenenciente a este grupo es el germanio, que posee trein-ta y dos electrones orbitales, incluidos cuatro electrones de valencia; tiene

dos rbitas llenas entre las rbitas externa e interior.El estao, que pertenece al mismo grupo, y cuyo nmero de electrones esigual a cincuenta, es otro tomo tetravalente. Tiene completas las subca-pas, a excepcin de la ms externa, que slo posee dos de los seis electro-nes posibles.

Diferencias Entre

Metales y Semiconductores

A pesar de las similitudes vistas entre los cuatro elementos mencionados,el carbono en forma cristalina (diamante) es desde el punto de vista de sucomportamiento elctrico, un aislante. El silicio y el germanio son semicon-ductores, y el estao es un metal conductor.Por lo dicho, la mayora de los conductores slidos de la electricidad sepueden clasificar como metales o como semiconductores. Cabe recordarque a un mal conductor de la electricidad se lo denomina aislante, mientrasque un conductor excelente es un metal. Por lo tanto, las sustancias cuyaconductividad est entre estos dos extremos son denominadas semicon-ductores.La corriente elctrica es debida al desplazamiento de cargas (electrones)

en el interior de un material, por eso, ser necesario hacer una diferenciafundamental entre un metal y un semiconductor. Los semiconductores con-ducen la corriente por medio de dos modos distintos e independientes delmovimiento de los electrones. Uno de ellos puede describirse como la cir-culacin de cargas negativas mientras que el otro debe describirse como lacirculacin de cargas positivas.En cambio los metales slo conducen por medio de portadores de carga ne-gativa, es decir que no existen portadores mviles de carga positiva. Dichode otra forma, la corriente en un metal podr desplazarse en cualquier di-reccin, mientras que en un semiconductor, depender de varios factorescomo ser la disposicin de las cargas, la diferencia de potencial, etc.Por ltimo diremos que cualquier material podr clasificarse en una de las

tres clases mencionadas: Aislantes, Metales o Semiconductores, depen-der sobre todo de lo que se denomina estructura de su banda de energa.


DiferenciasEntreMetalesySemiconductores

El modelo del tomo establece una

disposicin adecuada de electro-nes que giran en rbitas circularesalrededor de un ncleo integrado

por protones y neutrones.

El tomo ms simple es el de hi-drgeno que tiene un electrn pla-

netario y un ncleo consistente deun protn.

Los tomos tetravalentes (cuatroelectrones en la capa exterior, de-

ducibles por consideracionesenergticas de sus niveles y sub-niveles electrnicos) son de cierto

inters para el estudio de los se-miconductores.

El ms simple de stos es el carbo-no, que tiene seis electrones pla-

netarios y seis protones en el n-cleo. Los dos electrones ms prxi-

mos al ncleo forman lo que se co-noce como una cubierta cerrada.


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Bandas de Energa

Al estudiarse la formacin de lostomos y en particular en el anli-sis del tomo de Bohr, se compro-b que los niveles de energa que

podrn ocupar los electrones sondiscretos. Esto significara que so-lamente podran existir determina-dos niveles de energa permiti-dos. Todos los otros niveles estnprohibidos.Los niveles de energa de los elec-

trones de un tomo individual se modifican por la presencia de otros tomosen las proximidades.Como ejemplo podemos citar un electrn asociado con un tomo tal comose ve en la figura 2, comprubase que se ve afectado por las distribucionesde cargas de los tomos vecinos.Al disminuir la distancia entre los tomos, los niveles de energa de cadaelectrn se ven cada vez ms afectados por las distribuciones de carga delos tomos vecinos. Como consecuencia, los niveles de energa discretosdel electrn de los tomos distanciados cambian a bandas de energa cuan-do hay otros tomos en las cercanas. Los metales son buenos conducto-res porque poseen grandes concentraciones de electrones libres o mviles.Cada tomo del metal contribuye slo con uno o dos electrones de valen-cia, estimndose unos 1023 electrones libres por cada centmetro cbico detoda la estructura. Estos electrones podran considerarse como constitu-yentes de una gran nube o mar de portadores de carga libres y se distribu-yen en forma uniforme en el volumen que ocupa el metal.

Por lo tanto, los electrones de valencia son mviles o libres en el sentido deque no estn vinculados a los tomos del metal. Pueden moverse libremen-te por el volumen de ste. Asimismo, cabe sealar que un metal es elctri-camente neutro, porque la carga negativa de los electrones est equilibra-

da exactamente por la carga positivaasociada a los ncleos.No obstante, como el tomo permane-ce en una posicin fija dentro de la es-tructura, la conduccin en los metaleses debida al proceso de un solo tipo deportadores: las cargas negativas.En un metal, con la influencia de un

campo elctrico, los electrones puedenadquirir una energa adicional y cam-biar a niveles ms elevados. Ya que es-tos electrones mviles constituyen unacorriente, este material es conductor yla regin parcialmente llena, es la ban-da de conduccin.En un aislante, la energa que se le po-dr suministrar es demasiado grandepara llevar la partcula desde la bandade valencia a la banda vaca o de con-

duccin.En un material semiconductor encon-


BandasdeEnerga

La capa externa de un tomo debe

tener cuatro electrones adiciona-les para completar la rbita. Este

comportamiento se puede obser-var en el diagrama del tomo de si-licio que, como el de carbono, tie-

ne cuatro electrones de valencia,pero tiene una capa completa en-tre la capa interior y la de valencia.

Las propiedades qumicas del sili-cio son similares a la del carbono.

Figura 2

Figura 3


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tramos que la anchura de la banda prohibida es relati-vamente pequea. Las diferencias de estructuras debandas de energa de estas tres clases de materialesse observan en la figura 3.

Generacin de ImpurezasUn material semiconductor impuro puede ser denomi-nado semiconductor extrnseco; tal es el caso del si-licio o del germanio, a los que se les ha agregado un pe-queo porcentaje de tomos trivalentes o bien de to-mos pentavalentes.Cuando se aaden intencionalmente tomos de impure-zas, se dice que el conductor est contaminado. Co-mo resultado de la modificacin introducida podra es-perarse que las impurezas alteraran los niveles de ener-ga y, por ende, cambian la conductividad de la estruc-tura cristalina.Los metales son buenos conductores de la electricidad,ya que tienen resistividades elctricas menores que las de los gases, lqui-dos y slidos no metlicos. La conductividad de un semiconductor puedeaumentarse si se incorporan pequeas cantidades de ciertas impurezas alcristal.Por ejemplo, si se agregan unas cuantas partes por milln de tomos quetienen cinco electrones de valencia (tales como arsnico o antimonio), lostomos de impurezas contaminan la estructura del cristal reemplazando alos tomos, ya sean de germanio o de silicio (figura 4).De la misma forma, si se introduce una cantidad pequea de una impureza

trivalente a un semiconductor perfecto o intrnseco, cada tomo de dichaimpureza se ajusta en la estructura cristalina, obsrvese que en este casocarece de electrones necesarios para completar las uniones o enlaces co-valentes (figura 5).Cada tomo de impureza suministrar un electrno un huecosegn setrate. Si el cristal es impurificado con tomos pentava-lentes, se conoce como material tipo n; mientras que sise le agregan impurezas trivalentes, tales como el indioo galio, se conoce como material tipo P, debido a quela conduccin principalmente se realiza por huecos y,en este caso, se denominan portadores mayoritarios.

La Juntura P-N

Decimos que diodo es un elemento electrnico por elcual circular la corriente en una direccin, mientrasque no permitir el paso de dicho flujo en la direccinopuesta.Este dispositivo se forma cuando se combina una obleade semiconductor tipo N con una oblea de semiconduc-tor tipo P.La figura 6 ilustra la accin de la juntura P-N. El mate-

rial denominado P contiene un porcentaje extremada-mente pequeo (del orden de 0,00011%) de tomos im-


Generacin deImpurezas

El silicio y el germanio son semi-

conductores, y el estao es un me-tal conductor.

Figura 4

Figura 5


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puros (con una valencia +3). Estos to-mos tambin llamados aceptores estnrepresentados en la figura 7 como cr-culos con signos negativos. Con cadatomo aceptador se observa un huecorepresentado con un signo positivo.Por otro lado, en el material N de la fi-gura 6 se tienen los tomos de valen-cia +5, representados por los crculoscon signo positivo. Los electrones li-bres, debidos a estos tomos denomi-nados donores, se muestran con lossignos negativos. Es importante hacernotar que tanto la oblea de material Pcomo la de material N son elctrica-mente neutras.Ocurre una redistribucin de cargascuando las dos obleas de materiales

semiconductores se conectan. Algunosde los electrones libres del material Nse transfieren al material P y se produ-ce un fenmeno de recombinacin conlos huecos en exceso.A su vez algunos de los huecos del ma-terial P viajan al material N y se recom-binan con electrones libres.Como resultado de este proceso, el

material P adquiere una carga negativa; y el material N una carga positiva.Esta redistribucin de cargas se muestra en la figura 7.El proceso por el cual las cargas cruzan la juntura se denomina difusin, y

como consecuencia, a ambos lados de la juntura se forma una regin o zo-na de carga espacial por la cual se formar una diferencia de potencial atravs de dicha juntura.La rotura del equilibrio en una juntura P-N ocurre generalmente mediantela aplicacin de un potencial externo.En la figura 8 se visualiza el efecto de dicho potencial sobre la juntura.En el diagrama 8.A la juntura sin polarizacin est en equilibrio. Consecuen-temente la corriente que atraviesa la juntura debe ser nula, pues el circuitoest abierto.En el diagrama 8.B, la polarizacin directa disminuye la barrera de poten-cial de la juntura. La corriente externa del circuito ser, por consiguiente,


La Juntura P-N

Cada tomo de impureza suminis-

trar un electrn o un hueco segnse trate.

Figura 6

Figura 7

Figura 8


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muy grande. En el diagra-ma 8.C, la polarizacin in-versa externa aumenta labarrera de potencial de la

juntura, slo quedar enel circuito una corrienteprcticamente nula, deter-minada por los portadoresminoritarios, que darnlugar a la corriente inver-sa del diodo.La caracterstica principalde una juntura P-N es lade que constituye un recti-ficador que permite un flu-

jo fcil de cargas en unadireccin, pero que seopone a la circulacin en

la direccin opuesta. Con-sideremos ahora cualitati-vamente la accin comorectificador:Con polarizacin inversa(ver figura 9), la polaridadde la unin es tal que tien-de a alejar los huecos (olagunas) del material P, ylos electrones del material N de la juntura. Ahora, la barrera de potencial enla juntura reduce el flujo de portadores mayoritarios (huecos en la regin Py electrones en la regin N). Se establece, por lo tanto, una pequea co-

rriente que se denomina corriente inversa de saturacin y se la designa co-mo Is. La corriente Is se incrementar con el aumento de la temperatura,pero ser independiente de la tensin inversa aplicada. Al aplicar una ten-sin directa (ver figura 10), el potencial que se establece en la juntura dis-minuye considerablemente, con lo cual los huecos se movern de izquier-da a derecha y constituirn una corriente en la misma direccin que loselectrones que se mueven de derecha a izquierda. Por consiguiente, la co-rriente resultante que atraviesa la unin es la suma de las corrientes de loshuecos y de los electrones. Recordemos que el movimiento de huecos esen sentido figurado, ya que hay un desplazamiento de cargas que asemejael movimiento de las lagunas.

Caracterstica Tensin-Corriente de un Diodo

La corriente que circula a travs de un diodo se relaciona con la tensinaplicada en la juntura, por medio de la siguiente expresin:

I = Is . (e V/mVt - 1)

Donde:

Is = I de saturacin inversa (del orden de los nA).m = Constante igual a 1 para el germanio e igual a 2 para el silicio.


La Juntura P-N

Decimos que diodo es un elementoelectrnico por el cual circular lacorriente en una direccin, mien-

tras que no permitir el paso dedicho flujo en la direccin opuesta.

Este dispositivo se forma cuandose combina una oblea de semicon-ductor tipo N con una oblea de

semiconductor tipo P.

Figura 9

Figura 10


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VT = Tensin equivalente igual a25mV para una temperatura del or-den de los 25 C.

En base a esta ecuacin, la curvacaracterstica del diodo resulta serla de la figura 11.

Tensin de Umbral

Los diodos comerciales son, en sumayora, de germanio o de silicio.Se puede apreciar que, cuando sonpolarizados en forma directa, existeuna independencia inicial de la co-rriente con respecto a la tensinaplicada.Esta tensin, por debajo de la cualla corriente es muy pequea, se de-nomina tensin de codo, de partida

o de umbral (Vu), tal como se grafica en la figura 12.La tensin de umbral es aproximadamente igual a 0,2 Vpara el germanio y 0,7 V para el silicio y superado este va-lor, se dice que el diodo conduce perfectamente.

Diodo Zener

Son diodos especiales, cuya caracterstica aparece en lafigura 13, y estn preparados para funcionar en la zona deruptura inversa de la unin.Estos diodos, cuyo smbolo se muestra en la misma figu-ra13, estn diseados para trabajar en dicha zona, y pue-den ser explicados como dispositivos de tensin de refe-rencia o de tensin constante, y se conocen como diodosestabilizadores de tensin.Cuando se aplica una tensin inversa en un diodo se po-nen de manifiesto dos caractersticas:

a) Multiplicacin por avalancha: Cuando la tensin in-versa aumenta, algunos portadores chocan con los ionesfijos de la estructura del cristal e imparten suficiente ener-ga para romper una unin covalente. Esto genera un parelectrn-hueco que se suma a los portadores originales.Estos portadores adquieren suficiente energa del campoelctrico aplicado y, chocando contra otros iones del cris-tal, crea nuevos pares electrn-hueco.El resultado es una gran corriente inversa.

b) Ruptura zener:En los diodos zener la existencia de uncampo elctrico en la unin ejerce una fuerza suficiente-

mente elevada sobre el electrn, de manera que se rom-pe su enlace covalente.


DiodoZener

Figura 11

Figura 12

Figura 13


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El circuito de la figura 14 permite observar cmo, de una mane-ra simple, se puede estabilizar una tensin igual a Vz, al emplearun diodo zener.La tensin del generador puede variar dentro de ciertos lmitesmientras que la tensin de salida Vz permanece constante.

Diodo Emisor de Luz - LED

As como se absorbe energa para crear pares de electrn-hue-cos, dicha energa vuelve a ser emitida cuando los electrones serecombinan con huecos.La energa liberada cuando el electrn pasa de la banda de conduccin ala banda de valencia, aparece en forma de radiacin.Cuando los diodos estn preparados para emitir radiacin en el espectro vi-sible se los denomina diodos emisores de luz, y actualmente se fabricantanto para emisin de radiacin en el campo visible como en el infrarrojo,podrn variar ampliamente en tamao, forma y color.Es interesante hacer notar que el proceso de generacin de luz aumentacon la corriente inyectada y con el descenso de la temperatura.

Diodo de Capacidad Variable

La distribucin de cargas en la zona de carga espacial no es constante, si-no que depende de la tensin aplicada.Cuanto mayor sea la tensin inversa, mayor ser el ancho l de la zona de

transicin de la figura 15 y, por lo tanto, menor su capacidad. Anlogamen-te, si aumenta la tensin directa, la longitud l decrece y la capacidad aumen-ta.Los diodos fabricados especialmente, y que basan su funcionamiento en elprincipio de la variacin de la capacidad con la tensin, se denominan vari-cap o diodos de capacidadvariable.Una de las aplicaciones msimportante es la de establecersintona por tensin de un cir-cuito resonante LC.

El smbolo del varicap y su co-rrespondiente circuito elctri-co equivalente se muestrantambin en la figura 15.

Transistor de Juntura Bipolar

Una juntura P-N polarizada en sentido inverso hace circular una pequeacorriente para una tensin por debajo de la de ruptura, que se comporta co-

mo una resistencia elevada. Una juntura polarizada en directa permite la cir-culacin de una gran corriente para una cierta tensin aplicada, es decir


DiodoEmisor deLuz-LED

Los diodos zener estn diseadospara trabajar en dicha zona, y pue-den ser explicados como dispositi-

vos de tensin de referencia o detensin constante, y se conocen

como diodos estabilizadores detensin.

Figura 14

Figura 15


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que equivale a un elemento debaja resistencia. Como la poten-cia que se desarrolla en una resis-tencia est dada por:

P = I2 . R

Podemos hablar entonces, de unaganancia de potencia en un dis-positivo que maneje una resisten-cia baja a partir de una resistenciaelevadas. Esto se logra con undispositivo que contiene dos jun-turas P-N polarizadas en direc-ciones opuestas denominadotransistor de juntura bipolar.En la figura 16 se muestra un

transistor bipolar que posee dos junturas.

Las obleas externas son de material tipo N (en este caso) y estn separa-das por una muy delgada capa de material de tipo P. Como se puede apre-ciar, por medio de las pilas externas, se polariza una juntura en directa, loque proporciona un circuito de baja resistencia. Mientras que aplicando po-larizacin inversa a la otra juntura, dar lugar a un circuito de alta resisten-cia. Los portadores mayoritarios, en este caso electrones, fluyen fcilmen-te de la regin N de la izquierda a la que est sometida la juntura.La mayora de estos electrones fluyen a travs de la delgada regin P y sonatrados por el potencial positivo de la batera externa conectada sobre la

juntura de la derecha.Debido a esto, ms del 99% de la corriente electrnica alcanza la regin Nde la derecha.

Este elevado porcentaje de difusin de la corriente proporciona ganancia depotencia en el circuito (de salida) de alta resistencia. Se deduce, entonces,que el transistor es capaz de "amplificar" potencia.El funcionamiento de los transistores P-N-P es similar al del N-P-N expli-cado, excepto en que las tensiones de polarizacin deben invertir su pola-ridad y que el flujo de electrones circula en direccin opuesta.De aqu en ms, no haremos referencia a la corriente de huecos ni a la co-rriente de electrones, sino ms bien al flujo convencional de corriente, loque supone que atraviesa un circuito en la direccin que va desde el termi-nal positivo de la batera al terminal negativo de la misma.Si consideramos al transistor como un cuadripolo, tal como se lo muestra

en la figura 17, donde:

I1 = corriente de entrada

V1 = tensin de entrada

I2 = corriente de salida

V2 = tensin de salida

Tendremos en cuenta que:- Las tensiones que hacen positivos los bornes superiores res-pecto de los inferiores (tal como lo indican las flechas) se tomancomo positivas.- Las corrientes que entran al cuadripolo son positivas.En base al modelo de un cuadripolo, podemos realizar un anli-


Transistor deJuntura Bipolar

As como se absorbe energa para

crear pares de electrn-huecos, di-cha energa vuelve a ser emitidacuando los electrones se recombi-

nan con huecos.

La energa liberada cuando el elec-trn pasa de la banda de conduc-

cin a la banda de valencia, apare-ce en forma de radiacin.

Figura 16

Figura 17


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sis sobre el funcionamiento de los transistores, comen-zaremos por un NPN. Para nuestro anlisis haremos re-ferencia al circuito de la figura 18.

Aplicando la 1 ley de Kirchhoff resulta:

IB + IC - IE = 0por lo tanto:

IE = IB + IC

Para el transistor PNP, haciendo referencia al circuito dela figura 19, se tiene:

IE - IC - IB = 0

Luego:

IE = IB + IC

Ahora bien, para que el transistor opere como amplifica-dor, la unin emisor-base debe estar polarizada en sen-tido directo y la unin base-colector en sentido inverso,con lo cual se cumple que:

IE = IB + IC (1)

La corriente de colector de un transistor tambin estdada por:

IC = IE + ICBo (2)Donde :

= 0,95 a 0,99ICBo = I trmica de portadores minoritarios.

Para el silicio (y a temperatura ambiente) ICBo es muypequeo y por lo tanto despreciable.

De (2):

IC . IE

Con lo cual:

IC = _______

IE

Donde: = ganancia esttica de corriente del transistor en configuracin ba-

se comn.

Los fabricantes de transistores suelen darle el nombre de hFB a este par-

metro.Operando matemticamente con las expresiones (1) y (2), se tiene que:


Transistor deJuntura Bipolar

Cuando los diodos estn prepara-dos para emitir radiacin en el es-

pectro visible se los denomina dio-dos emisores de luz, y actualmentese fabrican tanto para emisin de

radiacin en el campo visible co-mo en el infrarrojo, podrn variar

ampliamente en tamao, forma ycolor.

Figura 18

Figura 19


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IC = (IB + IC) + ICBO

Como hemos dicho, ICBo es despreciable y por lo tanto:

IC = (IB + IC)

Operando:

IC = IB + IC

Luego:

IC - IC = IB

Se deduce entonces:

IC (1 - ) = IB

O bien:

IC =_______IB (3)1 -

A la relacin:

=_______

1 -

Se la denomina Ganancia Esttica de Corriente del Transistor en Configu-racin Emisor Comn; luego, operando con (3) y (4), se tiene:

IC = IB

Luego:

IC =_______

IB

= Ganancia esttica de la corriente de colector respecto de la de base.

En los manuales en lugar del parmetro b se suele dar el factor hFE

Variacin de hFE con IC

El conocimiento de la dependencia delhFE con la temperatura nos permitirsaber cules son los mrgenes de ope-racin de un circuito a la hora de tenerque realizar un diseo.En la figura 20 se describe cmo vara

el hFE con la temperatura. En dichagrfica se observan tres regiones:


Variacin dehFEcon IC

El proceso de generacin de luzaumenta con la corriente inyecta-

da y con el descenso de la tempe-ratura.

Los diodos fabricados especial-

mente, y que basan su funciona-miento en el principio de la varia-cin de la capacidad con la ten-

sin, se denominan varicap o dio-dos de capacidad variable.

Una de las aplicaciones ms im-portante es la de establecer sinto-

na por tensin de un circuito reso-nante LC.

Figura 20


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La idea es que se emplee una sola batera para establecer las tensiones ne-cesarias en las junturas.En trminos generales, y considerando que no tenemos inyeccin de seal,los valores de IC y VCE representan un slo punto sobre las curvas que, asu vez, determinar el punto de reposo o punto de trabajo esttico del tran-sistor.Para determinar el punto de trabajo hagamos las siguientes consideracio-nes:

1) La malla de entrada o malla I (red conectada entre la base y el emisor).2) La caracterstica tensin-corriente de la juntura base-emisor, la cual estimpuesta por el transistor.3) La condicin que fija la malla de salida o malla II (red conectada entre elcolector y el emisor).4) Las caractersticas de tensin-corriente de la juntura colector-emisor.

Los valores que surgen de la tercera condicin nos permitirn levantar laRecta Esttica de Carga del Transistor por donde se mover el punto de tra-

bajo.De la malla II:

Vcc = IC . RC + VCE

Luego:

VCC - VCEIC =___________ (5)

RC

Esta ecuacin, grficamente representa una recta lla-mada recta de carga esttica, tal como se observa en

la figura 23.Los puntos A y B, extremos de dicha recta pueden ha-llarse haciendo:

A) VCE = 0V y hallando el valor correspondiente de IC.

VCCIC =______

RC

B) IC = 0 y hallando el correspondiente valor de VCE.

VCE = VCC

De la malla de entrada se deduce:

VBB = IB . RB + VBE

Luego:

VBB - VBEIB =______________ (6)

RB

Donde:VBE = tensin de umbral correspondiente a la juntura base-emisor, aproxi-


Polarizacin

Una juntura polarizada en directapermite la circulacin de una grancorriente para una cierta tensin

aplicada, es decir que equivale aun elemento de baja resistencia.

Un transistor consiste en unaoblea N, otra P y otra N, dispuestasde forma tal que forman dos juntu-

ras.

La funcin principal del transistor

es la de incrementar la potenciade una seal.

Para que un transistor funcione co-rrectamente, la juntura base/co-

lector se polariza en inversa y lajuntura base/emisor se polariza endirecta.

Figura 23


17/25

madamente igual a 0,2 V para el germa-nio y 0,7 V para el silicio.Obtenido el valor de la corriente de baseIB, interceptamos la recta de carga est-tica como se muestra en la figura 24.La solucin grfica determina finalmenteun punto denominado Q, o bien punto dereposo o punto de trabajo, para las con-diciones dadas.Analicemos ahora el circuito de la figura25, el cual emplea slo una fuente de ali-mentacin:Recorriendo la malla II surge que:

VCE = V - IC . (RC + RE) (7)

Recorremos la malla I, tenemos:

V - VBE = IE . RE + IB . RB (8)

Como:

ICIE IC, e IB =______

hFE

Reemplazando:IC

V - VBE = IC . RE +________. RE =hFE

RBV - VBE = IC . ( RE + ________)

hFE

Operando matemticamente:

V - VBEIC =______________ (9)

RBRE +____

hFE

Analizando las tensiones del circuito planteado en la figura 26 se tiene que:

VBT = VBE + IE . RE VBE + IC . RE

La tensin VBT debera permanecer constante; cosa que, ya sea por dis-persin de los parmetros del transistor o por los elementos del circuito, nosiempre se cumple. Por tal motivo, este circuito no es muy recomendadocuando se desea armar un amplificador de seal. Veamos entonces el cir-cuito de la figura 27.

Este circuito se denomina de polarizacin por divisor resistivo. De la mallaII o malla de salida; surge que:


Polarizacin

Figura 24

Figura 25

Figura 26


18/25

V - VCE = IC . RC + IE . RE

Como:

IE IC

Entonces:

V - VCE = IC . RC + IC . RE

Despejando, tenemos:

VCE = V - IC . (RC + RE) (10)

Para analizar la malla de entrada aplicamos el teore-ma de Thevenin (que estudiaremos en futuras leccio-nes, razn por la cual, slo daremos el resultado dela aplicacin del mismo) entre base y tierra.

Como la corriente I2 ser por lo menos diez vecesmayor que la corriente IB, ser I2 = I1; entonces, enuna buena aproximacin, la corriente IB = 0 (paraeste clculo). Luego:

R1VBT = V .__________ y

R1 + R2

RBT =R1 . R2 / (R1 +R2)

El comportamiento elctrico de este circuito es igual

que el del sistema original, donde tanto VBT comoRBT no son elementos reales. Luego:

VBT - VBEIC =__________________

RE

Si logramos que VBT sea constante, el punto de re-poso Q, dado por las expresiones anteriores, se man-

tendr inalterable, con lo cual tendremos una configuracin en la cual elpunto de reposo no variar frente al cambio de otros parmetros, incluso

cambiar muy poco a la hora de reemplazar el transistor (figura 28).

LOS REGULADORES DE TENSIN

Introduccin

Los circuitos integrados de la serie 78XX son reguladores proyectados pa-

ra tensiones de salidas fijas y positivas. Lo que muchos no saben, es quelas aplicaciones de estos componentes no se limitan solamente a esta fina-


LosReguladoresdeTensin

Figura 27

Figura 28


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lidad y en este captulo presentamos una serie decircuitos que usan estos CIs y mostramos variasideas prcticas importantes.Toda fuente de alimentacin est formada por eta-pas y las principales son: transformacin, rectifica-cin, filtrado y regulacin.La etapa de regulacin, posee diversas configura-ciones, dependiendo de cada aplicacin. Entre es-tas configuraciones tenemos las que hacen uso delos integrados reguladores de tensin, con salida fi-

ja en tensin negativa o positiva.La familia 78XX consiste en CIs reguladores positi-vos, mientras que la serie 79XX trabaja con valoresde tensiones negativas en su salida.La tabla I muestra los valores de tensin mnima ymxima de entrada para los CIs de la serie 78XX. Elvalor de tensin regulada est dado por los dos lti-mos nmeros.

Recordamos que los elementos de esta familia poseen proteccin internacontra sobrecalentamiento y sobrecargas, adems de no necesitar compo-nentes adicionales para realizar el regulado. En la figura 29, se presenta eldiagrama de bloques de un circuito integrado regulador de tensin que con-siste en:

- Elemento de referencia: que proporciona una tensin de referencia esta-ble conocida.- Elemento de interpretacin de tensin: que muestra el nivel de tensin desalida.- Elemento comparador: que compara la referencia y el nivel de salida pa-ra generar una seal de error.

- Elemento de control: que puede utilizar esta seal de error para generaruna transformacin de la tensin de entrada y producir la salida deseada.

Agregando algunos componentes externos, podemos alterar esa configura-cin interna del CI, y as aumentar sus aplicaciones. Observe entonces:

Regulador de Tensin Patrn

La aplicacin ms usada en circuitos utilizando CIs 78XX es la de la fi-gura 30. La tensin de salida depende del circuito integrado utilizado y la

corriente mxima para cualquier CI de esa serie es de 1A. El capacitorC1, filtra la tensin del rectificador, mientras que el capacitor C2, desa-copla la alimentacin.

Regulador Fijo con Mayor Tensin de Salida

En caso de que el lector desee montar una fuente de 12V, pero en subanco de trabajo slo existan CI 7805...

qu puede hacer?

Sencillo: basta colocar un elemento que provoque una cada de tensin,como muestra la figura 31.


LosReguladoresdeTensin

Figura 29

Figura 30

Figura 31

Tabla I

CI Tensin(V) de entrada

Regulador Mnima Mxima

7805 7 25

7806 8 25

7808 10 25

7810 12 28

7812 14 30

7815 17 30

7818 20 33

7824 26 38


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De esta forma, la tensin de salida ser la suma de la tensin regulada porel CI (Vreg) ms la cada del componente.El valor del resistor est calculado por la siguiente frmula:

Vs - VregR =

5

Donde:Vs = tensin de salida deseadaVreg = tensin de salida del reguladorR = resistor en k

Para el ejemplo dado, el valor obtenido para R fue de 1,4k. El valor co-mercial ms cercano es el de 1,2k.En caso de que la corriente consumida sobrepase los 500mA es convenien-te colocar el CI en un disipador de calor adecuado.

Aumentando la Tensin de Salida con Zener

En caso de que el resistor sea sustituido por un diodo zener, la tensin desalida aumentar de acuerdo con la tensin del mismo (figura 32).Este mismo razonamiento se aplica con diodos rectificadores comunes,segn muestra la figura 33.Por el hecho de que la tensin de entrada excede el lmite soportado, elcircuito no es a prueba de cortos.

Tensin de Salida Ajustable con CI Regulador Fijo

En la figura 34, tenemos un circuito de comportamiento superior en lo queatae a regulacin. Observe que la configuracin es la misma que la de lafigura 31, con el agregado de un potencimetro. De esta forma podemosvariar la tensin de salida, desde la tensin de regulacin del CI (Vreg)hasta el valor mximo, dado por la frmula:

Vreg . P1

Vs = Vreg + + Iq . P1

R1 + P1

Donde: R1 < Vreg / 3.Iq

Vreg = tensin de salida del reguladorR1 y P1 = resistor y potencimetro en ohm.Iq = corriente en reposo.

El parmetro Iq es denominado corriente en reposo de operacin, y gene-ralmente, est en la banda de los 3mA a los 10mA.

La misma es la corriente que fluye de la entrada hacia el terminal comndel CI y vara para cada regulador (normalmente se torna 5mA).


Tensin deSalida Ajustablecon CI Regulador Fijo

Los circuitos integrados de la serie78XX son reguladores proyectados

para tensiones de salidas fijas y

positivas.

Lo que muchos no saben, es que

las aplicaciones de los regu-ladores integrados no se limitan

solamente a esta finalidad y eneste captulo presentamos unaserie de circuitos que usan estos

CIs y mostramos varias ideas prc-

ticas importantes.

Figura 32

Figura 33

Figura 34


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Fuente de Corriente Fija

Hay casos en que necesitamos una corriente constante, como un carga-dor de bateras, por ejemplo. Sabemos que el CI posee una tensinconstante de salida (Vreg). Si agregamos un resistor tendremos una co-rriente siempre fija en la salida (figura 35). Para la fuente de corriente del

ejemplo dado, la frmula para calcular el valor de Is es:

VregIs = + Iq

R

Para el CI 7805, el manual indica una corriente de reposo de 4,2mA.

Fuente de Corriente Ajustable

En caso de que sea necesaria una corriente ajustable en la salida, utili-ce el circuito de la figura 36. La corriente de salida mxima y mnima secalcula por la frmula:

Vreg

Ismx = + Iq

(R+P)

Vreg

Ismn = + Iq

R

El control del ajuste de corriente se hace por el potencimetro, cuyo va-lor se calcula en funcin de la banda de valores de corriente.

Cmo Aumentar la Corriente de Salida

La manera ms simple de ampliar la capacidad de corriente de salida deun CI78XX es la de la figura 37. En el ejemplo utilizamos el CI7818, pe-ro la idea sirve para todos. El resistor de potencia en paralelo como elCI, auxilia en la conduccin de corriente. Recordamos que los capacito-res C1 y C2 filtran y desacoplan la alimentacin, respectivamente.

Reguladores 78XX en Paralelo

Otra sugerencia muy interesante aparece en la figura 38. Por el hechode que los CIs estn en paralelo, tenemos la corriente dividida y con es-to una mayor provisin de corriente del sistema. Los diodos D1, D2 y D3aslan las entradas de los reguladores, mientras D4, D5 y D6 provocanla cada de tensin para compensar la de entrada.


FuentedeCorrienteFija

Figura 35

Figura 36

Figura 37

Figura 38


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Aconsejamos el uso de, como mximo, cinco CIs en esta configuracin pa-ra evitar inestabilidades en el circuito. La capacidad de corriente para esteejemplo es de 3A.

Regulador de Tensin Fijo de 7ACon auxilio de un transistor de potencia, podemos aumentar todavams la capacidad de corriente de salida de un CI de esta serie (figu-ra 39).As, para la corriente de hasta 4A sugerimos el uso de un transistorTIP 42. Para corrientes superiores (hasta 7A), el transistor empleadodebe ser el MJ2955 o el 2N2955. La tensin de salida est fijada porel CI, y los transistores deben ser colocados en disipadores de calorapropiados para el volumen de corriente deseado. Como aplicacinrecomendamos el uso en fuentes de alimentacin para amplificado-res de automviles, en cuyo caso el CI debe ser el 7812.

Regulador de 7A con Proteccin contra Cortos

En los circuitos propuestos, en caso de que hubiera un cortocircuito enla salida, ciertamente el CI y el transistor (si se lo hubiera utilizado) sequemaran.La figura 40 ilustra un circuito que impide que esto ocurra. En funciona-miento normal, Q2 proporciona la corriente de salida, juntamente con elCI.

El resistor R1 es el sensor de corriente de cortocircuito y es calculadopor la frmula:

0,7R1=

Icc

Donde:R1 = resistor en ohmIcc = corriente de cortocircuito en amperes0,7 = corresponde a la tensin base-emisor del transistor Q1 utilizado.

Para calcular el valor de R1, basta sustituir el valor mximo de corriente delcircuito.

Regulador Ajustable Utilizando CIs 7805 y 741

Hay aplicaciones en que necesitamos una mejor regulacin en la sali-da.La figura 41 muestra un ejemplo de regulador con tensin de salidaajustable desde 7V hasta 20V.Para este caso la tensin de salida es siempre regulada de un valor

mayor que 2V de la tensin de regulacin del CI hasta un valor mxi-mo dado por la tensin de entrada del CI.


Reguladores

Figura 39

Figura 40

Figura 41


23/25

Por ejemplo, si en lugar del 7805, hubiramos utilizado el 7815, tendramosuna variacin entre 17V a 20V o ms, dependiente del valor de la tensinde entrada.Recordamos que el CI7824 no puede ser utilizado en esa configuracin,porque el 741 podra quemarse, ya que estaramos trabajando con ms de25V.

Fuente de Tensin Simtrica Utilizando CI 78XX

Observe que en la figura 42, usamos nuevamente el 741 que en este casoacta como un divisor de tensin, juntamente con los resistores R1y R2. A pesar de que los reguladores trabajan con tensiones positi-vas, creamos una referencia negativa con el amplificador operacio-nal y as obtenemos tensiones positivas y negativas en relacin atierra.La diferencia entre la tensin de salida positiva y negativa dependede la tensin de off-set del 741, con valores tpicos entre 1mV y5mV.Los capacitores C1, C2, C3 y C4 filtran la corriente alterna que pu-diera existir y C5 hace un acoplamiento entre la entrada inversora(pin 2) y la salida de CI-3 (pin 6).Cualquier regulador puede ser usado, con excepcin del 7824, de-bido a los lmites de tensin del amplificador operacional. Finalizan-do, solamente para tener una idea, cada uno de estos circuitos in-tegrados est compuesto internamente por 2 capacitores cermi-cos, 3 diodos zner, 26 resistores de polarizacin y nada menos que24 transistores.

CONTENIDO DEL CD N 4

La obra est dirigida a todo el pblico en general interesado en aprender electrni-ca bsica y saber cmo se manejan los instrumentos (multmetro, osciloscopio, ge-nerador de funciones, inyector de seales, analizador dinmico, fuente de alimen-

tacin, etc.) pero sobre todo est orientado a estudiantes, aficionados y docentes,dado que cada tema se explica desde el comienzo, presumiendo que el lector noposee conocimientos previos de la especialidad. La Enciclopedia se complementacon CDs (ste es uno de ellos) y bibliografa adicional a la que puede acceder porInternet dirigindose a:

www.webelectronica.com.ar

Debe hacer click en el cono PASSWORD y luego ingresar las claves que se danen los CDs. El contenido del CD que acompaa a este tomo es el siguiente:

a) Un Archivo LEAME: Indispensable leer de comienzo a fin de explorar el CD conxito


Contenidodel CD N4

La familia 78XX consiste en CIs re-

guladores positivos, mientras quela serie 79XX trabaja con valores

de tensiones negativas en su sali-da.

Los reguladores de tensin inte-

grados estn compuestos interna-

mente por 2 capacitores cermi-cos, 3 diodos zner, 26 resistores

de polarizacin y nada menos que24 transistores.

Figura 42


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b) Programas ACROBAT READER y WINDOWS MEDIA PLAYER

c) Video Presentacin

d) Enciclopedia Visual Parte 4

e) Curso de Electrnica con Prcticas Parte 4

f) Video: Manejo del Osciloscopio, parte 2

g) Historia de la Electricidad y la Electrnica

h) 30 Diagramas Completos de Equipos Electrnicos

j) Utilitarios para Reparacin de PCk) Curso de Tcnicas Digitales

Muchos archivos estn comprimidos, siendo necesario el WINZIP. Si no lo poseepuede ejecutarlo desde la opcin PROGRAMAS del men de este CD.

Programas ACROBAT READER y WINDOWS MEDIA PLAYEREstos programas son indispensables para explorar el CD, ver los archivos de tex-to que contiene y visualizar los videos. Si no estn instalados en su PC hgalocuando el CD se lo pregunte.

Video Presentacin

En este video el Ing. Horacio Vallejo, realizador de la obra, lo gua paso a paso pa-ra que pueda explorar el CD de la forma ms rpida y efectiva. Le sugerimos ver

este video para obtener el mayor provecho posible.

Enciclopedia Visual Parte 4Se dan los fascculos 13 a 16 de la ENCICLOPEDIA VISUAL DE LA ELECTRONI-CA, obra complementaria que ensea con mayor profundidad los conceptos verti-dos en cada tomo escrito de la obra.

Curso de Electrnica con Prcticas, Mdulo 4Este Curso de Electrnica es el primer sistema de enseanza a distancia con se-guimiento personal a travs de Internet. El curso se compone de 14 lecciones, 5 se-

ries de prcticas y 6 evaluaciones. Los exmenes son la parte del curso (quiz lams tediosa para muchos) en la que el alumno deber responder y si lo desea, en-viar a las direcciones que se mencionan en el CD para su correccin. Sin embargo,Ud. posee la respuesta a cada examen en Internet. En cualquier momento puede

realizar consultas por medio de los formularios que hemos habilitado en Internet pa-ra tal fin.Cabe aclarar que en este CD se encuentran las lecciones 9 y 10, la Prctica nme-ro 4 y el examen 5. En lo sucesivo se continuar con este curso.

Video Manejo del Osciloscopio IIEste es un video de unos 15 minutos de duracin que muestra como se maneja el

osciloscopio y de qu manera se miden componentes. Es continuacin del videomostrado en el CD N 2 de esta obra.

Historia de la Electricidad y la ElectrnicaMaterial indispensable para estudiantes y docentes de materias bsicas de la ca-rrera de electrnica. Muestra cules fueron los eventos que a lo largo de la historiamarcaron pocas. Posee un resumen de las experiencias realizadas por las perso-

nalidades ms importantes del sector.Las leyes fundamentales y los experimentos que llevaron a la electrnica de hoyson parte de este compendio de electrnica bsica.

30 Diagramas de Equipos ElectrnicosDiagramas elctricos de equipos electrnicos en formato pdf que se pueden impri-

mir en tamao gigante. El listado de planos includos en este CD es el siguiente:


Contenidodel CD N4

Con este tomo de la Enciclopediade Electrnica Bsica, se entrega

un CD que posee la siguiente infor-macin:

a) Un Archivo LEAME: Indispensable

leer de comienzo a fin de explorarel CD con xitob) Programas ACROBAT READER y

WINDOWS MEDIA PLAYERc) Video Presentacin

d) Enciclopedia Visual Parte 4e) Curso de Electrnica con

Prcticas Parte 4f) Video: Manejo del Osciloscopio,parte 2

g) Historia de la Electricidad y laElectrnicah) 30 Diagramas Completos de

Equipos Electrnicosj) Utilitarios para Reparacin de PC

k) Curso de Tcnicas Digitales


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7440452 Enciclopedia de Electronic a Basica Tomo 4

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