Principios de los Semiconductores

1. Características y Uso en Automoción

La característica común de los semiconductores es que sus átomos poseen 4 electrones en su última capa (capa de valencia). El semiconductor más utilizado en la industria de la automoción es el silicio (Si).

2. El Proceso de Dopaje

Para mejorar y controlar la conductividad de un semiconductor, se le añaden intencionadamente impurezas, es decir, átomos de otro material. Estos átomos de impureza tienen 3 o 5 electrones en su última capa. A este proceso se le denomina dopaje.

3. Semiconductor Tipo N

Se denomina semiconductor tipo N (Negativo) porque el desplazamiento de las cargas eléctricas es realizado principalmente por los electrones, que tienen carga negativa. Se obtiene dopando el material semiconductor con átomos que tienen 5 electrones de valencia, como el fósforo (P).

4. Semiconductor Tipo P

Se denomina semiconductor tipo P (Positivo) porque la conducción se produce por el desplazamiento de huecos (ausencia de electrones), que se comportan como cargas positivas. Se obtiene dopando el material con átomos que tienen 3 electrones de valencia, como el boro (B).

El Diodo y sus Aplicaciones

5. Estructura del Diodo

Un diodo está formado por la unión de un semiconductor tipo P y un semiconductor tipo N. En el centro de esta unión se crea una zona llamada barrera de potencial o zona de deplexión, donde no hay portadores de carga libres (ni huecos ni electrones en exceso), y que actúa como un aislante.

(Nota: Se recomienda dibujar el símbolo del diodo aquí).

6. Polarización Directa

Consiste en conectar un diodo a una fuente de corriente continua de la siguiente manera:

• El polo positivo de la fuente se conecta al semiconductor tipo P (ánodo).
• El polo negativo de la fuente se conecta al semiconductor tipo N (cátodo).

En esta configuración, los electrones que entran por el lado N son repelidos por el polo negativo y atraídos por los huecos del material P. Si la tensión aplicada es suficiente (generalmente superior a 0,6 V para diodos de silicio), los electrones vencen la barrera de potencial y el diodo se convierte en un conductor, permitiendo el paso de la corriente.

7. Polarización Inversa

Consiste en conectar el diodo a la corriente continua de forma opuesta a la polarización directa:

• El polo positivo de la fuente se conecta al semiconductor tipo N.
• El polo negativo de la fuente se conecta al semiconductor tipo P.

En esta configuración, los electrones del material N son atraídos hacia el polo positivo de la batería, y los huecos del material P son atraídos hacia el polo negativo. Esto provoca un ensanchamiento de la barrera de potencial, reforzando su efecto aislante. Por lo tanto, el diodo actúa como un aislante y no permite el paso de la corriente.

8. Aplicación del Diodo en el Automóvil

La aplicación principal del diodo en el automóvil es como rectificador de la corriente alterna (CA) que produce el alternador. Su función es convertir esa CA en corriente continua (CC), que es la que utiliza el sistema eléctrico del vehículo y carga la batería. El diodo logra esto al:

• Permitir el paso de la corriente en un solo sentido (el semiciclo positivo).
• Bloquear el paso de la corriente en el sentido contrario (el semiciclo negativo).

9. Diodo Zener

Es un tipo especial de diodo diseñado para funcionar de manera fiable en polarización inversa. Su funcionamiento es el siguiente:

• En polarización directa: Actúa como un diodo normal.
• En polarización inversa: Permite el paso de la corriente cuando el voltaje aplicado alcanza un valor límite específico, conocido como tensión de ruptura o tensión Zener.

Una vez que se alcanza esta tensión, el diodo Zener conduce la corriente en sentido inverso manteniendo una tensión constante en sus terminales. Si el voltaje disminuye por debajo de la tensión Zener, vuelve a bloquear el paso de la corriente. Su principal aplicación es como regulador de voltaje.

(Nota: Se recomienda dibujar el símbolo del diodo Zener aquí).

10. Diodo Emisor de Luz (LED)

Un LED (Light Emitting Diode) es un diodo que, al ser polarizado directamente, emite luz cuando la corriente eléctrica pasa a través de él. Sus características principales son:

• Voltaje de funcionamiento: Suele ser de aproximadamente 2 V, aunque varía según el color y el tipo de LED.
• Intensidad de trabajo: Típicamente entre 30 y 50 miliamperios (0,030 A – 0,050 A). Superar estos valores puede quemar el componente.
• Comportamiento: En polarización inversa, no conduce la electricidad y no emite luz.

(Nota: Se recomienda dibujar el símbolo del LED aquí).

Transistores y Componentes de Control

11. El Transistor: Composición y Funciones

Un transistor es un componente electrónico compuesto por tres regiones semiconductoras dopadas, que pueden ser de configuración PNP o NPN. Sus funciones principales en un circuito son:

• Interruptor controlado: Puede actuar como un interruptor electrónico que se abre o se cierra a distancia mediante una pequeña señal eléctrica, sustituyendo a los relés mecánicos en muchas aplicaciones.
• Amplificador de señal: Es capaz de amplificar señales eléctricas débiles, como las provenientes de los sensores, para que puedan ser procesadas por la unidad de control.

12. Par Darlington

Un par Darlington es una configuración especial que consiste en dos transistores conectados en cascada (la salida de uno es la entrada del otro). Su principal propósito es lograr una amplificación de corriente muy alta, mucho mayor de la que podría proporcionar un solo transistor.

13. El Tiristor (SCR)

El tiristor, también conocido como Rectificador Controlado de Silicio (SCR), es un componente electrónico constituido por la unión de semiconductores tipo P y tipo N. Sus partes son:

• Ánodo (A): Terminal positivo.
• Cátodo (K): Terminal negativo.
• Compuerta (G – Gate): Terminal de control.

Funciona como un diodo, pero para que comience a conducir, es necesario aplicar un pulso de corriente instantáneo en la compuerta. Una vez activado, permanece conduciendo aunque desaparezca el pulso de la compuerta.

(Nota: Se recomienda dibujar el símbolo del tiristor aquí).

Sistemas de Control Electrónico en el Automóvil

14. ¿Qué es un Sistema de Control?

Un sistema de control es un conjunto de componentes electrónicos interconectados que gestionan el funcionamiento de un proceso o sistema. Su objetivo es recibir información de distintas variables externas, procesarla y actuar en consecuencia. Los elementos que lo forman son:

• Sensores: Captan información del entorno.
• Unidad de Control (ECU): Procesa la información de los sensores y toma decisiones.
• Actuadores: Ejecutan las órdenes de la unidad de control.

15. Sensores y Actuadores

Sensor

Un sensor es un dispositivo que detecta y responde a estímulos o cambios en su entorno físico (luz, temperatura, presión, etc.) y traduce esa información en una señal eléctrica que puede ser interpretada por una unidad de control.

• Ejemplo en automoción: El sensor de temperatura del refrigerante del motor, que mide el calor y lo convierte en una señal de voltaje.

Actuador

Un actuador es un dispositivo que recibe una señal eléctrica de la unidad de control y la transforma en una acción física, como movimiento mecánico o fuerza. Es el componente que ejecuta las órdenes.

• Ejemplo en automoción: Un inyector de combustible, que se abre y se cierra para suministrar gasolina al motor según la orden de la ECU.

16. Red de Comunicación CAN Bus

El CAN Bus (Controller Area Network) es un protocolo y un sistema de red que permite que las diferentes unidades de control (ECU) de un vehículo intercambien datos entre sí de forma eficiente. Esta comunicación se realiza a través de dos únicos cables conductores entrelazados (CAN High y CAN Low).

• Tensiones de trabajo: Los valores de tensión típicos en un bus de alta velocidad son de 2.5 V en estado recesivo, variando hacia 3.5 V (CAN High) y 1.5 V (CAN Low) en estado dominante.
• Datos transmitidos: La información que se transmite por la red se empaqueta en unidades llamadas tramas o mensajes.