Diodo de unión PN y características del diodo de unión PN

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El diodo de unión PN es uno de los componentes electrónicos más básicos y esenciales en la electrónica moderna. Es un dispositivo semiconductor que permite el flujo de corriente eléctrica en una sola dirección, bloqueando su paso en la dirección opuesta.

En este artículo, se presentarán las características y funcionamiento del diodo de unión PN, así como su importancia en la electrónica y su aplicación en diferentes circuitos y dispositivos. Además, se explorará cómo se fabrican y se utilizan en la industria y se discutirán algunas de sus limitaciones y desventajas.

Esperamos que al final de este artículo, los lectores tengan una comprensión clara y completa de este componente fundamental de la electrónica y puedan aplicar estos conocimientos en sus propios proyectos y diseños.

Circuito del diodo de unión PN

El diodo de unión PN es un componente electrónico que permite el paso de la corriente eléctrica en una sola dirección y se utiliza en una gran variedad de aplicaciones. El circuito del diodo de unión PN está compuesto por dos regiones de material semiconductor, una de tipo P y otra de tipo N, que se unen en una zona de transición llamada unión PN.

Características del diodo de unión PN

  • Rectificación: El diodo de unión PN permite el paso de la corriente eléctrica en una sola dirección, lo que lo convierte en un componente ideal para rectificar señales.
  • Polarización: La polarización del diodo de unión PN es importante para su correcto funcionamiento. Se puede polarizar en directa o en inversa, dependiendo del sentido de la corriente.
  • Tensión umbral: El diodo de unión PN tiene una tensión umbral que debe superarse para que la corriente eléctrica comience a fluir a través de él. Esta tensión es de aproximadamente 0.7V en los diodos de silicio y 0.3V en los diodos de germanio.
  • Curva característica: La curva característica del diodo de unión PN muestra la relación entre la corriente eléctrica y la tensión aplicada en sus terminales. Esta curva tiene una forma exponencial y se puede utilizar para calcular la resistencia dinámica del diodo.

Circuito del diodo de unión PN en directa

Cuando se polariza el diodo de unión PN en directa, se aplica una tensión positiva en el ánodo y una tensión negativa en el cátodo. En esta configuración, el diodo permite el paso de la corriente eléctrica y actúa como un interruptor cerrado.

El circuito del diodo de unión PN en directa se puede representar de la siguiente manera:

En este circuito, la corriente eléctrica fluye desde el ánodo hacia el cátodo a través del diodo, lo que provoca una caída de tensión en el mismo. La ecuación que describe la relación entre la corriente y la tensión en el diodo de unión PN en directa es:

I = Is(eVd/VT-1)

Donde:

  • I es la corriente que fluye a través del diodo.
  • Is es la corriente de saturación inversa del diodo.
  • Vd es la tensión aplicada en los terminales del diodo.
  • VT es la tensión térmica, que depende de la temperatura y del material del diodo.

Circuito del diodo de unión PN en inversa

Cuando se polariza el diodo de unión PN en inversa, se aplica una tensión positiva en el cátodo y una tensión negativa en el ánodo. En esta configuración, el diodo no permite el paso de la corriente eléctrica y actúa como un interruptor abierto.

El circuito del diodo de unión PN en inversa se puede representar de la siguiente manera:

En este circuito, la corriente eléctrica es prácticamente nula y la tensión en los terminales del diodo es la tensión inversa máxima que puede soportar. Si esta tensión se supera, el diodo puede sufrir daños permanentes.

Este componente permite el paso de la corriente eléctrica en una sola dirección y se puede polarizar en directa o en inversa, dependiendo del sentido de la corriente. La curva característica del diodo de unión PN muestra la relación entre la corriente eléctrica y la tensión aplicada en sus terminales, y se puede utilizar para calcular su resistencia dinámica.

Características del diodo de unión PN

Un diodo de unión PN es un dispositivo electrónico que permite el flujo de corriente eléctrica en una dirección y lo bloquea en la dirección opuesta. Este tipo de diodo está compuesto por dos materiales semiconductores diferentes: uno tipo P y otro tipo N, unidos por una zona de transición.

Características principales del diodo de unión PN

  • Polarización: El diodo de unión PN tiene dos estados de polarización: directa e inversa.
  • Conducción: Cuando el diodo está polarizado en directa, permite el paso de la corriente eléctrica. En cambio, cuando está polarizado en inversa, la corriente no puede fluir.
  • Umbral de voltaje: Para que el diodo empiece a conducir en polarización directa, se necesita aplicar un voltaje mínimo llamado umbral de voltaje.
  • Caída de voltaje: En polarización directa, el diodo tiene una caída de voltaje constante y típica de unos 0,7V para diodos de silicio y 0,3V para diodos de germanio.
  • Capacidad de ruptura: Si se aplica una polarización inversa muy elevada, el diodo puede llegar a romperse debido a la alta tensión eléctrica. La capacidad de ruptura es la máxima tensión inversa que puede soportar el diodo sin estropearse.

Ejemplos de aplicaciones del diodo de unión PN

Los diodos de unión PN tienen numerosas aplicaciones en la electrónica, algunas de las cuales son:

  • Rectificación de corriente alterna a corriente continua en fuentes de alimentación.
  • Protección de circuitos electrónicos contra polarización inversa accidental.
  • Generación de señales de radiofrecuencia en dispositivos electrónicos.
  • Estabilización de voltaje en circuitos de regulación de tensión.

Funcionamiento del diodo de unión PN

El diodo de unión PN es un componente electrónico muy utilizado en circuitos electrónicos. Su nombre se debe a la unión que se forma entre dos materiales distintos: el material tipo P y el material tipo N.

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¿Qué son los materiales tipo P y tipo N?

Los materiales tipo P son aquellos que tienen una cantidad elevada de huecos (cargas positivas) en su estructura atómica. Por otro lado, los materiales tipo N son aquellos que tienen una cantidad elevada de electrones (cargas negativas) en su estructura atómica.

Al unir un material tipo P con uno tipo N, se forma una zona de transición donde los electrones del material tipo N se difunden hacia el material tipo P y se combinan con los huecos de este último. De esta forma, se crea una zona con carga negativa en el material tipo P y una zona con carga positiva en el material tipo N.

¿Cómo funciona el diodo de unión PN?

El diodo de unión PN tiene dos terminales, el ánodo y el cátodo. Cuando se aplica una tensión positiva en el ánodo y una tensión negativa en el cátodo, se produce una corriente eléctrica en el circuito. Si se invierte la polaridad de la tensión, no se produce corriente.

Esto se debe a que, cuando se aplica una tensión positiva en el ánodo, se atraen los electrones de la zona de carga negativa del material tipo P hacia el ánodo. Al mismo tiempo, se atraen los huecos de la zona de carga positiva del material tipo N hacia el cátodo. De esta forma, se crea una zona de agotamiento en la zona de transición, que impide el flujo de corriente.

Por otro lado, si se aplica una tensión negativa en el ánodo y una tensión positiva en el cátodo, se produce un flujo de corriente en sentido contrario. En este caso, los electrones del material tipo P son atraídos hacia la zona de carga positiva del material tipo N y los huecos del material tipo N son atraídos hacia la zona de carga negativa del material tipo P. Esto permite que la corriente fluya a través del diodo.

Características del diodo de unión PN

Algunas de las características más importantes del diodo de unión PN son:

  • Tensión de polarización directa: es la tensión mínima que se necesita aplicar en el ánodo para que el diodo empiece a conducir corriente. Esta tensión suele ser de 0,6V para diodos de silicio y de 0,3V para diodos de germanio.
  • Tensión de polarización inversa: es la tensión máxima que se puede aplicar en el ánodo sin que se produzca un flujo de corriente significativo. Si se supera esta tensión, se produce el fenómeno de ruptura y el diodo puede dañarse.
  • Corriente máxima: es la corriente máxima que puede circular por el diodo sin que se dañe. Esta corriente depende del tamaño y la construcción del diodo.

Aplicaciones del diodo de unión PN

El diodo de unión PN es un componente electrónico que se utiliza en una gran variedad de aplicaciones debido a sus características únicas. A continuación, se describen algunas de las aplicaciones más comunes:

Rectificación

Uno de los usos más importantes del diodo de unión PN es la rectificación de corriente eléctrica. Cuando se aplica una corriente alterna a un diodo, este permite el paso de la corriente en un solo sentido, bloqueando la corriente en sentido contrario. Esto lo hace útil en circuitos de suministro de energía para convertir la corriente alterna en corriente continua.

Protección contra polaridad inversa

Los diodos de unión PN también se utilizan para proteger los circuitos electrónicos contra polaridad inversa. Si se conecta un voltaje en dirección opuesta a la corriente nominal, el diodo bloqueará el flujo de corriente, evitando posibles daños en el circuito.

Modulación de frecuencia

En la modulación de frecuencia, se utiliza la variación de la corriente en un diodo de unión PN para manipular la frecuencia de una señal eléctrica. Este proceso se utiliza en la transmisión de señales de radio para modificar la frecuencia de la onda portadora.

Sensado de temperatura

Los diodos de unión PN también se utilizan como sensores de temperatura. La corriente que pasa a través del diodo se ve afectada por la temperatura, lo que permite medir la temperatura del diodo y, por lo tanto, la temperatura del entorno que lo rodea.

Generación de luz

Los diodos de unión PN son la base de los diodos emisores de luz (LED). Cuando se aplica una corriente eléctrica al diodo, los electrones y los huecos se recombinan en la unión PN, lo que produce emisión de luz.

Desde la rectificación de corriente hasta la generación de luz, el diodo de unión PN es un componente clave en muchos dispositivos electrónicos.

Ventajas y desventajas del diodo de unión PN

El diodo de unión PN es uno de los componentes electrónicos más utilizados en la actualidad. Este dispositivo se compone de dos materiales semiconductores, uno tipo P y otro tipo N, que se unen para formar una zona de unión PN. A continuación, se describen las ventajas y desventajas de este componente.

Ventajas

  • Facilidad de uso: El diodo de unión PN es un componente sencillo de utilizar, ya que solo requiere de una conexión eléctrica en polarización directa o inversa para su funcionamiento.
  • Velocidad de respuesta: Los diodos de unión PN tienen una alta velocidad de respuesta, lo que los hace adecuados para aplicaciones de alta frecuencia, como en circuitos de radio y televisión.
  • Variedad de aplicaciones: Los diodos de unión PN tienen múltiples aplicaciones, incluyendo la rectificación de corriente, la protección contra sobretensiones, la modulación de señales, entre otras.
  • Bajo costo: Los diodos de unión PN son componentes económicos, lo que los hace atractivos para su uso en proyectos electrónicos de bajo costo.
  • Alta eficiencia: Los diodos de unión PN tienen una alta eficiencia en la conversión de energía eléctrica en luz, lo que los hace útiles en la fabricación de dispositivos como los LED.

Desventajas

  • Limitaciones de voltaje: Los diodos de unión PN tienen una limitación en el voltaje máximo que pueden soportar. Si se excede este valor, el diodo puede sufrir daños permanentes.
  • Temperatura: Los diodos de unión PN son sensibles a las variaciones de temperatura, lo que puede afectar su rendimiento y vida útil.
  • Detección de polaridad: En algunos casos, puede resultar difícil detectar la polaridad correcta del diodo de unión PN, lo que puede provocar errores en el diseño del circuito.
  • Ruido: Los diodos de unión PN pueden generar ruido en el circuito, lo que puede afectar la calidad de la señal en aplicaciones de baja frecuencia.
  • Corriente inversa: A diferencia de los diodos ideales, los diodos de unión PN tienen una pequeña corriente inversa, lo que puede provocar errores en el diseño del circuito si no se tiene en cuenta este parámetro.

Sin embargo, también presenta algunas limitaciones que deben ser consideradas en el diseño de circuitos electrónicos.

Efectos de los diodos de unión PN

El diodo de unión PN es un componente electrónico que se utiliza en circuitos para controlar el flujo de corriente eléctrica. Está compuesto por dos capas de material semiconductor, una dopada con impurezas tipo P y otra con impurezas tipo N, que se unen para formar una unión PN.

Características del diodo de unión PN

  • El diodo de unión PN permite el flujo de corriente eléctrica en una dirección, pero no en la dirección opuesta.
  • El voltaje necesario para que el diodo de unión PN comience a conducir corriente se llama voltaje de umbral o voltaje de ruptura.
  • El diodo de unión PN tiene una caída de voltaje constante cuando está conduciendo corriente.
  • La corriente que fluye a través del diodo de unión PN es proporcional al voltaje aplicado.
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Efectos de los diodos de unión PN

El diodo de unión PN tiene varios efectos en los circuitos en los que se utiliza:

Efecto rectificador

El diodo de unión PN se utiliza como rectificador en circuitos eléctricos. Al permitir el flujo de corriente eléctrica en una dirección y no en la dirección opuesta, el diodo de unión PN rectifica la corriente alterna en corriente continua.

Efecto limitador de corriente

El diodo de unión PN también se utiliza como limitador de corriente en circuitos eléctricos. Al tener una caída de voltaje constante cuando está conduciendo corriente, el diodo de unión PN limita la corriente que fluye a través del circuito.

Efecto de zener

El diodo de unión PN tiene un voltaje de ruptura, también conocido como voltaje zener. Cuando se aplica un voltaje mayor que el voltaje zener, el diodo de unión PN comienza a conducir corriente en la dirección opuesta a la corriente normal. Este efecto se utiliza en circuitos de protección contra sobretensiones.

Efecto fotovoltaico

El diodo de unión PN también tiene un efecto fotovoltaico. Cuando se expone a la luz, el diodo de unión PN produce una corriente eléctrica. Este efecto se utiliza en células solares para convertir la energía solar en energía eléctrica.

Conclusión

Tiene varios efectos, como el efecto rectificador, el efecto limitador de corriente, el efecto de zener y el efecto fotovoltaico. Al entender cómo funciona el diodo de unión PN y sus características, podemos utilizarlo de manera efectiva en nuestros diseños de circuitos.

Simulación de los diodos de unión PN

Los diodos de unión PN son componentes electrónicos fundamentales en la industria de la electrónica. Estos diodos se utilizan en una variedad de aplicaciones, como en rectificadores de corriente, circuitos de protección, fuentes de alimentación y muchos más. Para entender su funcionamiento, es necesario conocer la simulación de los diodos de unión PN.

¿Qué es un diodo de unión PN?

Un diodo de unión PN es un dispositivo semiconductor que se compone de dos regiones de dopaje opuesto, la región P y la región N. La región P es dopada con impurezas de tipo P, mientras que la región N es dopada con impurezas de tipo N. Estas dos regiones están en contacto directo, formando una unión PN. La unión PN es la que permite la corriente eléctrica a través del diodo en una dirección y la bloquea en la dirección opuesta.

Características del diodo de unión PN

  • El diodo de unión PN es un dispositivo unidireccional, lo que significa que solo permite el flujo de corriente en una dirección, desde el ánodo hacia el cátodo.
  • El diodo de unión PN tiene una caída de voltaje constante en la dirección directa, llamada la tensión de umbral o voltaje de encendido.
  • El diodo de unión PN tiene una resistencia interna muy baja en la dirección directa, lo que significa que puede manejar grandes cantidades de corriente sin sobrecalentarse.
  • El diodo de unión PN tiene una resistencia interna muy alta en la dirección inversa, lo que significa que tiene una capacidad de bloqueo de alta tensión.

Simulación de los diodos de unión PN

La simulación de los diodos de unión PN se lleva a cabo utilizando software de simulación de circuitos, como LTSpice, Proteus, entre otros. Estos programas permiten a los diseñadores de circuitos simular el comportamiento del diodo en diferentes condiciones, como la variación de la tensión de entrada y la corriente.

Además, los programas de simulación también permiten a los diseñadores de circuitos verificar el punto de funcionamiento del diodo, es decir, el punto en el cual el diodo comienza a conducir y la corriente comienza a fluir a través de él. También permite verificar la región de ruptura del diodo, donde la tensión inversa aplicada al diodo supera su capacidad de bloqueo.

Ejemplo de simulación de diodo de unión PN

Supongamos que queremos simular un circuito rectificador de media onda con un diodo de unión PN. El circuito consta de una fuente de alimentación de 12Vrms y una resistencia de carga de 100Ω. El circuito se muestra en la siguiente figura:

Circuito rectificador de media onda

Para simular el circuito, abrimos el software de simulación y dibujamos el circuito en la interfaz gráfica. Luego, colocamos el diodo de unión PN en la dirección correcta y ajustamos los parámetros del diodo, como su corriente máxima y su tensión de umbral.

Una vez que tenemos el circuito configurado, podemos ejecutar la simulación y ver la salida del circuito en la forma de onda. La forma de onda muestra la tensión de salida a través de la resistencia de carga.

En este caso, la forma de onda muestra una salida rectificada de media onda, donde el diodo solo permite que la mitad de la onda de entrada pase a través de la resistencia. También podemos verificar el punto de funcionamiento del diodo y la región de ruptura del diodo mediante la simulación.

Conclusión

Permite verificar el comportamiento del diodo en diferentes condiciones, como la variación de la tensión y la corriente, y ayuda a garantizar que el diodo funcione correctamente en el circuito. Además, la simulación también permite verificar el punto de funcionamiento y la región de ruptura del diodo, lo que ayuda a garantizar la seguridad y la fiabilidad del circuito.

Simulación de los diodos de unión PN

Los diodos de unión PN son componentes electrónicos fundamentales en la industria de la electrónica. Estos diodos se utilizan en una variedad de aplicaciones, como en rectificadores de corriente, circuitos de protección, fuentes de alimentación y muchos más. Para entender su funcionamiento, es necesario conocer la simulación de los diodos de unión PN.

¿Qué es un diodo de unión PN?

Un diodo de unión PN es un dispositivo semiconductor que se compone de dos regiones de dopaje opuesto, la región P y la región N. La región P es dopada con impurezas de tipo P, mientras que la región N es dopada con impurezas de tipo N. Estas dos regiones están en contacto directo, formando una unión PN. La unión PN es la que permite la corriente eléctrica a través del diodo en una dirección y la bloquea en la dirección opuesta.

Características del diodo de unión PN

  • El diodo de unión PN es un dispositivo unidireccional, lo que significa que solo permite el flujo de corriente en una dirección, desde el ánodo hacia el cátodo.
  • El diodo de unión PN tiene una caída de voltaje constante en la dirección directa, llamada la tensión de umbral o voltaje de encendido.
  • El diodo de unión PN tiene una resistencia interna muy baja en la dirección directa, lo que significa que puede manejar grandes cantidades de corriente sin sobrecalentarse.
  • El diodo de unión PN tiene una resistencia interna muy alta en la dirección inversa, lo que significa que tiene una capacidad de bloqueo de alta tensión.

Simulación de los diodos de unión PN

La simulación de los diodos de unión PN se lleva a cabo utilizando software de simulación de circuitos, como LTSpice, Proteus, entre otros. Estos programas permiten a los diseñadores de circuitos simular el comportamiento del diodo en diferentes condiciones, como la variación de la tensión de entrada y la corriente.

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Además, los programas de simulación también permiten a los diseñadores de circuitos verificar el punto de funcionamiento del diodo, es decir, el punto en el cual el diodo comienza a conducir y la corriente comienza a fluir a través de él. También permite verificar la región de ruptura del diodo, donde la tensión inversa aplicada al diodo supera su capacidad de bloqueo.

Ejemplo de simulación de diodo de unión PN

Supongamos que queremos simular un circuito rectificador de media onda con un diodo de unión PN. El circuito consta de una fuente de alimentación de 12Vrms y una resistencia de carga de 100Ω. El circuito se muestra en la siguiente figura:

Circuito rectificador de media onda

Para simular el circuito, abrimos el software de simulación y dibujamos el circuito en la interfaz gráfica. Luego, colocamos el diodo de unión PN en la dirección correcta y ajustamos los parámetros del diodo, como su corriente máxima y su tensión de umbral.

Una vez que tenemos el circuito configurado, podemos ejecutar la simulación y ver la salida del circuito en la forma de onda. La forma de onda muestra la tensión de salida a través de la resistencia de carga.

En este caso, la forma de onda muestra una salida rectificada de media onda, donde el diodo solo permite que la mitad de la onda de entrada pase a través de la resistencia. También podemos verificar el punto de funcionamiento del diodo y la región de ruptura del diodo mediante la simulación.

Conclusión

Permite verificar el comportamiento del diodo en diferentes condiciones, como la variación de la tensión y la corriente, y ayuda a garantizar que el diodo funcione correctamente en el circuito. Además, la simulación también permite verificar el punto de funcionamiento y la región de ruptura del diodo, lo que ayuda a garantizar la seguridad y la fiabilidad del circuito.

Historia de los diodos de unión PN

El diodo de unión PN es un componente electrónico que permite el flujo de corriente en una dirección y lo bloquea en la otra. Este tipo de diodo se utiliza en una amplia variedad de aplicaciones, desde fuentes de alimentación hasta circuitos de detección de temperatura.

La historia de los diodos de unión PN se remonta a los primeros días de la electrónica. En 1874, el físico alemán Ferdinand Braun descubrió que ciertos materiales, como el silicio y el germanio, tenían la capacidad de conducir la electricidad en una dirección y no en la otra. Este fenómeno se conoce como «rectificación», y es la base de la operación del diodo de unión PN.

El descubrimiento del diodo de unión PN

En 1904, el físico británico John Ambrose Fleming inventó un dispositivo que utilizaba el fenómeno de la rectificación para convertir corriente alterna en corriente continua. Este dispositivo, conocido como válvula rectificadora, se basaba en un tubo de vacío que contenía un filamento caliente y un electrodo frío.

En 1906, el físico estadounidense Lee De Forest mejoró la válvula rectificadora de Fleming al agregar un tercer electrodo, llamado rejilla, que permitía controlar el flujo de corriente. Este dispositivo, conocido como triodo, se convirtió en un componente clave de las primeras radios y amplificadores de audio.

En la década de 1930, los físicos descubrieron que la unión entre dos materiales de tipo opuesto, como el silicio y el germanio, creaba una barrera de energía que impedía el flujo de corriente en una dirección. En 1940, Russell Ohl, un ingeniero estadounidense, descubrió que la unión entre dos materiales de tipo opuesto que habían sido dopados con impurezas creaba una barrera de energía aún mayor. Este descubrimiento llevó al desarrollo del diodo de unión PN.

Características del diodo de unión PN

El diodo de unión PN tiene varias características importantes que lo hacen útil en una amplia variedad de aplicaciones:

  • Rectificación: El diodo de unión PN permite el flujo de corriente en una dirección y lo bloquea en la otra, lo que lo convierte en un componente esencial para la rectificación de corriente.
  • Barrera de energía: La unión entre dos materiales de tipo opuesto que han sido dopados con impurezas crea una barrera de energía que impide el flujo de corriente en una dirección. Esta barrera de energía es la base de la operación del diodo de unión PN.
  • Capacidad de conmutación rápida: El diodo de unión PN tiene la capacidad de cambiar su estado de conducción a bloqueo en un tiempo muy corto, lo que lo hace útil en aplicaciones de conmutación de alta velocidad.
  • Estabilidad térmica: El diodo de unión PN tiene una resistencia térmica baja, lo que significa que su comportamiento no se ve afectado por los cambios de temperatura.

Su capacidad de rectificación y su capacidad de conmutación rápida lo hacen útil en una amplia variedad de aplicaciones, desde fuentes de alimentación hasta circuitos de detección de temperatura.

En conclusión, el diodo de unión PN es uno de los componentes más importantes en la electrónica moderna. Su capacidad para permitir el flujo de corriente en una dirección y bloquearlo en la otra, lo hace indispensable en muchas aplicaciones. Además, su bajo costo y su facilidad de uso lo hacen muy popular en el diseño de circuitos electrónicos. Es importante entender las características del diodo de unión PN para poder utilizarlo de manera efectiva y sacar el máximo provecho de sus capacidades. Gracias a su versatilidad y eficiencia, el diodo de unión PN seguirá siendo un componente clave en la electrónica por muchos años más.

En conclusión, el diodo de unión PN es uno de los componentes más simples y fundamentales en la electrónica. Su principal función es permitir el flujo de corriente en una sola dirección, lo que lo convierte en una herramienta esencial para la rectificación de corriente alterna. Además, el diodo de unión PN presenta características únicas, como su voltaje de umbral y su resistencia inversa, que lo hacen útil en una variedad de aplicaciones, desde circuitos de alimentación hasta sensores de luz. En resumen, el diodo de unión PN es un componente esencial en cualquier diseño electrónico, y su versatilidad y fiabilidad lo convierten en una elección popular entre los ingenieros y diseñadores de todo el mundo.

JORGE CABRERA BERRÍOS Administrator
Ingeniero Electrónico por la UNI, con maestría y doctorado por la University of Electro-Communications (Japón).

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