APLICACIONES DE LOS DIODOS Rectificador Concepto · La tensión de rizado Vr dependerá del tipo de rectificador utilizado, media o doble onda, y del filtro empleado. Filtro a condensador

FUNDAMENTO DE ELECTRÓNICAProf. LISSETH LÓPEZ

APLICACIONES DE LOS DIODOS 1

Resumen

El diodo es un elemento semiconductor formado por la unión de dos pastillas

semiconductoras, una de tipo P (ánodo) y otra de tipo N (cátodo).

Cuando la tensión en el ánodo es más positiva (o menos negativa) que la del

cátodo, superándola en al menos 0,6 voltios en diodos de silicio y de 0,3 voltios en

los de germanio, el diodo se encuentra polarizado directamente. En esta disposición

conducirá el diodo y se comportará prácticamente como un cortocircuito (En su

modelo ideal).

Si la tensión en el ánodo es menor que la correspondiente al cátodo, el diodo estará

polarizado inversamente y no conducirá, siendo equivalente a un circuito abierto

(En su modelo ideal).

APLICACIONES DE LOS DIODOS

Rectificador

Concepto

La rectificación consiste en convertir la corriente alterna en continua. Cualquier

dispositivo que permita circular la corriente en un solo sentido podemos decir que es

un rectificador. Y éste es el caso del diodo, pues únicamente cuando el ánodo esté

a una tensión más positiva que el cátodo dejará pasar la corriente a través de él,

con el sentido convencional de ánodo a cátodo.

Media onda

Un circuito rectificador de media onda sólo rectifica la mitad de la tensión alterna

presente en su entrada; es decir, cuando el ánodo sea positivo respecto al cátodo.

Puede considerarse como un circuito en el que la unidad rectificadora está en serie

con la tensión de entrada y la carga. En el circuito, cuando llega el semiciclo positivo

presente en el secundario del transformador al ánodo del diodo, éste queda

polarizado directamente y consecuentemente conducirá; la tensión en la salida Vo

será Vo = Vmax-0,6 V.



T1D1

RL

+

-

Vo

+

-

Vi

Cuando llegue el semiciclo negativo del secundario al ánodo del diodo, éste quedará

polarizado inversamente y no conducirá, siendo Vo muy próxima a cero ya que

siempre circulará una pequeñísima corriente inversa.

Las tensiones características vendrán dadas por las siguientes fórmulas.

Vo = Vmáx /2

Vo media = Vmáx/ PI

Aplicaciones. Se emplean como alimentación de muchos sistemas de baja tensión

y de aparatos universales, así como para proporcionar alta tensión a los

osciloscopios.

Doble onda: El rectificador de doble onda, también denominado onda completa,

está formado por dos rectificadores de media onda que funcionan durante

alternancias opuestas de la tensión de entrada.

El secundario del transformador tiene en su punto intermedio una toma conectada a

tierra, obteniéndose así dos tensiones iguales y desfasadas 180 grados que se

aplican alternativamente a los ánodos de cada diodo.



Cuando llega el semiciclo positivo a un diodo, al otro le llega el semiciclo negativo,

con lo cual uno conduce y el otro no, y viceversa. Consecuentemente siempre habrá

un diodo conduciendo, obteniéndose en la

salida únicamente semiciclos positivos.

En este circuito tenemos:

VR = Vmáx /1,41

VR media = 2Vmáx/PI

Aplicaciones. Se usan en sistemas de todos los equipos de comunicación,

teniendo un gran rendimiento y posibilidad de proporcionar una gran gama de

tensiones con corrientes moderadas. Se utilizan mucho para la carga de baterías

porque así se evita el peligro de la saturación del núcleo del transformador.

Doble onda en puente



Son cuatro rectificadores de media onda conectados en la forma indicada en el

circuito.

La tensión alterna del secundario del transformador se aplica entre las uniones de

un ánodo y un cátodo de dos diodos, obteniéndose la salida en el punto de unión de

dos cátodos (polo positivo) y de dos ánodos (polo negativo).

Durante el semiciclo positivo de la señal de entrada conducen dos diodos,

cerrándose el circuito de circulación de la corriente por la resistencia de carga;

durante el semiciclo negativo conducirán los otros dos diodos, cerrándose el circuito

también por la resistencia de carga. Así se obtiene en la salida únicamente

semiciclos positivos tal como ocurría en el circuito rectificador de doble onda

anterior.

En este rectificador las fórmulas y el tipo de aplicaciones son las mismas que en el

anterior, aunque debemos tener en cuenta que la tensión de salida será 0,6 voltios

inferior pues al haber dos diodos conduciendo la caída de tensión será ahora de

0,6+0,6. Sin embargo, la ventaja que presenta es que el transformador no necesita

toma intermedia y que la tensión inversa se reparte entre dos diodos en cada

semiciclo, no sobre uno sólo como en el circuito anterior.

Parámetros característicos de un rectificador:

Corriente media directa: Es la máxima intensidad media que puede circular en

sentido directo.

Corriente de pico directa: Máxima intensidad de pico que puede circular en

sentido directo en forma de impulsos periódicos



Máximo impulso de corriente: Es la máxima intensidad que puede circular en

sentido directo en forma de impulsos no periódicos.

Tensión inversa de pico: Máxima tensión de polarización inversa que puede ser

aplicada a la unión PN de los diodos.

Filtrado

La salida de cualquiera de los rectificadores anteriormente expuestos debe ser

modificada para que se aproxime lo más posible a una tensión continua pura. Para

ello se utiliza un filtro (tipo paso bajo) para así aplanar los impulsos rectificados.



Factor de rizado

La señal obtenida en la salida de un sistema de alimentación no es totalmente

constante como sería de esperar, ya que los filtros no consiguen aplanar totalmente

la señal de salida. Esta señal podemos considerarla como el resultado de

superponer una corriente alterna a una corriente continua.

A la componente alterna de la señal rectificada se le denomina rizado. La cantidad

de rizado que aparece a la salida de un filtro se expresa por un coeficiente que

recibe el nombre de factor de rizado, el cual es igual a la relación existente entre el

valor eficaz de la tensión de rizado y la tensión continua de salida (Vs media). Se

suele expresar en tanto por ciento, y podemos considerar óptima (siempre

dependiendo de las aplicaciones) una señal de salida con un factor de rizado menor

del 10%.

Por tanto, el factor de rizado responde a la siguiente fórmula (%):

Fr = 100xVr/ Vs media

La tensión de rizado Vr dependerá del tipo de rectificador utilizado, media o doble

onda, y del filtro empleado.

Filtro a condensador en el rectificador de media onda

El condensador en los filtros paso bajo va en paralelo con el rectificador y la carga.

Su capacidad debe ser grande para que la reactancia que presente sea mucho

menor que la resistencia de la carga.

D1

1N4001GP

R11.0kohm

C1

100uF

T2..



En el semiciclo positivo de la señal de salida del transformador el diodo conduce,

cerrándose así el circuito y haciendo que el condensador se cargue a una tensión

muy próxima a la tensión de pico de salida del secundario del transformador. Debe

elegirse con gran cuidado el diodo y el condensador para evitar que cuando el

condensador se encuentre totalmente descargado, el primer pico de corriente sea

excesivamente grande y dañe al diodo.

Durante el semiciclo negativo de la señal de salida del transformador el diodo no

conduce, comportándose prácticamente como un circuito abierto. El condensador se

descargará sobre la resistencia hasta que empiece un nuevo semiciclo positivo en el

secundario del transformador, volviendo a cargarse el condensador en cuanto la

tensión de entrada supere a la que conserva entre sus extremos el condensador.

En ese momento el condensador volverá a recuperar la carga perdida hasta

alcanzar el valor de pico de la tensión de entrada, y así sucesivamente se vuelve a

repetir el suceso.

La magnitud del segundo pico de corriente, y los sucesivos, son bastante inferiores

al primero y dependerán de la carga que aun conserve el condensador y también de

la capacidad del mismo.

Podemos observar en el osciloscopio que ya no existe vacío en la señal entregada

por el rectificador sin filtro, resultando así la señal más plana. Aumentando la



capacidad del condensador, la inclinación de la descarga sería menor y con ello

disminuiría el factor de rizado; sin embargo, tal capacidad no puede aumentarse en

exceso porque el impulso de corriente que se produciría en el instante de inicio de la

carga alcanzaría una intensidad capaz de dañar al diodo.

Filtro a condensador en el rectificador de doble onda

En este caso, el efecto producido por el condensador es el mismo, pero el tiempo de

descarga se reduce a la mitad y consecuentemente la magnitud de los impulsos de

corriente disminuye.

La tensión de salida del circuito y la corriente serán idénticas a las obtenidas en el

rectificador de media onda; ahora bien, al ser el doble la frecuencia de los

semiciclos que llegan al condensador, la tensión de rizado será menor y se obtendrá

una tensión más constante.

Filtro en PI con resistencia



La particularidad de este filtro es que lleva dos condensadores de filtro, unidos por

una resistencia que también podría ser una bobina.

T1

R1

47ohm

RL330ohm

C1470uF

C2470uF

D1

1N4001GP

D2

1N4001GP

La carga y descarga del primer condensador produce un efecto como en el

rectificador de media o doble onda con filtro a condensador. La resistencia entre

ambos condensadores hace que se aplane aun más la señal, llegándole al segundo

condensador una corriente relativamente constante. Por último, la carga y descarga

de este último condensador, debido a la componente alterna, aplana todavía más

las fluctuaciones y a la carga llegará una corriente continua relativamente pura.

Estos filtros no son buenos porque, debido a la caída de tensión en la resistencia,

disminuirá la tensión en la salida del circuito y es muy posible que ésta sea

insuficiente. Se emplean únicamente cuando la corriente demandada sea pequeña

(consecuentemente la caída de tensión será despreciable en la resistencia entre

condensadores). Tal es el caso dado, por ejemplo, en la alimentación de alta tensión

en los tubos de rayos catódicos en los que se necesita una alta tensión con una baja

corriente.

Doblador

Un circuito multiplicador de tensión está formado por diversos rectificadores de

media onda y condensadores dispuestos especialmente para entregar una tensión

múltiplo de la recibida en su entrada.

En el caso de un doblador, la tensión en la salida será, en principio, el doble de la

tensión máxima de la señal de entrada.



C1

470uF C2470uFD1

1N4001GP

D2

1N4001GPV1

10V 1kHz 0Deg

Cuando llega el semiciclo negativo, el primer diodo conduce pues queda polarizado

directamente y se carga el primer condensador a la tensión máxima de entrada;

durante este tiempo no conduce el segundo diodo.

En el semiciclo positivo no conducirá el primer diodo, pues queda polarizado

inversamente y se comportará como un circuito abierto, siendo el segundo diodo el

que permitirá la conducción ya que está polarizado directamente y

consecuentemente se cargará el segundo condensador (que es donde se toma la

tensión de salida). Esta tensión de carga será la suma de la tensión en la entrada

más la del primer condensador, siendo así la tensión total en la salida el doble de la

señal máxima de entrada.

Vsalida = 2xVentrada máxima



Si seguimos disponiendo diodos y condensadores iremos haciendo que la tensión

de salida sea el triple, cuádruplo, etc. de la señal alterna de entrada.

Estabilización

Estabilizar una fuente de alimentación (como puede ser un rectificador de doble

onda con filtro) consiste en conseguir que la tensión de salida sea siempre lo más

constante posible, no viéndose afectada por los cambios que puedan producirse en

la señal de entrada (tensión de la red), en los componentes de la propia fuente o en

la corriente de salida (dependiendo esta última variación por los diversos valores de

la carga). Al mismo tiempo, la propia estabilización consigue reducir notablemente el

factor de rizado y por tanto proporcionar una señal de valor más constante. Para

realizar la estabilización suele recurrirse al uso de diodos zener, transistores o

circuitos integrados construidos para tal fin.

Diodo zener como estabilizador

Como en el caso del diodo rectificador, el diodo zener también es un elemento

semiconductor compuesto por dos pastillas tipo P y N (ánodo y cátodo).

V1

20V 1kHz 0Deg

R1

10ohm

R3

330ohmC1

220uF

C2

220uFD11N4737A

1

2

4

3

D2

1G4B42

Si se polariza directamente se comporta como un diodo normal. Sin embargo, si se

polariza inversamente presenta la característica de mantener entre sus extremos

una determinada tensión, tensión de zener, de forma constante aun cuando

aumente la tensión o la corriente en el circuito de aplicación.



Para que un diodo zener mantenga la tensión constante entre sus extremos es

necesario que la diferencia de potencial aplicada al circuito sea superior a dicho

valor. Una vez superado el valor zener, la tensión entre el ánodo y el cátodo será

constante, y por este motivo puede emplearse para conseguir una determinada

tensión fija en la salida de una fuente de alimentación.

Si por cualquier circunstancia la tensión de entrada aumenta o disminuye, dicha

variación se reflejará en la resistencia limitadora (330 ohmios), permaneciendo

constante la tensión en el zener y por tanto en la salida.

Cálculo de la resistencia limitadora y de carga mínimas

Para mantener la tensión zener Vz constante es necesario que por el zener circule

al menos la corriente de zener mínima Izmín.

Para no dañar el zener, la corriente máxima que circule a través de él no deberá

sobrepasar la corriente máxima de zener Izmáx.

Teniendo en cuenta lo anterior, se pueden dar los siguientes casos.

** La resistencia de carga es infinita (circuito abierto o sin carga):

ZMáx

ZEntradaLimitadora I

VVR

max

min >> Resistencia limitadora mínima <<



** La resistencia de carga es muy pequeña (caso límite: cortocircuito):

mínLimitadora

ZmínEntradaR R

VVI

mínLimitadora

ZmínRMáxaC IIImínLimitadora

arg

MáxaC

ZamínC I

VR

arg

arg >>> Resistencia de carga mínima <<<

Limitador

Limitadores de tensión o recortadores son circuitos que emplean como elemento

fundamental el diodo. Su misión es recortar la señal de entrada en un cierto sentido

según se disponga el diodo y una tensión continua auxiliar. Podemos distinguir dos

tipos de recortadores: Recortadores a un nivel y recortadores a dos niveles.

Limitadores a un nivel

Ejemplo a

V110V 1kHz 0Deg

D21N4001GP

V2

5V

R1

1.0kohm

>>> Semiciclo positivo de la tensión de entrada:

Cuando la tensión de entrada es menor que la tensión de la batería, el diodo queda

polarizado inversamente (circuito abierto), con lo cual la tensión de salida es igual a

la tensión de entrada (Vs=Ve). Cuando la tensión de entrada es mayor que la

tensión de la batería, el diodo queda polarizado directamente (cortocircuito), siendo

ahora la tensión de salida igual a la de la batería (Vs=5v).



>>> Semiciclo negativo de la tensión de entrada:

Tanto si la tensión de entrada es mayor o menor que la tensión de la batería, el

diodo se encontrará polarizado inversamente (circuito abierto) y la tensión en la

salida será igual a la de la entrada (Vs=Ve).

Ejemplo b

V110V 1kHz 0Deg

D21N4001GP

V2

5V

R1

1.0kohm


Cuando la tensión de entrada es menor que la tensión de la batería, el diodo se

polariza directamente (cortocircuito) y consecuentemente la tensión de salida es

igual a la tensión de la batería (Vs=5v).



Si la tensión de entrada es mayor que la de la batería, el diodo queda polarizado

inversamente (circuito abierto) y consecuentemente la tensión en la salida será igual

a la de la entrada (Vs=Ve).



diodo queda polarizado directamente y la tensión en la salida será la misma que la

de la batería.

Ejemplo c

V110V 1kHz 0Deg

D21N4001GP

V25V

R1

1.0kohm





diodo queda polarizado inversamente y la tensión en la salida será la misma que la

de la entrada (Vs=Ve).


Cuando la tensión en la entrada es menor que la de la batería, el diodo se polariza

inversamente y la tensión de salida será igual a la de la entrada (Vs=Ve).

Si la tensión de entrada es mayor que la de la batería, el diodo queda polarizado

directamente y en la salida tendremos la tensión de la batería (Vs= -5v).

Ejemplo d

V110V 1kHz 0Deg

D21N4001GP

V25V

R1

1.0kohm


Independientemente de que la tensión de entrada sea mayor o menor que la de la



batería, el diodo queda polarizado directamente y la tensión en la salida será la de la

batería (Vs= -5v).


Si la tensión de entrada es menor que la de la batería, el diodo queda polarizado

directamente y la tensión en la salida será la de la batería (Vs= -5v).

Cuando la tensión de entrada sea mayor que la de batería, el diodo será polarizado

en inversa y en la salida tendremos la tensión de la entrada (Vs=Ve).

Limitadores a dos niveles

Ejemplo e

D21N4001GP

V25V

R1

1.0kohm

V15V

D11N4001GP

Vi

10V 1kHz 0Deg


Cuando la tensión de entrada es menor que la tensión de las baterías, los diodos

quedan polarizados inversamente y la tensión de salida es igual a la tensión de



entrada (Vs=Ve).

Cuando la tensión de entrada sea mayor que la de las baterías, el diodo 1 se

polariza inversamente y el diodo 2 directamente, así que la tensión en la salida será

la de la batería 2 (Vs=5v).


Si la tensión de entrada es menor que las de las baterías, los diodos 1 y 2 quedarán

polarizados inversamente y la tensión en la salida será la de entrada (Vs=Ve).

En el caso de que la tensión de entrada sea mayor, el diodo 1 queda polarizado

directamente y el diodo 2 inversamente; la tensión en la salida será la de la batería 1

(Vs=5v).

Ejemplo f

R1

1.0kohm

Vi

10V 1kHz 0Deg

Vz1

1N4733A

Vz2

1N4733A




El diodo zener 1 queda siempre polarizado directamente y el diodo zener 2 en

inversa, pero cuando la tensión en la entrada sea menor que la tensión zener este

diodo 2 todavía no conducirá como zener, comportándose como un circuito abierto y

la tensión en la salida será la misma de la entrada (Vs=Ve).

Cuando la tensión de entrada es mayor que la tensión de zener, diodo 2 está en

zener y la tensión en la salida será igual a la tensión de zener (Vs=Vz2). Los diodos

son de la misma tensión zener Vz=5v.


Ocurre lo mismo que en el semiciclo positivo pero cambia la conducción de los

diodos. Vs=Vz1= -5v.

Ejemplo g

D21N4001GP

V26V

R1

1.0kohm

V14V

D11N4001GP

Vi

10V 1kHz 0Deg




Cuando la tensión de entrada es menor que la tensión de las baterías, el diodo 1

queda polarizado en directo y el diodo 2 en inverso; la tensión en la salida será igual

a la de la batería 1 (Vs=V1=4V).

Cuando la tensión de entrada es mayor que la tensión de la batería 1 (4v) y menor

que la de la batería 2 (6v), los diodos estarán polarizados en inverso y la tensión en

la salida será igual a la de entrada (Vs=Ve).

Cuando la tensión de entrada es mayor que la de las dos baterías, el diodo 1 estará

en inverso y el diodo 2 estará en directo, siendo la tensión en la salida igual a la de

la batería 2 (Vs=V2=6v).


Siempre el diodo 1 estará polarizado en directo y el diodo 2 en inverso, con lo cual

la tensión en la salida será igual a la de la batería 1 (Vs=V1=4v).



CIRCUITOS DE ENCLAVAMIENTO (CLAMP CIRCUITS)

En ciertas aplicaciones se requiere que la señal, sin perder su forma de onda

original, se mantenga confinada sobre o bajo un voltaje especificado de umbral;

para el propósito se agrega a la señal un nivel continuo tal que impida que sus

“PICOS” excedan el umbral especificado. La función es normalmente realizada en

base a diodos.

El circuito de la figura enclava los picos positivos de la señal de entrada en -5V

(tensión de batería).

Considerando el diodo como ideal y el condensador muy grande, las excursiones

positivas de Vs(t) cargan el condensador al valor pico, a través de la conducción del

diodo. Al disminuir la tensión de entrada el diodo asume estado OFF (circuito

abierto) y la salida estará dada por:

CSO VtVtV )()(

Las curvas de la figura suponen VS(t)= 10sen(wt)

Es posible naturalmente producir el enclavamiento en diferentes combinaciones de

pico enclavado (positivo o negativo) y el voltaje al cual se enclava (positivo o



negativo), por medio de diferentes polaridad de la batería y orientación (sentido) del

diodo.

Como criterio de diseño inicial se elige el producto RC (constante de tiempo)

un orden de magnitud mayor que el período de la señal de entrada (T = 2/w).

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APLICACIONES DE LOS DIODOS Rectificador Concepto · La tensión de rizado Vr dependerá del tipo de rectificador utilizado, media o doble onda, y del filtro empleado. Filtro a condensador