Diodos rev1

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Electrónica AnalógicaIII Diodos

El alumno empleará los diodos, capacitores, reguladores y leds, mediante unsistema de rectificación para construir una fuente de tensión regulada.

2012

Juan Carlos Guerrero DumasUniversidad Tecnológica del Sur de Sonora

09/01/2012



Electrónica Analógica

Juan Carlos Guerrero Dumas 1

Temas

1. Rectificación de CA a CD

a. Tipos de semiconductores.

b. La unión p-n y sus polarizaciones.

c. El funcionamiento del diodo con base en sus curvas de

operación.

d. Verificación de la polaridad y el estado de diodos con

multímetro.

e. El proceso de rectificación de media onda y onda

completa; construcción de rectificadores de media

onda y onda completa.

f. Los parámetros eléctricos del diodo rectificador en la

hoja de datos técnicos.

g. El proceso de filtrado por capacitor.

h. Construir una fuente de alimentación no regulada

2. Reguladores de tensión.

a. Funcionamiento del diodo Zener y sus características.

b. Funcionamiento de los reguladores de tensión

integrados

3. Diodo Emisor de Luz (LED)





Rectificación de CA a CD

Introducción

La mayoría de los dispositivos semiconductores requieren de una fuente de voltaje directo

(CD). Esta fuente de voltaje directo puede ser una batería, pero, en la mayoría de los casos

ésta se obtiene a partir de la línea de CA de 127 volts, 60 Hertz. La conversión de CA a CD

(proceso conocido como rectificación) se lleva a cabo mediante diodos semiconductores y ésta

es quizás, la aplicación más común de estos últimos.

Los eliminadores de baterías que comúnmente empleamos en radios, grabadoras,

calculadoras, etc., contienen entre otras partes un circuito rectificador.

Generalmente, los circuitos rectificadores emplean un filtro capacitivo para reducir la variación

de voltaje, y así entregar un voltaje promedio de CD con menor voltaje de rizo en su salida.

En esta unidad de competencia estaremos describiendo desde como se forma un diodo hastacomo construir un convertidor de CA a CD.

En el análisis y diseño de circuitos rectificadores es muy importante manejar correctamente los

conceptos del valor RMS (o eficaz), Valor pico (o máximo), valor promedio.

Tipos de semiconductores

Todos los materiales existentes pueden clasificarse en las siguientes categorías: conductores,

aislantes o semiconductores. Los primeros son materiales que conducen con facilidad una

corriente eléctrica a través de ellos. Los segundos difícilmente conducen corrientes eléctricas y

los últimos están en una situación intermedia.

Un buen conductor como la plata tiene una conductividad de 6 x 10 7 mohs/metro, mientras

que un buen aislante como el cuarzo fundido tiene una conductividad de 2 x 10 -17 mohs/metro.

Ejemplos de materiales semiconductores son el germanio (Ge), el silicio (Si) y algunos

compuestos como el arseniuro de galio (GaAs) y el sulfuro de plomo (PbS).

Para entender a los materiales semiconductores, consideremos a los átomos como pequeños

sistemas solares con electrones girando en órbitas específicas alrededor de un núcleo con

carga positiva. Los electrones localizados en la última órbita son llamados electrones de

valencia y no son retenidos tan firmemente como los que se encuentran en las órbitas

interiores. Cuando varios átomos se combinan para formar una molécula o una estructura

cristalina los electrones de valencia son intercambiados libremente, ligando con esto a los

átomos.

Elementos semiconductores típicos son el silicio y germanio. Un material semiconductor como

el silicio en su forma cristalina tiene sus cuatro electrones de valencia entrelazadas con los

átomos adyacentes.

La figura mostrada es una representación bidimensional de la estructura cristalina del silicio,en ella se muestran sus electrones de valencia y sus núcleos. A muy bajas temperaturas el





silicio se comporta como un aislador,

ya que no hay electrones libres que

puedan conducir corriente eléctrica.

Sin embargo, a temperatura ambiente,

por la agitación térmica, algunos

electrones serán separados de su

posición dentro de la red cristalina,

quedando libres y dejando en su lugar

un "hueco" con carga positiva. Si a

través del cristal se aplica un campo

eléctrico circulará una pequeña

corriente eléctrica debido al

movimiento de electrones libres y de huecos.

Es posible aumentar en forma controlada la conductividad de un semiconductor. Para realizar

esto, durante la formación del semiconductor puro se introduce una pequeña cantidad de

átomos "contaminantes" con tres o con cinco electrones de valencia en lugar de sólo cuatro.

La introducción de átomos

contaminantes con tres electrones

de valencia como por ejemplo el

bario (Ba), el galio (Ga) o el indio (In),

da lugar a una estructura cristalina

imperfecta en la cual han quedado

"huecos positivos" que aumentan la

conductividad del material. Este tipode materiales se conocen como

semiconductores tipo P y su

representación bidimensional se

muestra en la figura de a lado.

De manera similar, la introducción de

átomos contaminantes con cinco

electrones de valencia, como por

ejemplo el fósforo (P), el arsénico

(As), el bismuto (B) o el antimonio(Sb), da origen a una estructura

cristalina imperfecta en la cual han

quedado electrones en exceso qué

incrementan la conductividad del

material. Estos materiales

contaminados con átomos con cinco

electrones de valencia son llamados

semiconductores tipo N. Su

representación bidimensional se muestra en la figura de a lado.





Portadores mayoritarios y minoritarios. En un material tipo N el electrón se denomina

portador mayoritario y el hueco, portador minoritario, mientras que en un tipo P el portador

mayoritario serán los huecos y los minoritarios los electrones.

La unión P-N y sus polarizaciones

Cuando un trozo de material semiconductor tipo P y uno tipo N se unen tenemos una "unión

P-N que es también conocida como diodo.

Construcción del diodo semiconductor

El diodo semiconductor se forma uniendo los materiales tipo N y tipo P, los cuales deben estar

construidos a partir del mismo material base, el cual puede ser Ge o Si.

Región de Agotamiento

En el momento en que dos materiales son unidos (uno tipo N y el otro tipo P), los electrones y

los huecos que están en, o cerca de, la región de "unión", se combinan y esto da como

resultado una carencia de portadores (tanto mayoritarios como minoritarios) en la región

cercana a la unión. Esta región de iones negativos y positivos descubiertos recibe el nombre de

Región de Agotamiento por la ausencia de portadores.

Aquí existen tres posibilidades, al aplicar un voltaje a través de las terminales del diodo:

1. No hay polarización (VD = 0 V).

2. Polarización directa (VD > 0 V): material tipo P es positivo y material tipo N es negativo.

3. Polarización inversa (VD < 0 V): material tipo N es positivo y material tipo P es negativo.

VD = 0 V. En condiciones sin polarización, algunos electrones del material tipo N serán atraídos

por los huecos del material tipo P que se encuentran dentro de la región de agotamiento

pasarán directamente al material tipo P y viceversa algunos huecos se formaran en el tipo N

debido a los electrones que dejaron sus lugares, como se muestra en la figura arriba. En





ausencia de un voltaje de polarización aplicado, el flujo neto de carga (corriente) en cualquier

dirección es cero para un diodo semiconductor.

VD > 0 V. También esta condición es conocida como de Polarización Directa (Ver la siguiente

figura). La aplicación de un voltaje positivo como se muestra en la figura, empezara a atraer los

electrones existentes en la región de agotamiento del material P por la terminal positiva de labatería, mientras que la terminal negativa "presionará" a los electrones (portadores

mayoritarios) en el material tipo N de tal manera que se generara un flujo de corriente

electrónica desde la terminal negativa hasta la terminal positiva de la batería provocando en la

frontera de los materiales P-N una reducción de la anchura de la región de agotamiento hasta

desaparecerla. La circulación de corriente se incrementa significativamente cuando V D0.7 V

para diodos de Silicio. Prácticamente se dice que los diodos de silicio empiezan a conducir en

0.7 V, mientras que los de germanio en 0.3V.

ID = Imayoritarios – IS

VD < 0 V. Esta condición también es conocida como de Polarización Inversa (Ver la siguientefigura). Bajo esta condición el número de huecos positivos descubiertos en la región de

agotamiento del material tipo N aumentará debido al mayor número de electrones libres

arrastrados hacia el potencial positivo del voltaje aplicado. El número de electrones en el

material tipo P también aumentará debido a los electrones inyectados por la terminal

negativa, los cuales ocuparán los huecos.

El fenómeno explicado anteriormente, en ambos tipos de material N y P, provocará que la

región de agotamiento se ensanche o crezca hasta establecer una barrera tan grande que los

portadores mayoritarios no podrán superar, esto significa que la corriente ID del diodo será

cero.





Sin embargo, el número de portadores minoritarios que estarán entrando a la región de

agotamiento no cambiará, creando por lo tanto la corriente IS.

La corriente que existe bajo condiciones de polarización inversa se denomina corriente de

saturación inversa, IS.

El término "saturación" proviene del hecho que alcanza su máximo nivel (se satura) en formarápida y no cambia significativamente con el incremento en el potencial de polarización

inversa, hasta que alcanza el valor VZ o VPI; voltaje de pico inverso.

El máximo potencial de polarización inversa que puede aplicarse antes de entrar en la región

Zener (Vz) se denomina Voltaje de Pico Inverso o VPI nominal.

Los diodos de silicio tienen generalmente valores nominales de VPI y de corriente más altos e

intervalos de temperatura más amplios que los diodos de germanio.

El funcionamiento del diodo con base en sus curvas de operación.

Diodo, definición: Un diodo es un componente

electrónico de dos terminales que permite la

circulación de la corriente eléctrica a través de él en

un sentido. En la figura de a lado se muestra un diodo

físicamente, así como su símbolo.

En la siguiente figura se muestra la curva

característica del diodo. De forma simplificada, la

curva característica de un diodo (I-V) consta de dos





regiones: Región de polarización directa y región de polarización inversa.

En la región de polarización inversa se comporta como un circuito abierto (no conduce), y en la

región de polarización directa se comporta como un circuito cerrado; con una resistencia

eléctrica muy pequeña. Debido a este comportamiento, se les suele denominar rectificadores,

ya que son dispositivos capaces de suprimir la parte negativa de cualquier señal, como paso

inicial para convertir una corriente alterna en corriente continua.

Los parámetros más comunes de los diodos

Tensión umbral, de codo o de partida (0.7V para el Si, 0.3 para el Ge).

La tensión umbral (también llamada barrera de potencial) de polarización directa coincide en

valor con la tensión de la zona de carga espacial del diodo no polarizado. Al polarizar

directamente el diodo, la barrera de potencial inicial se va reduciendo, incrementando la

corriente ligeramente, alrededor del 1% de la nominal. Sin embargo, cuando la tensión externa

supera la tensión umbral, la barrera de potencial desaparece, de forma que para pequeños

incrementos de tensión se producen grandes variaciones de la intensidad de corriente.

Corriente máxima (IDmax ).

Es la intensidad de corriente máxima que puede conducir el diodo sin fundirse por el efecto

Joule. Dado que es función de la cantidad de calor que puede disipar el diodo, depende sobre

todo del diseño del mismo.

Corriente inversa de saturación (Is ).

Es la pequeña corriente que se establece al polarizar inversamente el diodo por la formación

de pares electrón-hueco debido a la temperatura, admitiéndose que se duplica por cada

incremento de 10º en la temperatura.





Tensión de ruptura (Vinv max ).

Es la tensión inversa máxima que el diodo puede soportar antes de darse el efecto avalancha.

Teóricamente, al polarizar inversamente el diodo, este conducirá la corriente inversa de

saturación (Is); en la realidad, a partir de un determinado valor de la tensión, en el diodonormal o de unión abrupta la ruptura se debe al efecto avalancha y un diodo normal se

dañara.

La curva de un diodo semiconductor (o diodo real) se puede definir por la siguiente ecuación:

El modelo matemático más empleado es el de Shockley (en honor a William Bradford

Shockley) que permite aproximar el comportamiento del diodo en la mayoría de las

aplicaciones. La ecuación que liga la intensidad de corriente y la diferencia de potencial es:

Donde: I es la intensidad de la corriente que atraviesa el diodo

VD es la diferencia de tensión entre sus extremos.

IS es la corriente de saturación (aproximadamente 10 − 12A)

n es el coeficiente de emisión, dependiente del proceso de fabricación del

diodo y que suele adoptar valores entre 1 (para el germanio) y del orden de 2

(para el silicio).

El Voltaje térmico VT es aproximadamente 25.85mV en 3000K, una

temperatura cercana a la temperatura ambiente, muy usada en los

programas de simulación de circuitos. Para cada temperatura existe una

constante conocida definida por:

Donde k es la constante de Boltzmann, T es la temperatura absoluta de la unión pn, y q es la

magnitud de la carga de un electrón (la carga elemental).

Debido a la forma que tiene la curvacaracterística del diodo, mostradaanteriormente, y la forma complejade la ecuación, con frecuencia seutiliza un modelo simplificado como elque se muestra en esta figura, dondeVT = 0.7 V (en este ejemplo VT es elvoltaje de inicio de conducción y no elvoltaje térmico) para el Si.





El modelo simplificado se puede utilizar siempre que la resistencia de la red y/o de losdispositivos junto a los cuales se conectará el diodo sea mucho mayor que la resistencia

promedio del diodo rd, la cual se podría calcular como rd, en promedio, la resistencia de un

diodo de pequeña señal es de 26. Red >> r d

En las siguientes figuras se muestran la comparación de las curvas de un diodo de silicio y unode germanio, así como unas fotografías de diodos de montaje superficial (de tipo SMT).

Verificación de la polaridad y el estado de diodos con multímetro

La prueba de diodos requiere de 2 operaciones: medir en un sentido (polarización directa) y en

sentido opuesto (polarización inversa), los diodos en buen estado solo deben medir en un solo

sentido (conducción en sentido de polarización directa) y deben tener una resistencia infinita

(medir infinito = no medir) en el sentido opuesto (sentido de polarización inversa).

Voltímetros digitales: estos aparatos de medición normalmente llevan una escala específicapara medir diodos, que viene representada, normalmente, con el símbolo del diodo. La banana





roja se colocará en el Ánodo y la banana negra en el cátodo, así en polarización directa, en la

pantalla digital debe poner una cifra, como por ejemplo para el diodo 1N4007 sería 0.56 V que

sería la caída de tensión del diodo polarizado directamente, polarizado inversamente el diodo,

en la pantalla deberá aparecer .0L (open loop, lazo abierto), que significa que no conduce el

diodo, una vez realizadas estas dos pruebas, con estos resultados sabemos que el diodo no

está dañado. Si marcase en ambas polarizaciones .0L es que el diodo se encuentra abierto y,

por lo tanto, defectuoso, si marcase 0 es que el diodo se encuentra cortocircuitado.

Ver las siguientes figuras: Polarizado directamente marca 0.521V, polarizado inversamente

marca .0L: conclusión, diodo bueno. Observe la posición del selector en multímetro y las

conexiones de los cables en multímetro así como en el diodo.

Aquí en la figura de la derecha se muestra otro ejemplo de como verificar si un diodo esta

bueno.

Averías en diodos

Éstos solamente sufren dos tipos de averías, cuando eldiodo está dañado:

- Diodo cortocircuitado: el multímetro digital marca 0

V en ambas polarizaciones.

- Diodo abierto: el multímetro digital marca .0L en

ambas polarizaciones.

Una variante seria que midiera en ambas

polarizaciones algún valor, queriendo decir que el

diodo esta parcialmente dañado (este caso es raro de





que aparezca).

Este tipo de comprobaciones son válidas para todos los tipos de diodos que existen, desde los

que son de miniatura, hasta diodos de potencia utilizados en rectificadores para alimentar

ferrocarriles.

En la figura mostrada al lado derecho, se

muestra lo que marca el multímetro digital

cuando el diodo esta cortocircuitado. Observe

que el diodo esta polarizado directamente.

Los multímetros digitales al colocarlos en

posición de prueba de diodos o de

semiconductores, aplican un voltaje de

corriente directa a través de sus terminales,

(respetando la polaridad: positivo en terminalroja y negativo en terminal negra), al mismo

tiempo que miden la caída de voltaje en

terminales del semiconductor, que es lo que

nos muestran en la pantalla. Este voltaje en

polarización directa es el voltaje del codo,

cercano a 0.7 V para los semiconductores de

silicio y cercano a 0.3 V para los

semiconductores de germanio. En polarización

inversa todo el voltaje se queda en el

semiconductor y el multímetro nos indica mediante .0L que el semiconductor esta abierto o

polarizado inversamente, que no hay conducción.

El proceso de rectificación de media onda y onda completa;

construcción de rectificadores de media onda y onda completa.

Un rectificador es un circuito que convierte una señal de corriente alterna en una señal de

corriente directa. Los diodos se utilizan extensamente en los rectificadores.

Rectificador de media onda positivo

En la siguiente figura se muestra el circuito del rectificador mas básico de media onda consalida positiva; su alimentación es un voltaje de CA, sin embargo el diodo solo deja pasar los

semiciclos positivos que son los que se hacen presentes en la resistencia que esta conectada

en la salida.

http://4.bp.blogspot.com/_vNFu_XRRH84/Scd0bTutnWI/AAAAAAAAFWE/7_nWuz8pZl8/s1600-h/diodo+cortocircuitado+digital.jpg





El circuito funciona de la siguiente manera: En el semiciclo de entrada positivo de la CA el

diodo queda polarizado directamente por lo tanto conducirá y considerando que el diodo es

ideal todo el voltaje del semiciclo positivo de la entrada se hará presente en la resistencia de

salida (carga), como se muestra en la grafica. En el semiciclo negativo el diodo quedara

polarizado inversamente y por lo tanto no conducirá comportándose como circuito abierto y

en la carga no aparecerá nada.

Aplicando la ley de voltaje de Kirchhoff para el semiciclo positivo tenemos:

Vf = VD + VR,

Pero VD = 0

Entonces Vf = VR

Donde Vf es el voltaje de la fuente y VR es el voltaje en la resistencia

Aplicando la ley de voltaje de Kirchhoff para el semiciclo negativo tenemos:

Vf = VD + VR

De acuerdo con la ley de ohm VR = I R

Y como I = 0 porque el diodo no conduce

Entonces VR = 0 y Vf = VD

Rectificador de media onda negativo

En la siguiente figura se muestra el rectificador de media onda con salida negativa más básico.

En este caso solo dejara pasar los semiciclos negativos, debido a que en el semiclo positivo del

voltaje de entrada de CA, el diodo quedara polarizado inversamente y por lo tanto no circulara

corriente a través de este, y de acuerdo con la ley de ohm, no habrá voltaje en la resistencia.

Para el semiciclo negativo del voltaje de entrada, el diodo quedara polarizado directamente y

considerando al diodo como ideal, todo el voltaje se hará presente en la salida siendo este

negativo, como se muestra en la grafica.

El desarrollo matemático del circuito será similar al realizado para el rectificador de mediaonda positivo considerando la nueva posición del diodo.

Rectificador de onda completa con transformador con derivación central

El siguiente rectificador de onda completa actúa como dos rectificadores de media onda

superpuestos y se requiere un transformador con derivación central. Ver la siguiente figura.





El circuito se denomina un rectificador de onda completa porque cambia el voltaje alterno de

entrada a un voltaje de salida pulsante continuo como se muestra en la figura. En la figura

también se aprecia la conexión intermedia llevada a tierra en el arrollamiento (devanado)

secundario. Debido a esta conexión central el circuito es equivalente a dos rectificadores de

media onda. Cada uno de estos rectificadores tiene un voltaje de entrada igual a la mitad del

voltaje del secundario.

Redibujando el circuito y

analizando el semiciclo

positivo de la CA en el

secundario del transformador

tenemos que el diodo D1

queda polarizado

directamente y por lo tanto

conduciendo, haciendo que

circule una corriente en RL como muestra la figura de la

derecha mientras que el

diodo D2 queda polarizado

inversamente por lo tanto en

este semiciclo no conduce.

Al entrar el semiciclo negativo

en el secundario D1 queda

polarizado inversamente por

lo tanto en este nuevosemiciclo no conducirá,

mientras que D2 queda

polarizado directamente

provocando que en RL circule

una corriente en la misma

dirección que la dada en el semiciclo positivo como muestra la figura.

Como se puede observar en las figuras, en los dos semiciclos la corriente en la carga circula en

la misma dirección, provocando un voltaje de acuerdo con la ley de ohm, con la polaridad

marcada en los dibujos.





Rectificador de onda completa

En la siguiente figura se muestra uno de los rectificadores de onda completa mas utilizados,

que puede utilizarse con transformador y sin transformador.

En las siguientes figuras se muestra la circulacion de corriente atraves de los diodos para los

dos semiciclos:

Para el semiciclo positivo

D1 y D2 quedan

polarizados directamente

y por lo tanto conducen,

mientras que D3 y D4

quedan polarizados

inversamente, por lotanto no conducen. La

circulacion de corriente

esta indicada en los

dibujos de la derecha.

Para el semiciclo negativo

D1 y D2 quedan

polarizados inversamente

y no conducen, mientras

que D4 y D3 quedan

polarizados directamente,haciendo que de nuevo la

circulacion de corriente en

la RL tenga la misma direccion que la mostrada en el semiciclo positivo, por lo tanto la

corriente en la carga RL siempre es positiva como se muestra.

Los parámetros eléctricos del diodo rectificador en la hoja de datos técnicos

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