Embed Size (px)
Citation preview
electrónica Departamento de Tecnología – CPR Jorge Juan – Xuvia 117 diodo Leopoldo E. Álvarez
Tecnología
ELECTRÓNICA Diodo
CPR. JORGE JUAN Xuvia-Narón
El diodo semiconductor es el elemento inmediato que se extrae a partir de la unión semiconductora, PN. El diodo es una unión semiconductora, P-N, a la que se le añade un terminal de conexión metálico a cada uno de los extremos encapsulando finalmente todo el conjunto en un dispositivo. Se denomina ánodo a la zona semiconductora tipo, P, y cátodo a la zona semiconductora tipo, N, respectivamente del diodo. Es el más sencillo de los dispositivos semiconductores pero desempeña un papel fundamental en los sistemas electrónicos, con sus características que se asemejan en gran medida a las de un sencillo interruptor. Se encuentra en una amplia gama de aplicaciones, que se extienden desde las simples hasta las más complejas. Las propiedades de conductividad de un diodo dependen de la dirección del voltaje, que puede a su vez utilizarse para controlar la naturaleza eléctrica del dispositivo.
Representación de un diodo de silicio en activa y en inversa.
Se llama curva característica de un diodo a la curva, I-V, que relaciona la tensión, V, aplicada a sus terminales con la intensidad, I, de la corriente eléctrica que lo atraviesa.
... 1
V qk T
sI I e
Para un diodo basado en la tecnología del silicio la tensión umbral estará en torno a, 0’7 V, sin embargo para un diodo de germanio estará en torno a, 0’2 V.
electrónica Departamento de Tecnología – CPR Jorge Juan – Xuvia 118 diodo Leopoldo E. Álvarez
También se puede observar en la gráfica en la zona de polarización en inversa el voltaje de ruptura, Vr. Este fenómeno se produce al aumentar de forma indefinida el voltaje en inversa llegando a poder dañar de forma irreversible el diodo. El efecto de la temperatura sobre el diodo está definido en la grafica, pero su explicación viene dada por la variación de la corriente eléctrica de saturación, Is, la cual aumenta si la temperatura aumenta. En polarización inversa pasa por la unión únicamente la eléctrica de saturación, Is. Aquí la limitación será el voltaje de ruptura a partir del cual el dispositivo pierde eficiencia. Cada diodo tiene su nomenclatura y características. La nomenclatura está directamente relacionada con el uso que se va a hacer del diodo. Las características nos dirán las tensiones y corrientes eléctricas que cada uno puede soportar. Un diodo puede funcionar de dos formas básicas en función de la forma en que se polarice, es decir, de cómo se conecten sus terminales a los polos del generador: Polarización directa
El voltaje positivo aplicado al ánodo empuja los huecos hacia la zona de agotamiento, lo mismo hace el voltaje negativo sobre los electrones del cátodo. Cuando el voltaje es pequeño y va aumentando la zona de agotamiento se va estrechando. Al llegar a un valor llamado voltaje de umbral la zona de agotamiento desaparece y los huecos y electrones se recombinan y el circuito externo empieza a aportar huecos a la zona, P, y electrones a la zona, N, apareciendo una corriente eléctrica a través del diodo, se dice que el diodo está en conducción.
La corriente eléctrica del diodo en conducción crece fuertemente con un crecimiento pequeño del voltaje. Se considera entonces para un diodo de silicio que esté en conducción que su voltaje es de, 0’7 V.
Si los voltajes en el circuito son mucho mayores a, 0’7 V, el voltaje del diodo se considera prácticamente nulo y el funcionamiento del diodo se asimila al de un interruptor cerrado.
En polarización directa el diodo tiene dos características importantes:
Para empezar a conducir la corriente eléctrica entre sus terminales hay que vencer una barrera de potencial o tensión umbral existente entre los semiconductores, P, y, N.
La tensión umbral es aquella a partir de la cual el la intensidad que circula por el diodo aumente mucho variando muy poco la tensión en sus terminales. Se dice que a partir de ella el diodo entra en conducción.
A partir de la tensión umbral el diodo presenta una resistencia interna al paso de la corriente eléctrica cuyo comportamiento se puede aproximar al de una resistencia lineal.
12
electrónica Departamento de Tecnología – CPR Jorge Juan – Xuvia 119 diodo Leopoldo E. Álvarez
La zona del diodo realizada con el semiconductor tipo, N, tiene una resistencia y la zona del diodo realizada con el semiconductor tipo, P, tiene otra resistencia diferente:
Se llama máxima corriente eléctrica continua en polarización directa al mayor valor de la corriente eléctrica que atraviesa el diodo, la cual no se debe de superar para el buen funcionamiento del mismo.
El diodo conduce cuando se supera entre sus terminales una tensión denominada umbral, y tendremos un límite máximo que vendrá dado por la intensidad máxima en directa, IFM, que no se debe superar para el buen funcionamiento del diodo.
En polarización directa la corriente eléctrica que circula por el diodo sigue la ruta de la flecha del símbolo del diodo, del ánodo al cátodo. En este caso la corriente eléctrica atraviesa el diodo con mucha facilidad comportándose prácticamente como un corto circuito.
Diodo en polarización directa
Polarización inversa
El voltaje negativo aplicado al ánodo atrae los huecos y el voltaje positivo aplicado al cátodo atrae los electrones por lo que la zona de agotamiento se ensancha, sobre los portadores minoritarios ocurre el fenómeno contrario, éstos hacen recombinación y forman una corriente eléctrica muy pequeña, del orden de los, A, a los, A, que en el caso práctico se considera nula. Se dice entonces que el diodo se comporta como un interruptor abierto.
El voltaje en el diodo será el que el circuito aplique y puede llegar a cualquier valor, en la práctica cientos de voltios para diodos rectificadores.
Cuando el voltaje inverso aplicado llega a cierto valor la atracción entre huecos y electrones crece tanto que rompen la resistencia de la estructura del semiconductor y hace que éstos viajen a gran velocidad recombinándose y generando una corriente eléctrica que crece rápidamente, se dice que se produce un fenómeno de avalancha y a ese voltaje se le llama Zener ó de avalancha.
En diodos rectificadores este voltaje es de cientos de voltios y si el diodo llega a ese voltaje normalmente se daña por una elevación muy rápida de temperatura.
12
electrónica Departamento de Tecnología – CPR Jorge Juan – Xuvia 120 diodo Leopoldo E. Álvarez
En polarización inversa se tiene una corriente eléctrica inversa que está formada por la suma de los valores de la corriente eléctrica de saturación, IS, y la corriente eléctrica de fugas, If. No se debe de llegar a la tensión de ruptura, VR, porque el diodo se rompe por avalancha, excepto si el diodo es un Zener.
Cuando la corriente eléctrica en el diodo desea circular en sentido opuesto a la flecha del símbolo del diodo, o se del cátodo al ánodo. En este caso la corriente eléctrica no atraviesa el diodo, y se comporta prácticamente como un circuito abierto.
Diodo en polarización inversa
La principal característica de los diodos es que sólo permiten el paso de corriente eléctrica en un sentido. Existen distintos tipos de diodos: Zener
El diodo zener es un tipo de diodo diseñado para trabajar siempre en polarizaciones inversas ó voltajes negativos. Su nombre le sobreviene de la zona de polarización donde trabaja, zona de la tensión de ruptura ó zener. La corriente eléctrica circula por el diodo en contra de la flecha que indica su símbolo.
Este tipo de diodo permite trabajar con un amplio abanico de posibilidades en cuanto a intensidades una vez fijada una determinada tensión que viene dada por la característica del propio diodo zener.
Según la curva característica de un diodo zener, en la zona ó región operativa la corriente eléctrica de ruptura, Ir, puede variar en un amplio margen, pero el voltaje zener, Vz, en esa región cambia muy poco. Se mantiene aproximadamente en, 5’6 V. La zona de ruptura ó zona zener de este tipo de diodo se regula variando de forma controlada el dopado.
El diodo zener puede ser usado en las siguientes aplicaciones como:
Regulador de tensión
Una de las aplicaciones prácticas más sencillas del zéner es la de regulador de una tensión continua, cuyo diagrama es:
Ve Tensión de entrada, 9 V, a, 12 V Vs Tensión de salida, 7 V Iz Corriente eléctrica en el zener, 5 mA Is Corriente eléctrica de salida, 20 mA, a, 50 mA
Con el uso de este circuito se puede asegurar una tensión máxima a la salida del circuito, independientemente de las fluctuaciones originadas en la entrada del mismo.
-
+
anodo
catodo
electrónica Departamento de Tecnología – CPR Jorge Juan – Xuvia 121 diodo Leopoldo E. Álvarez
Este circuito es muy sencillo de implementar, solamente se tendrá que ver cuál es el valor de la resistencia, Rlim, que será la resistencia limite que absorberá la diferencia de tensión que se quiera recortar en la entrada. Para hallar el valor de la misma se tiene
(min)lim
(min) ( )
e s
Z S máx
V VR
I I
Sea un circuito que consume, 10 mA, a, 5 V, con una fuente de, Ve= 8 V, ¿cuál es el valor de, R, adecuado? si se supone que se dispone de un diodo de VZ= 5 V, a, ½ W. su corriente eléctrica máxima es IDmax = 0 '5
5W
V= 0’1 A
se escoge una corriente eléctrica menor para su funcionamiento IZ= 10 mA entonces R= (8 5 ) 3 150
(10 20 ) 30V V V
mA mA mA
Un regulador con zener ideal mantiene un voltaje fijo predeterminado a su salida, sin importar si varía el voltaje en la fuente de alimentación y sin importar como varíe la carga que se desea alimentar con este regulador.
En las fuentes de voltaje ideales el voltaje de salida no varía conforme varía la carga. Pero las fuentes no son ideales y lo normal es que la tensión de salida disminuya conforme la carga va aumentado, es decir, conforme la demanda de corriente eléctrica de la carga aumente.
Para poder saber si una fuente de voltaje es de buena calidad se utiliza la siguiente fórmula:
Porcentaje de regulación= (sin arg ) ( arg ) .100%
( arg )V c a V c a total
V c a totaln a
a
A menor valor de porcentaje de regulación, mejor calidad de fuente
Referencia de voltaje
Los diodos Zener son construidos de manera que, VZ, es muy exacto y se mantiene constante para diferentes valores de, IZ, esto permite que un Zener se use en electrónica como referencia de voltaje para diferentes aplicaciones.
electrónica Departamento de Tecnología – CPR Jorge Juan – Xuvia 122 diodo Leopoldo E. Álvarez
Elemento de protección
Se coloca el diodo Zener en paralelo con el circuito a proteger, si el voltaje de la fuente crece por encima de, VZ, el diodo conduce y no deja que el voltaje que llega al circuito sea mayor a, VZ.
No se debe usar cuando, VF>VZ, por largos periodos de tiempo, pues en ese caso se daña el diodo.
Se aplica acompañado de lámparas de neón o de descargadores de gas para proteger circuitos de descargas eléctricas por rayos.
Recortador
Se usa en conexión antiparalelo para recortar en dos niveles, uno positivo y el otro negativo una señal.
Si el circuito tiene una resistencia equivalente, RC, la corriente eléctrica en el diodo es:
Sea una fuente senoidal de, 10 VP, R= 200 , RC=1 K, y un diodo Zener de, 6 V, ¿cuál será la corriente eléctrica de pico en el diodo?.
10 6 6 200 6 14200 1DPV V VI mA mA mA
k
LED
Su nombre viene de Light Emitter Diode (Diodo Emisor de Luz), es decir, emite luz tanto visible como infrarroja cuando esta polarizado en directa, y no conduce en polarización inversa. El voltaje en conducción no es, 0’7 V, es de mayor valor, normalmente se consiguen diodos LED de, 1 V, 3 V, y, 9 V.
Un LED se usa siempre con una resistencia en serie la cual determina la cantidad de corriente eléctrica que circula por él, en la práctica esta corriente eléctrica se fija en un valor entre, 5 mA, y, 20 mA.
Los colores típicos de los LEDs son rojo, verde, y ámbar aunque también se pueden fabricar de otros colores como azul.
La diferencia de colores viene dada por los materiales de los que este fabricado el LED y de sus características físicas que determinan la longitud de onda de la luz emitida.
electrónica Departamento de Tecnología – CPR Jorge Juan – Xuvia 123 diodo Leopoldo E. Álvarez
Eléctricamente el diodo LED se comporta igual que un diodo de silicio o germanio. Si se pasa una corriente eléctrica a través del diodo semiconductor, se inyectan electrones y huecos en las regiones, P, y, N, respectivamente. Dependiendo de la magnitud de la corriente eléctrica, hay recombinación de los portadores de carga, electrones y huecos. Hay un tipo de recombinaciones que se llaman recombinaciones radiantes, de aquí la emisión de luz. La relación entre las recombinaciones radiantes y el total de recombinaciones depende del material semiconductor utilizado, GaAs, GaAsP,y GaP.
Debe de escogerse bien la corriente eléctrica que atraviesa el LED para obtener una buena intensidad luminosa y evitar que éste se pueda dañar. El LED tiene un voltaje de operación que va de, 1’5 V, a, 2’2 V, aproximadamente y la gama de corrientes eléctricas que deben circular por él está entre los, 10 mA, y, 20 mA, en los diodos de color rojo y para los otros LEDs entre los, 20 mA, y, 40 mA.
El uso de los LEDs tiene enormes ventajas sobre las lámparas como:
Su bajo consumo de energía Su mantenimiento casi nulo Una vida aproximada de, 100000 horas.
Sus desventajas son:
Una potencia de iluminación tan baja, que su luz es invisible bajo una fuente de luz brillante Su ángulo de visibilidad está entre los, 30°, y, 60°. Este último problema se corrige con cubiertas difusores de luz.
El diodo LED debe ser protegido. Una pequeña cantidad de corriente eléctrica en sentido inverso no lo dañará, pero si hay picos inesperados puede dañarse. Una forma de protegerlo es colocar en paralelo con el diodo LED pero apuntando en sentido opuesto un diodo de silicio común.
El diodo LED tiene múltiples aplicaciones. Se utiliza ampliamente en aplicaciones visuales, como indicadoras de cierta situación específica de funcionamiento, entre otras:
Se utilizan para desplegar contadores Para indicar la polaridad de una fuente de alimentación de corriente eléctrica directa. Para indicar la actividad de una fuente de alimentación de corriente alterna. En dispositivos de alarma.
Material Longitud de onda de
emisión en Angstroms (A°)
Color
GaAs: Zn 9100 Infrarojo GaAsP.4 6500 Rojo GaAsP.5 6100 Ambar
GaAsP.85:N 5900 Amarillo Ga:P 5600 Verde
electrónica Departamento de Tecnología – CPR Jorge Juan – Xuvia 124 diodo Leopoldo E. Álvarez
Se va a encender un LED con un voltaje de, 5 V, el LED es de, 3 V, ¿cuál es el valor de resistencia en serie que se ha de colocar en serie con él para protegerlo?.
se toma una corriente eléctrica de, 10mA, entonces:
5 3 20010
LEDV V V VRI mA
Un LED se puede usar también como fuentes alternas, enciende en los semiciclos positivos y se apaga en los negativos, el resultado es que el LED se ve constantemente encendido pero con baja intensidad.
Sea un LED de, 9 V, y se va a usar con energía eléctrica, AC, de, 120 VRMS. Hallar el valor de pico de la señal.
. 2 120. 2 165p efV V V se selecciona un valor pico de corriente eléctrica, por ejemplo, 20 mA, entonces
165 9 7820
p LED
p
V V V VR kI mA
La resistencia que existe en el mercado próxima a ésta es, R= 8’2 K Varicap
El Varicap es un diodo que se comporta como un condensador donde la capacidad está controlada por la tensión. Las regiones, P, y, N, se comportan como las placas de un condensador y la zona de deplexión actúa como un dieléctrico
Representación de un diodo del tipo Varicap
Túnel
El diodo túnel se comporta de una manera muy interesante conforme se va aumentando la tensión aplicada en sentido directo:
Cuando se aplica una pequeña tensión, el diodo empieza a conducir y la corriente eléctrica empieza a fluir.
Si se sigue aumentando esta tensión la corriente eléctrica aumentará hasta llegar un punto después del cual la corriente eléctrica disminuye.
electrónica Departamento de Tecnología – CPR Jorge Juan – Xuvia 125 diodo Leopoldo E. Álvarez
La corriente eléctrica continuará disminuyendo hasta llegar al punto mínimo de un valle y después volverá a incrementarse. En esta ocasión la corriente eléctrica continuará aumentando conforme aumenta la tensión.
Este comportamiento de la corriente eléctrica en función de la tensión se observa en la gráfica.
Vp Tensión pico Vv Tensión de valle Ip Corriente eléctrica de pico Iv Corriente eléctrica de valle
La región en que la corriente eléctrica disminuye cuando la tensión aumenta, (Vp,Vv), se llama zona de resistencia negativa.
Los diodos túnel se llaman también diodos Esaki en honor a su inventor japonés Leo Esaki.
Los diodos túnel tienen la cualidad de pasar entre los niveles de corriente eléctrica, Ip, e, Iv, muy rápidamente, cambiando de estado de conducción al de no conducción incluso más rápido que los diodos Shottky. Desgraciadamente, este tipo de diodo no se puede utilizar como rectificador debido a que tiene una corriente eléctrica de fuga muy grande cuando están polarizados en inversa.
Debido a ello estos diodos sólo encuentran aplicaciones reducidas como en circuitos osciladores de alta frecuencia.
Schottky
El diodo Schottky, a diferencia del diodo semiconductor normal que tiene una unión, P–N, tiene una unión, Metal-N. Estos diodos se caracterizan por su velocidad de conmutación, una baja caída de tensión entre, 0’25 V, y, 0’4 V, cuando están polarizados en directo.
El diodo Schottky está más cerca del diodo ideal que el diodo semiconductor común pero tiene algunas características que hacen imposible su utilización en aplicaciones de potencia:
Poca capacidad de conducción de corriente eléctrica en directo. No acepta grandes voltajes que lo polaricen inversamente, VCRR.
Sin embargo el diodo Schottky encuentra gran cantidad de aplicaciones en circuitos de alta velocidad en computadoras, donde se necesitan grandes velocidades de conmutación y su poca caída de voltaje en directo provoca un bajo consumo de energía.
Láser
El diodo láser se obtuvo como resultado de la continuación del desarrollo del diodo led. La palabra láser proviene de las siglas en inglés, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation.
Esto se refiere a un extraño proceso cuántico, donde la luz característica emitida por electrones cuando éstos pasan de un estado de alta energía a un estado de menor energía, estimulan a otros electrones para crear saltos similares. El resultado es una luz emitida que sale del material monocromática, es decir,
electrónica Departamento de Tecnología – CPR Jorge Juan – Xuvia 126 diodo Leopoldo E. Álvarez
formada por una sola frecuencia.
Otra característica importante es que la luz emitida no sólo tiene la misma frecuencia o color, sino también la misma fase, es decir está sincronizada. Este es el motivo por el cual la luz láser se mantiene enfocada aún a grandes distancias.
En el caso de una fuente de luz blanca común, ésta genera todos los diferentes colores con sus respectivas frecuencias, en forma de rayos dispersos, es decir que van en diferentes direcciones, y por ello no están en fase.
En el caso de una fuente de luz láser todos los rayos son del mismo color, son monocromáticos o lo que es lo mismo, tienen la misma frecuencia y están en fase. Se dice que estos diodos producen una la luz coherente.
Los diodos LED comunes, irradian una sola luz, también son monocromáticos, tienen una sola frecuencia, pero no están en fase y se propagan en forma dispersa.
Los diodos láser tienen una gran cantidad de aplicaciones: aplicaciones:
Lectura y escritura de discos ópticos, donde sólo un rayo de luz muy angosto puede ver un área microscópica en la superficie de un disco. Para mediciones precisas en donde es indispensable un rayo de luz que no se disperse.
Algunos diodos láser requieren de circuitos que generen pulsos de alta potencia, para entregar grandes cantidades de voltaje y corriente eléctrica en pequeños instantes de tiempo. Otros diodos láser necesitan de un funcionamiento continuo pero a menor potencia.
Con el envejecimiento los diodos láser podrían necesitar más corriente eléctrica para generar la misma potencia entregada. Dado que estos diodos tienen una vida muy larga, unas, 10000 horas, el problema del envejecimiento es muy secundario.
Fotodiodo
Se parece mucho a un diodo semiconductor común, pero tiene una característica que lo hace muy especial, es un dispositivo que conduce una cantidad de corriente eléctrica proporcional a la cantidad de luz que lo incide ó ilumina. Esta corriente eléctrica fluye en sentido opuesto a la flecha del diodo y se llama corriente eléctrica de fuga.
El fotodiodo se puede utilizar como dispositivo detector de luz, pues convierte la luz en electricidad y esta variación de electricidad es la que se utiliza para informar que hubo un cambio en el nivel de iluminación sobre el fotodiodo.
Si el fotodiodo quedara conectado, de manera que por él circule la corriente eléctrica en el sentido de la flecha, es decir, polarizado en sentido directo, la luz que incide sobre él no tendría efecto alguno y el fotodiodo se comportaría como un diodo semiconductor normal.
La mayoría de los fotodiodos vienen equipados con un lente que concentra la cantidad de luz que lo incide, de manera que su reacción a la luz sea más evidente.
A diferencia del LDR o fotorresistencia, el fotodiodo responde a los cambios de oscuridad a iluminación y viceversa con mucha más velocidad, y puede utilizarse en circuitos con tiempo de respuesta más pequeño.
electrónica Departamento de Tecnología – CPR Jorge Juan – Xuvia 127 diodo Leopoldo E. Álvarez
Si se combina un fotodiodo con un transistor bipolar, colocando el fotodiodo entre el colector y la base del transistor con el cátodo del diodo apuntado al colector del transistor, se obtiene el circuito equivalente de un fototransistor.
PIN
IMPATT
Gunn ó diodo invertido
Cada uno de estos diodos tiene un símbolo gráfico que lo representa y que permite distinguir uno de otro:
Diodo rectificador *
Diodo rectificador
Diodo rectificador
Diodo zener
Diodo zener
Diodo zener
Diodo zener
Diodo zener *
Diodo varicap *
Diodo varicap
Diodo varicap
Diodo Gunn Impatt
Diodo supresor de tensión *
Diodo supresor de tensión
Diodo de corriente eléctrica constante
Diodo de recuperación instantánea, Snap
Diodo túnel *
Diodo túnel
Diodo rectificador túnel
Diodo Schottky
electrónica Departamento de Tecnología – CPR Jorge Juan – Xuvia 128 diodo Leopoldo E. Álvarez
Diodo Pin *
Diodo Pin
Fotodiodo
LED Diodo emisor de luz
Fotodiodo bidireccional NPN
Fotodiodo de dos segmentos cátodo común PNP
Fotodiodo de dos segmentos cátodo común PNP
Diodo laser
Diodo magnético
Diodo sensible a la temperatura
Diodo de rotura bidireccional PNP
Diodo de rotura bidireccional NPN
Puente rectificador
Puente rectificador *
Indicador con LED alfanumérico 5 x 7 Letra A de ejemplo
electrónica Departamento de Tecnología – CPR Jorge Juan – Xuvia 129 diodo Leopoldo E. Álvarez
Los diodos tienen muchas aplicaciones, entre otras:
Fuente de alimentación En ella se realiza el proceso de conversión de corriente alterna, C.A., a corriente continua, C.C.. Se realiza pues un generador de tensión que transforma una tensión alterna en una tensión continua. Para realizar este circuito se necesita una tensión continua de, 5 V. Sin embargo, no existen pilas que proporcionen esta tensión. Una forma de resolver este problema es obtener la tensión continua a partir de la tensión alterna de la red eléctrica.
Lo primero que hay que hacer es reducir la elevada tensión de la red, 220 V, a una cercana a, 5 V. Para ello, se utiliza un transformador.
electrónica Departamento de Tecnología – CPR Jorge Juan – Xuvia 130 diodo Leopoldo E. Álvarez
Mediante, 4, diodos ó un puente de diodos se cambia después la forma de la señal para que se parezca más a una señal continua.
Si a continuación se añade un condensador capaz de almacenar la carga y descargarse muy lentamente, se obtiene una señal casi continua.
Para eliminar el rizado de la señal de salida y evitar que esta dependa de la resistencia que se conecte, ha de utilizarse un regulador de tensión.
Como la finalidad es obtener, 5 V, habrá que utilizar un, 7805. Los condensadores, C2, y, C3, permiten eliminar subidas repentinas de tensión.
Se trata de un circuito integrado que se usa en las fuentes de alimentación para obtener una señal continua. Existen reguladores fijos, con los que se puede obtener una tensión determinada a la salida como el, 7805, 7806, 7809, 7812, etc., y reguladores variables, como el, LMJ17, que permiten ajustar la tensión de salida, Vs, mediante una resistencia variable. La tensión de salida será:
2
1
1'25. 1sRVR
Los circuitos que utilizan diodos se analizan dependiendo del tipo de corriente eléctrica usada: Corriente continua Exacta por tanteo
Se resuelve la ecuación exponencial que define al diodo y la ecuación de la malla del circuito.
Modelos equivalentes aproximados
Existen tres aproximaciones muy usadas para los diodos de silicio, y cada una de ellas es útil en ciertas condiciones.
1ª Aproximación, el diodo ideal
La exponencial se aproxima a una vertical y una horizontal que pasan por el origen de coordenadas. Este diodo ideal no existe en la realidad, no se puede fabricar por eso es ideal.
Polarización directa
Se sustituye el diodo por un interruptor cerrado.
electrónica Departamento de Tecnología – CPR Jorge Juan – Xuvia 131 diodo Leopoldo E. Álvarez
Polarización inversa
Se sustituye el diodo por un interruptor abierto.
El diodo actúa como un interruptor abriéndose o cerrándose dependiendo si esta en inversa o en directa.
2ª Aproximación
La exponencial se aproxima a una vertical y a una horizontal que pasan por, 0’7 V, este valor es el valor de la tensión umbral para el silicio, si el diodo fuese de germanio su valor es, 0’2 V.
El tramo que hay desde, 0 V, a, 0’7 V, es en realidad polarización directa, pero como a efectos prácticos no conduce, se toma como inversa. Con esta segunda aproximación el error es menor que en la aproximación anterior.
Polarización directa
La vertical es equivalente a una pila de, 0’7 V.
Polarización inversa
Es un interruptor abierto.
electrónica Departamento de Tecnología – CPR Jorge Juan – Xuvia 132 diodo Leopoldo E. Álvarez
Resolver en polarización directa el mismo circuito del ejemplo anterior utilizando la segunda aproximación
como se observa por simple comparación, los valores obtenidos son distintos a los obtenidos anteriormente. Esta segunda aproximación es menos ideal que la anterior, y por lo tanto más exacta, esto es, se parece más al valor que tendría en la práctica ese circuito.
3ª Aproximación
La curva del diodo se aproxima a una recta que pasa por, 0’7 V, y tiene una pendiente cuyo valor es la inversa de la resistencia interna.
El estudio es muy parecido a los casos anteriores, la diferencia es cuando se analiza la polarización directa:
En el ejemplo anterior usando la, 3ª aproximación, se toma, 0’23 , como valor de la resistencia interna.
esta tercera aproximación no merece la pena usarla porque el error que se comete, con respecto a la segunda aproximación, es mínimo. Por ello se usa generalmente la segunda aproximación en lugar de la tercera excepto que se trate de algún caso especial.
Para elegir que aproximación se va a usar se tiene que tener en cuenta, por ejemplo, si son aceptables los errores grandes, ya que si la respuesta es afirmativa se podría usar la primera aproximación. Por el contrario, si el circuito contiene resistencias de precisión de una tolerancia de, 1%, puede ser necesario utilizar la tercera aproximación. Pero en la mayoría de los casos la segunda aproximación será la mejor opción.
electrónica Departamento de Tecnología – CPR Jorge Juan – Xuvia 133 diodo Leopoldo E. Álvarez
Recta de carga
La recta de carga es un procedimiento que se emplea para hallar el valor de la intensidad de la corriente eléctrica que atraviesa el diodo así como la tensión entre los terminales del diodo o tensión de funcionamiento del diodo.
Si de la ecuación de la malla, se despeja la intensidad de la corriente eléctrica se tiene la ecuación de una recta, que daría lugar a la gráfica.
A esa recta se le llama recta de carga y tiene una pendiente negativa. El punto de corte de la recta de carga con la curva exponencial que define al diodo es el punto, Q, o punto de trabajo ó de funcionamiento del diodo. La posición de este punto, Q, se controla variando, VS, y, RS.
Al punto de corte con el eje, X, se le llama, corte, y al punto de corte con el eje, Y, se le llama, saturación.
Para la resolución de circuitos tanto en corriente alterna como en corriente continua se va a considerar la característica ideal del diodo
Característica ideal del diodo
electrónica Departamento de Tecnología – CPR Jorge Juan – Xuvia 134 diodo Leopoldo E. Álvarez
Además de la linealización de la característica se debe hacer análisis mediante circuitos equivalentes del diodo dentro del circuito.
Un diodo que se encuentra en una zona lineal perpendicular al eje de las tensiones, es equivalente a un generador de tensión con valor igual al corte con el eje de tensiones dentro del circuito.
Un diodo que se encuentra polarizado en una zona de su característica lineal y perpendicular al eje de intensidades, es equivalente a un generador de intensidad con un valor igual al corte con el eje.
Un diodo también se puede encontrar en un tramo lineal genérico. En este caso el diodo puede ser equivalente a una resistencia de valor
2 1
2 1
V VRI I
que estaría en serie con un generador de tensión de valor
2 11 1
2 1
.V VE V II I
electrónica Departamento de Tecnología – CPR Jorge Juan – Xuvia 135 diodo Leopoldo E. Álvarez
Estudio de las distintas zonas las que se puede polarizar el diodo que posee la característica de la figura
supuesta característica linealizada de un diodo y su equivalencia
Zona 1 generador de tensión, E= 0’6 V
Zona 2 R= 10 Ω, y, E= 0’2 V
Zona 3 E= 0’3 V
Zona 4 circuito abierto.
Zona 5 R= 2’5 MΩ
Zona 6 generador de intensidad, I= -2 mA Corriente alterna
La resolución del circuito consta de dos partes:
Se resuelve el circuito como si la fuente de tensión fuera continua, siguiendo los pasos explicados en el punto anterior.
Se estudia el circuito en corriente alterna. Para esto se deben seguir los siguientes pasos:
Se halla la resistencia dinámica, rd,, en el punto de polarización obtenido en continua. Por lo tanto ahora se puede sustituir el diodo por un circuito equivalente formado por una resistencia en paralelo con un condensador, Cd, en el caso de que el diodo este en directa y, Cj, en el caso de que el diodo este en inversa, y que son las capacidades de difusión del diodo.
Ahora con la parte variable de la tensión, se calcula la parte variable de las señales del diodo: Id(t,) y, Vd(t). Con lo que finalmente se tiene
( ) ( )D D dI t I i t
( ) ( )D D dV t V v t
