Semiconductores-EI d¡odo

"éf¡il:.,J J

EI sector electrónico lta conseguiclo lto¡t sn tlía unas cotus cle im¡tortanciu en el sec-tor productivo y tle bienes tle consunto tlue purecíun inimuginubles hace unos uños. LttElectrótticct y los contponentes electrónicos comiettzon su uttdcttlut'u a /ínules del sigloXIX cott el clesstollo elel diodo ¡' del triodo tle vucío. Con estos elementos J:tt eru posi-ble Iu antpli/ícución cle señales ¡' multitucl tle uplicuciones. Cott lu invención o .finalescle 1940 del trunsistor bi¡tolar ct base tle componentes de estado sólielo, se produ.jo unuverduclers re,volución en el sector elecfrónico. EI siguienfe paso Jfue la aparición en

1959 elel primer circuito integraelo. Destle ese nu)ntento lus posibilidades cle miniuturi-utción tle los circuitos ¡4rucias ul uutnento de lus posibilicludes en la densiiad de inte-grución ltun crecido exponenciulntente, tlctttdo lugur a un nuevo concepto: la micro-electrónica.

Se puede decir que con los semicontluctores se comienzct el estutlio propio de laElectrónicu. Con el uso tle los senicontluctores es posible lu elaborución de dioelos,trunsistores, tiristores y circuitos integrudos en generul.

En esla Unidud tle Conteniclo vettlos (t estudiur los tliotlos puru posteriormente opli-curlos en circuitos tle recfificucién (circuitos t¡ue convierten lu corriente ultentu encontinuu).

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Los semiutndttcÍores.El diodo de unión.Dis¡tosiI ivos optoele(:tt'ón ¡t'os : diodos LED t' /brodíodo.s

Analizut' lu tipologítt .t' c'arucÍcrísÍiccrs -/iutc'ir,tnoles cle los tlic¡dos.Dest'ribir ltts c'ttrvcts cLtt'oLtct'í,\ticLts ntLis rtpt't',tentalivcts de lt¡s diodos, explicon-do lu relaciótt exi,stenÍe enfre las mugnitucles.finclatttenÍales cltre los c(trLktet'¡:Lttt.InterTtrefat'kts ¡turcintetros.funclttntenfales tlue apLlrecen en lus hofcr.s léc'ttic:us cle

I os .fLr bt'i c' tr ttte.s ¿le d i odos.Anali:cu' lu tipología y cut'acterí.slic'as./irnciouole.s tle los tlis¡tositit'os o¡'tfoelec'Író-

nicos.

1 0.1. Los semiconductores 10.2. El diodo comoLos semiconductores han revolucionado el mundo de la

electrónica. Con ellos han aparecido los diodos, transistores,tiristores y demás componentes electrónicos construidos gra-cias a los semiconductores que han sustituido a las válvulaselectrónicas. Por otro lado, con la aparición de los circuitosintegrados, que suplen la función de grandes cantidades dediodos, transistores, resistencias, condensadores y cualquiertipo de componente electrónico, se ha dado el gran paso hiciael futuro de la electrónica. La ventaja que poseen los semi-conductores es que son de reducido tamaño, pequeño consu-mo y bajo precio. En la Figura 10.1 se muestra los símboloseléctricos de los semiconductores más comunes y en la Figu-ra 10.2 el aspecto de los mismos.

semiconductor

Itsiodo Led

\\(

Fototransistor

r1Mosfet P

+DIAC

/¡)FFotodiodo

*FJFET N

-trUJTN

+TRIAC

DIODO LED

++Diodo

Transistor NPN

-*EJFET P

_-trUJT P

Diodo zener

Transistor PNP

JMosfet N

tiguta 10.1. Símbolos eléctricos de los semiconductores.

El diodo es un elemento semiconductor que sólo permite lacirculación de corriente en un sentido único (Figura 10.3).

Figura f 0.3.

Su aplicación es especialmente interesante en aquellos dispo-sitivos en que sea necesario esta cualidad, como, por ejemplo, enlos rectificadores, que son capaces de convertir la C.A. en C.C.

Antes de pasar a estudiar los diodos de unión, convienetener una idea muy clara de lo que es un semiconductor.

Existen ciertos cuerpos como, por ejemplo, el selenio, elgermanio y el silicio que en condiciones normales son aislan-tes, pero con cieftas modificaciones de su organización mole-cular se pueden convertir en conductores. Esto es debido aque su estructura cristalina no dispone de electrones librescapaces de establecer una corriente eléctrica; sin embargo, loselectrones de sus últimas órbitas pueden ser liberados artifi-cialmente, por lo que se convierten en cuerpos conductores.El procedimiento más habitual para conseguirlo consiste enintroducir en el interior de estos materiales sustancias con unaestructura airómica determinada.

Experiencia 10.1

Consigue un diodo y conéctalo intercalado en elcircuito de una pila y una lamparita (Figura I 0.4). Síconectas el cátodo del diodo (terminal negativo indi-cado por unq raya en el componenfe) en el polonegativo de la pila, observarás que dicha lamparitase enciende. Sin embargo, si inviertes las conexionesdel diodo la lamparita no se encenderá.

jSCR

sr-=+

DIODO

ñCIRCUITO INTEGRADO

FOTODIODO

ffi

WSCR

ffiW

GULADORRE

ffie{dTRANSPIRADORES

TRIAC

DE TENSION

Figura'10.2. Aspecto de los semiconductores.

Figwa 10.4.

En definitiva, el diodo actúa como un interruptor que estarácerado en caso de estar bien polarizado y abierto cuando lapolarización esté invertida.

Esta propiedad es muy interesante y está motivada por laestructura interna del diodo. En ef-ecto, este componente está

constituido por la unión de dos cristales semiconductores, unode tipo P y otro de tipo N (Figura 10.5).

Figura 10.5. Unión de dos cristales de tipo P y N.

Estos cristales son de silicio o de germanio con la adi-ción de algún otro elemento que les confiere una ciertapolaridad ya sea P (exceso de cargas positivas) o N (excesode negativas).

¿Cómo se forman estos cristales'7

Estudiemos el caso del silicio como cuerpo semiconductor,por ser el rnás utilizado.

1 0.3. Características atóm icasdel silicio

Es un cuerpo cristalino cuyas moléculas tienen formasgeométricas regulares. Por otro lado, posee 4 electrones devalencia, es decir, que en su órbita exterior sólo existen cua-tro electrones (Figura 10.6). Como se sabe, todo cuerpo pre-cisa de 8 electrones de valencia para que mantenga una esta-bilidad normal. El silicio es un cuerpo estable con sólo 4electrones de valencia, ya que se complementa con cuatro elec-trones de los átomos vecinos (enlace covalente) y así suma los8 electrones precisos para su estabilidad.

N

En estas condiciones, el átomo de silicio es completamen-te aislante, ya que no existen en su seno electrones librescapaces de establecer una corriente eléctrica.

Silicio tipo N: Existen elementos, como el antimonio, el

arsénico, etc., que poseen 5 electrones de valencia. Si uno deestos elementos los unimos con el silicio, se producirán enla-ces covalentes incompletos, ya que uno de los electrones de

estos elementos quedará libre por estar las órbitas completas.E,l resultado de la combinación del silicio con la impureza de

antimonio es un cristal denominado silicio tipo N, ya queexisten cargas negativas libres (Figura 10.7).

Figura 10.7, Enlaces covalentes incompletos de un cristal de silicio tipo N.

Silicio tipo P: De la misma forma que en el caso anterior,si al silicio en estado puro se le introducen impurezas que, en

vez de tener cinco electrones de valencia, sólo dispongan de

tres, como el indio, el aluminio, galio, boro, etc., el enlacecovalente será, otra vez, incompleto (Figura 10.8).

''l

ó

Ioo

a

reo

a

oo

ó

o

a

o

@o

i

a ..é

@

@

@

'o

,Ó

o

a

6)

@

o

a

o

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ó

o

a

o

h

.óh

o

ó

o

o.

0'

o.

o

.ó

@

t)\7

o

'a

++++++++++++++++++++

Figura'10.6. [nlaces covalentes en el silicio. Figura 10.8. Enlaces covalentes incompleto en un cristal P.

El átomo de impureza, al tener sóio tres electrones, no llegaa rellenar todos los huecos, pues sólo satisface las necesida-des de tres de los cuatro átomos de silicio. Se necesita pues unelectrón más para rellenar ese hueco.

Estos huecos representan una f'alta de electrones y produ-cen una naturaleza positiva al cristal, que en este caso se

denomir.ra silicio tipo P.

10.4. El diodo de uniónEl diodo de unión se forma al juntar un cristal tipo P con

otro tipo N (Figura 10.9). Da la irrpresión de que al juntarestos dos cristales de cargas opuestas, en la unión AB se pro-ducirá una neutralización de cargas, pero no es así, ya que endicha unión aparece una pequeña barrera por efecto de larepulsión que evita este fenómeno.

i Barr"ra de i

, potencial :

Figura 10.9. Barrera de potencial en una unión PN.

Ahora bien, si conectamos una batería al diodo (Figura10.10), de tal forma que el polo positivo de éste coincida conel cristal tipo P y el negativo con el cristal tipo N, las cargasnegativas serán repelidas hacia la superficie de la unión congran fuerza y vencerán de este modo la barrera AB. Por lotanto, se producirá una corriente eléctrica /. a través deldiodo, neutralizándose los electrones con los huecos.

*€ 4-O <-O <-O <-O <-O <-OCorriente de electrones

Figuta 10.10. Polarización directa de un diodo de unión.

Veamos ahora qué pasaría si conectásemos la bateríasentido contrario (Figura 10.1 1).

N

Figura f0.11. Polarización inversa del diodo de unión.

Los electrones libres del cristal N se sentirán atraídos porel polo positivo de la batería y los huecos por el polo negati-vo de la misma, cleáudose en la unión AB una especie devacío que evita la circtrlación de corriente a través del diodo.En este caso se ha conectado el diodo en sentido inverso. Apesar de ello siempre existe una pequeña corriente de firgaqr-re recibe el nonrbre de corriente inver.sa del diodo (ll.

Para que el diodo conduzca polarizado en sentido directonecesita ser sometido a una tensión minima de polarizacióu, queen el caso del germanio es de 0.2 V y de 0,6 V para el silicio.

Las características de los diodos semiconductores varíangrandemente con la temperatllra. De tal fbnna que, cuantomayor sea la temperatura de la unión, mayor será el número deelectrones libres y, por tanto, aumentará la corriente de conduc-ción. En el germanio estas variaciones son excesivas. por enci-ma de los 75 "C se hace diflcil su utilización, mientras que el

silicio puede emplearse hasta los 200'C aproximadamente. Enla actualidad la gran mayoría de semiconductores son de silicio.

10,4,1. Características en polarizacióndirecta de un diodo

Obtener las características de poiarización de un diodo sig-nifica determinar la relación existente entre los dif-erentes valo-res de la tensión de polarización (Vo) V la corriente directa (In).

Para obtener experimentalmente esta relación habría querealizar el ensayo que se muestra en la Figura 10.12. En lamisma, la lectura de Vn indica la tensión de polarizacióndirecta en voltios y la lectura de la coniente directa lo.

Ir--+

Figuta 10.12. Circuito para obtener la curva

de polarización directa de un diodo.

En la Figura 10.13 se puede apreciar la curva característicade polarización del diodo ensayado. La cun¡a tiene forma expo-nencial en las proximidades del cero y se acerca al valor de la

A

ó

ó

^ó

OOi+ + +

OOi+ + +

OOi+ + +

€r+ OF-+ €F->

Cr+ O-+ OF">

€F-+ €F-+ €F-->

Or+ Ol+ €F-->

.--@ --.@ ---@

.--O.--@ =--@

.--@ --O.-O<-@ <-@ <-o

intensidad de coriente máxima admisible a medida que aumen-ta la tensión. Esto indica que la resistencia del diodo es de muybajo valor y que disminuye rápidamente al aumentar la tensión.

Los fabricantes de diodos expresan el valor de la conienteinversa en sus hojas de especificaciones técnicas. Así, porejemplo, la serie de diodos con la referencia tN4001 a1N4007 establece una coriente inversa de l0 ¡rA cuando sonpolarizados inversamente.

Observa que, según se aumenta la tensión inversa, también1o hace la corriente, hasta que se llega a un valor Vr, llamadotensión de ruptura del diodo. En este momento aparece unefecto de avalancha y aumenta bruscamente la intensidad decorriente inversa, lo que provoca la destrucción del diodo porla excesiva disipación de calor.

Para que esto no ocurra, es necesario diseñar las condicio-nes de trabajo del diodo con Llna tensión inversa siempremenor a su tensión de ruptura.

Los fabricantes de diodos especifican los valores delaten-sión inversa pico en sus hojas de especificaciones técnicas.Así, por ejen-rplo, mientras el diodo con la referencia lN400lsoporta una tensión máxima inversa de 50 V el 1N4007 llegasoportar 1.000 V.

En la Figura 10.16 se muestra la curva característica com-pleta de un diodo de unión.

10

8

In6(mA) 4

2

00 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,1 0,8 0,9 1

V¡ tv)

Figura 10.13. Curva de polarización directa de un diodo.

Cuando nosotros polarizamos directamente un diodo, ésteno comienza a conducir de una lorma apreciable hasta que leapliquemos la mínima diferencia potencial de barera, cono-cida por el nombre de tensión umbral. En el caso del ger-manio esta tensión es de 0,2 V y en el del silicio 0,6 V. pordebajo de esta tensión la corriente es muy pequeña y porencima aumenta considerablemente.

10,4,2, Características en polarizacióninversa de un diodo

Para obtener la curua característica inversa bastará coninverlir la corriente del diodo, de tal lorma que el cristal N estéconectado al positivo de la pila y el P al negativo (Figura 1 0. I 4).

In

Figun 10.14. Circuito para obtener la característica inversa de un diodo.

Ya se dijo anteriormente que cuando el diodo queda some-tido a una tensión inversa V*, aparece una pequeña corrientede fuga I^, a la cual denominábamos corriente inversa. Estacorriente es del orden de unos ¡"tA o nA, tal como se puedeapreciar en la curva de la Figura 10.15 correspondiente a lacaracterística inversa del diodo^

Vn (v)

80 600

10 nA

100 nA

rpA ln

10 pA

lOO FA

1mA

30 mA

20 mA

l0 mA

Vr

1pA

2 ILA

3FA

Figura 10.16. Curva característica de un diodo de unión.

2040

10.4.3. Potencia y corr¡ente nominal

Un diodo se diseña parafrabajar óptimamente en unas con-diciones nominales deten¡inadas. Existen dos formas de pro-vocar la destrucción de un diodo:

Exceder la tensión inversa de ruptura.

Exceder la potencia máxima nominal.

Como ocurría con las resistencias, los diodos poseen unacierta capacidad de disipar el calor que se produce en suunión. Este calor depende de la potencia a la que trabaja eldiodo, que depende, a su vez! del producto de la corriente porla tensión del mismo.

100

Figuta 10.'t5. Característica inversa de un diodo.

Si la potencia que se produce en el diodo es superior a lacapacidad de disipación del mismo, éste aumentará excesiva-mente su temperatura y acabará deteriorándose.

Existen algunos fabricantes que especifican la potencianominal de sus diodos en las hojas de información técnica. Noobstante, lo normal es que en estas informaciones únicamen-te aparezca la corriente máxima de polarización directa. Bas-tará con no sobrepasar este valor para que en ningún caso sesupere la potencia máxima nominal.

Así, por ejemplo, la gama de diodos con la referencia1N4001 a 1N4007 permite una corriente directa nominal de I A,mientras que el diodo 1N418 permite una corriente directa de150 mA y una disipación de potencia & Tu.b:25 "C de 500 mW.

10,4,4, línea de carga de un diodoMediante el conocimiento de la línea de carga podremos

encontrar el valor exacto de la coniente y tensión del diodopara ona carga determinada.

En el circuito de la Figura 1 0. 1 7 se puede apreciar una fuen-te de tensión V que suministra energía a una resistencia R, enserie con un diodo. La tensión que aparecerá en él es Vo. Latensión que aparece en los bomes de R, será igual a la tensióntotal V menos Ia caída de tensión V, que provoca el diodo.

Figuta 10.17. Circuito para trazar la línea de carga de un diodo.

Aplicando la ley de Ohm obtenemos la corriente del circuito:

V-V-,-ttF _

Rs

Esta corriente se puede representar mediante una recta quenos va ayudar a determinar el punto de trabajo del diodo paraunos valores determinados de tensión V y resistencia Rr.

Para entender esto mejor presentamos un ejemplo sencillode aplicación:

El valor de la corriente en el circuito de la Figura 10.18 es:

Rs

Observa cómo aparece una relación Iineal entre la corrien-te y la tensión.

Para realizar una representación gráfica de esta ecuaciónbasta con dar valores a V, y obtener diferentes puntos de la línea.

1.2-0En el caso de que Ve :0 V, Ir: .- : 0,007 A = 7 mA.' 175

En el caso de que VF: 1.2 V tr: )2)? - o.t/)En el caso de que la curva característica del diodo sea la

que se representa en la figura 10.19, la línea de carga será unarecta que corte los puntos de 1,2 Y y 7 mA. El punto de inter-sección de estas dos curvas nos indica los valores de la ten-sión y corriente del diodo para una tensión de 1,2 V y unaresistencia limitadora de 175 O.

l0

8

Ir6(mA) 4

2

00 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 I 1,1 1,2

V¡ (v)

Figuta 10.19. Recta de carga del diodo.

En nuestro ejemplo se obtiene una corriente de 3,6 mA yuna tensión de polarización directa en el diodo de 0,62 V. Aeste punto se le denomina punto de funcionamiento del diodo.

1 0.4.5. Característica aprox¡madade un diodo

Al estudiar las resistencias y condensadores, hemos tenidooportunidad de comprobar que los valores de resistencia y lacapacidad de estos dispositivos poseen un cierto margen detolerancia. Lo mismo ocurre con los valores característicos deun diodo, de los cuales no se puede afirmar que sean exactos.Por esta razón, se puede enconfrar Ltna curva característicaaproximada de trabajo de un diodo sin cometer, por nuestraparte, grandes errores. Además, este hecho simplifica nota-blemente la resolución de circuitos con diodos.

En la Figura 10.20 se muestra dicha curva aproximada. Sesupone que cuando el diodo está polarizado con una tensióninversa, éste se comporta como un intemrptor abierto y nodeja pasar ninguna corriente eléctrica.

:

Ir(mA)

0,7 Ve (v) .-* 'e

1,2 - v"lrrr - ---l-l-

t/)

VrL

I

V

Figura 10.18. Figwa 10.211. Característica aproximada de un diodo.

Por otro lado, se considera que se necesitan aproximada-mente unos 0,7 Y para que un diodo de silicio conduzca comoun interruptor cerrado. Se supone que, hasta que no se alcan-ce esa tensión, la corriente directa es nula.

De esta explicación se podrían sacar los esquemas equiva-lentes de las Figuras 10.21 ay b.

Cuando el diodo es polarizado directamente se comportacomo un interruptor cerrado en serie con una fuente de ten-sión de 0,7 V. De tal forma que, si la tensión de polarizaciónes superior a0,7 Y, el interruptor se ciera (Figura 10.21 a).

Si se invierte la tensión de polarización del diodo, éste secomporta como un interruptor abierto (Figura 10.21 b).

10.5.1. Diodos luminiscentes (tED)

Seguro que ya conoces este tipo de dispositivo electrónico,ya que poseen gran aplicación como elementos señalizadoresdel encendido de cualquier equipo electrónico, como puedeser: un equipo de sonido, un ordenador, etc. Haciendo combi-naciones con ellos, también pueden ser empleados para visua-lizar números y letras en pequeños indicadores luminosos(displays), con los cuales se pueden presentar resultados enequipos de medida, calculadoras, etc.

En la Figura 10.23 a se muestra el aspecto de un diodo ledy en la Figura 10.23 b su representación esquemática.

Figura 10.21. a) Diodo polarizado directamente.b) Diodo polarizado inversamente.

Ejemplo 10.1

¿Cuál será la corriente directa del diodo del circuito deFigura 10.22?

Figura 10.21.

Solución:

Para resolver este ejercicio, basta con tener en cuenta lacurva característica aproximada. Aplicando la ley deC)hm:

8V-0,7Vlp: :0,00091 :0,91 mA

8000 f)

1 0,5. Dispgsitivos optoelectrón igos

Dentro de la denominación de dispositivos optoelectrónicosse incluyen todos aquellos elementos semiconductores capacesde producir una radiación luminosa comprendida dentro delespectro visible o fuera del mismo (infrarrojos), como lo sonlos diodos LED. También se incluyen los componentes sensi-bles a la luz, como, por ejemplo, los fotodiodos.

(a)

@)(")

*

Figura 10.23. Diodo l-ED. a) Aspecto físico. b) Símbolo.

Experiencíu 10.2

Consigue un diodo LED, estudia su aspecto y conécta-lo a través de una resistencia serie de unos 430 d) a unafuente de alímentación de l0 í1, tal como se muestra en laFigura 10.24.

(b)

t0v

Figwa 10.24.

Habrás podido comprobar que para que el diodo LEDse ilumine hay que coneclarlo de tal forma que quedepolarizado directamente. El terminal que representa alánodo suele aparecer en el componente indicado con unamarca (este terminal suele tener una longitud mayor queel del cátodo). (Por si fuera poco, se añade un pequeñoaplanamiento en la cápsula en las inmediaciones del ter-minal del cátodo). En el cctso de no esfar seguro cuál escada uno de los terminales, se puede verificar el estado deconducción con un polímetro, lal como se hacía con losdiodos de unión PN.

¿Se enciende el diodo LED al polarizarlo direcfamente?

Los diodos LED se fabrican mediante la unión de dos cris-tales semiconductores PN, a los que se les ha contaminado deuna forma especial. Cuando una unión de este tipo se polari-za con una tensión directa, al igual que ocurría con los diodosconvencionales, los electrones de valencia del cristal tipo Natraviesan la unión y se recombinan con los huecos del cristaltipo P. Dado que dichos electrones se trasladan de un nivel deenergía más alto a uno más bajo, se produce una liberación deenergía, que en este tipo de diodos se manifiesta en forrna deradiaciones electromagnéticas dentro del espectro luminoso.

Los diodos LED se fabrican con elementos especiales,como Arseniuro de Galio (GaAs) y Fósforo. Para conseguirrnodificar la longitud de onda de la radiación de la onda lumi-nosa, y así conseguir diodos con emisiones de diferentes colo-res (rojo, naranja, verde, amarilla, azul, o infianoja), se con-taminan Ios cristales de una forma adecuada. Así por ejemplo,los diodos luminiscentes fabricados con Galio y Fósforo(GaP) erniten h-rz roja cuando se les añade óxido de cinc, yemiten luz verde con la adición de nitrógeno.

70,5,7,1, Caracterísficas de los LED

Apafte del color de los diodos luminiscentes, las carac-terísticas más reievantes de los mismos son similares a losd iodos convencionales:

La tensión dírecta (V,.) es la caída de tensión que se prodlrceentre los extremos del diodo LE,D cuando por él fluye la corrien-te directa. Esta tensión suele ser del orderr de 1,5 a 2,2Y paralamayor parte de los modelos. Cuando se desconoce la tensióndirecta exacta, bastará con tomar cono valor aproximado 2 V.

La corriente de excitación directa (In) es la corriente quedebe circular por el diodo LED para alcanzar la intensidadluminosa esperada. Para la mayoría de los modelos estacorriente esta comprendida entre l0 y 50 mA.

La cowienÍe inversct (I^) es la máxima corriente que puedefluir por el diodo luminiscente cuando a éste se le aplica unatensión de polarización inversa. Este valor suele estar en tornoa los l0 ¡rA.

La disipación de potencia es aquella parle de la potencia queel diodo h,uniniscente no convierte en luz y que acaba degradán-dose en calor, teniendo que evacuarla al exterior. Por esta razón,los diodos LED se conectan en serie con Llna resistencia" con elfin de limitar la coruiente que flLrye por é1. Para calcular dicharesistencia se aplica la ley de Ohm al circuito de la Figura 10.25:

Ejemplo 10,2

Se quiere deteminar la resistencia que hay que conec-tar en serie con un diodo LED para una tensión de fuentede 12 V. Para ello tendremos en cuenta que su tensióndirecta es de 2 V y que con 20 mA de corriente directa se

consiguen una emisión luminosa aceptable.

Solución:

Aplicando la ley de Ohm al circuito, tendremos que:

R.: f

If

oo-bo_Co-do_9o-fe-6r

Figura 10.26.

abcdefob

de siete segmentos con diodos [[D.

t2-2-500o

0.020

Vr

tigura 10.25. Conexión de un diodo [ED.

¿,Qué díodos habrá que excifar sünultáneamente en el indi-c'ador de siete segmentos de la Figura 10,26 pctra cpre se i/n-mine el número 5?

En la actualidad los indicadores de cristal líquido (LCD)están desplazando a los indicadores con diodos luminiscentesa campos de aplicación más reducidos.

10,5,2, FotodiodosEste dispositivo es un diodo especialmente diseñado p¿ua que

sea sensible a las radiaciones luminosas que en é1 incidan, de talfbrma que al aumentar éstas, tan'rbién lo haga la corriente inver-sa que fluya por el fotodiodo. Una de las aplicaciones fr¡nda-mentales de este dispositivo es como fotodetector, elementocapaz de translonnar una magnitud luminosa en eléctrica.

Veamos corro funciona este dispositivo: recuerda cómo cuan-do a un diodo Lrnión PN se le aplicaba energía térmica se rompíanun número determinado de enlaces covalentes y, por tanto, apa-recía en arnbos cristales un núnrero determinado de portadoresde carga minoritarios. Pues bier.r, en este tipo de diodos ademásaparece un aumento de portadores minoritarios cuando se aplica

V-V.rr"R,

V-V-R: ''I- I

Las ventajas que poseen los diodos LED para aplicacionesde sefialización lrente a las pequeñas lámparas incandescentesson innllmerables, tal como pueden ser: gran duración, eleva-da resistencia mecánica fi'ente a irnpactos y vibraciones,tamaño reducido y pequeño consumo, que les hace idealespara aplicaciones en combinación con otros semiconductores.

Una de las aplicaciones que se pr-rede hacer de los diodosLED. es la fabricación de indicadores numéricos de siete seg-mentos (displays). Mediante 7 diodos luminiscentes dispues-tos corro se indica en la Figura 10.26, se pueden representardígitos del 0 al 9, Para ello se excitan simultáneamente lascombinaciones de diodos que se correspondan en cada caso.

j__l

llndicador

energía en forma de radiaciones luminosas. De esta forma, si

conectalros un fotodiodo con una tensión de polarización inver-sa, fluirá una pequeña corriente inversa por el mismo. Los foto-diodos se fabrican de tal forma que la luz pueda incidir en ellos,de tal fbrma que cuando la intensidad de la radiación luminosa se

hace más grande, aumentan los portadores minoritarios. y conellos la corriente inversa. Así se consigue que exista una relacióndeterminada entre la luz y la corriente.

En la Figura 10.27 se muestra el circuito de un fotodiodopolarizado inversamente. Las flechas, que apuntan hacia elcomponente, indican que el diodo aprovecha ia incidencia dela luz en él para funcionar.

En la Figura 10.27 se muestra la curva de polarizacióninversa de un tbtodiodo.

Observa cómo al aumentar la intensidad de la radiaciónluminosa (su unidad de medida es el lux), tanrbién lo hace lacorriente inversa.

Figura 10.27. Circuito con fotodiodo.

0,4

.a:lr,

0tIn

(mA)

o)

0,1

0 10 20 30 40 s0 60 '70

Vn (V) -i:..

Figun 10.28. Curvas características de un fotodiodo.

Una de las aplicaciones que se puede hacer del fotodiodo,en combinación con el diodo luminiscente, es la fabricaciónde un optoacoplador, tal como se muestra en la Figura I 0.29.Estos dos elementos se integran en un solo elemento."ff

Figura f 0.29. Optoacoplador.

Con un optoacoplador se puede aisiar eléctricamente dos cir-cuitos entre los que hay que intercambiar una deterninada serial.La señal de entrada se aplica al diodo LED, generando éste unaintensidad luminosa que estará en función de la corriente entre-

R.

gada por la señal. Esta radiación luminosa incide en el fotodio-do, el cual generará una corriente en la salida proporcional a laentregada a la entrada del optoacoplador. Con el uso de optoa-copladores se eliminan todos los riesgos que pueden surgir alconectar circuitos que trabajan con señales de muy pequeñastensiones, con otros circuitos que lo hacen con tensiones eleva-das. Por ejemplo, se utiiizan para aislar la salida de un ordena-dor con circuitos exteriores que estén alimentados con tensiorlespeligrosas. También se utilizan en electromedicina para aislarlos circuitos de los electrodos que se han de aplicar al cuerpohumano, y en otras muchas aplicaciones.

Direcciones útíles en lnternet

Manual de electrónica básrca:

http ://eca. rede)¡a. com/cursos. html

Apuntes sobre semiconductores :

http ://www. i fent. org/lecc i ones/semiconductor/defau lt.htm

Apuntes sobre diodos:http ://www.mrboo. com.arlinformaci orVDiodos/info.htm

Apuntes sobre diodos de potencia y optoacopladores;estudio de las hojas características de diodos:http ://eca. rede)ra.com/semicon d uctores. htm I

Documentación sobre el display de 7 segmentos:

http ://eca.rede)ra. com/tutorial es/7se g/7se g.htm

Apuntes sobre diodos Led:http ://www.cienc iasmisticas.com.arlelectron i calsemi/led/index.html

Apuntes muy completos sobre optoelectrónica:http ://www. cienci asmisti cas. com. arle I ectronica/semi/optoelectronica/index.html

Información sobre las pantallas de cristal líquido LCD:http ://www. mrboo. com. arlinformac ion/Lcd/infb.htm

Índice de componentes electrónicos y sus característicasmás relevantes:http ://electronred. iespana.es/electronred/lN DICOMPO-NEN.htm

Aquí podrás consultar cualquier símbolo de la electrónica:

http : //www. anaki s. es/-fbn/simbol ogia/htto://www. oabl in.com.arlelectron/cursos/simbolos/index.htm

Información sobre códigos normalizados para identificarsemiconductores:htto://www.cienciasmi sticas.com.arlelectronica/semi/nomenclatura/

Directorio muy completo y ordenado alfabéticarnente deempresas de electrónica. Aquí podrás encontrar las carac-terísticas que necesites de cualquier componente electró-nico (diodos, transistores, CI, etc.)httn://www.cornunidadelectrc¡nicos.com/dirA-D.htmhttp ://www.datasheetlocator. com/es/

Programas para diseño y simulación de circuitos:htto ://serv erd ie. alc. uov. es/alum no/software/Electronica/S imuladElectron.htm

Podrás encontrar más direcciones ordenadas por temas enel Anexo I de este texto.

los semiciclos negativos de la red de C.A. quedan

anulados parala lárnpara. De esta forma, ia tensiónque aparece en ella será igual al valor medio de lossemiciclos positivos. Esta tensión viene a ser unpoco menor de la mitad del valor eflcaz de Ia tensiónalterna original. Con este circuito podemos conse-guir reducir aproxin.radamente a la mitad la tensión a

que sometemos a la lámpara y con ello reducir lapotencia y luminosidad que ésta produce.

M, lf-^___l

Figuta 1032. El diodo hace que la lámpara sólo

funcione durante la mitad del ciclo.

Para conseguir que la lámpara trabaje a dos nivelesdil'erentes de ilurninación se propone el circuito de laFigura 10.33.

por lo que ésta se enciende a media luz. Si ahoracerramos el interruptor Ir, el diodo queda puenteadoy anulado, con 1o que en la lárnpara aparece toda latensión y lunciona a plena potencia.

Monta el circuito propuesto en la Figura 10.33 ycomprueba su funcionamiento, midiendo las diferen-tes tensiones que aparecen en él para las dos posibi-lidades de iluminación.

El diodo que se utilizará para este montaje deberá sercapaz de soportar la corriente nominal del circuito,así como tener una tensión inversa de ruptura supe-rior a la tensión rnáxima que bloquea (en este casotendrá qr-re ser mayor a 3l1 V). De los diodos que se

exponen en la Tabla 10.1, ¿cuál se podría ufilizarpara esta aplicación?

.,obao ,,

1 N4003

1 N4004

1 N5406

.-.vi;t"é, .,"200 v

400 v

600 v

Tabla 10.1.

l*o

1A

1A

3A

f---- ,,0 v

Figura 10.33. Circuito para conseguir dos niveles de iluminación.

Su funcionarniento es como sigue: estando el inte-rruptor I, cerrado y el [, abierto, toda la corrientedebe fluir por el diodo, por lo que, teniendo en cuen-ta que el valor eficaz de la C.A. es 220 V, la tensiónque aparece en la lámpara es igual a:

v -,.. v.,,.^- . \Z 220 . {t l l\/ rnccro n rr Tr Ir

El diodo conectado en serie como reductor de la ten-sión en circuitos de C.A. para cargas resistivas tambiénse puede utilizar para adaptar receptores de 125 V a

redes de 220 V. También se suelen usar para conseguirdos niveles de potencia en un calefactor eléctrico.

10.6 Identificación de componentes optoelectrónicos.Consigue los esquemas de algún circuito electrónicodonde aparezca diodos LED, fotodiodos y optoaco-pladores. Reconoce su ubicación en el circuito, com-prueba su polarización y exanrina su función endicho circuito.

Al finalizar cada una de estas actividades deberás ela-borar un informe-memoria sobre la actividad desa-rrollada, indicando los resultados obtenidos y estruc-lurándolos en los apartados necesarios para unaadecuada documentación de las mismas (descripcióndel proceso seguido, medios utilizados, esquemas yplanos utilizados, cálculos, medidas, etc.).

Lámpara

220Y100 w

Frutoeu\uac\6n

10.1 ¿A qué tensión de polarización comienzan a con-ducir los diodos de silicio?

A 0,3 V.B IV.c 0,7 v.

10.2 ¿,A qué se debe una corriente inversa elevada porel diodo?

A A la aplicación de una tensión directa tam-bién elevada.

B A la aplicación de una tensión inversa tam-bién elevada.

C A la elevación de la corriente por el diodo.

10.3 ¿Cuál es la disipación de potencia en un diodo desilicio polarizado directamente, si la tensión deldiodo es de 0,7 V y la corriente es 500 mA?

10.4 Determinar la corriente que se establece por undiodo de silicio que se conecta en serie con unaresistencia de I Kfl al ser polarizado directamen-te por una fuente de tensión de l0 V.

10.5 En la Figura 4.42 está representada la curvacaracterística del diodo comercial 1N4007. En elcaso de que alimentemos a este diodo con unafuente de tensión de 5 V y a través de una resis-tencia limitadora de 5 C), determinar la línea de

carga, los valores de V y de I, en e[ punto de tra-bajo del diodo, para una temperatura de 25 oC, yla disipación de potencia del mismo.

;., t'u

I¡(A) 11

0,8

0,4

00 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

Vr (v) a,,-

Figura 10.34. Curva característica del diodo 1N4007.

10.6 En la Tabla 10.2 se muestran algunas de las espe-cificaciones de una serie de diodos. ¿Cuál deestos diodos trabajaría en óptimas condiciones en

el circuito de la Figura 10.35?

rN914

1N5404

1N4003

75V

400 v200 v

Tabla 102.

200 mA

3A1A

Figura t0.35.

10.7 ¿Qué valor deberá tener la resistencia R, en el cir-cuito de la Figura 10.35 para poder utilizar el

diodo 1N914.

10.8 En el circuito de la Figura 10.35 se mide con unvoltímetro una tensión de 0 V entre los terminalesdel diodo y 50 V entre los terminales de la fuentede alimentación. ¿Cuál es la posible causa de esta

anomalía?

A La unión del diodo está en cortocircuito.B La unión del diodo ha quedado abierta.C Ninguna anomalía. El funcionamiento es el

adecuado.

10.9 En el circuito de la Figura 10.35 se mide con unvoltímetro una tensión de 50 V entre los termina-les del diodo. ¿Cuál es larazón de esta anomalía?

A La unión del diodo está en cortocircuito.B La unión del diodo ha quedado abierta.C Ninguna anomalía. El funcionamiento es el

adecuado.

10.f0 ¿,Qué resistencia comercial habrá que conectar a

un diodo LED para que éste trabaje con una

corriente directa de unos 18 mA si se le conectaa una tensión de 50 V?