aplicaciones del led, otros tipos de diodos (zener, túnel) y el transistor de potencia

7/25/2019 Aplicaciones Del LED, Otros Tipos de Diodos (Zener, Tnel) y El Transistor de Potencia

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APLICACIONES DEL LED, OTROS TIPOS DEDIODOS (ZENER Y TNEL) Y EL

TRANSISTOR DE POTENCIAUniversidad de San Carlos

Facultad de Ingeniera

Escuela de Mecnica Elctrica

Electrnica 1

Henry Isaias Ajquejay Ichaj

200715097

Seccin N

Tarea Examen Final

ResumenExisten numerosas aplicaciones para cada tipo dediodo, el diodo LED es un tipo de diodo con caractersticasespeciales que lo hacen nico dentro de la gama de dispositivosdiodos, dada sus caractersticas constructivas diferentes a lasdems, y la hacen especial dado que no solo funcionan comodiodos iluminadores de luz sino que tambin tienen la capacidadde absorber el espectro de luz visible a la que fueron diseados,funcionando como sensores o bien como indicadores de luz,son extensamente utilizados para un sinnmero de aplicacionesdentro de la electrnica digital o analgica como en dispositivoselectrnicos. Otras de las maravillas de los diodos son los Zener;estos cumplen con la funcin de regular la tensin dado elcambio de la corriente de carga, en las salidas de los circuitosde puentes rectificadores de onda completa son ampliamenteutilizados debido a que es en esta parte donde se termina derectificar y regular la tensin en muchos casos tales como losUPS. El diodo tnel utiliza el principio de la mecnica cunticadescrito por la ecuacin de Schrdinger en donde la probabilidadde que un electrn atraviese una barrera de potencial es muyalta y su aplicacin esta muy bien dirigida a interruptores demuy alta velocidad, dado que el envo del electrn se produce ala velocidad de la luz. Por ultimo existen tres tipos bsicos detransistores de potencia, el BJT, el FET y el IGBT, el primero elprincipio de funcionamiento es el mismo que del que comnmenteconocemos y la corriente de colector(de salida) es controlada porla corriente de base(entrada), el segundo difiere del primero enque el control se realiza con la aplicacin de un voltaje entre lapuerta y la fuente (VGS) que controla la salida D(Drenaje), elultimo combina las ventajas de los BJT y los MOSFET.

I. OBJETIVOS

I-A. GENERALES

Conocer las aplicaciones de los diodos led y su principiode funcionamiento.Conocer el funcionamiento del diodo Zener y el diodotnel.Conocer que transistores podemos utilizar en la electr-nica de potencia.

I-B. ESPECFICOS

Reconocer el uso de los diferentes diodos en la electr-nica digital o analgica y sus aplicaciones.Reconocer que el diodo LED no solo es un dispositivoindicador de luz, sino que ademas de ello provee suficien-te luz que puede ser aprovechado para la iluminacin deuna manera eficiente y econmica.Reconocer que el diodo LED no solo es un dispositivoindicador de luz, sino que ademas de ello tiene lacapacidad de absorber su espectro de luz al ser conectadode forma inversa para poder ser utilizado como un sensor

de color.Reconocer que transistores podemos utilizar en la elec-trnica de potencia, sus usos, diferencias y aplicaciones.

II. APLICACIONES DEL LED

II-A. QUE ES EL LED?

Un led (del acrnimo ingls LED, light-emitting diode: dio-do emisor de luz; el plural aceptado por la RAE es ledes) esun componente opto-electrnico pasivo y, ms concretamente,un diodo que emite luz.

Tipo:pasivo opto-electrnico

Principio de funcionamiento: electro-luminiscencia

Invencin: Nick Holonyak (1962)

Configuracin:nodo y ctodo


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Figura 1. Ledes de 5 mm, de color rojo, verde y azul..

Figura 2. Smbolo electrnico.

II-B. APLICACIONES

II-B1. DISPLAY DE SEGMENTOS: Una de las aplicacio-nes mas populares de los LEDs es la de sealizacin. Quizsla mas utilizada sea la de 7 LEDs colocadas en forma deocho tal y como se indica en la figura 9. Aunque externamentesu forma difiere considerablemente de un diodo LED tpico,

internamente estn constituidos por una serie de diodos LEDcon unas determinadas conexiones internas. En la figura 9 seindica el esquema elctrico de las conexiones del interior deun indicador luminoso de 7 segmentos.

Figura 3. Display de 7 segmentos. A la izquierda aparecen las dos posiblesformas de construir el circuito.

II-B2. EMISIN DE SEALES DE LUZ QUE SE TRANS-MITEN A TRAVS DE FIBRA PTICA: Tambin se utilizanen la emisin de seales de luz que se trasmiten a travs defibra ptica. Sin embargo esta aplicacin est en desuso yaque actualmente se opta por tecnologa lser que focaliza mslas seales de luz y permite un mayor alcance de la misma

utilizando el mismo cable. Sin embargo en los inicios de lafibra ptica eran usados por su escaso coste, ya que suponanuna gran ventaja frente al coaxial (an sin focalizar la emisinde luz).

Figura 4. Seales de luz emitidas por LED a travs de fibra ptica.

II-B3. INDICADORES ON-OFF (APAGA-DO/ENCENDIDO): Los ledes se emplean con profusin entodo tipo de indicadores de estado (encendido/apagado).

Figura 5. encendido/apagado.

II-B4. DISPOSITIVOS DE SEALIZACION: En disposi-

tivos de sealizacin (de trnsito, de emergencia, etc.) comoson los semforos.

Figura 6. Semforo LED.


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II-B5. EN UN SINNMERO DE DISPOSITIVOS ELEC-TRNICOS: Tambin se emplean en el alumbrado de pan-tallas de cristal lquido de telfonos mviles, calculadoras,agendas electrnicas, etc.

Figura 7. Celular LED.

II-B6. ILUMINACIN (LED LIGHTING): Los ledes enla actualidad se pueden acondicionar o incorporarse en unporcentaje mayor al 90 % a todas las tecnologas de ilumi-nacin actuales. El uso de ledes en el mbito de la ilumi-nacin (incluyendo la sealizacin de trfico e iluminacinde viales) est alcanzando cotas de crecimiento de hasta un300 % anual, comenzando en el ao 2007, en que se instaliluminacin LED en una va pblica por primera vez enEuropa, en el paseo martimo de Barbate (Cdiz) por unfabricante local. Sus prestaciones son superiores a las de

la lmpara incandescente y la lmpara fluorescente, desdediversos puntos de vista. La iluminacin con ledes presentaindudables ventajas: fiabilidad, mayor eficiencia energtica,mayor resistencia a las vibraciones, mejor visin ante diversascircunstancias de iluminacin, menor disipacin de energa,menor riesgo para el medio ambiente, capacidad para operarde forma intermitente de modo continuo, respuesta rpida, etc.Asimismo, con ledes se pueden producir luces de diferentescolores con un rendimiento luminoso elevado, a diferencia demuchas de las lmparas utilizadas hasta ahora que tienen filtrospara lograr un efecto similar (lo que supone una reduccin desu eficiencia energtica).

Figura 8. Luminaria Hubbell Outdoor modelo Magnuliter MLED.

Las temperaturas de color ms destacadas que encontramosen los LED son:

Blanco fro: es un tono de luz fuerte que tira a azulado.Aporta una luz parecida a la de los fluorescentes.Blanco clido: el tono de luz tira hacia amarillo comolos halgenos.Blanco neutro o natural: aporta una luz totalmente blanca,como la luz de da.RGB: el LED est permitiendo en muchos productosconseguir diferentes colores. Quedan muy luminosos yaque es el propio LED el que cambia de color, no seusan filtros. Cabe destacar tambin que diversas pruebasrealizadas por importantes empresas y organismos hanconcluido que el ahorro energtico vara entre el 70 y el

80 % respecto a la iluminacin tradicional que se utilizahasta ahora.9 Todo ello pone de manifiesto las numerosasventajas que los ledes ofrecen en relacin al alumbradopblico.

Los ledes de luz blanca son uno de los desarrollos msrecientes y pueden considerarse como un intento muy bienfundamentado para sustituir los focos o bombillas actua-les (lmparas incandescentes) por dispositivos mucho msventajosos. En la actualidad se dispone de tecnologa queconsume el 92 % menos que las lmparas incandescentes deuso domstico comn y el 30% menos que la mayora delas lmparas fluorescentes; adems, estos ledes pueden durarhasta 20 aos.10 Estas caractersticas convierten a los ledes

de luz blanca en una alternativa muy prometedora para lailuminacin.

II-B7. PANTALLAS DE LEDES: Las pantallas de vdeocon tecnologa de LED, son la solucin perfecta para ins-talaciones de pantallas en los centros comerciales, casinos,aeropuertos, centros comerciales, as como sealizacin digitaly vallas publicitarias. Estos sistemas de instalacin fija secaracterizan por la fcil instalacin y mantenimiento, pesoligero, y los perfiles ultra-slim. Tambin se puede personalizarel tamao y la forma de paneles fijos de instalacin segnlos requisitos del proyecto. La informacin que se reproduceen las pantallas se genera con un sistema de control con


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procesadores de back-end y software que proporcionan a losusuarios el control total sobre el vdeo que se muestra en laspantallas, logrando simplificar y mejorar el control del usuarioa travs de una fcil conectividad, soporte de alta resoluciny de gran alcance, todo en una herramienta de ajuste. Esto esimportante para controlar la uniformidad de brillo y color dela reproduccin de una apariencia de color ms natural y vivoen la pantalla.

Figura 9. Pantalla LED.

III. DIODO ZENER

Los diodos diseados con capacidad adecuada de disipacinde potencia para trabajar en la zona de ruptura, pueden serempleados como dispositivos de tensin de referencia o de

tensin constante. Estos diodos se conocen con el nombre dediodos Zener, de avalancha o de ruptura.Tipo: SemiconductorPrincipio de funcionamiento: se polariza inversamente,

con respecto al diodo convencional.Invencin: Dr. Clarence Melvin ZenerConfiguracin:Anodo y ctodo

Figura 10. Pequeo diodo Zener.


En la figura 12 se indica la forma de empleo caracterstica.La fuente V y la resistencia R se seleccionan de tal maneraque , inicialmente, el diodo pueda funcionar en la regin deavalancha. Aqu, la tensin del diodo esVZ, que tambin es ladiferencia de potencial de la carga, como se ve en la figura 12.La corriente del diodo es IZ. El diodo regular la tensin dela carga oponindose a las variaciones de la corriente y de latensin de alimentacin V, ya que, en la regin de avalancha,grandes cambios de la corriente del diodo solo producenpequeos cambios en su tensin. As, en cuanto la corrientede la carga o la tensin de la alimentacin varen, la corrientedel diodo se ajusta por si misma a estos cambios manteniendoprcticamente constante la tensin de la carga. El diodo seguir

regulando hasta que el circuito funcin con una corriente quehaga que la intensidad por el diodo est por debajo de Izken las inmediaciones del codo de la curva tensin-corriente.El limite superior de la corriente lo determina la potencia dedisipacin mxima del diodo.

Figura 12. Caracterstica tensin-corriente de un diodo de avalancha, o Zener.

Figura 13. Circuito en el que el diodo se emplea para regular la tensin enRL evitando los cambios debidos a las variaciones de la corriente de cargay de la tensin de la fuente de alimentacin.

IV. DIODO TNEL

Un diodo de uninp-ntiene una concentracin de impurezasde aproximadamente 1 parte por 108. Con este drogado, laanchura de la capa de desviacin, que constituye una barrerade potencial de la unin, es del orden de una miera. Esta


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barrera de potencial restringe la fluencia de portadores desdeel lado de la unin en el que constituyen portadores mayo-ritarios al lado en que constituyen portadores minoritarios.Si la concentracin de impurezas de los tomos se aumentaextraordinariamente, digamos, 1 parte por103(correspondientea una densidad en exceso de 1019cm3), la caracterstica delos elementos cambia por completo. Este nuevo diodo fueanunciado en 1958 por Esaki, quien dio tambin la correctaexplicacin terica de su caracterstica tensin-corriente.

IV-A. Efecto-tnel

La anchura de la barrera de la unin varia inversamentecon la raz cuadrada de la concentracin de impurezas yen nuestro caso se reduce a menos de 100A(106cm). Estaanchura es de solo un cincuentavo de la longitud de onda dela luz visible. En el caso general, una partcula debe tener unaenerga por lo menos igual a la altura de la barrera de la energapotencial, si es que se quiere moverla de un lado de la barreraal otro. No obstante, para barreras cuya anchura es la que se

estima en el diodo de Esaki, la ecuacin de Schrdinger indicaque hay una gran probabilidad de que un electrn penetrea travs de la barrera de potencial. Este comportamiento demecnica cuntica se conoce con el nombre de efecto tnel, y los sistemas cuya unin p-n tenga una alta densidadde impurezas se denominan diodos tnel. La relacin entretensin y corriente aparece dibujada en la figura 14.

Figura 14. Caracterstica tensin-corriente de un diodo tnel.

El smbolo normalizado del diodo tnel viene dado en lafigura 15. En la figura 16 se indica el modelo o circuitoequivalente para pequea seal que trabaja en la regin deresistencia negativa.

Figura 15. Smbolo de diodo tnel.

Figura 16. Circuito equivalente diodo tnel en pequea seal.

Una de las aplicaciones interesantes de los diodos tnelconsiste en aprovecharlo como conmutador de alta velocidad.Puesto que el efecto tnel tiene lugar a la velocidad de laluz, la respuesta transitoria est limitada solamente por lacapacidad total en paralelo (la de la unin mas las parsitas delas conexiones) y por la corriente de pico de conduccin. Eltiempo de conmutacin es del orden de algunos nanosegundos,y cabe obtener incluso valores de 50pseg. Otra aplicacin deldiodo tnel es su empleo para oscilador de alta frecuencia(microondas).

Los diodos tnel mas asequibles comercialmente son degermanio o de arseniuro de galio.

V. TRANSISTOR DE POTENCIA

El funcionamiento y utilizacin de los transistores de poten-cia es idntico al de los transistores normales, teniendo comocaractersticas especiales las altas tensiones e intensidades quetienen que soportar y, por tanto, las altas potencias a disipar.Existen bsicamente tres tipos de transistores de potencia:

bipolar. unipolar o FET (Transistor de Efecto de Campo). IGBT.

El IGBT ofrece a los usuarios las ventajas de entrada MOS,ms la capacidad de carga en corriente de los transistoresbipolares:

Trabaja con tensin. Tiempos de conmutacin bajos (alta frecuencia de funcio-

namiento) Margen de potencia en conduccin mucho mayor (como

los bipolares).Nos interesa, como siempre que tratamos con dispositivos

semiconductores de potencia que el transistor se parezca, loms posible, a un elemento ideal:

Pequeas fugas. Alta potencia.

Bajos tiempos de respuesta (ton , toff ), para conseguiruna alta frecuencia de funcionamiento.

Que el efecto avalancha se produzca a un valor elevado Que no se produzcan puntos calientes (grandes di/dt).Una limitacin importante de todos los dispositivos de

potencia y concretamente de los transistores bipolares, es queel paso de bloqueo a conduccin y viceversa no se haceinstantneamente, sino que siempre hay un retardo (ton ,toff ). Las causas fundamentales de estos retardos son lascapacidades asociadas a las uniones colector - base y base- emisor y los tiempos de difusin y recombinacin de losportadores.


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V-A. PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO

La diferencia ms notable entre un transistor bipolar y untransistor unipolar o FET es el modo de actuacin sobre elterminal de control. En el transistor bipolar hay que inyectaruna corriente de base para regular la corriente de colector,mientras que en el FET el control se hace mediante la aplica-cin de una tensin entre puerta y fuente. Esta diferencia viene

determinada por la estructura interna de ambos dispositivos,que son sustancialmente distintas. Es una caracterstica comn,sin embargo, el hecho de que la potencia que consume elterminal de control (base o puerta) es siempre ms pequeaque la potencia manejada en los otros dos terminales. Enresumen, destacamos tres cosas fundamentales:

En un transistor bipolar IB controla la magnitud de IC .

En un FET, la tensin VGScontrola la corriente ID .

En ambos casos, con una potencia pequea puede contro-larse otra bastante mayor.

V-B. TRANSISTOR BJT

Existen cuatro condiciones de polarizacin posibles. Depen-diendo del sentido o signo de los voltajes de polarizacin encada una de las uniones del transistor pueden ser:

Figura 17. Regiones de polarizaciones del transistor BJT.

Regin activa directa: Corresponde a una polarizacindirecta de la unin emisor - base y a una polarizacin inversade la unin colector - base. Esta es la regin de operacinnormal del transistor para amplificacin.

Regin activa inversa: Corresponde a una polarizacininversa de la unin emisor - base y a una polarizacin directade la unin colector - base. Esta regin es usada raramente.

Regin de corte: Corresponde a una polarizacin inversade ambas uniones. La operacin en esta regin correspondea aplicaciones de conmutacin en el modo apagado, pues eltransistor acta como un interruptor abierto (IC= 0).

Regin de saturacin: Corresponde a una polarizacin di-recta de ambas uniones. La operacin en esta regin correspon-de a aplicaciones de conmutacin en el modo encendido, puesel transistor acta como un interruptor cerra- do (VCE= 0).

En la siguiente figura, se muestra la curva V-I tpica deltransistor bipolar:

Figura 18. Caracterstica tensin-corriente del transistor BJT.

V-C. TRANSISTOR MOSFET

El nombre de MOSFET, viene dado por las iniciales de loselementos que los componen; una fina pelcula metlica (Metal-M); oxido de silicio (xido - O); regin semiconductora(Semiconductor- S).

Figura 19. Esquema de la estructura fsica de un MOSFET.


La curva caracterstica nos da informacin acerca de comovara la intensidad del drenado (id) para una tensin fija (vds),y variando la tensin aplicada entre la puerta y el surtidor(vgs). En particular, en la siguiente figura se apreciar la curvacaracterstica de un MOSFET de enriquecimiento.


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Figura 21. Regiones de trabajo del MOSFET.

V-D. TRANSISTOR IGBT

El IGBT (Insulate Gate Bipolar Transistor) combina lasventajas de los BJT y los Mosfet. Tiene una impedancia

de entrada elevada, como los Mosfet y bajas perdidas enconmutacin, como los BJT, pero sin el problema de segundaruptura, por lo que puede trabajar a elevada frecuencia y congrandes intensidades.

Los IBGT fueron inventados hace poco tiempo, pero su evo-lucin ha sido rpida debido a que han demostrado tener unaresistencia en conduccin muy baja y una elevada velocidadde conmutacin (la transicin desde el estado de conduccinal de bloqueo se puede considerar de unos dos microsegundos,y la frecuencia puede estar en el rango de los 50KHz), ademsde una elevada tensin de ruptura. Los IGBT se fabrican desdeuna tensin de 1400V y una corriente de 300A, a una tensinde 600V y una corriente de 50A.

El control por tensin hace que el IGBT sea ms rpidoque el BJT, pero ms lento que el Mosfet. La energa aplicadaa la puerta que activa el dispositivo es pequea con unacorriente del orden de los nanoamperios, esta pequea potencianecesaria para conmutar el dispositivo, hace que pueda sercontrolado por circuitos integrados.

VI. CONCLUSIONES

1. Las variantes del diodo como el diodo Led, el diodotnel, el diodo Zener, entre otros, permite construir unsinnmero de aplicaciones, gracias a sus muy diversasconstrucciones, y estos se debe ya sea a su forma de

utilizacin o bien en la cantidad de dopaje de cadamaterial presente en el diodo.

2. El diodo Zener permite construir dispositivos regulado-res de tensin como el UPS, debido a su estabilidad ensu salida de tensin, como otro elemento en la salidadel puente rectificador de onda completa en el puentede diodos.

3. El diodo tnel utiliza el efecto tnel de la mecnicacuntica descrito muy bien por la ecuacin de Sch-dinger, en donde la probabilidad de que un electrnatraviese una barrera de potencial es muy alta y suaplicacin esta muy bien dirigida a interruptores de muy

alta velocidad, dado que el envo del electrn se producea la velocidad de la luz.

4. El mecanismo de funcionamiento de un transistor BJTcomn y otro del mismo tipo solo que de potencia sonidnticos, ste ltimo construido de forma robusta, dadoque soporta altas tensiones e intensidades, por tanto,altas potencias que disipar.

5. La diferencia entre el mecanismo de funcionamientode un transistor BJT y un FET(Transistor de Efectode Campo) es que en el primero hay que inyectar unacorriente de base para regular la corriente de colector,mientras que en el FET el control se hace mediante laaplicacin de una tensin entre puerta y fuente (VGS).Esta diferencia viene determinada por la estructura in-terna de ambos dispositivos, que son sustancialmentedistintas.

6. El IGBT (Insulate Gate Bipolar Transistor) combina lasventajas de los BJT y los Mosfet. Tiene una impedanciade entrada elevada, como los Mosfet y bajas perdidasen conmutacin, como los BJT, pero sin el problema de

segunda ruptura, por lo que puede trabajar a elevadafrecuencia y con grandes intensidades.

REFERENCIAS

[Boylestad] Introduccin al anlisis de circuitos. Boy-lestad. Decimosegunda edicin. EditorialPearson.

[Millman y Christos C. Halkias] Electrnica Integrada. Circuitos y sistemasanalgicos y digitales. Jacob Millman yChristos C. Halkias. Segunda Edicin. Edi-torial Hispano Europea. Barcelona (Espaa)

[Documento] Introduccin a los transistores de potencia.Apartado 3.2. Electrnica Industrial (Sinfuente oficial).

[e-grafa] Wikipediahttps://es.wikipedia.org/wiki/Diodo_Zener?

oldid=86221980https://es.wikipedia.org/wiki/Transistor?oldid=86289366https://es.wikipedia.org/wiki/Led

aplicaciones del led, otros tipos de diodos (zener, túnel) y el transistor de potencia

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