bloque ii tema 5. circuitos con diodos

BLOQUE II

TEMA 5. CIRCUITOS CON DIODOS

D. MIGUEL ÁNGEL ZAMORA IZQUIERDO

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CIRCUITOS CON DIODOSÍndice

• Índice. • Introducción

• Conceptos básicos de semiconductores.

• Unión pn. Polarizaciones.

• El diodo. Modelos. Tipos.

• Circuitos rectificadores.

• Circuitos recortadores.

• Diodos Zener o diodos de avalancha.

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Introducción

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CIRCUITOS CON DIODOSIntroducción

• El diodo es el dispositivo electrónico más simple. Es un semiconductor de dos terminales (Ánodo y Cátodo) que ofrece una baja resistencia del orden de los mΩ en una polarización y del orden de los GΩ en la otra. Esto lo convierte en un componente adecuado como rectificador.

• El diodo exhibe una relación no lineal entre la tensión entre sus terminales y la corriente que circula por él.

• Los diodos permiten desarrollar circuitos con distintas aplicaciones, destacando la rectificación, en cualquiera de sus variantes.

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Conceptos básicos de

semiconductores

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CIRCUITOS CON DIODOSConceptos básicos de semiconductores intrínsecos

• Materiales válidos para la fabricación de dispositivos electrónicos de estado sólido: silicio, germanio y arseniuro de galio.

• Semiconductor Intrínseco (puro)• Cada par de átomos forma un enlace covalente con cada uno de los cuatro

átomos cercanos (disposición tetraédrica). Electrones de la capa de valencia (grupo 4).

• A 0º K, no existen electrones libres.

• A 300º K, los electrones libres permiten flujo de una corriente si se aplica una ddp. (Tiene mayor R que un conductor eléctrico).

• Concentración de huecos (np) igual a concentración de electrones libres (ni) en un material puro.

• Ambos tipos de portadores contribuyen al flujo de corriente.

• Generación: a mayor temperatura, mayor velocidad de generación de electrones libres y huecos (energía térmica).

• Recombinación: el hueco y el electrón libre se combinan formando un enlace covalente.

• La conductividad de un semiconductor intrínseco aumenta con la Tª.6

CIRCUITOS CON DIODOSConceptos básicos de semiconductores extrínsecos

• Semiconductor Extrínseco (impurificado)– Tipo N: impurezas donantes de electrones. Portadores mayoritarios (electrones);

Portadores minoritarios (huecos).

• n concentración de electrones.

• p concentración de huecos

• Nd concentración átomos donantes.

– Tipo P: impurezas aceptadoras de electrones (aportan huecos). Portadores mayoritarios (huecos); Minoritarios (electrones).

• Na concentración átomos aceptadores

• La carga neta es siempre cero.

n p ND

pnNA

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Unión pn

Polarizaciones

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CIRCUITOS CON DIODOSUnión pn NO Polarizada

• Unión PN no Polarizada– Una unión pn consiste en un único cristal semiconductor al cual se le han añadido

impurezas de manera que se obtiene un zona p y otra n.

– Si estuviera formado por dos cristales independientes, antes de conformar físicamente la unión, se tendría una distribución de portadores según se indica en la figura.

– El elevado gradiente de concentración hueco-electrón a lo largo de la unión, inicia un proceso de difusión, creando una zona de carga espacial en la zona de unión.

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CIRCUITOS CON DIODOSDifusión de Portadores en unión NO Polarizada

• La zona de carga espacial surge por la difusión de portadores mayoritarios desde las zonas de mayor a menor concentración.

• El efecto principal del campo eléctrico de la zona de carga espacial es una barrera de potencial que impide la circulación de electrones. Por tanto se opone a que continúe la difusión.

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CIRCUITOS CON DIODOSUnión pn en Polarización INVERSA

• Así, la corriente inversa estará formada por los portadores minoritarios, que al ser muy pocos, da lugar a una corriente pequeña, e independiente del valor de la tensión inversa aplicada.

• Sin embargo, al depender la concentración de los portadores minoritarios de la generación térmica, a medida que aumente ésta, también aumentará el valor de la corriente inversa.

• Si la tensión inversa es suficientemente alta, el campo eléctrico es capaz de romper los enlaces covalentes, lo que produce una gran cantidad de pares hueco-electrón, y por tanto, un gran flujo de corriente inversa.

•Un diodo está inversamente polarizado, si la tensión aplicada aumenta la zona de carga espacial.

•Los portadores mayoritarios son atraídos por cada uno de los terminales del generador.

•Si la tensión externa inversa es mayor de unas décimas de voltio, la corriente de los portadores mayoritarios se reduce casi a cero.

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CIRCUITOS CON DIODOSUnión pn en Polarización DIRECTA

• La corriente total corresponde a la suma de la corriente debida a los huecos, y la debida a los electrones.

• A mayor distancia en cada una de las zonas desde la unión, la corriente predominante corresponde a los huecos en la zona p, y a los electrones en la zona n.

•La polarización directa se opone al campo eléctrico existente en la zona de carga espacial.

•La zona de carga espacial se estrecha, permitiendo el flujo de portadoresmayoritarios por la unión.

•Los electrones pasan desde la zona n a la p, donde pasan a ser minoritarios, y se difunden combinándose con los huecos existentes en p.

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El Diodo. Modelos. Tipos

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CIRCUITOS CON DIODOSDiodo Real. Características.

• Característica del diodo.– Posee dos terminales (Ánodo y Cátodo).– Polarización DIRECTA:

• Si Vd es > 0 voltios.

– Polarización INVERSA:• Si Vd < 0 voltios.

• En Directa la corriente fluye con facilidad.• En Inversa, al alcanzar la región de ruptura

o zona de avalancha, el flujo de corriente es elevado siempre y cuando no se exceda la potencia máxima de disipación.

• Designación características:– Vr: tensión inversa (tensión de ruptura).– Vf: caída de tensión directa (tensión umbral).

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CIRCUITOS CON DIODOSDiodo Real. Ecuación del Diodo.

• La ecuación del diodo (ecuación de Shockley) es:

• Donde:

– La tensión térmica es

– Is es la corriente de saturación inversa.

– n es el coeficiente de emisión entre 1 y 2.

• En la región de polarización directa, los diodos de Si de pequeña señal conducen muy poca corriente (menos de 1 mA) hasta que se aplica una tensión de 0,6 a 0,7 voltios (a temperatura ambiente).

• A partir de dicha tensión (Vumbral), la corriente incrementa rápidamente a pequeños aumentos de tensión.

• La respuesta del diodo de Si a variaciones de temperatura es de aproximadamente -2 mV/ºK.

• En la región inversa la corriente es aproximadamente de 1 nA. Si T aumenta, también aumenta la I.

• En la zona de ruptura, la corriente aumenta rápidamente. Existen diodos especiales para trabajar en dicha zona (diodos Zener).

)1(/

TD nVv

SD eIi

qTkVT /

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CIRCUITOS CON DIODOSDiodo Ideal

• En el análisis con diodos ideales, primero se supondrá cuales están en corte y en conducción. Posteriormente, si id es positiva en los diodos en conducción, y Vd negativa en los supuestamente en corte, la suposición inicial será correcta.

•Es un modelo útil que permite

simplificar el análisis por medio de las

siguientes aproximaciones:•En polarización directa, el diodo actúa

como un cortocircuito. (R = 0 ohmios).

•En polarización inversa, el diodo se

comporta como un circuito abierto. (R

= infinito)

•En la Fig. , se representa la

característica i - v de un diodo ideal.

•Obsérvese, que en este modelo no

existe una tensión umbral en directa

necesaria para el inicio de la conducción

de corriente.

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CIRCUITOS CON DIODOSModelo Completo del Diodo.

• En este modelo, se sustituye el diodo por un diodo ideal, en serie con una fuente de tensión de valor la tensión umbral, y la resistencia en directa.

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CIRCUITOS CON DIODOSOtros Tipos de Diodos.

• Diodos LED (Light Emiter Diode – Diodo Emisor de Luz)

– El diodo LED es un tipo especial de diodo, que trabaja como un diodo común, pero que al ser atravesado por una corriente emite luz proporcionalmente a la cantidad de corriente que circula.

– Existen diodos que emiten luz de diferentes longitud de onda según el material del que están construidos. Existen diodos led Rojos, Amarillos, Verde, Ambar e Infrarrojos.

– La caída de tensión en directa está en el rango de 1,5 voltios a 2,2 voltios, aproximadamente.

• Fotodiodos

– Realiza la función inversa al LED.

– Si se polariza en inversa, y recibe energía luminosa, la cantidad de corriente inversa será proporcional a la intensidad incidente. (Es debida a los pares hueco-electrón generados por los fotones).

• Diodo Schottky

– Se usan en aplicaciones de alta frecuencia y conmutación rápida.

• Diodo Zener

– Trabajan en la zona de ruptura inversa.18

Circuitos Rectificadores

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CIRCUITOS CON DIODOSCircuitos Rectificadores

• Generalidades• Circuitos Rectificadores: convierten la corriente alterna en corriente continua

(unidireccional). También se conoce como convertidor AC-DC

• Tipos:

• Rectificadores de media onda

• Rectificadores de onda completa

• Con trafo de toma intermedia (dos diodos).

• Con puente de diodos (cuatro diodos).

• Conceptos básicos de Transformadores Ideales• Trafo

• Trafo con toma intermedia

• Relación Vmax & Vef

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• Rectificador de Media Onda– Cuando la tensión es positiva (intervalo ), el diodo se encuentra

polarizado en directa, y conducirá la corriente (caída de 0.7 V).

– Cuando la tensión es negativa, el diodo se polariza inversamente, no dejando pasar corriente. En este intervalo el diodo soporta la tensión inversa impuesta por la entrada.

– Aplicando la 2ª Ley de Kirchhoff, a los dos casos anteriores, se obtiene:

• En directa, prácticamente la caída de tensión de la alimentación está en bornes de la carga.

• En inversa, la caída de tensión la acapara el diodo por no circular corriente.

t0

(a) Diagrama del circuito (b) Tensión de la fuente

en función del tiempo(c) Tensión de la carga

en función del tiempo

Diodo ideal 0,7 V

Diodo

real

Vmsen ( t)

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• Valores representativos en un rectificador de Media Onda• La tensión de entrada es senoidal según:

• El valor medio de la tensión Vo(dc) se obtiene realizando la integral:

• La corriente media para una carga resistiva R, se obtiene por la Ley de Ohm.

• El valor de la tensión eficaz (rms) será:

• La frecuencia de salida es igual a la de entrada

tsenVv mS

00)( 318,0)(

2

1)(

2

1m

mmODCO V

VtdtsenVtdvV

mm

mrmsO VV

tdtsenVV 5,02

)(2

1

0

22

)(

22


•Consiste en dos rectificadores de media onda con fuentes de tensión desfasadas 180º.

•El trafo aísla (respecto de tierra) a la carga de la corriente alterna de entrada.

•Durante el ciclo positivo, conduce el diodo A; durante el ciclo negativo, el diodo B conduce rectificando la señal.

•Voltaje medio o de continua:

•Frecuencia de salida

mDCO

VV

2)(

inout ff 2

•Rectificador de Onda Completa con Trafo de toma intermedia

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• Rectificador de Onda Completa con Puente de Diodos.• Ciclo positivo de la entrada, los diodos A y B conducen.

• Ciclo negativo de la entrada, los diodos D y C conducen.

• Valor medio

• Frecuencia de salida

• La configuración en Puente ofrece las siguientes ventajas:

• El valor del condensador para un cierto rizado, es la mitad; con lo cual se reduce el tamaño y el precio del sistema.

• La corriente soportada por cada diodo es aproximadamente la mitad que para el de media onda, reduciendo así el espacio ocupado por los diodos y el coste del diseño.

• El transformador usado es más barato que en el caso de onda completa.

/2)( mDCO VV

inout ff 2

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• Filtrado de la señal pulsante con condensador a la entrada• El condensador permite el paso de bajas frecuencias hacia la

carga, e impide el paso de las altas frecuencias. (Filtro Paso Bajo).

• El diodo sólo conducirá cuando la tensión de entrada sea superior a la tensión mantenida por C.

• Mientras la constante de tiempo RloadC sea mucho mayor que el periodo, el condensador permanece casi totalmente cargado y la tensión en la carga es aproximadamente Vm

• Se obtiene una componente continua, y sobre ella, una componente alterna, cuyo valor de rizado máximo depende del filtro,

• El valor del rizado será:

y en valor eficaz, el rizado es:

siendo F = fin (Hz) en m.o. y 2fin en o.c. y p.d.

FCIVTIQCVQ rr /,

CF

IV efr

22)(

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• Voltaje de Pico Inversa– Si Vp es la tensión máxima en el secundario del

transformador ( ), el VPI para cada caso será:

a) Media onda con C a la entrada

b) Onda completa con C a la entrada

c) Puente de diodos con C a la entrada

tsenVv p 2

pVVPI 2

pVVPI

pVVPI

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Circuitos Recortadores

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CIRCUITOS CON DIODOSCircuitos Recortadores

• Los circuitos recortadores son aquellos que recortan una porción de la señal de entrada.

• En el ejemplo, si la tensión de entrada es superior a 6v, o inferior a –9v, recorta a dichos valores la señal de salida.

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Diodos Zener

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CIRCUITOS CON DIODOSDiodos Zener o Diodos de Avalancha

• Trabajan en la zona de ruptura inversa. Dos tipos:– Ruptura de avalancha (Aprox. Vz <= 5v).

– Ruptura zener (Aprox. Vz > 5v).

• Se usan para mantener constante la tensión en un punto.

• Características del diodo zener:– 1.8 v < Vz < 200 v (comercialmente)

– Pmax: potencia máxima del diodo zener.

– Izmin: intensidad mínima que polariza el zener en inversa.

– Izmax: Pmax / Vz

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• Modelo de un diodo Zener• En este modelo, se sustituye el zener por dos diodos ideales en paralelo,

incluyendo en la rama inversa una fuente de tensión con valor la tensión zener.

• Se le puede incluir en serie una Rz.

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• Estabilización de la Tensión de salida mediante Zener• Los reguladores de tensión se utilizan para suministrar una tensión

constante a la carga, aunque fluctúe la tensión de alimentación.


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• Características Zener:– Vz: tensión zener

– Izmin: intensidad zener mínima para superar la “rodilla” de la característica y mantener así la Vz

– Izmax: intensidad zener máxima.

• Polarización y cálculo de R (valor óhmico y potencia).

• Cálculo de la Rcmin.

• Cálculo de la Vin máxima y mínima para R dado.

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CIRCUITOS CON DIODOSBibliografía

• Hambley, A.R., “ELECTRONICA”. Pearson Educación S.A. Madrid 2.001 2ª Edición

• Malvino, A.P., “Principios de Electrónica”. McGraw Hill 2002.

• Zamora M.A. y Villalba G. “Problemas de electrónica con OrcadPspice” Universidad de Murcia, 2004.

• https://www.youtube.com/watch?v=hsJGw_c-Nn4

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https://www.youtube.com/watch?v=hsJGw_c-Nn4

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