fundamentos de ingeniería electrónica fie_el … · fósforo dona un e-a la red (impureza...

Grado 1

http://www. dte.uc3m.es

Fundamentos de Ingeniería Electrónica.

Fundamentos de Ingeniería ElectrónicaGrado en Ingeniería Electrónica Industrial y Automática, Tecnologías

Industriales, Ingeniería Mecánica, Ingeniería de la Energía

Sesión 11: Componentes electrónicos.El diodo. Funcionamiento. Usos en circuitos

prácticos. Recortador y limitador zener.

2



Índice

El diodo de unión pn.● Introducción a los semiconductores.● El diodo de unión pn.● Polarización del diodo.● Curva característica.● Tipos de diodos. ● Hojas de características.● Modelos de circuito equivalente.

Aplicaciones del diodo.● Protección contra inversión de polaridad.● Diodo de retorno. Protección de motores y conmutadores.● Circuitos recortadores.● Circuitos rectificadores: Media onda, Onda completa.

3



Dopaje con Fósforo (P):

Fósforo posee 5 e- de valencia

Fósforo dona un e- a la red (impureza

donadora)

Predominan portadores de carga

negativa, e- (tipo n)

Se crean iones positivos fijos en la red

Si

Si Si

P Si

Si Si

Si

SiElectrón

extra

+-

+-+

-

+-

Portadores de carga negativa

libres, e-

Ión positivo fijo

Silicio tipo n vs. Silicio tipo p

Dopaje con Boro (B):

Boro posee 3 e- de valencia

Boro acepta un e- de la red (impureza

aceptora)

Predominan portadores de carga

positiva, h+ (tipo p)

Se crean iones negativos fijos en la red

––

+ +

+ +

––Si

Si

B

Si

Si

Si

Si

Si

SiHueco extra

Portadores de carga positiva

libres, h+

Ión negativo fijo

4



–– –

–– –

–– –

+ + +

+ + +

+ + +

+-

+-

+-

+-

+-

+-

+-

+-

+-

La unión pn

–– –

–– –

+ +

+ +

+

+

+

-

+

-

+

-

+

-

Zona de carga espacial(zona de vaciamiento)

–– –

+ +

+ +

-

+

-

V

-

+

Monocristal semiconductor con 2 regiones: tipo p y tipo n

EQUILIBRIO

Flujo neto de corriente = 0

ÁNODO CÁTODO

VF ó Vg= 0,6V - 0,7V

(barrera de potencial)

5



La unión pn

POLARIZACIÓN DIRECTA POLARIZACIÓN INVERSA

–– –

–– –

+ +

+ +

+

+

+-

+-

+-

+-

–– –+ +

+ +-

+-

Flujo neto de corriente, ID

+ –

+ –ID

–– –

–– –

+ +

+ +

+

+

+-

+-

+-

+-

–– –+ +

+ +-

+-

Surgen corrientes de arrastre débiles

Corriente inversa de saturación, IS

IS– +

– +

6



Curva Característica

ID

VD

)1( T

D

V

V

SD eII

Vg

-Vr

-VZ

–

VD

ID

ÁNODO (zona p)

CÁTODO (zona n)

SD II

D OND OFFD ZENER

D

Tensión de ruptura

Tensión zener Tensión umbral

ID la que

solicite el

circuito

Efecto avalancha

Efecto zener

¿Destrucción?

7



Tipos de diodos

LED: Light emitting diode

+ –

Diodos rectificadoresDiodos de señal Diodos Zener

8



Diodo Láser

OLED: LED orgánico

Tipos de diodos

9



Diodos rectificadores

Hojas de características

10



Modelos de circuito equivalente

ID

VD

Zona 2: Directa y corte

Vg

D OFFA C

ID = 0

0<VD < Vg

Circuito

Abierto

D OFF

A C

ID = 0

VD < 0

Circuito

Abierto

ID

VD

Zona 3: Inversa y corte

D ZENER

ID

VD

Zona 4: Modo zener.

Inversa y conducción

-Vz

VD = -Vz

ID < 0

A C- +Vz

Fuente de

tensiónID

VD

Zona 1: Diodo como fuente

Directa y conducción

Vg

VD = Vg

ID > 0

A C

+ -Vg

Fuente de

tensión

D ON

Zona 1: Diodo Ideal

Directa y conducción

VD

ID

0V

D ONVD = 0

ID > 0

Corto

Circuito

A C

CURVA CARACTERÍSTICA REAL

VS. APROXIMACIONES

VDVg

-Vr

-VZ

D OND OFF

D ZENER

inversa directa

ID

Z1Z2Z3Z4

+ –VD

ID

A C

11



Protección contra inversión de polaridad

En inversión de

polaridad, el

diodo impide la

circulación de

corriente.

En inversión de

polaridad, el

diodo entra en

conducción y el

fusible se funde

por exceso de

corriente.

12



Diodo de retorno. Protección de motores y conmutadores

En una inductancia

la corriente no

puede ´desaparecer

instantáneamente.Se introduce

un diodo para

que la corriente

tenga un

camino de

retorno y no

dañe al

conmutador.

ON

OFF

13



Diodo D Ideal

Corriente

p

O

VV

2

pVPIV 2

TensiónDiodo

Tensión Salida

Rectifica semiciclos positivos vO misma frecuencia que v1

D ON D OFF

V1: 240Vrms N1:N2=8:1 Diodo Idealf=50Hz (T=20ms) RL=1k

Tensión Primario Tensión Secundario

Ejemplo

V5.13

D ON D OFF

D ON D OFF

)4.42( V

Misma forma que vO(t)

Rectificador de media onda

14



Rectificador de media onda

Tensión Primario Tensión Secundario

Ejemplo

Corriente

p

O

VV

2

pVPIV 2

TensiónDiodo

Tensión Salida

D ON D OFF

D ON D OFF

D ON D OFF

Diodo D como Fuente Vg

Misma forma que vO(t)

Rectifica semiciclos positivos vO misma frecuencia que v1

V1: 240Vrms N1:N2=8:1 Diodo D: Vg=0.7Vf=50Hz (T=20ms) RL=1k

(-42.4V)

15



Tensión Secundario

TensiónDiodo

Tensión Salida

Diodo D Ideal

CRf

V

CR

TVV

pp

Rpp

22

v (t)O

t [ms]

V2pVRpp(42.4V)

20100

D O

N

D OFF D O

N

D O

N

D OFF D O

N

D O

N

D OFF D O

N

Corriente

V1: 240Vrms N1:N2=8:1 Diodo Idealf=50Hz (T=20ms) RL=1k

Ejemplo

IDP mayor que sin C: iD(t)=iR(t)+iC(t)

Rectificador de media onda con filtro

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+

-

+

-+

-

N1 N2

50 Hz

230 Vrms

v1(t)v2(t)

vo (t)R=100

D1

D2

D3

D4

Puente de diodos

152

1 N

N

Rectificador de onda completa

t[ms]

v1(t)

V1p

(325V)

-V1p

10 20

f=50Hz

T=20ms

V1med=0

0

Tensión Primario

t[ms]

v2(t)

V2p

(21.7V)

-V2p

10 20

f=50Hz

T=20ms

V2med=0

0

Tensión Secundario

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t[ms]

vO(t)

Vop=

V2P(21.7V)

f=100Hz

T=10ms

10 200

op

o

VV

2

D1, D2 ON

D3, D4 ON

Tensión Salida

t[ms]

iD1(t)=iD2(t)

IDp=

Vop/R(217mA)

f=50Hz

T=20ms

10 200

D1, D2

t[ms]

iD3(t)=iD4(t)

10 200

D3, D4

Corrientes Diodos

IDp=

Vop/R(217mA)

vD1(t)=vD2(t)

-VDp=-V2p(-21.7V)

vD3(t)=vD4(t)

-VDp=

-V2p

(-21.7V)

Tensiones Diodos

t[ms]

f=50Hz

T=20ms

10 200

D1, D2

PIV= V2p

t[ms]10 200

D3, D4

D1, D2 ON

D1, D2 OFF

D3, D4 ON

D3, D4 OFF

D1, D2 ON

D1, D2 OFF

D3, D4 ON

D3, D4 OFF

Misma forma que vO(t) en el tramo de conducción de cada diodo

17

Rectificador de onda completa

Diodo ideal

18



Puente de

diodos

integrado

Hojas de características

19



Ej. 1: Circuito recortador

Suponga que aplica en Vi una

tensión sinusoidal de 1kHz y 10Vpp,

y que el Diodo es ideal.

Mida las tensiones Vi y Vo con un

osciloscopio configurado así:

Base de tiempos: 100ms/div

Canales verticales: 2V/div

20




Suponga que aplica en vi una


y que el Diodo es ideal

Represente las señales Vi(t) y Vo(t)

en función del tiempo, y la función

de transferencia Vo frente a Vi.

Para trabajar en

casa

21




Represente las señales Vi(t) y Vo(t)

en función del tiempo, y la función de

transferencia Vo frente a Vi.

Suponga que aplica en Vi una


y que los diodos D1 y D2 poseen

tensión Vg distinta de 0 V.

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