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El Diodo.

Dispositivos Electronicos.
by

Ricardo Gaytan

on 16 April 2014

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Transcript of El Diodo.

Diodo
Ing. Ricardo G
aytá
n

Por si mismo, un cristal semiconductor tipo n tiene la misma utilidad que una resistencia de carbón; lo que también se puede decir de un semiconductor tipo p. Pero ocurre algo nuevo cuando un fabricante dopa un cristal de tal manera que una mitad sea tipo p y la otra mitad sea tipo n.
La separación o frontera fisica entre un semiconductor tipo n y uno tipo p se llama unión pn. La unión pn tiene propiedades tan útiles que ha propiciado toda clase de inventos, entre los que se encuentran los diodos, los transistores y los circuitos integrados
Un fabricante puede producir un cristal de material tipo p en un lado y de tipo n en el otro lado, como se muestra en la Figura. La unión es la frontera donde se juntan las regiones tipo n y las de tipo p, por lo que esta estructura se llama también diodo de unión (la palabra diodo es una contracción de la expresión <<dos electrodos>>), donde di significa dos.
Al igual que los resistencias, los diodos disponen de dos terminales. Pero a diferencia de estas, en que ambos terminales se pueden intercambiar libremente al momento de conectarlos al resto del circuito, en los diodos cada terminal tiene un nombre propio, estando debidamente señalados en el componente. Existe una característica de no-linealidad que los hace asimétricos. Esto implica que no es lo mismo conectarlos al circuito del que forman parte de una u otra manera, por lo que cada terminal tiene un nombre particular.
Al que se encuentra unido eléctricamente al cristal P, se le denomina ánodo, y se lo representa en los diagramas mediante la letra A; y el que es solidario con la zona N se lo llama cátodo, simbolizado por la letra K.
Cuando ambos semiconductores en forma de cristal se unen, algunos electrones de la zona P se difunden hacia la zona N. Esta corriente de electrones provoca la aparición de cargas fijas a ambos lados de la unión, en una zona que recibe como nombres como “zona de deplexión” o “zona de carga espacial”. El espesor de esta zona ronda la media millonésima parte de un metro (1/2 micra), aunque en algunos diodos de construcción especial puede ser bastante mayor, dependiendo de la función que deba cumplir ese tipo de diodo en el circuito.
Cuando se conecta un diodo a una fuente de tensión externa, se produce un movimiento de cargas, positivas (huecos) y negativas (electrones) entre la fuente y los cristales de la unión PN. En estas condiciones, se dice que el diodo está polarizado, existiendo dos posibilidades: la polarización directa y la polarización inversa.
RUPTURA
Los diodos admiten unos valores máximos en las tensiones que se les aplican. Por tanto, existe un limite para la tensión máxima en inversa con que se puede polarizar un diodo sin correr el riesgo de destruirlo. Si se aumenta continuamente la tensión inversa, llegará un momento en que se alcance la tensión de ruptura del diodo. Para muchos diodos, la tensión de ruptura es normalmente mayor de 50 V. La tensión de ruptura se muestra en la hoja de características del diodo (Datasheet).
TENSIÓN UMBRAL
En la zona directa la tensión a partir de la cual la corriente empieza a incrementarse rápidamente se denomina tensión umbral del diodo, que es igual a la barrera de potencial. Los análisis de circuitos con diodos se dirigen normalmente a determinar si la tensión del diodo es mayor o menor que la tensión umbral. Si es mayor, el diodo conduce fácilmente; si es menor, lo hace con pobreza. Definimos la tensión umbral de un diodo de silicio de la siguiente forma:
Aunque los diodos de germanio raramente son utilizados en diseños nuevos, se pueden encontrar todavía diodos de este elemento en circuitos especiales o en equipos mas antiguos. Por esta razón, conviene recordar que la tensión umbral de un diodo de germanio es aproximadamente 0,3 V. Esta tensión umbral muy pequeña es una ventaja y obliga a considerar el uso de un diodo de estas características en ciertas aplicaciones.
RESISTENCIA INTERNA
Para tensiones mayores que la tensión umbral, la corriente del diodo crece rápidamente, lo que quiere decir que aumentos pequeños en la tensión del diodo originará grandes incrementos en su corriente. La causa es la siguiente: después de superada la barrera de potencial, lo único que se opone a la corriente es la resistencia de las zonas p y n.

A la suma de estas resistencias óhmicas se le llama resistencia interna del diodo, y se define mediante la siguiente fórmula:
El valor de la resistencia interna es función del nivel de dopado y del tamaño de las zonas p y n. Normalmente, la resistencia interna de los diodos es menor que 1 ohm.
MAXIMA CORRIENTE CONTINUA CON POLARIZACIÓN DIRECTA
Si la corriente en un diodo es demasiado grande, el calor excesivo destruirá el diodo; por esta razón, la hoja de características que proporcionan los fabricantes especifica la corriente máxima que un diodo puede soportar sin peligro de acortar su vida o degradar sus propiedades. La corriente máxima con polarización directa es una de las limitaciones dadas en una hoja de características. Esta corriente puede aparecer como:
Por ejemplo, un 1N456 tiene una corriente máxima de 200 mA. Este dato significa que puede conducir con seguridad una corriente continua con polarización directa igual a 200 mA.
http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/nationalsemiconductor/DS013021.PDF
DISIPACIÓN DE POTENCIA
Se puede calcular la disipación de potencia de un diodo de la misma forma que se hace para una resistencia. Es igual al producto de la tensión del diodo y la corriente. Expresandolo matemáticamente:
La limitación de potencia indica cuánta potencia puede disipar el diodo sin peligro de acortar su vida ni degradar sus propiedades. Expresada mediante una fórmula, la definición es:
Por ejemplo, si un diodo tiene una tensión y corriente máximas de 1 V y 2 A, su limitación de potencia es 2 W.
APROXIMACIONES DEL DIODO
EL DlODO IDEAL
Comenzaremos con la aproximación más simple, llamada aproximación del diodo ideal. En lineas generales, ¿que hace un diodo? Conduce bien en la dirección directa y conduce mal en la inversa. Teóricamente, un diodo rectificador se comporta como un conductor perfecto (resistencia cero) cuando tiene polarización directa, y lo hace como un aislante perfecto (resistencia infinita) cuando su polarización es inversa.
LA SEGUNDA APROXIMACIÓN
La aproximación ideal es siempre correcta o cierta en la mayoría de las situaciones de detección de averías, pero no siempre estamos detectando averías. Algunas veces queremos un valor más exacto para la corriente y la tensión en la carga. Es entonces cuando tiene sentido la segunda aproximación.
La Figura presenta el gráfico de la corriente en función de la tensión para la segunda aproximación. El dibujo indica que no hay corriente hasta que aparecen 0,7 V en el diodo. En este punto el diodo se activa. De ahí en adelante solo aparecerán 0,7 V en el diodo, independientemente del valor de la comente.
LA TERCERA APROXIMACIÓN
En la tercera aproximación de un diodo se incluye la resistencia interna RB. La Figura muestra el efecto que RB tiene sobre la curva del diodo. Después de que el diodo de silicio comienza a conducir, la tensión aumenta lineal o proporcionalmente con los incrementos de la corriente. Cuanto mayor sea la corriente, mayor es la tensión, al tener que incluirse la caída de tensión en la resistencia interna a la tensión total del diodo. El circuito equivalente para la tercera aproximación es un interruptor en serie con una barrera de potencial de 0,7 V y una resistencia RB
Simulación
CIRCUITOS CON DIODOS.
La mayoría de los dispositivos electrónicos, televisores, equipo estéreo y ordenadores necesitan una tensión continua para funcionar correctamente. Como las lineas de tensión son alternas, la primera cosa que necesitamos hacer es convertir la tensión de linea alterna en tensión continua. La parte del dispositivo electrónico que produce esta tensión continua se llama fuente de potencia. Dentro de las fuentes de potencia hay circuitos que permiten que la corriente fluya sólo en una dirección. Estos circuitos se llaman rectificadores.
RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA.
En el rectificador de media onda, el diodo esta conduciendo durante las mitades positivas de los ciclos pero no esta conduciendo durante las mitades negativas. A causa de esto, el circuito recorta las mitades negativas de los ciclos. Denominamos a una forma de onda como ésta una señal de media onda. Esta tensión de media onda produce una corriente por la carga unidireccional. Esto significa que sólo circula en una dirección.
Valor de continua de la señal de media onda.
El valor de continua de una señal es el mismo que el valor medio. Si se mide una señal con un voltímetro de continua, la lectura seria igual al valor medio. La fórmula es:
La prueba de esta derivación requiere algunos cálculos porque hay que deducir el valor medio sobre un ciclo.
Ejercicio
RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA.
Observar la conexión intermedia llevada a masa en el arrollamiento secundario. Debido a esta conexión central el circuito es equivalente a dos rectificadores de media onda. Cada uno de estos rectificadores tiene una tensión de entrada igual a la mitad de la tensión del secundario. D1 conduce durante el semiciclo positivo y D2 conduce durante el semiciclo negativo. Como resultado la corriente por la carga rectificada circula durante ambos semiciclos. El rectificador de onda completa actúa como dos rectificadores de media onda superpuestos.
Valor de continua o valor medio.
La señal de onda completa tiene el doble de ciclos positivos que la señal de media onda, el valor de continua o valor medio es el doble, dado por:
Ejercicio
PUENTE RECTIFICADOR.
El puente rectificador es similar a un rectificador de onda completa porque produce una tensión de salida de onda completa. Los diodos D1 y D2 conducen en la mitad positiva del ciclo, y D3 y D4 conducen en la mitad negativa del ciclo. Como resultado, la corriente por la carga rectificada circula durante ambas mitades de los ciclos.
Ejercicio
Como un puente rectificador produce una salida de onda completa, las ecuaciones para el valor medio son las mismas que para el rectificador de onda completa:
Ejercicio
Filtrando la salida de un rectificador: El filtro con condensador a la entrada.
El filtro de choque produce una tensión de salida continua igual al valor medio de la tensión rectificada. El filtro con condensador a la entrada genera una tensión de salida continua igual al valor de pico de la tensión rectificada. Este tipo de filtros es el mas usado en fuentes de alimentación.
Idealmente, todo lo que hace el filtro con condensador a la entrada es cargar el condensador a la tensión de pico durante el primer cuarto de ciclo. Esta tensión de pico es constante, la tensión continua perfecta que necesitamos para los equipos electrónicos. Sólo existe un problema: no hay resistencia de carga.
Efecto de la resistencia de carga.
Para que el filtro con condensador a la entrada sea útil, necesitarnos conectar una resistencia de carga a través del condensador. Mientras la constante de tiempo RC sea mucho mayor que el periodo, el condensador permanece casi totalmente cargado y la tensión en la carga es aproximadamente Vp. La única desviación de la tensión perfecta es el pequeño rizado que se ve en la Figura. Cuanto menor sea el valor de pico a pico de este rizado, mejor se aproximará la salida a una tensión continua perfecta.
La fórmula del rizado.
Esto es una aproximación, no una derivación exacta. Podemos usar esta fórmula para estimar el rizado de pico a pico. Cuando se necesite una respuesta más precisa, una solución consiste en usar un ordenador con un simulador de circuitos
Ejercicio.
PRACTICAS.
-Con y sin filtro.
-Tomar fotos a la pantalla del osciloscopio por cada practica.
LIMITADORES DE NIVEL DE CONTINUA
Los diodos empleados en fuentes de alimentación de baja frecuencia son diodos rectificadores. Tienen una limitación de potencia mayor que 0,5 W y están optimizados para funcionar a 50 Hz. El diodo rectificador típico tiene una limitación de corriente de amperios. Excepto para fuentes de alimentación, los diodos rectificadores tienen poco uso porque la mayoría de los circuitos en los equipos electrónicos funcionan a frecuencias mucho más altas.
Diodos de pequeña señal
Estos diodos tienen limitaciones de potencia menores que 0,5 W (con corrientes de miliamperios y no de amperios) y se emplean en general a frecuencias mucho mayores que 50 Hz. Su construcción pequeña y ligera es lo que permite que funcionen a frecuencias muy superiores.
El limitador o recortador.
Un limitador es un circuito que elimina partes positivas o negativas de una forma de onda. Este tipo de procesado es útil en la conformación de señales, protección de circuitos y comunicaciones.
Limitador Positivo.
Es un circuito que elimina las partes positivas de la señal. Como se ve, la tensión de salida tiene sólo semiciclos negativos.
El circuito funciona asi: durante el semiciclo positivo de la señal de entrada el diodo conduce y aparece como un corto en las terminales de salida. Idealmente, la tensión debe ser cero. Durante el semiciclo negativo, el diodo tiene polarización inversa y esta abierto. En este caso, el semiciclo negativo aparece a la salida.
Por diseño, la resistencia en serie es mucho menor que la resistencia de carga. Esta es la razón de que el pico negativo de salida se muestre como -Vp. En una segunda aproximación, la tensión del diodo es 0,7 V cuando conduce. Por tanto, el nivel de recorte no es cero, sino 0,7 V. Por ejemplo, si la señal de entrada tiene un valor de pico de 20 V, la salida del limitador aparecera como en la Figura.
El limitador negativo.
Si se invierte la polaridad del diodo, se obtiene un limitador negativo. Como se podia esperar, esto elimina las partes negativas de la señal. Idealmente, la forma de onda de salida sólo tiene semiciclos positivos.
Limitadores polarizados.
En electrónica, polarizar significa aplicar una tensión externa para cambiar el nivel de referencia de un circuito. La Figura es un ejemplo de polarización para cambiar el nivel de referencia de un limitador positivo o negativo. Añadiendo una fuente de tensión continua en serie con el diodo podemos cambiar el nivel del limite. La nueva V debe ser menor que Vp para funcionar con normalidad.
EL CAMBIADOR DE NIVEL DE CONTINUA
La Figura muestra la idea básica de un cambiador de nivel de continua. Cuando un cambiador positivo tiene una onda sinusoidal a la entrada, añade una tensión continua positiva a la onda sinusoidal. Dicho de otra forma, el cambiador de nivel de continua positivo desplaza el nivel de referencia de alterna (normalmente cero) hasta un nivel de continua. El efecto es una tensión alterna centrada en un nivel de continua. Esto significa que cada punto de la onda sinusoidal se ve desplazado hacia arriba, como se muestra en la onda de salida.
El detector pico a pico.
Un rectificador de media onda con filtro con condensador a la entrada produce una tensión continua de salida aproximadamente igual al pico de la señal de entrada. Cuando el mismo circuito usa un diodo de pequeña señal, se denomina un detector de pico. Típicamente, los detectores de pico operan a frecuencias que son muy superiores a 50 Hz. La salida de un detector de pico es útil para medidas, procesado de señal y comunicaciones. Si se conectan en cascada un cambiador de nivel de continua y un detector de picos, se obtiene un detector pico a pico.
MULTIPLICADORES DE TENSIÓN
Un detector pico a pico usa diodos de pequeña señal y opera a frecuencias altas. Usando diodos rectificadores y operando a 60 Hz podemos producir un nuevo tipo de fuente de alimentación denominado duplicador de tensión.
La Figura es un duplicador de tensión. La configuración es la misma que un detector pico a pico, excepto que usamos diodos rectificadores y operan a 60 Hz. La sección del cambiador añade una componente continua a la tensión del secundario. El detector de pico produce entonces una tensión de continua a la salida que es dos veces la tensión del secundario.
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