Diodos

Electrónica
Tema 2
Diodos
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Queda prohibida su reproducción o visualización sin permiso del editor.
Contenido
•
•
•
•
•
•
•
Ideas básicas
Aproximaciones
Resistencia interna y Resistencia en continua
Rectas de carga
Diodo zener
Dispositivos optoelectrónicos
Diodo Schottky
2
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Queda prohibida su reproducción o visualización sin permiso del editor.
Diodo
• Es un dispositivo no lineal.
• La gráfica de la corriente en función de
la tensión no es una línea recta.
• La tensión del diodo debe exceder la
tensión de la barrera para conducir.
3
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Queda prohibida su reproducción o visualización sin permiso del editor.
El símbolo del diodo es parecido a una flecha
que apunta desde el lado p hacia el lado n.
Ánodo
R
VS
p
=
n
Cátodo
La flecha apunta en la dirección del flujo de la corriente
convencional. Este diodo está polarizado
en directa gracias a VS.
4
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Queda prohibida su reproducción o visualización sin permiso del editor.
Linealidad
• La curva característica voltios-amperios de
una resistencia es una línea recta (lineal).
• Un diodo tiene una curva característica
no-lineal.
• La barrera de potencial produce un codo
en la curva del diodo.
• La tensión de codo es aproximadamente
0,7 para un diodo de silicio.
5
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Queda prohibida su reproducción o visualización sin permiso del editor.
Corriente directa en mA
200
175
150
125
100
75
50
25
codo
0
0
0,5
1,0
1,5
Polarización directa en voltios
Curva característica voltios-amperios de un diodo de silicio
6
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Queda prohibida su reproducción o visualización sin permiso del editor.
disrupción
600
Polarización inversa en voltios
400
200
0
20
40
60
80
Corriente
inversa
en mA
100
120
140
Curva característica de un diodo
de silicio polarizado en inversa
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Queda prohibida su reproducción o visualización sin permiso del editor.
7
Resistencia interna
• La resistencia óhmica del material p y n se
denomina resistencia interna.
• Con frecuencia, la resistencia interna es
menor que 1 W.
• Con polarización directa, la corriente del
diodo aumenta rápidamente más allá de la
tensión de codo.
• Incrementos pequeños de la tensión provocan
incrementos grandes de la corriente.
8
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Queda prohibida su reproducción o visualización sin permiso del editor.
Parámetros del diodo
• Se especifican en las hojas de características
del fabricante.
• No deben excederse los valores máximos de
los parámetros en polarización inversa.
• La corriente directa máxima no debe
excederse.
• La potencia de un diodo queda determinada
por su corriente máxima y la caída de
tensión directa para dicha corriente.
9
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Queda prohibida su reproducción o visualización sin permiso del editor.
Primera aproximación del diodo
• Representa el diodo en el caso ideal.
• La primera aproximación ignora la corriente
de fugas, la barrera de potencial y la
resistencia interna.
• Cuando un diodo ideal se polariza en
directa, el modelo es un interruptor cerrado.
• Cuando un diodo ideal se polariza en
inversa, el modelo es un interruptor abierto.
10
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Queda prohibida su reproducción o visualización sin permiso del editor.
Primera aproximación (ideal)
POLARIZACIÓN INVERSA
POLARIZACIÓN DIRECTA
11
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Queda prohibida su reproducción o visualización sin permiso del editor.
Segunda aproximación del diodo
• Este modelo supone que no fluye ninguna
corriente por el diodo hasta que la
polarización directa en el mismo alcanza
los 0,7 voltios.
• Este modelo ignora la forma exacta del
codo.
• Este modelo ignora la resistencia interna
del diodo.
12
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Queda prohibida su reproducción o visualización sin permiso del editor.
Segunda aproximación
SEGUNDA APROXIMACIÓN
POLARIZACIÓN INVERSA
POLARIZACIÓN DIRECTA
13
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Queda prohibida su reproducción o visualización sin permiso del editor.
Tercera aproximación del diodo
• Este modelo supone que no fluye corriente por
el diodo hasta que la polarización directa del
diodo alcanza los 0,7 voltios.
• Este modelo ignora la forma exacta del codo.
• Este modelo sí tiene en cuenta la resistencia
interna del diodo.
Sin embargo, como la resistencia interna es
menor que 1 W puede ignorarse.
14
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Queda prohibida su reproducción o visualización sin permiso del editor.
Tercera aproximación
0,7 V
RB
Polarización inversa
0,7 V
RB
Polarización directa
15
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Queda prohibida su reproducción o visualización sin permiso del editor.
Aproximación apropiada
• La primera aproximación es adecuada para
la mayor parte de los casos de detección de
averías.
• La segunda aproximación a menudo se
emplea si se precisan valores más precisos
de la corriente y la tensión en la carga.
• La tercera aproximación mejora la
precisión cuando la resistencia interna del
diodo es mayor que 1/100 de la resistencia
de Thevenin que ve el diodo.
16
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Queda prohibida su reproducción o visualización sin permiso del editor.
Corriente directa en mA
200
Cálculo de la resistencia interna
.
175
RB =
150
0,875 V - 0,75 V
175 mA - 75 mA
125
= 1,25 W
100
.
75
50
25
0
0
0,5
1,0
1,5
Polarización directa en voltios
17
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Queda prohibida su reproducción o visualización sin permiso del editor.
Resistencia en continua
Corriente directa en mA
200
.
175
RF =
0,875 V
175 mA
150
= 5W
125
100
.
75
RF =
0,75 V
75 mA
50
= 10 W
25
0
0
0,5
1,0
1,5
Polarización directa en voltios
La resistencia directa disminuye cuando aumenta la corriente.
18
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Queda prohibida su reproducción o visualización sin permiso del editor.
Valores de la resistencia del
diodo de silicio
• La resistencia inversa es muy alta:
típicamente del orden de decenas o centenas
de megaohmios.
• La resistencia directa no es la misma que la
resistencia interna.
• La resistencia directa siempre es más
grande que la resistencia interna.
• La resistencia directa es igual a la
resistencia interna más el efecto de la
barrera de potencial.
19
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Queda prohibida su reproducción o visualización sin permiso del editor.
RS = 10 W
VS = 1,5 V
Un circuito como éste puede resolverse de varias
formas:
1.
2.
3.
4.
5.
Utilizar la primera aproximación (ideal).
Utilizar la segunda aproximación.
Utilizar la tercera aproximación.
Utilizar un simulador de circuitos.
Utilizar la curva característica del diodo.
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Queda prohibida su reproducción o visualización sin permiso del editor.
20
RS = 10 W
VS = 1,5 V
El uso de la curva característica es una solución gráfica:
1. Hallar la corriente de saturación usando
la ley de Ohm.
2. La tensión de corte es igual a la tensión de
alimentación.
3. Localizar estos dos puntos en la curva del diodo.
4. Conectarlos mediante una recta de carga.
5. La intersección es la solución gráfica.
21
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Queda prohibida su reproducción o visualización sin permiso del editor.
Corriente directa en mA
200
Solución gráfica
10 W
175
150
1,5 V
125
100
Q
.
75
ISAT
50
1,5 V
= 150 mA
=
10 W
VCORTE = 1,5 V
25
0
0
0,5
1,0
1,5
Tensión en el diodo
Q es el punto de trabajo
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Queda prohibida su reproducción o visualización sin permiso del editor.
22
Rectificador de media onda
• Dispone de un diodo en serie con la
resistencia de carga.
• La tensión en la carga es una salida de
media-onda.
23
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Queda prohibida su reproducción o visualización sin permiso del editor.
VP
El rectificador
de media onda
Vin
Vin
Vout
Ideal: VP(in) = VP(out)
VP
Vout
24
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Queda prohibida su reproducción o visualización sin permiso del editor.
Señales del rectificador de
media onda
• El valor de continua de la salida es el
valor medio.
• Vdc = VP(out)/p
• fout = fin
25
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Queda prohibida su reproducción o visualización sin permiso del editor.
Transformador de entrada
•
•
•
•
Reductor.
La tensión se reduce.
La corriente aumenta.
La tensión del secundario es igual a la
tensión del primario dividida entre la
relación de espiras.
26
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Queda prohibida su reproducción o visualización sin permiso del editor.
Repaso sobre transformadores
• Cuando la relación de espiras (N1/N2) es
mayor que 1, la tensión del primario se
reduce.
• Cuando el número de vueltas es menor que 1,
la tensión del primario aumenta.
• Los terminales marcados con un punto tienen
la misma fase instantanea.
• Los rectificadores de onda completa
requieren un devanado con una toma central.
27
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Queda prohibida su reproducción o visualización sin permiso del editor.
Rectificador de onda completa
• Consta de un transformador con toma
central con dos diodos y una resistencia
de carga.
• La tensión en la carga es una señal de
onda-completa cuyos picos son iguales a
la mitad de la tensión en el secundario.
28
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Queda prohibida su reproducción o visualización sin permiso del editor.
El rectificador de
onda completa
V2
.
Vin
.
V1=Vin
V2=(N2/N1)V1
T.C.
Vout
Ideal:
VP(out) = VP(2) /2
Vout
29
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Queda prohibida su reproducción o visualización sin permiso del editor.
Señales del rectificador de
onda completa
• El valor de continua de la salida es el
valor medio.
• Vdc = 2VP(out)/p
• fout = 2fin
• La entrada a cada diodo es la mitad de
la tensión en el secundario.
30
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Queda prohibida su reproducción o visualización sin permiso del editor.
Rectificador en puente
• Consta de cuatro diodos.
• La tensión en la carga es una señal de
onda completa con un valor de pico igual
a la tensión en el secundario.
31
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Queda prohibida su reproducción o visualización sin permiso del editor.
El rectificador
en puente
V2
Vin
Vout
V1=Vin
V2=(N2/N1)V1
Ideal:
VP(out) = VP(2)
Vout
32
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Queda prohibida su reproducción o visualización sin permiso del editor.
Señales del rectificador en
puente
• El valor de continua de la salida es el
valor medio.
• Vdc = 2VP(out)/p
• fout = 2fin
33
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Queda prohibida su reproducción o visualización sin permiso del editor.
Diodo zener
• Optimizado para operación en la región
de disrupción.
• Uso principal: regulación de tensión
34
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Queda prohibida su reproducción o visualización sin permiso del editor.
-VZ (Voltios)
6
4
2
0
20
40
60
VZ
80
-IZ (mA)
100
120
140
Gráfica de la corriente en función de la tensión del zener
35
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Queda prohibida su reproducción o visualización sin permiso del editor.
Diodo zener regulador de tensión
RS
Fuente de
alimentación
VS
VZ
RL
Este circuito regulará cuando la tensión de Thevenin que
ve el diodo zener es mayor que la tensión del zener.
RL
VTH =
V
RS + RL S
36
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Queda prohibida su reproducción o visualización sin permiso del editor.
RS
Fuente de
alimentación
VS
VZ
RL
Suponiendo que el zener está conduciendo:
VS - VZ
IS =
RS
IL =
VZ
RL
IZ = I S - I L
37
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Queda prohibida su reproducción o visualización sin permiso del editor.
Zener conformador de ondas
• Zeners conectados en oposición:
Un zener conduce mientras que el otro
entra en disrupción.
Se produce recorte a la salida.
38
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Queda prohibida su reproducción o visualización sin permiso del editor.
Circuito zener conformador de ondas
R
Power
supply
RL
VZ + 0,7 V
-VZ - 0,7 V
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Queda prohibida su reproducción o visualización sin permiso del editor.
39
Power
Segunda
aproximación
supply
RZ
del diodo zener
VZ
40
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Queda prohibida su reproducción o visualización sin permiso del editor.
Aplicando la segunda aproximación
RS
Fuente de
alimentación
RZ
VS
RL
VZ
La desviación de la tensión de carga respecto del caso ideal es:
DVL = IZRZ
41
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Queda prohibida su reproducción o visualización sin permiso del editor.
Rectas de carga
• La intersección de la recta de carga y el
diodo zener es el punto Q (de trabajo).
• Cuando la tensión de la fuente varía,
aparece una recta de carga diferente con
un punto Q diferente.
42
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Queda prohibida su reproducción o visualización sin permiso del editor.
1 kW
RS
V (Voltios)
-30
-20
-10
0
Q1
VS
-10 I
(mA)
Q2
-20
30 V
V
VS = 20
-30
¿Qué ocurre con VZ cuando VS varía de 20 a 30 voltios?
Las rectas de carga proporcionan una solución gráfica.
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Queda prohibida su reproducción o visualización sin permiso del editor.
43
Dispositivos optoelectrónicos
• Tecnología óptica y electrónica:
– LED
– Fotodiodos
– Optoacopladores
44
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Queda prohibida su reproducción o visualización sin permiso del editor.
RS
Fuente de
alimentación
VS
Diodo emisor de luz
(LED)
IS =
VS - VD
RS
La caída de tensión típica de la mayoría de los LED
varía entre 1,5 y 2,5 V.
45
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Queda prohibida su reproducción o visualización sin permiso del editor.
RS
Fuente de
alimentación
VS
Fotodiodo
Los fotodiodos se polarizan en inversa y
conducen cuando la luz incide sobre ellos.
46
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Queda prohibida su reproducción o visualización sin permiso del editor.
R1
Fuente
de señal
V1
R2
V2
Fuente de
alimentación
El optoacoplador combina un LED y un fotodiodo
47
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Queda prohibida su reproducción o visualización sin permiso del editor.
Diodo Schottky
• Un diodo especial con un tiempo de
recuperación en inversa prácticamente
igual a cero.
• Resulta útil a altas frecuencias donde son
necesarios tiempos de conmutación
cortos.
48
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Queda prohibida su reproducción o visualización sin permiso del editor.
Rectificación
Vin
a alta frecuencia
Vin
Vout
El almacenamiento de carga
puede causar un pobre
rendimiento a
altas frecuencias.
Vout
Colas
49
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Queda prohibida su reproducción o visualización sin permiso del editor.
Rectificador de V
in
portadores activos
Vin
Los diodos Schottky eliminan
Vout las colas a altas frecuencias.
Vout
50
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Queda prohibida su reproducción o visualización sin permiso del editor.