Diodo Real conceptos y aplicaciones

Diodo Real conceptos y aplicaciones
Objetivos: Entender el concepto de diodo real Diseñar circuitos Rectificadores Cambiadores de nivel Sujetadores Entender el concepto y región zener

Diodo Real El diodo es un dispositivo que esta formado por la unión de un material tipo N y un material tipo P Material P Material N X=0

Diodo Real (cont.) Las características del diodo semiconductor de silicio están dadas por la siguiente gráfica siguiente

Polarización inversa Cuando se aplica un voltaje inverso al diodo la barrera de potencial que tienen que superar los portadores mayoritarios es muy grande por lo que no hay una corriente significativa. Existe una pequeña corriente llamada corriente de fuga la cual es del orden de los nano a los micro amperes. Esencialmente se comporta como un circuito abierto

Polarización directa menor a VD
Cuando de aplica un voltaje V para una polarización pero que V < VD, el diodo se comporta como un circuito abierto debido a que no se ha alcanzado el voltaje de umbral por lo que los portadores mayoritarios aun no pueden saltar la región de agotamiento Nota: ya no hay corriente de saturación inversa debido a que el dispositivo ya se polarizó de forma directa, tampoco hay corriente ID debido a que aun no se alcanza VD

Polarización directa V=VD
Cuando de aplica un voltaje V para una polarización V=VD, el diodo se comporta como un circuito cerrado y comenzará a conducir la corriente. En el circuito cerrado se debe agregar una fuente de voltaje independiente con valor igual a VD, esto debido a que el diodo tendrá una caída de potencial. Aunque el valor exacto del voltaje de umbral (Vbi o VD) para un diodo de silicio es de V, se considera VD=0.7V

Polarización directa V=VD

Ejemplo Calcule la corriente a través de la resistencia en los siguientes circuitos. Considere un diodo de Silicio (VD=0.7V) (simulación)

Resultados Circuito 1 I=93x10-3A Circuito 2 86x10-3A

Ejercicio Suponga que el diodo de la figura tiene un voltaje de encendido de 0.7V, si el voltaje de la fuente aumenta hasta 3V calcule la corriente del diodo Neamen, 1.31

Cálculos

Resolviendo el sistema de ecuaciones formado por ec1 y ec2 obtenemos
Resultados Resolviendo el sistema de ecuaciones formado por ec1 y ec2 obtenemos I1=46x10-6A I2=22.67x10-6A

Ejercicio Suponga que cada diodo en el circuito tiene un voltaje VD=0.65V. El voltaje de entrada es VI=5V. Determine el valor requerido de R1 modo tal que ID3es la mitad del valor de ID1 ¿Cuáles son los valores de ID1 e ID3? Neamen, 1.32

Determine I1, I2, ID1 e ID2 para el circuito mostrado en la figura
Ejercicio Determine I1, I2, ID1 e ID2 para el circuito mostrado en la figura

Resultados I1=212.12x10-6A I2=3.3214x10-3A ID2=3.109x10-3A

Suponga VD=0.6 (voltaje de encendido) para el diodo del siguiente circuito. Grafique detalladamente vD e iD contra el tiempo si vpico=5V, indique el valor máximo que tendrá la corriente (R=2.2kΩ)

Pasos a seguir (ondas senoidales y triangulares)
Analice el circuito cambiando la fuente de voltaje variable en el tiempo (Vv) por un corto circuito, verifique si el diodo está conduciendo o no y no olvide analizar la influencia de las demás fuentes de poder en el circuito Analizando el semiciclo positivo, cambie la Vv por una fuente de voltaje independiente de valor V=VD en el rango de 0 a T/4 y verifique si el diodo está conduciendo o no y no olvide analizar la influencia de las demás fuentes de poder en el circuito Analizando el semiciclo positivo, cambie la Vv por una fuente de voltaje independiente de valor V=suma(fuentes independientes) en el rango de 0 a T/4 y verifique si el diodo está conduciendo o no Analizando el semiciclo positivo, cambie la Vv por una fuente de voltaje independiente de valor V=Vvmax en T/4 y realice la misma verificación de los dos incisos anteriores Analizando el semiciclo positivo, cambie la Vv por una fuente de voltaje independiente de valor V=suma(fuentes independientes) en el rango de T/4 a T/2 y verifique si el diodo está conduciendo o no Analizando el semiciclo positivo, cambie la Vv por una fuente de voltaje independiente de valor V=VD en T/4 a T/2 y realice la misma verificación de los dos incisos anteriores. Repita el paso 1 para T/2

Pasos a seguir (ondas senoidales y triangulares) –cont.-
Analizando el semiciclo negativo, cambie la Vv por una fuente de voltaje independiente de valor V=-VD en el rango de T/2 a 3T/4 y verifique si el diodo está conduciendo o no Analizando el semiciclo negativo, cambie la Vv por una fuente de voltaje independiente de valor V=-suma(fuentes independientes) en el rango de T/2 a 3T/4 y verifique si el diodo está conduciendo o no Analizando el semiciclo negativo, cambie la Vv por una fuente de voltaje independiente de valor V=-Vvmax en 3T/4 y realice la misma verificación de los dos incisos anteriores Analizando el semiciclo negativo, cambie la Vv por una fuente de voltaje independiente de valor V=VD en T/4 a T/2 y realice la misma verificación de los dos incisos anteriores. Una los puntos obtenido en los incisos 1 a 12 y trace su gráfica

Pasos a seguir (ondas senoidales y triangulares) –cont.-
Una los puntos obtenido en los incisos 1 a 12 y trace su gráfica. En caso de requerir más precisión en la gráfica, puede repetir los pasos 3, 5, 9 y 11 con valores de voltajes de la fuente VV mayores (en el ciclo positivo) o menores (en el ciclo negativo) a la suma de las fuentes de voltaje independientes tanto para ciclo negativo como positivo y menores al voltaje máximo de VV tanto como positivo como negativo No olvide verificar si los voltajes de entrada son RMS o voltajes pico (en este caso se consideran 5V pico –si no se especifica lo contrario en los ejercicios de ésta clase, los voltajes serán pico-, el voltaje RMS sería 3.53V)

Analice el circuito cambiando la fuente de voltaje variable en el tiempo (Vv) por un corto circuito, verifique si el diodo está conduciendo o no y no olvide analizar la influencia de las demás fuentes de poder en el circuito En t=0 Vmedido=-2V

Analizando el semiciclo positivo, cambie la Vv por una fuente de voltaje independiente de valor V=VD en el rango de 0 a T/4 y verifique si el diodo está conduciendo o no y no olvide analizar la influencia de las demás fuentes de poder en el circuito En Vv=0.065=VD Vmedido=-1.350V

Analizando el semiciclo positivo, cambie la Vv por una fuente de voltaje independiente de valor V=suma(fuentes independientes) en el rango de 0 a T/4 y verifique si el diodo está conduciendo o no En Vv=2V Vmedido=0V

Analizando el semiciclo positivo, cambie la Vv por una fuente de voltaje independiente de valor V=Vvmax en T/4 y realice la misma verificación de los dos incisos anteriores En Vv=5V Vmedido=VD=0.65

Analizando el semiciclo positivo, cambie la Vv por una fuente de voltaje independiente de valor V=suma(fuentes independientes) en el rango de 0 a T/4 y verifique si el diodo está conduciendo o no En Vv=2V Vmedido=0V

Analizando el semiciclo positivo, cambie la Vv por una fuente de voltaje independiente de valor V=VD en T/4 a T/2 y realice la misma verificación de los dos incisos anteriores En Vv=0.065=VD Vmedido=-1.350V

Analice el circuito cambiando la fuente de voltaje variable en el tiempo (Vv) por un corto circuito, verifique si el diodo está conduciendo o no y no olvide analizar la influencia de las demás fuentes de poder en el circuito En t=0 Vmedido=-2V

Analizando el semiciclo negativo, cambie la Vv por una fuente de voltaje independiente de valor V=-VD en el rango de T/2 a 3T/4 y verifique si el diodo está conduciendo o no Vmedido=-2.650V

Analizando el semiciclo negativo, cambie la Vv por una fuente de voltaje independiente de valor V=-suma(fuentes independientes) en el rango de T/2 a 3T/4 y verifique si el diodo está conduciendo o no Vmedido=-4V

Analizando el semiciclo negativo, cambie la Vv por una fuente de voltaje independiente de valor V=-Vvmax en 3T/4 y realice la misma verificación de los dos incisos anteriores Vmedido=-7V

Analizando el semiciclo negativo, cambie la Vv por una fuente de voltaje independiente de valor V=-suma(fuentes independientes) en el rango de 3T/4 a T y verifique si el diodo está conduciendo o no Vmedido=-4V

Analizando el semiciclo negativo, cambie la Vv por una fuente de voltaje independiente de valor V=-VD en el rango de T/2 a 3T/4 y verifique si el diodo está conduciendo o no Vmedido=-2.650V

Corriente I=( )/2200= A OJO: en esta simulación se utilizó un generador de funciones cuyos parámetros son los voltajes pico, no confundir

Ejemplo Trace la forma de onda Vsal del circuito que se muestra a continuación. Considere una señal de entrada de 50Vpp de forma senoidal y VD=0.7

Traza Verde: Señal de entrada
Traza Amarilla: Señal de salida

Valor Efectivo, RMS, Pico
El valor efectivo de cualquier corriente (o voltaje) periódica (o) es igual al valor de la corriente directa la cual, fluyendo a través de una resistencia RΩ entrega la misma potencia promedio a la resistencia que la que entrega la corriente ( o voltaje) periódica (o).

Si tenemos una señal alterna (Vm es amplitud, Voltaje pico) (1)
Con periodo (2) El valor promedio, efectivo o RMS (root-mean-square) es (3) (1) En (3) y obtenemos

Resolviendo (3) obtenemos (4)
Para obtener el voltaje pico de una señal se debe despejar Vm de (4) Por ejemplo, la línea eléctrica tiene el Voltaje RMS de 115V (si medimos con el multímetro), pero su voltaje pico (si vemos la onda con el osciloscopio) es de 115*√2 = V=Vm=Vp Engeniering Circuit Analysis, quinta edición, Hayt y Kemmerly, página 301

Rectificador de media Onda

Ejemplo Grafique detalladamente el voltaje en la carga de la siguiente figura si suponemos una entrada Vi de 115V RMS con una frecuencia de 60Hz

Vsalida=Ventrada-VD

Capacitor de filtrado Agregando un capacitor en paralelo con la resistencia de carga podemos comenzar un filtrado de la señal para poder empezar a transformarla de una onda viable en el tiempo a un Voltaje de CD

Capacitor de filtrado (cont)

Capacitor de filtrado (cont)
Voltaje de Rizo

Rectificador de onda completa
El rectificador de media onda solo transmite la energía de la señal de entrada a la salida durante la mitad del periodo, esto puede corregirse un poco agregando un capacitor en paralelo con la carga. Una mejor a éste circuito es un rectificador de onda completa el cual transfiere energía a la señal de salida durante ambas mitades de la señal de entrada senoidal

Rectificador de onda completa (cont)
Con transformador con derivación (tab) central Puente de diodos

Con transformador Para esta clase de rectificación se usa un transformador cuya característica es que tiene una derivación central

Con transformador En dicho transformador la señal de entrada normalmente es de CA de 120V (rms), 60Hz, y las dos salidas provienen del devanado secundario con derivación central que proporciona voltajes iguales vs, con las polaridades mostradas, cuando el voltaje de línea es positivo ambas salidas vs son positivas. Neamen

Con transformador

Con transformador Semiciclo positivo D1 (conduce) + Vs - D2 (no conduce) Fuente de la imagen 2

Con transformador Semiciclo negativo D1 (no conduce) - Vs + D2 (conduce) Fuente de la imagen 2

Puente de diodos La tierra de la carga es diferente a la tierra de la fuente, no confundir

Puente de diodos Semiciclo positivo Fuente de la imagen

Puente de diodos Semiciclo negativo Fuente de la imagen

Puente de diodos

Calculo del voltaje de rizo y capacitor de filtrado
En un rectificador de media onda podemos agregar también un capacitor en paralelo con la carga de manera que funciones como filtro y de esa manera poder acercar más el voltaje en la carga a la salida deseada de CD

La fórmula para el cálculo del capacitor es
Vmax=VM Vrizo

Ejercicio El circuito de la figura se utiliza para rectificar una señal senoidal de 120VRMS y una frecuencia de 60Hz. Un capacitor de filtrado se conecta en paralelo con la carga R, si el voltaje de salida no puede disminuir de 100VRMS, determine el valor de C, suponga VD=0.7V y RL=2.5kΩ Solución ajustada C=21µF

Compuertas lógicas Escriba la tabla de verdad de la compuerta de la figura si V1 y V2 son las entradas y Vo la salida. Las entradas V1 y V2 pueden tomar valores de 0 o 5 V y los diodos tienen un VD=0.7V V1(V) V2(V) Vo(V) 5

Compuertas lógicas (solución) Compuerta AND
V1(V) V2(V) Vo(V) 0.7 5

Compuertas lógicas Escriba la tabla de verdad de la compuerta de la figura si V1 y V2 son las entradas y Vo la salida. Las entradas V1 y V2 pueden tomar valores de 0 o 5 V y los diodos tienen un VD=0.7V V1(V) V2(V) Vo(V) 5

Compuertas lógicas (solución) Compuerta OR
V1(V) V2(V) Vo(V) 5 4.3

Otros tipos de Diodos Schottky Zener
Led: cuando se polarizan emiten fotones u ondas luminosas, se fabrican de materiales como AsG

Diodo Schottky El diodo de barrera schottky o diodo schottky es un diodo que se forma por la unión de un metal como el aluminio y un semiconductor tipo N moderadamente dopado

Diodo Schottky Las características corriente-voltaje de un diodo Schottky son muy similares a las de un diodo normal, solo hay dos diferencias importantes Es de conmutación muy rápida (orden de nanosegundos) El voltaje de umbral (encendido) es muy bajo, de solo 0.2 o 0.3V

A diferencia de un dispositivo de unión cuya corriente es originada por difusión, en el diodo Schottky resulta del flujo de portadores minoritarios sobre la barrera de potencial en la unión metalúrgica, esto es, no hay almacenamiento de portadores minoritarios, por lo que el tiempo de conmutación es muy rápido. Una desventaja es que la corriente de saturación inversa en este tipo de diodos es alta y resisten muy poco voltaje inverso

Diodo Zener Región Zener
Cuando se le aplica un voltaje demasiado negativo (inverso) al diodo se llega a un punto en donde la corriente comienza a crecer muy rápido en dirección opuesta al incremento cuando se le aplica al diodo un voltaje positivo. El voltaje que origina este aumento en la corriente se le llama VOLTAJE ZENER y se simboliza VZ Boylestad

Diodo Zener (símbolo y equivalente)
sedr42021_0322.jpg Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Figure Model for the zener diode.

Mientras el voltaje inverso en el diodo se incrementa la velocidad de los portadores minoritarios que originan IS también se incrementa, eventualmente su energía cinética y velocidad será suficiente para liberar portadores por medio de colisiones con otras estructuras atómicas estables. Se generará un proceso de ionización por medio del cual los electrones de valencia adquieren suficiente energía para dejar su átomo. Boylestad

Los portadores adicionales pueden ayudar al proceso de ionización hasta el punto donde se estable una gran corriente de “avalancha” que determina la región de ruptura de avalancha, esta región esta precisamente situada en el punto al que se llama VZ. El máximo potencial de polarización inversa que puede ser aplicado antes de entrar a la región Zener se le conoce como Voltaje Pico Inverso. Boylestad

La región Zener debe evitarse en los diodos que no sean especifícame diseñados para trabajar en ésta región ya que pueden dañarse de forma permanente. Boylestad

Boylestad

Diodo Zener VPI sedr42021_0321.jpg
Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Figure The diode i–v characteristic with the breakdown region shown in some detail.

Diodo Zener Regulador de voltaje
Un regulador de voltaje es un circuito el cual tiene una salida de voltaje constante aun cuando varíe la resistencia de carga. El voltaje de ruptura de un diodo Zener es casi constante en un amplio intervalo de corrientes de polarización inversa, esto hace que el diodo Zener sea útil como regulador de voltaje o referencia de voltaje constante

Ii VZ VL IZ IL -

Donde Ri= Resistencia limitadora, que disminuye el voltaje excedente de Vin (en algunos libros se le llama VPS) RL=Resistencia de Carga VL=Voltaje de carga (debe ser constante no importando que varíe RL) VZ=Voltaje Zener IL=Corriente que pasa por la carga IZ=Corriente que pasa por el diodo Zener Ii=corriente que pasa por Ri (Ii=IL+IZ)

Para la operación apropiada del circuito éste debe permanecer en la región de ruptura y la disipación de potencia del diodo no debe exceder su valor nominal, esto es: La corriente en el diodo es mínima, IZ(mín), cuando la corriente de carga es máxima, IL(máx), y el voltaje de la fuente es mínimo, Vin(mín). La corriente en el diodo es máxima, IZ(máx), cuando la corriente de carga es mínima, IL(mín), el voltaje en la fuente es máximo, Vin(máx)

Para calcular Ri: Ii VZ VL IZ IL -

Aplicando 1 a 3 obtenemos Aplicando 2 a 3 obtenemos Empíricamente se puede hacer la suposición de que IZ(mín)=0.1IZ(máx)

Igualando 4 y 5 y despejando IZ(máx) obtenemos

Ejercicio El circuito de la figura tiene un voltaje de entrada que varía entre 10 y 14V y una resistencia de carga que varía entre RL=20 y 100Ω, suponiendo un diodo Zener de 5.6V y que IZ(mín)=0.1IZ(máx). Encuentre el valor Ri requerido y el valor mínimo de la potencia del diodo

Resultados PZ=3.3122W Ri= Ω

Recortadores Son circuitos que tienen la capacidad de “recortar” una parte de la señal de entrada sin alterar o distorsionar la otra. Se dividen en: Recortadores en serie Recortadores en paralelo

Aplicar pasos sugeridos del 1 al 14
Recortadores Serie Aplicar pasos sugeridos del 1 al 14

Recortadores Paralelo
Aplicar pasos sugeridos del 1 al 14

Ejemplo Diseñe un recortador en paralelo para una señal de entrada senoidal de 50Vpico de tal manera que el semiciclo positivo tenga un máximo de 33V y el semiciclo negativo un mínimo de -12V

Solución Dibujamos el diagrama genérico para el recortador

Solución Para el semiciclo positivo calculamos la malla cuando conduce

Solución Para el semiciclo negativo calculamos la malla cuando conduce

Simulación

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