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“Conociendo e Imitando a Don Bosco,
Hagamos de los Jóvenes la Misión de Nuestras Vidas”
Guía de Estudio
Curso 3°D
Módulo: MACCE
Profesor: Mitchell Cifuentes Berríos
Diodos
Una resistencia ordinaria es un dispositivo lineal por que el gráfico de su corriente
en función de su tensión es una línea recta. Un diodo es diferente. Es un dispositivo
no lineal por que el gráfico de la corriente en función de la tensión no es una línea
recta. La razón es la barrera de potencial: cuando la tensión del diodo es menor
que la barrera de potencial, la corriente del diodo es pequeña; si la tensión del
diodo supera esta barrera de potencial, la corriente del diodo se incrementa
rápidamente.
Símbolo eléctrico
La figura 1a representa el símbolo eléctrico de un diodo. El lado p se llama ánodo y
el lado n es el cátodo. El símbolo del diodo es una flecha que apunta del lado p al
lado n, es decir, del ánodo al cátodo.
En la Figura 1b se muestra un circuito con un
diodo. En este circuito el diodo está polarizado
en directa. ¿Cómo lo sabemos? Porque el
terminal positivo de la batería está conectado al
lado p del diodo a través de una resistencia, y el
terminal negativo está conectado al lado n. Con
esta conexión, el circuito está tratando de
empujar huecos y electrones libres hacia la
unión.
La zona directa
Figura 1: Diodo:
La Figura 1b es un circuito que puede montarse
en el laboratorio. Tras conectarlo, es posible
medir la tensión en él diodo y la corriente que lo
atraviesa. También se puede invertir la polaridad
de la fuente de tensión continua y medir la
corriente y la tensión del diodo polarizado en
inversa. Si se representa la corriente a través del
diodo en función de la tensión del diodo, se
obtendrá una gráfica parecida a la de la Figura 2.
a) símbolo eléctrico;
Éste es un resumen visual de las ideas
expuestas en el capítulo anterior. Por ejemplo,
b) polarización directa
cuando el diodo está polarizado en directa no
hay una corriente significativa hasta que la
tensión en el diodo sea superior a la barrera de potencial. Por otro lado, cuando el
diodo está polarizado en inversa, casi no hay corriente inversa hasta que la tensión
del diodo alcanza la tensión de ruptura. Entonces, la avalancha produce una gran
tensión inversa, destruyendo el diodo.
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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:
Vk ≈ 0,7 V
(1)
(Nota: El. símbolo ≈ significa «aproximadamente igual a».)
Aunque los diodo de germanio rara vez son utilizado es bueno saber que su
tensión de umbral es de 0,3 V.
Figura 2: Curva del diodo.
Máxima 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 datos 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 datos. Esta corriente puede aparecer como IF(máx), I(máx), Io, etc.,
dependiendo del fabricante. Por ejemplo, un 1N4001 tiene una corriente máxima de
1 A. Este dato significa que puede conducir con seguridad una corriente continua
con polarización directa igual a 1 A.
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. Expresándolo matemáticamente:
PD = VD ID
(2)
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La potencia nominal indica cuánta potencia puede disipar el diodo sin peligro de
acortar su vida ni degradar sus propiedades. Expresada mediante una fórmula, la
definición es:
Pmáx = Vmáx Imáx
(3)
donde Vmáx es la tensión correspondiente a Imáx. Por ejemplo, si un diodo tiene una
tensión y corriente máximas de 1 V y2 A, su limitación de potencia es 2 W.
Ejemplo 1:
Un diodo tiene una potencia nominal de 5 W. Si la tensión del diodo es de 1,2 V y
la corriente del diodo es 1,75 A, ¿cuál es la disipación de potencia?¿Se destruirá el
diodo?
Respuesta:
PD = (1,2 V)(1,75 A) = 2,1 W
El resultado es inferior a la potencia nominal. Por tanto el diodo no se destruirá.
El diodo ideal (primera aproximación)
En líneas generales, ¿qué 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.
En la figura 3a se muestra el gráfico corriente-tensión de un diodo ideal. Refleja lo
que se acaba de exponer: resistencia cero con polarización directa y resistencia
infinita con polarización inversa. A decir verdad, es imposible construir un
dispositivo con esas características, pero es lo que los fabricantes harían si
pudiesen.
Figura 3: a) Curva del diodo ideal; b) un diodo ideal actúa como un interruptor
¿Existe algún dispositivo que actúe como un diodo ideal? Sí. Un interruptor tiene
resistencia cero al estar cerrado, y resistencia infinita al estar abierto. Por tanto, un
diodo ideal actúa como un interruptor que se cierra al tener polarización directa y se
abre con polarización inversa. En la figura 3b se resume esta idea del interruptor.
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Ejemplo 2:
Calcular la corriente y la tensión en la carga, empleando la aproximación del diodo
ideal, en el circuito dela figura siguiente,
Respuesta:
Como el diodo está polarizado en directa, es
equivalente a un interruptor cerrado. Por tanto
toda la tensión de la fuente aparece a través de la
resistencia de carga:
VL = 10 V
Usando la ley de ohm, la corriente por la carga es:
IL =
10 V
= 10 mA
1 KΩ
Rectificador de media onda
La figura 4a muestra un circuito rectificador de media onda. La fuente de corriente
alterna produce una tensión sinusoidal. Suponiendo un diodo ideal, la mitad
positiva positiva del ciclo de la tensión de fuente polariza el diodo en directa. Como
el interruptor esta cerrado, como se muestra en la Figura 4b, la mitad positiva del
ciclo de la tensión de fuente aparecerá a través de la resistencia de carga. En la
mitad negativa del ciclo, el diodo esta polarizado en inversa. En este caso el diodo
ideal se comporta como un interruptor abierto y no hay tensión a través de la
resistencia de carga (Figura 4c).
Figura 4: a) Rectificador ideal de media onda; b) en la mitad positiva del ciclo; c) en
la mitad negativa del ciclo.
Formas de onda ideales
La Figura 5a muestra una representación gráfica de la forma de onda de la tensión
de entrada. Es una onda sinusoidal con un valor instantáneo vin, y un valor peak de
Vp(in). Una sinusoide pura como esta tiene un valor medio de cero en un ciclo
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porque cada tensión instantánea tiene una tensión igual y opuesta medio ciclo
después. Si se mide esta tensión con un voltímetro de continua, se leerá 0 porque
un voltímetro de continua indica el valor medio.
En el rectificador de media onda de la Figura 5b, 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,
como se muestra en la Figura 5c. Denominamos a una forma de onda como esta
una señal de media onda. Esta tensión de media onda produce una corriente
unidireccional por la carga. Esto significa que sólo circula en una dirección.
Figura 5: a) Entrada a un rectificador de media onda; b) circuito; c) salida de un
rectificador de media onda.
Una señal de media onda como la de la Figura 5c es una tensión continua pulsante
que se incrementa a un máximo, decrece a cero, y después permanece en 0
durante la mitad negativa del ciclo.
Éste no es el tipo de tensión continua que necesitamos para los equipos
electrónicos. Lo que necesitamos es una tensión constante, la misma que se
obtiene de una batería. Para obtener este tipo de tensión, necesitamos filtrar la
señal de media onda (se verá más tarde). Cuando se detectan averías, se puede
usar el diodo ideal para analizar el rectificador de media onda. Es útil recordar que
la tensión de salida de peak es igual a la tensión peak de entrada:
Media onda ideal:
Vp(out) = Vp(in)
(4)
Valor de continua de la señal de media onda
Para una señal de media onda el valor de continua es:
Media onda:
Vdc =
Vp
π
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Vdc ≈ 0,318 V p
(6)
Frecuencia de salida
La frecuencia de salida es la misma que la frecuencia de entrada. Esto tienen
sentido cuando se compara la figura 5c con la 5a. Cada ciclo de la tensión de
entrada produce un ciclo de la tensión de salida. Por tanto, podemos escribir:
Media onda:
fout = fin
(7)
Segunda aproximación
En la discusión previa, el diodo se consideró ideal. Cuando se usa la segunda
aproximación, tomado en cuenta la tensión umbral de 0,7 V, pasa lo siguiente.
Durante el semi-ciclo positivo, el voltaje de entrada debe superar la tensión de
umbral antes que el diodo quede polarizado en directa. Esto resulta en una señal
de salida de media onda con un valor peak que es 0,7 V menor que el valor peak
de la entrada, como muestra la figura 6. La expresión del voltaje peak de salida es:
Vp(out) = Vp(in) – 0,7
(8)
Ejercicio 1:
Para el circuito de la figura, calcule los valores de la tensión peak y tensión
continua en la carga, usando la primera y segunda aproximación.
Bibliografía
Malvino, Albert (2000). Principios de electrónica. Sexta edición.
Floyd, Thomas (2005). Electronic Devices. Séptima edición.
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