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Electrònica Bàsica
Tema 2: Diodes i aplicacions
2.1 Principi físic de la unió PN.
2.2 Característica Corrent – Tensió, I(V)
2.3 Model dinàmic del diode
2.4 Circuïts amb diodes.
2.5 Exemples i exercicis
Bibliografia
[1] Boylestad, Nashelsky. Electrónica: teoría de circuitos y dispositivos
electrónicos (Octava edición-2003), Pearson/Prentice Hall
[2] Prat, L. Circuits i Dispositius electrònics. Fonaments d’electrònica
(2001), Edicions UPC y Alfaomega Grupo Editor
2.1 Principio físico
de la unión PN.
a)
Iones
y
portadores
en
el
semiconductor (los iones están
representados por círculos).
b) Concentración de iones.
c) Concentración de portadores.
d) Densidad de carga (aproximación
rectangular).
e) Campo eléctrico (Las leyes de Gauss y
Poisson establecen que la carga
eléctrica origina un campo eléctrico
y este una diferencia de potencial)
f) Potencial interno: formación de una
barrera de potencial entre las
regiones N y P (dipolo de carga
entre los dos lados de la unión)
Cuando este equilibrio se alcanza,
existen unos valores determinados
del campo eléctrico, de los
espesores de las regiones en las
que hay carga sin neutralizar:
región de carga espacial o región
de transición; y de la diferencia
de potencial entre la región N y la
P
(en
equilibrio
térmico)
potencial de difusión, Vbi ,
**Ejemplo y Ejercicio
10.2/371
En la teoría básica del diodo de
unión se supone que toda la tensión
aplicada se invierte en disminuir la
barrera de potencial de la unión (en
polarización directa) o en
aumentarla (en inversa).
La barrera de potencial de una
unión polarizada se aproxima, a
Vbi–V.
En polarización directa se toma la
tensión aplicada V como positiva, y
en inversa como negativa.
Efecto de una tensión de polarización sobre la unión.
a) Polarización directa. b) Polarización inversa
En una unión P-N polarizada
directamente domina la corriente de
difusión sobre la de arrastre. Fuerte
inyección de huecos desde la región P
hacia la región N, y otra intensa inyección
de electrones desde N hacía P.
Efecto de una tensión de polarización sobre la unión.
a) Polarización directa. b) Polarización inversa
Cuando se polariza inversamente la unión
aumenta el campo eléctrico en la región
de transición. No va acompañado de un
aumento de la corriente en el sentido de
N a P, ya que no hay portadores a los que
arrastrar. El campo eléctrico se limita a
impedir la difusión de mayoritarios
(huecos de P a N y electrones de N a P), y
la corriente sigue siendo nula como en
equilibrio. De ahí el efecto rectificador
de la unión PN.
Diodo-Ideal
⎛ V D Vt
⎞
I D = I S ⎜⎜ e
− 1⎟⎟
⎝
⎠
2.2 Caract. Corriente – Tensión, I(V)
Vγ = Vt ln
Diodo-Real
⎞
⎛ VD 2Vt
⎞
⎛ V D Vt
⎜
⎟
⎜
ID = IS ⎜ e
− 1⎟⎟
− 1⎟ + I ro ⎜ e
⎠
⎝
⎠
⎝
I Dref
IS
Característica I(V). a) Escala lineal.
b) Escala log para ejes de corriente
1. Modelo exponencial del diodo
a)
b)
La característica Id versus VD del diodo real (a) considerando que Vz toma un valor tan
negativo que nunca se alcanza, puede aproximarse de una forma analítica, que se
denominará modelo exponencial del diodo (b).
⎛
I D = I S ⎜⎜ e
⎝
VD
ηVT
⎞
− 1⎟⎟
⎠
Ecuación del diodo
Is: corriente inversa de saturación del diodo,
η :factor de idealidad (1)
VT tensión térmica, aprox 25mV
2.3 Modelo dinámico del Diodo.
Diodo Real
El diodo real presenta efectos capacitivos que se modelan mediante una
capacidad CD dependiente de la tensión entre terminales del diodo.
CD = CS + C j
En polarización directa suele dominar Cs, debido a su comportamiento
exponencial, mientras que en inversa domina Cj.
Diodo Real
El primero de los efectos de la carga almacenada en la ZCE, se denomina,
capacidad de transición. El otro efecto capacitivo tiene como causa la acumulación
de portadores en las regiones neutras, capacidad de difusión.
Cj: capacidad de transición
Cj0: valor para Vd nula.
M: Suele variar entre 0,5 y 0,33
(esta capacidad aumenta al aumentar la
polarización)
Capacidad de Transición: Acumulación de cargas en la ZCE al variar la tensión
aplicada. Por efecto del incremento de la tensión de polarización, la anchura de carga
espacial pasa de xd1 a xd2.
Diodo Real
Cs: capacidad de difusión (tiene un comportamiento exponencial con la tensión
Vd dada la dependencia funcional de Id con esta tensión)
:tiempo de tránsito del diodo.
τt
2.4 Circuitos con diodos.
Aplicaciones del diodo rectificador
1.
Conversión de tensión alterna a tensión continua. Fuente de alimentación*
2.
Detector de envolvente
3.
Circuitos recortadores y circuitos fijadores de nivel*
4.
Aproximación de funciones con diodos
5.
El diodo como elemento de protección*
Aplicaciones del diodo Zener
1.
Estabilizador de tensión con diodos Zener*
1.- Circuito rectificador de media onda (IDEAL)
a) Circuito rectificador de media onda. b) Señal aplicada al circuito. c) Circuito
equivalente para los semiciclos positivos. d) Idem para los negativos
Ejercicio 6.1/150
1.- Circuito rectificador de media onda (REAL)
a) Estructura física del diodo de unión PN. b) Símbolo del
diodo real. c) Circuito equivalente. d) Característica
corriente-tensión en continua (fuente dependiente).
e) Dependencia de CD con la tensión
Ejemplo y Ejercicio
6.2/152-153
Algunas consideraciones.
Diodo en continua y en LF.
Cuando el circuito que contiene al diodo trabaja con "señales lentas", la capacidad CD
puede ignorarse.
A medida que aumenta la "rapidez" de la señal, su derivada respecto al tiempo aumenta,
haciendo incrementar la corriente por el condensador, hasta que es tanto o más importante
que la de la fuente dependiente y entonces se comete un error importante al eliminar CD.
Cuando puede eliminarse CD se dice que el diodo opera en modo estático.
Los diodos trabajando con señales lentas presentan dos
modos de utilización:
Diodo rectificador: El diodo conduce en directa y bloquea
la corriente en inversa (Vz toma un valor tan negativo que
nunca se alcanza).
Diodo zener: El diodo opera en un región de ruptura
(el margen de tensiones que se aplica al diodo contienen
Vz).
2.4 Circuitos con diodos.
1.
Conversión de tensión alterna a tensión
continua. Fuente de alimentación
Rectificador onda-completa
a) Con transformador de toma intermedia. b) Con puente de diodos
Rectificador de media onda
a) Circuito seguido de filtro de condensador. b) Tensión de salida. c) Corriente por el diodo
Ejemplo 6.7
Ejercicio 6.8 /165-166
Fuente de alimentación (con regulador de V)
+
Rectificador
VS
VAB
+
ReguVC
CF _
lador
_
+
VL Carga
_
-Si no se usa el regulador, la tensión VC=VL varía
al cambiar la carga o al fluctuar la corriente que
absorve la carga
- Al usar regulador, la fluctuación se produce en
VC pero el regulador mantiene VL constante
V
VAB
VC
VL
t
17
Regulación con diodo zener
V
VAB
+
VC
VC
VL
_
IL
+
VL
_
t
Si VC > VZ Diodo en zona Zener siempre y
cuando ILmin < IL < ILmax
Curva característica del diodo zener
IL
15
10
VO=VZ (por ejemplo 5V)
Regulación con fluctuaciones en la
salida debido a las variaciones de IL
al cambiar VC
volt
5
0
VZ=-5
Solución: Regulador lineal de
tensión basado en transistores
-5
-10
18
-15
-6
-5
-4
-3
-2
volt
-1
0
1
VL
Regulación con transistor
Vin
Q1
V
VO
R1
10kohm
VAB
Vin
VO
+
V1
Zener
VAB
Vin
Regulador
5V
_
VO
5.7V
6.4V
t
Q1 hace al función regulador
VB1 = V1 = 5.7V
R1 polariza Q1 en activa
VBE1 en ON
Si Vin > 5.7 + 0.7 = 6.4 V
VO=VE1= 5.7 - 0.7 = 5 V
VBC1 en OFF
Q1 en activa
Para que funcione, Vin > 6.4 o VAB > 1.4V
19
Reguladores lineales integrados de tensión fija
Son los que se usan normalmente
+
LM78XX
XX indica la tensión VL
Vi
IN
7805
+
XX indica la tensión -VL
Vrmin = -2 o (-2.5 V)
VO = -5 V
IO < 100 mA
OUT
GND
Vrmin = 2 o 2.5 V
VO = 5 V
IO < 100 mA
LM79XX
_
Vr
Vi
IN
VO
IO
_
Vr
7905
OUT
GND
VO
IO
20
Reguladores lineales integrados de tensión variable
LM317: Regulador variable
IO
Vi
LM317
+
_ VREF
IADJ
VO: 1.2 - 37 V
IADJ < 0.1 mA
VREF = 1.25 V
IO < 1.5 A
VO
R1
R2
⎛ R2
VO = VREF ⎜⎜1+
⎝ R1
⎞
⎟⎟ + I ADJ ⋅ R 2
⎠
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3. Circuitos recortadores y circuitos fijadores de nivel
Los circuitos recortadores, también denominados limitadores de amplitud, se
utilizan para eliminar la parte de la señal que se encuentra por encima, o
por debajo, de un cierto nivel de referencia.
Circuitos recortadores. a) Con diodos y fuentes de tensión. b) Con diodos zener. c) Forma de onda
de salida. Para el circuito a)
Para el circuito b)
Ejemplo 6.9/ 169
5. El diodo como elemento de protección
La máxima tensión que se puede aplicar a la entrada de muchos CI está limitada a unos
pocos voltios. Por tanto, hay que limitar la tensión máxima en la entrada del circuito.
Una forma de conseguirlo es colocando en su entrada un recortador de tensión
5. El diodo como elemento de protección
Otra aplicación del diodo como elemento de protección es frecuente en
circuitos con cargas inductivas
Si no existiera el diodo, al abrirse el interruptor
se generaría una tensión muy elevada y
negativa en bornes de la bobina, puesto que:
El diodo como elemento de protección
en circuitos inductivos
que provocaría un arco voltaico entre los
terminales del interruptor para mantener la
corriente a través de ella. La repetición de esta
chispa acabaría dañando el interruptor.
El diodo se conecta para proteger al interruptor.
Aplicaciones del diodo Zener
1.
Estabilizador de tensión con diodos Zener
Estabilizador de tensión con diodo zener
Se toma la salida entre terminales del zener, y se diseña el circuito para que este diodo
siempre opere en la región de ruptura. Los cambios en la carga o en el generador
provocarán variaciones en la corriente por el diodo pero siempre dentro de la región de
ruptura.
Como en la región de ruptura la característica es casi vertical,
aunque haya grandes variaciones en la corriente, la variación
de tensión en terminales del zener será pequeña.
Ejemplo 6.13/181