Download Informe sobre Física Cuántica

2009
Universidad Abierta
Interamericana
Electromagnetismo en
Estado Sólido II
Sede Centro – TM 5° A
Pattarone Natalia y
Gimenez Rocío
[INFORME SOBRE DIODOS]
Informe introductorio acerca de los diodos, los tipos que existen y los circuitos rectificadores de
media onda y onda completa.
Introducción
Un diodo es un dispositivo conformado por la unión de
dos semiconductores, uno
p y otro n, llamada unión pn. Es un dispositivo
electrónico no lineal.
Un diodo ideal es aquel que permite el flujo de corriente
en directa y lo impide en inversa. El símbolo eléctrico de
un diodo es el que se esquematiza en la figura a. Y la
curva característica de corriente-tensión del mismo se
muestra en la figura b.
En cambio, en un diodo real la diferencia de potencial
(umbral) es no nula y depende del material
semiconductor del diodo. A temperatura ambiente, en
los diodos
de
Figura a: Símbolo del diodo
germanio
el umbral es
aproximadamente 0, 3V mientras que en los diodos
de silicio es aproximadamente 0, 7V. Una curva
característica de un diodo real se muestra en la
figura c. En esta, una pequeña corriente circula en
polarización inversa. Esta corriente es denominada
corriente de fuga y es causada por las impurezas
(no buscadas) en el material. También puede
notarse una región, a la que se denomina tensión de
ruptura, que corresponde a la tensión
Figura b: Curva Característica
de un diodo ideal
Máxima con la que se puede
polarizar en inversa el diodo. Este
valor de tensión por lo general es del
orden de los 50V.
Figura c: Curva Característica
de un diodo real
2
Tipos de diodos
DIODOS RECTIFICADORES: Los diodos rectificadores son los que en principio
conocemos, estos facilitan el paso de la corriente continua en un sólo sentido (polarización directa), en
otras palabras, si hacemos circular corriente alterna a través de un diodo rectificador esta solo lo hará
en la mitad de los semiciclos, aquellos que polaricen directamente el diodo, por lo que a la salida del
mismo obtenemos una señal de tipo pulsatoria pero continua. Se conoce por señal o tensión continua
aquella que no varía su polaridad.
DIODOS DE TRATAMIENTO DE SEÑAL (RF): Los diodos de tratamiento de señal necesitan algo más
de calidad de fabricación que los rectificadores. Estos diodos están destinados a formar parte de etapas
moduladoras, demoduladoras, mezcla y limitación de señales, etc.
Uno de los puntos más críticos en el diodo, al momento de trabajar con media y alta frecuencia, se
encuentra en la "capacidad de unión", misma que se debe a que en la zona de la Unión PN se forman dos
capas de carga de sentido opuesto que conforman una capacidad real.
En los diodos de RF (radio frecuencia) se intenta que dicha capacidad sea reducida a su mínima
expresión, lo cual ayudará a que el diodo conserve todas sus habilidades rectificadoras, incluso cuando
trabaje en altas frecuencias.
Entre los diodos más preparados para lidiar con las altas frecuencias destaca el diodo denominado
Schottky. Este diodo fue desarrollado a principio de los sesenta por la firma Hewletty, deriva de los
diodos de punta de contacto y de los de unión PN de los que han heredado el procedimiento de
fabricación.
DIODOS DE CAPACIDAD VARIABLE ( VARICAP ): La capacidad formada en los
extremos de la unión PN puede resultar de gran utilidad cuando, al contrario de lo que ocurre con los
diodos de RF, se busca precisamente utilizar dicha capacidad en provecho del circuito en el cual se está
utilizando el diodo. Al polarizar un diodo de forma directa se observa que, además de las zonas
constitutivas de la capacidad buscada, aparece en paralelo con ellas una resistencia de muy bajo valor
óhmico, lo que conforma un capacitor de elevadas pérdidas. Sin embargo, si polarizamos el mismo en
sentido inverso la resistencia en paralelo que aparece es de un valor muy alto, lo cual
hace que el diodo se pueda comportar como un capacitor con muy bajas pérdidas.
Si aumentamos la tensión de polarización inversa las capas de carga del diodo se esparcirían lo
suficiente para que el efecto se asemeje a una disminución de la capacidad del hipotético capacitor (el
mismo efecto producido al distanciar las placas del un capacitor estándar).
Por esta razón podemos terminar diciendo que los diodos de capacidad variable, más conocidos como
varicap's, varían su capacidad interna al ser alterado el valor de la tensión que los polariza de forma
inversa.
La utilización más solicitada para este tipo de diodos suele ser la de sustituir a complejos sistemas
mecánicos de capacitor variable en etapas de sintonía en todo tipo de equipos de emisión y recepción.
3
DIODO ZENER: Cuando se estudian los diodos se recalca sobre la
diferencia que existe en la gráfica con respecto a la corriente directa e inversa.
Si polarizamos inversamente un diodo estándar y aumentamos la tensión llega
un momento en que se origina un fuerte paso de corriente que lleva al diodo a
su destrucción. Este punto se da por la tensión de ruptura del diodo.
Se puede conseguir controlar este fenómeno y aprovecharlo, de tal
manera que no se origine la destrucción del diodo. Lo que tenemos que hacer
el que este fenómeno se dé dentro de márgenes que se puedan controlar.
El diodo zener es capaz de trabajar en la región en la que se da el efecto del
mismo nombre cuando las condiciones de polarización así lo determinen y
volver a comportarse como un diodo estándar toda vez que la polarización
retorne a su zona de trabajo normal. En resumen, el diodo zener se comporta
como un diodo normal, a no ser que alcance la tensión zener para la que ha sido
fabricado, momento en que dejará pasar a través de él una cantidad
determinada de corriente.
Este efecto se produce en todo tipo de circuitos reguladores, limitadores y
recortadores de tensión.
FOTODIODOS: Algo que se ha utilizado en favor de la técnica electrónica moderna
es la influencia de la energía luminosa en la ruptura de los enlaces de electrones situados en el seno
constitutivo de un diodo. Los fotodiodos no son diodos en los cuales se ha optimizado el proceso de
componentes y forma de fabricación de modo que la influencia luminosa sobre su conducción sea la
máxima posible. Esto se obtiene, por ejemplo, con fotodiodos de silicio en el ámbito de la luz
incandescente y con fotodiodos de germanio en zonas de influencia de luz infrarroja.
DIODOS LED (LUMINISCENTES): Este tipo de diodos es muy popular, sino, veamos
cualquier equipo electrónico y veremos por lo menos 1 ó más diodos led. Podemos encontrarlos en
diferentes formas, tamaños y colores diferentes. La forma de operar de un led se basa en la
recombinación de portadores mayoritarios en la capa de barrera cuando se polariza una unión Pn en
sentido directo. En cada recombinación de un electrón con un hueco se libera cierta
energía. Esta energía, en el caso de determinados semiconductores, se irradia en forma de luz, en otros
se hace de forma térmica.
Dichas radiaciones son básicamente monocromáticas (sin color). Por un método de "dopado" del
material semiconductor se puede afectar la energía de radiación del diodo.
El nombre de LED se debe a su abreviatura en ingles (Light Emmiting Diode)
4
Además de los diodos led existen otros diodos con diferente emisión, como la infrarroja, y que
responden a la denominación IRED (Diodo emisor de infra-rojos).
Circuito rectificador de media onda
Para comprender mejor como funciona un circuito rectificador, se analizara primero el circuito de la
figura d. Si en vez de observar la curva
característica analizamos la caída de tensión
sobre la resistencia en función del tiempo, se
obtiene un gráfico como el que se muestra en
la figura d.
5
En este gráfico es posible observar que en el
semiciclo positivo (polarización directa) la
tensión sobre la resistencia sigue a la señal de
la fuente, mientras que en el semiciclo negativo
(polarización inversa) la tensión sobre la
resistencia es nula, se recorta la señal debido a
que el diodo no permite el flujo de corriente.
Si a este circuito básico le agregamos un
capacitor (C) y una resistencia de carga (Rc)
Circuito de dos diodos en serie
como se
muestra
en la
figura e, se puede obtener un circuito transformador de
señal alterna en señal continua. La idea básica del
funcionamiento de este circuito es la siguiente: cuando la
señal corresponde al semiciclo positivo de la tensión de la
fuente, alimenta la resistencia de carga y además se carga
el capacitor. En el semiciclo negativo, el diodo no permite
Figura d: Comparación temporal de tensión de
la fuente y resistencia
el flujo de corriente y por
consiguiente la resistencia es
alimentada por el capacitor que
Figura e: Circuito rectificador de media onda
comienza su ciclo de descarga hasta
que el semiciclo positivo vuelve.
En principio la transformación de tensión
alterna en continua dependerá fuertemente
de la elección de los valores del capacitor y las resistencias del circuito. En un circuito RC el tiempo
característico de carga y descarga está dado por el producto RC.
En este caso, el proceso de carga depende de la resistencia limitadora (R), mientras que el proceso de
descarga depende de la resistencia de carga (Rc).
En la figura f, se observa un detalle curioso, la señal continua no está rectificada al mayor valor de
tensión de la señal alterna. Esto se debió a una elección incorrecta de valores de resistencias. Los
valores elegidos eran por un lado iguales y por otro sumamente grandes.
En la figura g, se muestran la tensión de la
fuente y sobre el capacitor. Allí se observa que
Figura f: Circuito rectificador de media onda
la carga comienza cuando la tensión de la
fuente excede a la tensión sobre el capacitor
con mejores valores de resistencias y capacitor
en un valor igual a la tensión umbral del
diodo, es decir, el diodo comienza a permitir el flujo de corriente, La carga finaliza cuando la tensión de
la fuente comienza su camino decreciente, quedando su diferencia con la tensión sobre el capacitor por
debajo de la tensión umbral del diodo.
Figura g: Intervalo temporal en el que se
desarrolla la carga del capacitor
6
Circuito rectificador de onda completa
El Puente rectificador de Onda Completa
(como se puede observar en la figura
h) consiste en 4 diodos colocados de
manera tal que cuando la fuente esta
su semiciclo positivo la corriente fluye
por los diodos 1 y 2, mientras que
cuando la fuente esta en inversa lo
hace por los diodos 3 y 4.
Figura h: Puente rectificador de onda
completa
En la figura i, se observa que se
obtienen semiciclos positivos de
tensión sobre la resistencia tanto
cuando la fuente está en su semiciclos
positivo o negativo. En el recuadro de
detalle de la figura es posible observar
que la base de estos semiciclos es
aproximadamente una constante. Esto
es debido a que los dos diodos conducen
corriente cuando la tensión de la fuente
supera la tensión umbral en serie de estos,
que es aproximadamente 1,5V.
Si a este circuito, de la misma manera que se hizo con anterioridad, se le conecta un capacitor y una
resistencia de carga, se puede transformar un señal alterna en una continua como se muestra en la
figura j.
Figura i: Tensión sobre la resistencia en el
puente rectificador de onda completa, pero sin
capacitor ni resistencia
7
8
Figura j: Salida continua del puente rectificador de onda
completa sobre la resistencia de carga
Bibliografía
http://www.astrocosmo.cl/h-foton/h-foton-06_03.htm
http://www.cienciapopular.com/n/Ciencia/Fisica_Cuantica/Fisica_Cuantica.php
http://es.wikipedia.org/wiki/Mec%C3%A1nica_cu%C3%A1ntica
http://geocities.com/fisica_que/Por_Que.html
http://es.wikipedia.org/wiki/Ecuaci%C3%B3n_de_Schr%C3%B6dinger
9