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Electrónica- Análisis de circuitos con diodos semiconductores

Enviado por wlozano



Indice
1. Teoría de semiconductores
2. Diodos semiconductores
3. Física de los diodos en estado sólido
4. Rectificación
5. Demodulación
6. Diseño de una fuente de poder usando un circuito integrado
7. Tipos alternos de diodos

1. Teoría de semiconductores

Los electrones de la capa más externa se conocen como electrones de valencia. Cuando elementos muy puros, como el silicio y el germanio, se enfrían desde el estado líquido, sus átomos se colocan en patrones ordenados que se llaman
cristales. Los electrones de valencia determinan la forma característica o estructura reticular del cristal resultante.
Los átomos de silicio y germanio tienen cuatro electrones de valencia cada uno. Aunque los electrones de valencia son retenidos con fuerza en la estructura cristalina, pueden romper sus enlaces y, por tanto, moverse en forma de conducción. Esto sucede si se proporciona suficiente energía externa (por ejemplo, en forma de luz o calor). Debido a la interacción entre átomos en un cristal, es posible que los electrones de valencia posean niveles de fuente de energía dentro de un intervalo de valores. Así como existe un intervalo o banda de fuente de energías para los electrones de valencia, hay otro intervalo de valores de fuente de energía para los electrones libres, es decir, aquellos que rompen el enlace y forman un canal de conducción.

Conducción en los materiales.
En la figura 1.2 se presentan tres diagramas de niveles de fuente de energía. En la figura 1.2 (a) las bandas de fuente de energía se encuentran muy separadas. La región sin sombrear representa una banda prohibida de niveles de fuente de energía en el cual no se encuentran electrones. Cuando esta banda es relativamente grande, como se muestra en la figura, el resultado es un aislante.
Si la banda es más o menos pequeña (del orden de un electrón volt (eV), la cantidad de energía cinética que aumenta un electrón cuando cae a través de un potencial de 1 V o 1.6 x 10 –19 J), el resultado es un semiconductor.
La fuente de energía necesaria para romper un enlace covalente es función del espaciamiento atómico en el cristal. Cuanto más pequeño sea el átomo, más pequeño será el espaciamiento y mayor la fuente de energía necesaria para romper los enlaces covalentes. El conductor, o metal, se tiene cuando las bandas se traslapan, como se muestra en de la figura 1.2 (c). El conductor permite que se muevan las cargas eléctricas cuando existe una diferencia de potencial a través del material. En un conductor, no existen barrera alguna entre la fuente de energía de electrón de valencia y la del electrón de conducción. Esto significa que un electrón de valencia particular no está asociado fuertemente a su propio núcleo. Por tanto, es libre de moverse a través de la estructura. Este movimiento de electrones, generalmente como respuesta a la aplicación de un potencial, es la conducción.

Figura 1.2

Conducción en materiales semiconductores
En los átomos de silicio y germanio, los electrones se mantienen juntos con suficiente fuerza. Los electrones interiores se encuentran a gran profundidad dentro del átomo, mientras que los electrones de valencia son parte del enlace covalente: no pueden desprenderse sin recibir una considerable cantidad de energía. En calor y otras fuentes de energía provocan que los electrones en la banda de valencia rompan sus enlaces covalentes y se conviertan en electrones libres en la banda de conducción. Por cada electrón que deja la banda de valencia, se forma un " hueco ". Un electrón cercano a la banda de valencia puede moverse y llenar el hueco, creando otro, prácticamente sin intercambio de energía. La conducción provocada por los electrones en la banda de conducción es diferente de la conducción debida a los huecos dejados en la banda de valencia. En semiconductores puros, existen tantos huecos como electrones libres.

La fuente de energía térmica interna aumenta la actividad de los electrones; por tanto, saca a los electrones de valencia de la influencia del enlace covalente y los dirige hacia la banda de conducción. De esta forma, existe un número limitado de electrones en la banda de conducción bajo la influencia del campo eléctrico aplicado; estos electrones se mueven en una dirección y establecen una corriente, como se muestra en la figura 1.5. El movimiento de huecos es opuesto al de los electrones y se conoce como corriente de huecos. Los huecos actúan como si fueran partículas positivas y contribuyen a la corriente total. Los dos métodos mediante los cuales se pueden mover los electrones y huecos a través de un cristal de silicio son la difusión y el desplazamiento.

Figura 1.5

Materiales semiconductores
El átomo de germanio tiene lleno un anillo exterior más que el átomo de silicio. Este anillo exterior en el germanio se encuentra a una distancia mayor del núcleo que el anillo exterior en el silicio. Por tanto, en el átomo de germanio se necesita una fuente de energía menor para elevar electrones de la banda de exterior a la banda de conducción. El germanio tiene una barrera de la fuente de energía más pequeña para separar sus bandas de valencia y de conducción, por lo que se requiere una menor cantidad de energía para cruzar las barreras entre bandas.

Semiconductores contaminados
La conductividad de un semiconductor se puede aumentar en forma considerable cuando se introducen cantidades pequeñas de impurezas específicas en el cristal. Este procedimiento se llaman contaminación. Si la sustancias contaminantes tienen electrones libres extra, se conoce como donador, y el semiconductor contaminado es de tipo n. Los portadores mayoritarios son electrones y los portadores minoritarios son huecos, pues existen más electrones que huecos. Si la sustancia contaminante tiene huecos extra, se conoce como aceptor o receptor, y el semiconductor contaminado es de tipo p. Los portadores mayoritarios son huecos y los minoritarios son electrones. Los materiales contaminados se conocen como semiconductores extrínsecos, mientras que las sustancias puras son materiales intrínsecos. La densidad de electrones se denota por n y la densidad de huecos por p. Se puede demostrar que el producto, np, es una constante para un material dado a una temperatura dada. La densidad intrínseca de portadores, que se denota con ni, esta dada por la raíz cuadrada de este producto. Entonces,
ni2 = np
Como estas concentraciones están provocadas por ionización térmica, ni depende de la temperatura del cristal. Se concluyen entonces que n o p, o ambos, tienen que ser función de la temperatura. La concentración de huecos minoritarios es función de la temperatura en el material contaminado de tipo n y la densidad de electrones mayoritarios es independiente de la temperatura. En forma similar, la concentración de electrones minoritarios es función de la temperatura en los materiales de tipo p, mientras que la densidad de huecos mayoritarios es independiente de la temperatura. La resistencia de un semiconductor se conoce como resistencia de bloque. Un semiconductor ligeramente contaminado tiene una alta resistencia de bloque.

2. Diodos semiconductores

El diodo ideal es un dispositivo lineal con características de corriente contra tensión, como la mostrada en la figura 1.9(b). Esta característica se conoce como lineal a segmentos, ya que la curva se construye con segmentos de rectas, si se intenta colocar una tensión positiva (o directa) a través del diodo, no se tienen éxito y la tensión se limita a cero. La pendiente de la curva está infinita. Por tanto, bajo esta condición la resistencia es cero y el diodo se comporta como un cortocircuito. Si se colocan una tensión negativa (o inversa) a través del diodo, la corriente es cero y la pendiente de la curva también es cero. Por tanto, del diodo se comporta ahora como una resistencia infinita, o circuito abierto.

Figura 1.9

Construcción del diodo
En la figura 1.10 se muestra un material de tipo p y otro de tipo n colocados juntos para formar una unión. Esto representa un modelo simplificado de construcción del diodo. El modelo ignora los cambios graduales en la concentración de impurezas en el material. Los diodos prácticos se construyen como una sola pieza de material semiconductor, en la que un lado se contamina con material de tipo de y el otro con material de tipo n.
Los materiales más comunes utilizados en la construcción de diodos son tres; germanio, silicio y arsenurio de galio. En general, en silicio ha reemplazado al germanio en los diodos debido a su mayor barrera de energía que permiten la operación a temperaturas más altas, y los costos de material son mucho menores. El arsenurio de galio es particularmente útil en aplicaciones de alta frecuencia y microondas. La distancia precisa en el que se produce el cambio de material de tipo p a tipo n en el cristal varía con la técnica de fabricación. La característica esencial de la unión pn es que el cambio en la concentración de impurezas se debe producir en una distancia relativamente corta. De otra manera, la unión no se comporta como un diodo. C abran una región desértica en la vecindad de la unión, como se muestra en la figura 1.11 (a). Este fenómeno se debe a la combinacón de huecos y electrones donde se unen los materiales. La región desértica tendrá muy pocos portadores.
Sin embargo, los dos componentes de la corriente constituida por el movimiento de huecos y electrones a través de la unión se suman para formar la corriente de difusión, ID. La dirección de esta corriente es del lado p al lado n. Además de la corriente de difusión existe otra corriente debido al desplazamiento de portadores minoritarios a través de la unión, y se conoce como IS.
Si ahora se aplica un potencial positivo al material p en relación con el material n, como se muestra en la figura 1.11 (b), se dice que el diodo está polarizado en directo, por otra parte, si la tensión se aplican como en la figura 1.11 (c), el diodo se polariza en inverso.

Figuras 1.10 y 1.11

Operación se del diodo
El la figura 1.12 se ilustran las características de operación de un diodo práctico. Esta curva difiere de la característica ideal de la figura 1.9 (b) en los siguientes puntos: conforme la tensión en directo aumenta más allá de cero, la corriente no fluye de inmediato. Es necesaria una tensión mínima, denotada por V¦ , para obtener una corriente significativa. Conforme la tensión tiende a exceder V¦ la corriente aumenta con rapidez. La pendiente de la curva característica es grande pero no infinita, como en el caso del diodo ideal. La tensión mínima necesaria para obtener una corriente significativa, V¦ , es aproximadamente 0.7 V para semiconductores de silicio (a temperatura ambiente) y 0.2 V para semiconductores de germanio. La diferencia de tensión para el silicio y el germanio radica en la estructura atómica de los materiales. Para diodos de arsenurio de galio, V¦ es más o menos 1.2 V.
Cuando el diodo está polarizado el inverso, existe una pequeña corriente de fuga, está corriente se producen siempre que la tensión sea inferior a la requerida para romper la unión. El daño al diodo normal en ruptura se debe a la avalancha de electrones, que fluyen a través de la unión con poco incremento en la tensión. La corriente muy grande puede destruir el diodo si se genera excesivo calor. Esta ruptura a menudo se conoce como la tensión de ruptura del diodo (VBR).

Figura 1.12

Modelos de circuito equivalentes del diodo
El circuito mostrado en la figura 1.13 (a) representa un modelo simplificado del diodo de silicio bajo condiciones de operación en cd tanto en directo como en inverso. El resistor Rr representa la resistencia en polarización inversa del diodo y, por lo general, es del orden de megahoms (MW ). El resistor Rf representa la resistencia de bloque y contacto del diodo, y suele ser menor que 50W . Cuando se encuentra polarizado en directo, el diodo ideal es un cortocircuito, o resistencia cero. La resistencia de circuito del diodo practicó modelado en la figura 1.13 (a) es
Rr ê ê Rf » Rf
Bajo condiciones de polarización en inverso, el diodo ideal tiene resistencia infinita (circuito abierto), y la resistencia de circuito del modelo práctico es Rr. Los modelos de circuito en ca son más complejos debido a que la operación del diodo depende de la frecuencia.

3. Física de los diodos en estado sólido

Distribución de carga
Cuando existen materiales de tipo p y de tipo n juntos en un cristal, se producen una redistribución de carga. Algunos de los electrones libres del material n migran a través de la unión y se combinan con huecos libres en el material p. De la misma forma, algunos de los huecos libres de material p se mueven a través de la unión y se combinan con electrones libres en el material n. Como resultado de esta redistribución de carga, el material p adquiere la carga negativa neta y el material n obtiene una carga positiva neta. Estas cargas crean un campo eléctrico y una diferencia de potencial entre los dos tipos de material que inhibe cualquier otro movimiento de carga. El resultado es una reducción en el número de portadores de corriente cerca de la unión. Esto sucede en un área conocida como región desértica. Estampó eléctrico resultante proporciona una barrera de potencial, o colina, en una dirección que inhibe la migración de portadores a través de la unión.

Relación entre la corriente y la tensión en un diodo
Existe una relación exponencial entre la corriente del diodo y en potencial aplicado. La relación se describe por medio de la ecuación (1.1).

Los términos de la ecuación (1.1) se definen como sigue:
ID = corriente en el diodo
vD = diferencia de potencial a través del diodo
I0 = corriente de fuga
q = carga del electrón: 1.6 x 10-19 coulombs
k = constante de Boltzman 1.38 x 10-23 J/° k
T = temperatura absoluta en grados kelvin
n = constante empírica entre 1 y 2

La ecuación (1.1) se puede simplificar definiendo

Esto da

(1.2)

Si se opera a temperatura ambiente (25° c) y solo en la región de polarización en directo, entonces predomina el primer termino en el parentesis y la corriente está dada aproximadamente por

(1.3)

La corriente desaturación inversa, I0, es función de la pureza del material, de la combinación y de la geometría del diodo. La constante empírica, n, es un número propiedad de la construcción del diodo y puede variar de acuerdo con los niveles de trensión y de corriente.
Aunque las curvas para la región en directo mostrados en la figura 1.15 recuerdan una línea recta, se sabe que la línea no es recta, ya que sigue una relación exponencial, esto significa que la pendiente de la línea se modifica conforme cambia iD. Se puede diferenciar la expresión de la ecuación (1.) para encontrar la pendiente en cualquier iD dada:

(1.4)

Figura 1.15

Aunque se sabe que rd cambia cuando cambian iD, se puede suponer fija para un intervalo de operación específico.
Efectos de la temperatura
La temperatura tiene un papel importante en la determinación de las características operacionales de los diodos. Conforme aumenta la temperatura, disminuye la tensión de encendido Vg . Por otra parte, un descenso en la temperatura provoca un incremento en Vg . Esto se ilustra en la figura 1.16. Aquí Vg varia linealmente con la temperatura de acuerdo con la siguiente ecuación (se supone que la corriente del diodo, iD, se mantiene constante):

donde:

T0 = temperatura ambiente
T1 = temperatura del diodo
Vg (T0) = tension del diodo a temperatura ambiente
Vg (T1) = tension del diodo a la nueva temperatura
k = coeficiente de temperatura en V/° c

Figura 1.16

Líneas de carga del diodo
Como El diodo es un dispositivo no lineal, se deben modificar las técnicas estándar de análisis de circuitos. No se pueden escribir ecuaciones simples y resolver para las variables, ya que las ecuaciones sólo son válidas dentro de una región particular de operación. En la figura 1. Resienten (a) se ilustra un circuito con un todo, un capacitor, una fuente y dos resistor se. Si se denomina a la corriente y a la tensión del diodo como las dos incógnitas del circuito, se necesitan dos ecuaciones independientes que incluyan estas dos incógnitas para encontrar una solución emitan para el punto de operación. Una vez las ecuaciones es la restricción proporcionada por los elementos conectados al diodo pronto la segunda es la relación real entre corriente y tensión para el diodo. Estas dos ecuaciones se deben resolver simultáneamente para determinar la tensión y la corriente en el diodo. Esta solución simultánea se puede llevar a cabo en forma gráfica.
Si en primer lugar se toma la condición de cd, la fuente de tensión se vuelve simplemente Vs, y el capacitor es un circuito abierto (es decir, la impedancia del capacitor es infinita a frecuencia cero). Por tanto, la ecuación del caso se puede escribir como

(1.6)

Ésta es la primera de dos ecuaciones que incluyen la corriente y la tensión del diodo. Es necesario combinarla con la característica del diodo y resolver para el punto de operación. La gráfica de esta ecuación se muestra en la figura 1.17 (b) y se etiqueta como " línea de carga en cd ". La gráfica de la característica del diodo también se muestra en el mismo conjunto de ejes. La intersección de las dos gráficas da la solución simultánea de las ecuaciones y se etiqueta como ". Q " en la figura. Este es el punto en el cual opera el circuito con las entradas variables iguales a cero. La Q (quiescent) denota condición de reposo.
Si ahora se aplica una señal en el tiempo además de la entrada de sede, cambia una de las dos ecuaciones simultáneas. Si se supone que la entrada variable es de una frecuencia suficientemente alta como para permitir la aproximación del capacitor como un cortocircuito, la nueva ecuación está dada por (1.7):
Figura 1.17

(1.7)

De los muchos parámetros, sólo se han considerado los componentes variables en el tiempo. Entonces, en valor total de los parámetros está dado por

y la ecuación (1.7) se vuelve

Esta última ecuación se etiqueta como " línea de carga en ca " en la figura 1.17 (b). La línea de carga en ca debe pasar a través del punto Q, ya que en los momentos en que la parte variable se hace cero, las dos condiciones de operación (cd y ca) deben coincidir. Por tanto, la línea de carga en ca se determina de manera única.

Capacidad de manejo de potencia
Los diodos se clasifican de acuerdo con su capacidad de manejo de corriente. Las características se determinan por la construcción física del diodo (por ejemplo, el tamaño de la unión, el tipo de empaque y el tamaño del diodo). Las especificaciones del fabricante se utilizan para determinar la capacidad de potencia de un diodo para ciertos intervalos de temperatura. Algunos diodos, como los de potencia, se clasifican por su capacidad de paso de corriente.
La potencia instantánea disipada por un diodo se define por medio de la expresión de la ecuación (1.8):

Capacitancia del diodo
El circuito equivalente del diodo incluyen un pequeño capacitor. El tamaño de este capacitor depende de la magnitud y moralidad de la tensión aplicaba al diodo. Así como de las características de la unión formada durante la fabricación.
En diodo polarizado en inverso actúa como un capacitor cuya capacitancia varia en razón inversa a la raíz cuadrada de la tensión a claves del material semiconductor. La capacitancia equivalente para diodos de alta velocidad es inferior a 5 pF. Está capacitancia puede llegar a ser tan grande como 500 pF en diodos de alta corriente (baja velocidad).

4. Rectificación

Rectificación de media onda
Como el diodo ideal puede mantener el flujo de corriente en una sola dirección, se puede utilizar para cambiar una señal de ca en una de cd.
En la figura 1.20 se ilustra un circuito rectificador de media onda simple. Cuando la tensión de entrada es positiva, el diodo se polariza en directo y se puede reemplazar por un cortocircuito (suponiendo que sea ideal). Si la tensión de entrada es negativa, el diodo se polariza en inverso y se puede reemplazar por un circuito abierto (siempre que la tensión no sea muy negativa como para romper la unión). Por otra parte, cuando el diodo se polariza en directo, la tensión de salida a través del resistor de carga se puede encontrar a partir de la relación de un divisor de tensión. Por otra parte, en condición de polarización inversa, la corriente es cero, de manera que la tensión de salida también es cero.

Rectificación de onda completa .
Un rectificador de onda completa transfiere energía de la entrada a la salida durante todo el ciclo y proporciona mayor corriente promedio por cada ciclo en relación con la que se obtiene utilizando un rectificador de media onda. Por lo general, al construir un rectificador de onda completa se utiliza un transformador con el fin de obtener polaridades positivas y negativas. En la figura 1.21 se muestran un circuito representativo y la curva de la tensión de salida.
El promedio de una función periódica se define como la integral de la función sobre el periodo dividida por el periodo. Es igual al primer término del desarrollo de la función en series de Fourier. El rectificador de onda completa produce el doble de corriente promedio en relación con el rectificador de media onda. El puente rectificador de la figura 1.22 realiza la rectificación de onda completa. Cuando la fuente de tensión es positiva, los diodos 1 y 4 conducen y los diodos 2 y 3 son circuitos abiertos. Cuando la fuente de tensión se vuelve negativa, se invierte la situación y los diodos 2 y 3 conducen. Esto se indica en la figura 1.23.

Filtrado
Los circuitos rectificadores de la sección anterior proporcionan una tensión en cd pulsante en la tensión de salida. Estas pulsaciones conocidas como rizo de salida se pueden reducir considerablemente filtrando la tensión de salida del rectificador. El tipo de filtro más común emplea un solo capacitor.

5. Demodulación

La modulación en amplitud (AM) es un método para trasladar una señal de baja frecuencia a una frecuencia superior para su transmisión a través de un canal. La forma de onda de AM se caracteriza por la siguiente ecuación:

Figura 1.27

La demodulación, también conocida como detección, es el proceso de comenzar con la forma de onda modulada de la figura 1.27 (a) y procesarla de manera que se obtenga la señal de audio, o la envolvente de la gráfica. Este proceso no es muy diferente del de rectificación, excepto porque en el caso de la rectificación la señal con la que se empieza es una sinusoide de amplitud constante. Esto es, la rectificación se puede considerar un caso especial de la demodulación, donde f(t) es Luna constante. Si se construye un rectificador pero se permite que la salida varíe con tanta rapidez como varia f(t) se abra construido un de moderador.
El circuito de la figura 1.27 (b) realiza la rectificación de media onda sobre la entrada y produce la señal de salida, como se muestra. Si ahora se coloca un capacitor en paralelo con el resistor, el efecto es proporcionar un decaimiento exponencial entre pulsos, como se hizo en la figura 1.25, que muestra la salida de un filtro rectificador. Por tanto, con una adecuada elección de parámetros, la salida del circuito de la figura 1.27(c) es aproximadamente igual a la señal de audio.
La constante de tiempo del circuito (el producto de la resistencia y la capacitancia) se debe elegir con cuidado para no distorsionada la señal modulante (audio).

Diodos zener
El diodo zener es un dispositivo donde la contaminación se realiza de tal forma que la tensión característica de ruptura o avalancha, Vz, es muy pronunciada. Si La tensión en inverso excede la tensión de ruptura, el diodo normalmente no se destruye. Esto siempre que la corriente no exceda un máximo predeterminado y el dispositivo no se sobrecaliente. Existe un segundo mecanismo por el cual se rompen los enlaces covalentes. La utilización de un campo eléctrico bastante fuerte en la unión puede provocar la ruptura directa del enlace. Si el campo eléctrico ejerce una fuerza intensa en un electrón de enlace, el electrón se extrae del enlace covalente provocando la multiplicación de pares electrón-hueco. Este mecanismo de ruptura se llama ruptura zener. El valor de la tensión inversa al cual se produce este fenómeno se controla con la cantidad de contaminante en el diodo. Un diodo fuertemente contaminada tiene baja tensión de ruptura zener, mientras que un diodo poco contaminado tiene una tensión de ruptura zener elevada.
La característica de un diodo zener típico se muestra en la figura 1.28. El símbolo de circuito para el diodo zener es diferente del de un diodo regular y se ilustra en la figura 1.28.

Regulador zener
Se puede utilizar un diodo zener como regulador de tensión en la configuración mostrada en la figura 1.29. En la figura se ilustra una carga cuya resistencia puede variar sobre un intervalo particular. Esté circuito se diseña de tal forma que el diodo opere en la región de ruptura, aproximándose así a una fuente ideal de tensión. La tensión de salida permanece relativamente constante aún cuando la tensión de la fuente de entrada varíe sobre un intervalo más o menos amplio. Es importante conocer el intervalo de la tensión de entrada y de la corriente de carga para diseñar este circuito de manera apropiada. La resistencia, Ri, quedé ser tal que el diodo permanezca en el modo de tensión constante sobre el intervalo completo de variables.

Figura 1.28 y 1.29

Para asegurar que el diodo permanezca en la región de tensión constante (ruptura), se examinan los dos extremos de las condiciones de entrada-salida.
La corriente a través del diodo iz es mínima cuando la corriente de carga iL es máxima y la fuente de tensión vs es mínima.
La corriente a través del diodo iz es máxima cuando la corriente de carga iL es mínima y la fuente de tensión vs es máxima.
Cuando estas características de los dos extremos se insertan en la ecuación (euro.12), se encuentra

Condición 1: (1.13a)

Condición 2: (1.13b)

Se igualan (1.13a) y (1.13b) para obtener

(1.13c)

En un problema práctico, es razonable suponer que se conoce el intervalo de tensiones de entrada, el intervalo de corriente de salida en la carga y el valor de tensión zener deseado. La ecuación (1.13) representa por tanto una ecuación en dos incógnitas, las corrientes zener máxima y mínima. Se encuentra la segunda ecuación examinando la figura 1.28. Para evitar la porción no constante de la curva característica, se utiliza la regla práctica de que la máxima corriente zener debe ser al menos diez veces mayor que la mínima; esto es,

Diodos zener prácticos y porcentaje de regulación
En la sección anterior se supuso que el diodo zener era ideal. Esto es, en la región de ruptura por avalancha, el diodo se comporta como fuente de tensión constante. Esta suposición significa que la curva que la figura 1.28 es una línea vertical en la región de ruptura. En la práctica, esta curva no es vertical y la pendiente es provocada por una resistencia en serie. La tensión de ruptura es entonces una función de la corriente en vez de una constante. El diodo zener práctico se modelar como se muestra en la figura 1.32. Este modelo reemplaza al diodo zener con un diodo ideal en serie con una resistencia, Rz.

Figura 1.32

El porcentaje de regulación se define como la excursión de tensión dividida entre el valor de la tensión nominal. A menor porcentaje de regulación, mejor regulador.

6. Diseño de una fuente de poder usando un circuito integrado

Los reguladores se empaquetado como circuitos integrados (CI); como ejemplo, se enfocada la atención sobre la serie MC78XX. Las hojas de especificaciones apropiadas aparecen en el apéndice D, y se deben considerar durante la siguiente exposición. Se pueden obtener varias pensiones diferentes de la serie de CI 7800; éstas son 5, 6, 8, 8.5, 10, 12, 15, 18 y 24 V. Todo lo que se requiere para diseñar un regulador alrededor de uno de estos CI es seleccionar el transformador, los diodos y el filtro. En la figura 1.33 se muestra un circuito característico.
La hoja de especificaciones para este CI indica que debe existir una tierra común entre la entrada y la salida, y que la tensión mínima en la entrada del CI debe estar al menos 2 o 4 V por encima de la salida regulada. Para asegurar esta última condición, es necesario filtrar la salida del rectificador.
Los reguladores de la serie MC7900 son idénticos a los de la serie 7800, con la excepción de que los primeros proporcionan tensiones reguladas de salida negativas en vez de positivos.

Recortadores y fijadores
Recortadores

Los circuitos recortadores se utilizan para eliminar parte de una forma de onda que se encuentra por encima o por debajo de algún nivel de referencia. Los circuitos recortadores se conocen a veces como limitadores, selectores de amplitud o rebanadores. Si se añade una batería en serie con el diodo, un circuito rectificador recortada todo lo que se encuentre por encima o por debajo del valor de la materia, dependiendo de la orientación del diodo.
Para las formas de onda de salida indicadas en la figura 1.34 se supone que los diodos son ideales. Se extiende esta suposición para el circuito de la figura 1.34 (a) mediante la inclusión de dos parámetros adicionales en el modelo del diodo. Primero, se supone se se debe sobrepasar una tensión Vg antes de que el diodo conduzca. Segundo, cuando el diodo conducen, se incluye una resistencia en directo, Rf. El efecto de Vg es hacer que el nivel de recorte sea Vg + VB en vez de VB. El efecto de la resistencia es cambiar la acción recortadora plana a una que sigue a la tensión de entrada en forma proporcional (es decir, en efecto de división de tensión). La salida resultante se calcula como sigue, y se ilustra en la figura 1.35. Para

Para

Los recortes positivo y negativo se pueden realizar simultáneamente. El resultado es un recortador polarizado en paralelo, que se diseña utilizando dos diodos y dos fuentes de tensión orientadas de forma opuesta. Otro tipo de recortador es el polarizado en serie, que se muestra en la figura 1.37. La batería de 1 V en serie con la entrada provoca que la señal de entrada se superponga en una tensión de cd de -1 V en vez de estar simétrica alrededor del eje cero. Suponiendo que este sistema utiliza un diodo ideal, se encuentra que el diodo de la figura 1.37 (a) conduce sólo durante la porción negativa de la señal de entrada condicionada (Es decir, desplazada). Cuando el diodo se encuentra en condición, la salida es cero. Se tiene la salida distinta de cero cuando el diodo no conduce. En la figura 1.37 (b), lo contrario es cierto. Cuando la señal condicionada es positiva, el diodo conduce y existe señal en la salida, pero cuando el diodo está apagado, no hay señal de salida. Aunque la operación de los dos circuitos es diferente, las dos salidas son idénticas.

Fijadores
Una forma de onda de tensión se puede desplazar añadiendo en serie con ella una fuente de tensión independiente, ya sea constante o dependiente del tiempo. La fijación es una operación de desplazamiento, pero la cantidad de este depende de la forma de onda real. En la figura 1.38 se muestra un ejemplo de fijación. La forma de onda de entrada se encuentra desplazaba por una cantidad que lleva el valor pico de la onda desplazaba al valor VB. Por tanto, la cantidad de desplazamiento es la cantidad exacta necesaria para cambiar el máximo original, Vm, al nuevo máximo, VB. La forma de onda se " fija " al valor VB.

Un circuito de fijación está compuesto de una batería (o fuente de cd), un diodo, un capacitor y un resistor. El resistor y el capacitor se eligen de tal forma que la constante de tiempo sea grande. Es deseable que el capacitor se cargue a un valor constante y permanezca en ese valor durante el período de la onda de entrada. Si se cumple esta condición y se supone que la resistencia en directo del diodo es cero, la salida es una reproducción de la entrada con el desplazamiento adecuado.

7. Tipos alternos de diodos

Diodos Schottky
El diodo Schottky se forma tan enlazar un metal, como aluminio o platino, a silicio de tipo n. Se utiliza a menudo en circuitos integrados para aplicaciones de conmutación de alta velocidad. Su símbolo y su construcción se muestran en la figura 1.40. El diodo Schottky tiene una característica de tensión contra corriente similar a la del diodo de unión pn de silicio, excepto porque la tensión en directo, Vg , es 0.3 V en vez de 0.7 V. la capacitancia asociada con el diodo es pequeña.
El diodo Schottky a veces se denomina diodo de barrera, ya que se forma una barrera a través de la unión debido al movimiento de los electrones del semiconductor a la interfaz metálica.

Diodos varactor
Los diodos de unión perenne normales exhiben capacitancia cuando se operan en modo de polarización inversa el diodo varactor se fabrica específicamente para operar en este modo. La capacitancia es una función de la inversa de tensión. Por tanto, el diodo actúa como capacitor variable, donde el valor de la capacitancia es una función de la tensión de entrada.
Un uso común de este diodo es en el oscilador controlado por tensión (VCO).

Diodos túnel (diodo Esaki)
El diodo túnel está más contaminado que el diodo zener, provocando que la zona desértica sea más pequeña. Esto aumenta la velocidad de operación, por lo que el diodo túnel es útil en aplicaciones de alta velocidad. Conforme aumenta la polarización directo, la corriente aumenta con mucha rapidez hasta que se produce la ruptura. Entonces la corriente cae rápidamente. El diodo túnel es útil debido a esta cesión de resistencia negativa. La región de resistencia negativa de un diodo túnel se desarrolla de manera característica en el intervalo de 50 mV a 250 mV.

Diodos emisores de luz y fotodiodos
Ciertos tipos de diodos son capaces de cambiar la fuente de energía eléctrica en fuente de energía lumínica. El diodo emisor de luz (LED, ligth emitting diode) transforma la corriente eléctrica en luz. Es útil para diversas formas de despliegues, y a veces se puede utilizar como fuente de luz para aplicaciones de comunicaciones por fibra óptica.
Un fotodiodo realiza la función inversa al LED. Esto es, transforma la fuente de energía lumínica en corriente eléctrica. Se aplica polarización inversa al fotodiodo y la corriente de saturación inversa se controla por la intensidad de luz que ilumina el diodo. La luz genera pares electrón-hueco, que inducen corriente. El resultado es una " fotocorriente " en el circuito externo, que es proporcional a la intensidad de luz efectiva en el dispositivo. Este se comporta como generador de corriente constante mientras la tensión no exceda la tensión de avalancha.

Diodos PIN
El diodo que tiene la región poco contaminada y casi intrínseca entre las regiones de y n se llama diodo Pinto. El nombre se deriva del material intrínseco entre las capas p y n. Debido a su construcción, el diodo quien tiene baja capacitancia y, por tanto, encuentra aplicación en frecuencias altas. Cuando se polariza en directo, la inyección de portadores minoritarios aumenta la conductividad de la región intrínseca. Cuando se polariza en inverso, la región i se vacía totalmente de portadores y la intensidad del campo a través de la región es constante.

Especificaciones del fabricante
La construcción de un diodo determina la cantidad de corriente que es capaz de manejar, la cantidad de potencia que puede disipar y la tensión inversa pico que puede soportar sin dañarse. A continuación se lista los parámetros principales que se encuentran en la hoja de especificaciones del fabricante de un diodo rectificador:
1. Tipo de dispositivo con el número genérico de los números del fabricante.
2. Tensión inversa pico (PIV).
3. Máxima corriente inversa en PIV.
4. Máxima corriente de cd en directo.
5. Corriente promedio de media onda rectificada en directo.
6. Máxima temperatura de la únion.
7. Curvas de degradación de corriente.
8. Curvas características para cambio en temperatura de tal forma que el dispositivo se pueda estimar para altas temoeraturas.

En el caso de los diodos zener por lo general aparecen los siguientes parámetros en las hojas de especifícaciones.
1. Tipo de dispositivo con el número genérico o con los números del fabricante.
2. Tensión zener nominal (tensión de temperatura por avalancha).
3. Tolerancia de tensión.
4. Máxima disipación de potencia (a 25° c).
5. Corriente de prueba, Izt.
6. Impedancia dinámica a Izt.
7. Corriente de vértice.
8. Máxima temperatura en la unión.
9. Coeficiente de temperatura.
10. Curvas de degradación para altas temperaturas.

 

 

Autor:


Alberto Guillermo Lozano Romero


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