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
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.
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).
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.
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.
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