Conceptos de Electrónica. Dispositivos electrónicos y Análisis de circuitos

Prefacio

El presente trabajo en su momento sirvió al autor
como una guía para el estudio de las materias de
análisis de circuitos electrónicos y como
un medio para comprender los conceptos físicos que
subyacen detrás de los elementos de circuito. En
particular se repasan los siguientes elementos de circuito:
diodos, transistores, amplificadores, y algunos circuitos
integrados. Cada tema se presenta desde el punto de vista
conceptual para posteriormente presentar el análisis
matemático de los modelos que los representan.

La información contenida en el presente trabajo,
ha sido resultado del minucioso estudio de diversas fuentes
bibliográficas. En autor ha tenido la oportunidad de
trabajar en la industria cuyo ramo es
diseño/manufactura/ensamble de componentes
electrónicos para la industria
automotriz[1]entre sus funciones estuvieron
el desarrollo de software para los ingenieros de probadores
electrónicos, así como para ingenieros de proceso y
control de cambios. Se hace notar al lector que muchos circuitos
complejos incluyendo los circuitos integrados son la
composición de los elementos básicos de circuito
presentados aquí. Cabe destacar que la finalidad
última de crear dispositivos inteligentes es proveer
confort y seguridad a la sociedad.

** El presente trabajo se distribuye
gratuitamente en pro del conocimiento libre.

Convenciones y
conceptos clave

A lo largo del presente trabajo se emplearan las
siguientes convenciones y generalidades, consúltense a
medida que se citen en el texto.

• Ánodo (+). En un dispositivo
  de dos terminales, se le llama así a la terminal con
  potencial más positivo. En un diodo es la terminal
  P

• Cátodo (-). En un
  dispositivo de dos terminales, se le llama así a la
  terminal con potencial más negativo. En un diodo es la
  terminal N

• En una grafica de
  características de un dispositivo, el eje de
  las abscisas (eje X) será el eje del voltaje,
  mientras que el eje de las ordenadas (eje Y) será el
  eje de corriente. Esta gráfica asocia dos
  variables para dispositivos de dos terminales (diodos); pero
  asocia tres variables para dispositivos de tres terminales
  (transistores), en este caso la gráfica completa se
  compone de un conjunto de curvas características que
  muestran los cambios de (V,I) cuando una tercer variable (por
  ejemplo IB) se mantiene fija.

• Flujo convencional de
  corriente. Tanto en electricidad como en
  electrónica, se ha adoptado el hecho de que la
  corriente eléctrica es producida por el flujo de
  cargas positivas, es decir cuando se conecta una carga
  (impedancia) en las terminales de una fuente de voltaje, las
  cargas positivas se dirigen de la terminal de mayor potencial
  (+) a la terminal de menor potencial (-). Sin embargo la
  naturaleza real de la corriente eléctrica exige que
  los portadores negativos (e-) se dirijan del cátodo
  (-) al ánodo (+).

• Notación de doble
  subíndice. Es una notación abreviada
  que expresa que: Vab = Va – Vb, siendo Va y Vb los voltajes
  en los puntos a y b respecto al punto común
  (generalmente tierra), en una red cualquiera.

• Polarización. En su
  concepción más sencilla se refiere al hecho de
  aplicar una diferencia de potencial en los extremos de un
  dispositivo electrónico por medio de una fuente de
  voltaje que puede ser de cd o ca.

• Región de
  agotamiento. Dentro de un dispositivo
  electrónico semiconductor, es la región (zona)
  que no presenta portadores libres y es, por lo tanto, incapaz
  de soportar la conducción a través de ella.
  Esta región es ensanchada (ampliada) o reducida cuando
  sus extremos se encuentran sometidos a una diferencia de
  potencial.

• Un punto de operación define
  un punto estable Q (o punto de trabajo) mediante la
  intersección de dos gráficas, la gráfica
  de características del dispositivo y la línea
  recta que representa la configuración del circuito,
  obtenida a partir de un análisis del
  circuito.

Introducción a la
electrónica

La electrónica es una disciplina aplicada
derivada de la electricidad y la física que abarca un
amplio rango de actividades relacionadas con la
generación y transmisión de
información por medio de señales
eléctricas. La aplicación de las
técnicas electrónicas da como resultado el
desarrollo de sistemas electrónicos capaces de
manipular señales y generar información. Los
sistemas electrónicos están formados a partir de
circuitos especializados que a su vez están
constituidos por la asociación de elementos físicos
que se denominan dispositivos eléctricos pasivos
(resistencias, condensadores, bobinas) y dispositivos
electrónicos activos (diodos, transistores,
amplificadores, reguladores, decodificadores, microprocesadores,
microcontroladores etc.)

DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS

En principio los dispositivos electrónicos se
conocían como válvulas puesto que se
diseñaban a partir de tubos al vacío
(diodos, triodos, tetrodos, pentodos etc.) Actualmente los
dispositivos se diseñan en estado sólido
(circuitos integrados monolíticos) aprovechando
la relativa facilidad que presentan los materiales
semiconductores para cambiar su capacidad conductiva al ser
sometidos a técnicas especiales de
dopado.

Se le llama circuito discreto a aquel circuito
que se forma a partir de dispositivos básicos
(resistencias, capacitores diodos y transistores) y cuyos
componentes se obtienen por separado y se sueldan entre sí
en una tarjeta de circuito impreso. Se denominan circuitos
integrados a aquellos circuitos (analógicos, digitales
o análogo-digitales) cuya presentación es en forma
de un encapsulado hermético y del cual solo se observan
sus terminales. Existe una gran variedad de CI de todo tipo y los
hay desde los más simples (compuertas, amplificadores
integrados, hasta los más complejos, temporizadores,
microprocesadores, microcontroladores, etc.)

CLASIFICACIÓN DE LOS CIRCUITOS
INTEGRADOS

Un circuito Integrado (CI) se fabrica al unir
dispositivos individuales tales como transistores, diodos,
capacitores y resistencias en un solo chip de silicio, estos
componentes son conectados entre si mediante finos alambres de
aluminio depositados en la superficie del chip, todos estos
componentes se encapsulan en un solo componente dando una
apariencia semejante a la mostrada en la figura 1.1.

TIPOS DE CIRCUITOS INTEGRADOS

De acuerdo al tipo de señal con que operan, los
circuitos integrados se clasifican en CI analógicos y CI
digitales y CI análogo-digitales. Una señal
analógica es cualquier señal cuya forma de onda
es continua, tiene un máximo y un mínimo y no es
quebrada, por ejemplo una señal senoidal. Una
señal digital es una señal discontinua en
forma de pulsos por ejemplo una onda cuadrada.

CI analógicos. También llamados
circuitos lineales, producen, amplifican o
responden a voltajes variables, es decir en este tipo de CI
interesa la magnitud de la señal de entrada como la de
salida. Todos los CI lineales están fabricados a partir de
transistores. Los CI analógicos incluyen amplificadores,
temporizadores, osciladores y reguladores de voltaje.

CI digitales. También denominados
circuitos lógicos responden a, o producen
señales que tienen únicamente dos niveles de
voltaje, nivel alto y nivel bajo. Todos los CI lógicos
están fabricados a partir de compuertas lógicas,
estas compuertas lógicas son circuitos formados a partir
de la combinación de resistencias y diodos o bien
resistencias y transistores. Los CI digitales incluyen
microprocesadores, microcontroladores, memorias etc.

CI análogo-digitales. Combinan en un solo
chip tanto circuitos analógicos como digitales. Ejemplos
de ellos son: comparadores, convertidores
digital/analógico, circuitos de interfase, temporizadores,
osciladores controlados por voltaje (VCO) y lazos de seguimiento
de fases.

ENCAPSULADO DE LOS CIRCUITOS INTEGRADOS

Los tipos de encapsulados más comunes en que se
presentan los circuitos integrados se listan a
continuación:

Encapsulado DIP. Es el encapsulado más
común, consiste en dos hileras paralelas de terminales
distribuidas a los lados del CI, en este encapsulado las patillas
del CI atraviesa la tarjeta de circuito impreso (TCI) y
se sueldan en la parte inferior. Véase la figura 1.2
(a).

Encapsulado SMT. Se denomina
tecnología de montaje de superficie (SMT) y
consiste en encapsulados cuyas patillas no atraviesan la TCI por
lo que se sueldan en la superficie. De acuerdo al número
de terminales se clasifican en encapsulado de contorno
pequeño SO (8, 14 y 16 terminales) y SOL (16, 18, 20, 24,
y 28 terminales). Se fabrican tanto en plástico
(más económico) como en cerámica (más
robusto). Véase la figura 1.2 (b).

Encapsulado TO-5. Este tipo de encapsulado se
fabrica de metal y es muy robusto, sin embargo su uso está
limitado por el espacio disponible en la TCI. Véase la
figura 1.2 (c).

Encapsulado LCC. Consiste en un CI de
cerámica que no tiene terminales que sobresalgan para
conectarlo a la TCI, por esta razón se denomina
portador de pastilla sin terminales (LCC). La
conexión LCC se hace tanto mecánica como
eléctricamente mediante soldadura. La figura 1.2 (d)
muestra la forma correcta de conectar un LCC sobre la
TCI

Encapsulado PLCC. Este tipo de encapsulado fue
introducido en1980 como alternativa al LCC, consiste en
terminales salientes doblabas hacia arriba en forma de J
invertida, los hay de 20, 28, 44, 52 y 84 terminales en
encapsulado de plástico. Véase la figura 1.2
(e).

El semiconductor
material que revolucionó la
electrónica

Un conductor es un material que permite
un flujo considerable de corriente cuando una fuente de voltaje
se aplica a través de sus terminales, poseen de 1 a 2
electrones de valencia[2]ejemplos: Oro (Au), Plata
(Ag), Cobre (Cu), Aluminio (Al), etc…

Un aislante o dieléctrico
presenta un nivel muy inferior de conductividad cuando se
encuentra bajo la presión de una fuente de voltaje. Tienen
la banda de valencia casi completa (8 electrones en el caso de
los gases nobles), en general, son los no metales.

Un semiconductor, es un material que
posee un nivel de conductividad que se localiza entre los
extremos de un dieléctrico y de un conductor. Son
materiales de valencia 4, ejemplos: Boro (B), Silicio (Si),
Germanio (Ge), Arsénico (As), Antimonio (Sb),
etc…

La resistencia de un material se define como:

La tabla 1.1 es una tabla comparativa de resistividades
en distintos materiales, en la segunda columna se presentan los
materiales semiconductores más ampliamente utilizados en
el diseño de dispositivos electrónicos:
Silicio (Si) y Germanio (Ge). Estos materiales
poseen una estructura atómica como se ilustra en la figura
1.4. A temperatura ordinaria los átomos de Silicio se unen
compartiendo pares de electrones mediante enlaces
covalentes, cada átomo de silicio es circundado por 8
átomos vecinos (ver figura 1.5), pero además forman
grupos simétricos denominados monocristales tal
como se observa en la figura 1.3, estos monocristales en conjunto
forman redes cristalinas. El mismo patrón es
característico del Germanio (Ge).

Se llaman materiales intrínsecos a
aquellos semiconductores que se han refinado cuidadosamente con
el objetivo de reducir las impurezas hasta un nivel muy
bajo.

Dopado de semiconductores

Dopaje es la acción de agregar
impurezas a un material semiconductor con el objeto de aumentar
su conductividad eléctrica.

Existen dos tipos de dopadores:

Dopadores aceptores. Son materiales
trivalentes que dan como resultado semiconductores tipo
p, en el cual los portadores mayoritarios son los huecos.
Ejemplos: Boro (Bo), Galio (Ga), Indio (In).

Dopadores donadores. Son materiales
pentavalentes que dan como resultado semiconductores tipo
n, en el cual los portadores mayoritarios son los
electrones. Ejemplos: Arsénico (As), Antimonio (Sb),
Fósforo (P).

Se denomina material extrínseco a aquel
semiconductor que se ha sometido a un proceso de dopaje.
Son semiconductores extrínsecos los semiconductores tipo p
y tipo n.

LA NATURALEZA CONDUCTIVA DEL SEMICONDUCTOR

Teoría de Bandas

De los principios de electricidad sabemos que un
electrón se encuentra orbitando alrededor del
núcleo debido a la acción de dos fuerzas contrarias
en equilibrio, una fuerza eléctrica
centrípeta

Bohr fue capaz de predecir la energía asociada
con un electrón en particular ubicado en el nivel de
energía n (o número cuántico
principal), el modelo matemático es:

La teoría que explica el enlace de los
átomos en los cristales metálicos fue propuesta por
F. Bloch en 1928 y se basa en la mecánica cuántica.
En esta Teoría de Bandas, todos los electrones
presentes en un átomo en niveles energéticos
totalmente llenos se consideran esencialmente localizados, es
decir enlazados a los átomos que se asocian; por otra
parte los electrones de valencia en los niveles
energéticos sin llenar se consideran libres y se mueven en
un campo potencial que se extiende a todos los átomos
presentes en el cristal. Los orbitales de estos electrones libres
en un átomo pueden superponerse con los de otros para
originar orbitales moleculares delocalizados que producen un
enlace entre todos los átomos presentes, y que se conocen
con el nombre de orbitales de
conducción.

La citada teoría (Teoría de Bandas) es la
base para explicar el comportamiento de los materiales
semiconductores. Según se observa en la figura 1.6, en la
parte (a) pueden verse los niveles de energía de un
átomo dado. En la parte (b) se comparan estas bandas para
los tres tipos de materiales respecto a su clasificación
eléctrica: dieléctricos, semiconductores y
conductores. En esa parte es posible observar la brecha
Eg que es necesario vencer para que los electrones de
valencia brinquen a la banda de conducción, la
energía necesaria para realizar esta acción se
conoce como energía o potencial de
ionización, los valores asociados para distintos
semiconductores, puede leerse de esta misma figura, nótese
que los valores están dados en eV, unidad
energética a continuación definida:

El efecto de aumentar la temperatura en un
material semiconductor ocasiona un incremento de energía
en los materiales semiconductores ocasionando que los electrones
de la banda de valencia adquieran energía suficiente para
abandonar dicha banda y pasar a la banda de
conducción.

El efecto de dopar un material con impurezas se
puede observar en la figura 1.7. Observe que surge un nivel
discreto de energía (llamado nivel donor) en la
banda prohibida con un Eg (energía
de ionización) mucho menor que el del material
intrínseco.

Figura 1.7 Efecto de impurezas
donadoras sobre la estructura de las bandas de
energía.

El
diodo

En 1904, Fleming inventó el diodo al cual
denominó válvula y que consistía en un
filamento caliente emisor de electrones situado dentro de un
bulbo en vacío a una corta distancia de una placa. En
función de la tensión positiva o negativa de la
placa, se producía el paso de corriente en una
dirección.

DIODO IDEAL

Se iniciará el estudio de los dispositivos
electrónicos presentando el más sencillo de ellos:
el diodo. El diodo ideal[3]es un
dispositivo de dos terminales ánodo (+) y cátodo
(-), en la figura 2.1 se presentan tanto su símbolo como
sus características.

Las características de un diodo ideal son las
siguientes.

• Permite la conducción de corriente en una
  sola dirección.

• Representa un circuito cerrado en la
  región de conducción

• Representa un circuito abierto en la
  región de no conducción

EL DIODO SEMICONDUCTOR. CARACTERÍSTICAS Y
POLARIZACIÓN

Un diodo semiconductor se forma al unir dos
semiconductores extrínsecos p y n del mismo material (Si o
Ge). El punto de unión se denomina región de
agotamiento, se conoce así debido a la carencia de
portadores en esa región como resultado de la
combinación de electrones y huecos en ese
punto.

Polarización

Cuando las terminales de un material semiconductor
extrínseco se encuentran sometidas a un diferencia de
potencial (se dice que se encuentra en estado polarizado),
entonces se establece un campo eléctrico en el interior
del material lo que ocasiona que las partículas formadoras
del material tipo p sea atraído hacia el potencial
más negativo, mientras que las partículas del
material tipo n son atraídas hacia la terminal con
potencial más positivo, este hecho es un principio
fundamental de la electricidad: cargas distintas se atraen,
cargas opuestas se repelen.

Un fenómeno análogo sucede cuando un
material no conductor se encuentra sometido a un campo
eléctrico intenso, las moléculas se polarizan (+/-)
y se alinean con respecto al campo potencial obedeciendo el
principio antes enunciado.

Tres posibilidades de polarización se tienen para
un diodo: sin polarización, polarización inversa,
polarización directa.

SIN POLARIZACIÓN (Vd = 0)

En este caso no existe ninguna presión
(potencial) que obligue a los portadores a fluir, por lo que no
existe conducción eléctrica en ninguna
dirección.

POLARIZACIÓN DIRECTA (Vd > 0)

Una fuente de voltaje en las terminales del diodo con
polaridad positiva aplicada en la parte P del diodo y polaridad
negativa en la parte N del diodo (ver figura 2.2) ocasiona que el
diodo se active y pase al estado de conducción, al reducir
la región de agotamiento.

POLARIZACIÓN INVERSA (Vd < 0)

Cuando el diodo se conecta como se muestra en la figura
2.3 se halla bajo polarización inversa (p ( (-) y n (
(+)). En este caso una pequeña corriente despreciable del
orden de 10-9 A para el Silicio y de 10-6 A para el Germanio
circula en dirección de n hacia p, esta corriente
se conoce como corriente de saturación
inversa.

MODELO MATEMÁTICO DEL DIODO

El modelo matemático que representa el estado de
conductividad del diodo es el siguiente:

La ecuación 2.1 se encuentra graficada y
comparada con la curva de un diodo real en la figura 2.4.
Obsérvese el desplazamiento de la grafica real a la
derecha respecto a la de la ecuación 2.1, esto se debe a
la adición del voltaje debido a las resistencias de
contacto y la resistencia interna del cuerpo del
diodo.

Figura 2.4
Características del diodo semiconductor de
silicio

REGIÓN ZENER Y VOLTAJE PICO INVERSO

Como se ha mencionado, cuando el diodo se polariza en
inversa, solo existe una corriente mínima Is, sin embargo
si el potencial negativo se sigue aumentando considerablemente se
llega a un punto límite llamado potencial Zener
(Vz) en el cual la corriente aumenta drásticamente tal
como se muestra en la figura 2.5. En los dispositivos comerciales
el potencial máximo que puede aplicarse aun diodo antes de
llegar a la región Zener se conoce como Voltaje Pico
Inverso (PIV o PVR).

Observación. Cuando se requiere un PIV
mayor al que ofrece una sola unidad, se deben conectar diodos en
serie con las mismas características. La conexión
en paralelo tiene por objetivo incrementar la capacidad para
conducir corriente.

Figura 2.5
Región Zener

EFECTOS DE LA TEMPERATURA

La magnitud de la corriente de saturación inversa
Is se duplica por cada incremento en 10 ºC de temperatura,
obsérvese la figura 2.6. Adviértase de la misma
gráfica que en polarización directa el
potencial de estado encendido (potencial de
conducción) del diodo se reduce (como resultado del
incremento de la temperatura).

COMPARACIÓN ENTRE DIODO DE SILICIO Y
GERMANIO

El diodo de Si tiene un PIV, un índice de
corrientes mayores así como un rango más amplio de
temperaturas que el de Germanio.

Siendo Vt el potencial mínimo necesario el las
terminales del diodo para iniciar la conducción, cuando
este se encuentra polarizado en directa y se denomina
potencial de conducción, de umbral o de
disparo.

NIVELES DE RESISTENCIA Y PUNTO DE OPERACIÓN DEL
DIODO

Como es sabido la relación entre voltaje y
corriente R=V/I dada por la ley de Ohm se denomina resistencia,
particularmente en un diodo el valor de esta depende del
punto de operación (siempre y cuando este se
sitúe en la región de rápido crecimiento de
la curva, es decir en las cercanías de Vt=0.7 volts para
Si y 0.3 V para Ge) y el tipo de señal
aplicada.

Los valores o niveles de resistencia que se
definen en los siguientes apartados corresponden a la resistencia
en el punto de unión p-n del diodo.

RESISTENCIA ESTÁTICA. SEÑAL CD

Si una señal (Vd) en cd se aplica al diodo,
entonces se obtiene un señal de respuesta Id en cd
(siempre que una carga "impedancia" se halle conectada al
circuito del diodo), tales magnitudes definen la resistencia
en cd o resistencia estática de acuerdo a la
ecuación 2.2, véase la figura 2.8.

Esta relación es válida para puntos
situados en la región de crecimiento vertical de la curva,
en el punto de inflexión y debajo de el la Rd será
mayor.

RESISTENCIA DINÁMICA. SEÑAL AC

Cuando se aplica una señal senoidal, el
cálculo de la Rd se lleva a cabo al considerar una
línea tangente al punto Q tal como se observa en las
figuras 2.9 y 2.10, en tal situación la resistencia
dinámica se define por:

La ecuación 2.3 es de raro empleo ya que
formalmente se define a la pendiente de una curva en el punto Q,
como la derivada en dicho punto, de esta forma es posible
demostrar que la resistencia dinámica esta dada
por:

RESISTENCIA PROMEDIO. SEÑAL AC

Si la señal senoidal es de gran amplitud,
entonces es necesario emplear los puntos extremos por los que
oscila la respuesta de ID en ca para la determinación de
la resistencia promedio en ca (véase la figura
2.11 y su respectivo cálculo)

RESISTENCIA TOTAL DE UN DIODO

El valor de la resistencia total del diodo queda
determinado al agregar a la resistencia de la unión
p-n (antes estudiada) la resistencia del cuerpo del
diodo y la resistencia presentada por la conexión entre el
material semiconductor y el conductor metálico externo
denominada resistencia de contacto, la suma de estas
últimas se denota por rB.

El valor de rB varia entre 0.1 ohms para dispositivos de
alta potencia, hasta 2 ohms para diodos de baja potencia de
propósito general.

CIRCUITOS EQUIVALENTES PARA DIODOS

Un circuito equivalente es una
combinación de elementos elegidos de forma apropiada para
representar de la mejor manera las características
terminales reales de un dispositivo, sistema o similar, para una
región de operación en particular.

En lo sucesivo se empleará el calificativo
modelo del diodo para referirse al circuito
equivalente del diodo. En la siguiente tabla se resumen los
modelos del diodo.

Tabla T1 Modelos de
diodo

Obsérvese que la resistencia empleada en el
modelo 1 es la resistencia promedio que se puede determinar
generalmente a partir de un punto de operación que se
describe en la hoja de especificaciones del
dispositivo.

Por ejemplo para un diodo semiconductor de Si, si If =
10 mA (una corriente de conducción directa para el diodo),
cuando Vd = 0.8 V. se tiene que:

HOJAS DE ESPECIFICACIONES DE DIODOS

Estas son hojas de datos técnicos detallados de
las características del diodo, los límites de
potencia, voltaje, frecuencia, temperatura etc…

Puesto que:

TIEMPO DE RECUPERACIÓN INVERSO

Se denota por Trr y es el tiempo requerido para que un
diodo pase del estado de polarización directa al estado de
polarización inversa cuando se efectúa tal cambio
de polaridad en sus terminales.

EL DIODO ZENER

El diodo zener es un tipo de diodo que se diseña
para operar en la región zener, en la figura 2.13
se muestra la polarización correcta de este diodo para que
exista conducción, así como su símbolo, en
la misma figura se muestra el diodo semiconductor para su
comparación.

El circuito equivalente del diodo incorpora una
resistencia dinámica rz y una fuente Vz
(véase figura 2.14(a). El diodo zener ideal (cuyo modelo
no incluye rz) se muestra en 2.14(b), es posible hacer
dicha aproximación si se considera que rz es
muchas veces menor que la resistencia de carga. En la Tabla
siguiente se muestran las características
eléctricas del diodo zener, e

En la figura 2.15 se observa una gráfica de sus
características de prueba, también en la figura
2.16 observan dos gráficas la parte (a) es referente al
coeficiente de temperatura indicado en la última columna
de la tabla anterior y definido por la ecuación 2.9, la
parte (b) muestra la impedancia dinámica.

Figura 2.16
Características eléctricas de un diodo Zener 10
V, 500 mW

Observación. El diodo Zener es un modelo
especial de diodo de unión, que utiliza silicio, en el que
la tensión en paralelo a la unión es independiente
de la corriente que la atraviesa. Debido a esta
característica, los diodos Zener se utilizan como
reguladores de tensión.

PRUEBAS DE DIODOS

El estado de un diodo (defectuoso o no) puede
verificarse rápidamente mediante cada uno de los
siguientes dispositivos:

Un multímetro con función de
verificación de diodos

– Seleccione el símbolo del diodo en el
multímetro

– Conéctese a las terminales tal como se indica
en la figura 2.17

– Si la conexión es correcta y el diodo no
está defectuoso la pantalla del multímetro marcara
el voltaje terminal del diodo tal como 0.67 V.

Un ohmetro

• Realice las conexiones tal como se indican en la
  figura 2.18 (a) y (b)

• En la conexión (a) debe leerse una R muy baja
  y en la conexión (b) debe leerse una R muy alta, si
  esto es cierto, el diodo no está
  defectuoso.

Un osciloscopio

A través de este aparato es posible observar la
forma real de la onda a la salida del diodo.

* Refiérase al capítulo relativo al manejo
del osciloscopio para iniciarse en el funcionamiento de este
dispositivo.

Análisis y
circuitos con diodos

En este capítulo estudiaremos el comportamiento
del diodo tanto polarizado en cd como en ca, haciendo uso de las
aproximaciones presentadas en el capitulo anterior. El uso de
aproximaciones se justifica al considerar que en general los
dispositivos electrónicos tienen tolerancias de error
reales en sus características, que compensan los errores
cometidos mediante el uso de aproximaciones.

ANÁLISIS GENERALIZADO POR MEDIO DE LA RECTA DE
CARGA

El análisis mediante la recta de carga
es un método gráfico que consiste en dibujar una
línea recta sobre la gráfica de
características de un dispositivo de tal manera que
la intersección de esta línea y la curva
representativa señalen un punto de
operación cuando el dispositivo forma parte de una
red con carga (resistencias de carga, impedancias de
carga, etc.), en general la línea recta se obtiene de un
análisis de la red de estudio, es decir a partir de la
configuración del circuito.

DETERMINACIÓN DEL PUNTO DE OPERACIÓN DEL
DIODO MEDIANTE LA RECTA DE CARGA

Figura 3.1
Configuración de diodo en serie: (a) circuito; (b)
características

Solución. Aplicando LA LVK al circuito se
tiene que:

La ec 3.1a es el modelo matemático del circuito
mostrado en la figura 3.1a, para hallar el punto de
operación Q, se hallan las intersecciones de la recta
definida por la Ec 3.1a sobre los ejes cooredenados; estos puntos
son (0,Id) y (Vd,0), Es decir:

En la figura 3.2 se muestra la gráfica de la
recta de carga sobre la curva característica, así
como la identificación del punto de operación
Q.

Figura 3.2 Dibujo de
la recta de carga para encontrar el punto de
operación

Modelo del diodo
para efecto de análisis

En general los componentes que debe incluir el modelo
del diodo semiconductor con polarización de
conducción son:

• Una fuente de voltaje de 0.7V para Si y 0.3V para Ge
  con polaridad en oposición a la fuente de
  FEM[4]

• Una resistencia Rav en serie

Observación1. Un diodo se encuentra en
estado de encendido si la corriente establecida por las
fuentes es tal que su dirección concuerda con la flecha
del símbolo del diodo, y la fuente de FEM es al menos
igual al potencial de conducción del diodo (0.3
para Ge y 0.7 para Si)

Observación2. Recuérdese que la
fuente del diodo simplemente representa el voltaje que es
necesario aplicar al diodo para que este pase al estado de
conducción, pero además este voltaje está
siempre presente en las terminales del diodo cuando la fuente de
FEM está presente.

Cuando el diodo se encuentra en polarización
de no conducción (a veces llamado polarización
en inversa) simplemente reemplace el diodo con un circuito
abierto.

La selección adecuada del modelo depende de la
aplicación, refiérase a la Tabla T1 para estudiar
los elementos de cada modelo en particular.

CIRCUITOS CON DIODOS POLARIZADOS CON FUENTES DE
CD

El análisis de circuitos con diodos es
relativamente sencillo, si se tiene en cuenta la
exposición hasta ahora realizada sabrá que el
análisis se lleva a cabo al sustituir símbolo del
diodo por su correspondiente modelo en el circuito y al aplicar
una o más de las siguientes técnicas básicas
de análisis de circuitos:

• Aplicación de la ley de Ohm en las cargas
  resistivas: V = RI

• Aplicación de LVK y LCK en las mallas y nodos
  respectivamente.

• Reducción de fuentes
  independientes.

• Aplicación de los teoremas de Thévenin
  y Norton

• Aplicación del principio de
  superposición

Cuando una señal de una fuente de cd (voltaje cd)
se aplica al diodo, se obtiene una señal continua a
través del diodo, esto significa que la aplicación
de una señal invariante con el tiempo a través del
diodo produce una respuesta invariante, la señal se
conserva.

COMPUERTAS LÓGICAS AND/OR CON DIODOS

Las compuertas lógicas son
circuitos que se emplean para combinar niveles lógicos
(unos y ceros) en formas específicas. En la
lógica positiva un nivel lógico
alto (o bien 1 binario) es representado por un voltaje alto
(por ejemplo 2.0 a 5 V par una compuerta TTL[5]o
3.5 a 5 V para una compuerta CMOS), el nivel lógico
bajo es representado por un voltaje bajo (por ejemplo 0 a 0.4
V para una compuerta TTL o 0 a 1.5 para una compuerta
CMOS[6]En la lógica
negativa un nivel de voltaje alto representa un 0
binario y un nivel bajo representa un 1 binario.

Para expresar la salida en términos de las
entradas, se emplea un sistema denominado álgebra
booleana. Las compuertas básicas son: AND, NAND,
OR, NOR y NOT (INVERSOR). En la figuras 3.3 Y 3.4 se presentan
los circuitos básicos de las compuertas lógicas OR
y AND de dos terminales de entrada (A y B) construidos mediante
diodos y resistencias. Una tabla de verdad como
la mostrada en la parte inferior representa las distintas
combinaciones como resultado de aplicar los niveles VA y VB a las
entradas de la compuerta para obtener el nivel VC a la
salida.

El diseño de circuitos que involucran compuertas
lógicas y/o sus derivados así como sus aplicaciones
es un campo muy amplio de la electrónica que se conoce
como electrónica digital.

CIRCUITOS CON DIODOS POLARIZADOS CON FUENTES DE
CA

La aplicación de fuentes de señales
variantes con el tiempo tales como: ondas senoidales, ondas
triangulares, ondas cuadradas etc., en el diodo, produce
respuestas que son señales alteradas de la señal
original tal como se estudia a continuación.

RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA

El la figura 3.5 se muestra un rectificador de media
onda que consta de un diodo en serie con una resistencia R,
cuya fuente de FEM es una entrada senoidal. Se llama rectificador
debido a que la señal sinusoidal de entrada es rectificada
obteniéndose una señal tal como la mostrada en las
figuras 3.6 y 3.7. La forma de onda de salida se explica
sencillamente al observar que una fuente alterna cambia de
polaridad cada medio ciclo, ocasionando que el diodo solo
conduzca durante la mitad de periodo de onda
T.

En una onda senoidal pura el valor promedio (o valor
de cd) es igual a cero, sin embargo para una media onda
rectificada (refiérase a la figura 3.8), el valor promedio
esta dado por

Para el caso en el que se emplea la segunda
aproximación del diodo el efecto de la fuente Vt se
presenta en la figura 3.9 y para este caso se tiene
que:

Valor PIV. Al diseñar un rectificador de
media onda siempre debe observar que el valor nominal de pico
inverso PIV del diodo sea al menos igual que el valor
máxima de la onda senoidal, con la finalidad de que
durante la polarización inversa el diodo no entre a la
región zener; es decir:

RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA