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FUNDAMENTO DE ELECTRÓNICA
TEORÍA DE SEMICONDUCTORES
REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA
EDUCACIÓN SUPERIOR INSTITUTO UNIVERSITARIO EXPERIMENTAL DE
TECNOLOGÍA DE LA VICTORIA LA VICTORIA… EDO. ARAGUA
Elaborado por: Ing. Lisseth López
Octubre, 2007
FUNDAMENTO DE ELECTRÓNICA
TEORÍA DE SEMICONDUCTORES
DEDICATORIA
El siguiente Texto está especialmente dedicado a:
Todos mis alumnos y a todos aquellos que no lo fueron
quienes de una forma u otra me han enseñado a descubrir mi
vocación de educadora y han contribuido notablemente con mi
mejoramiento profesional, haciendo más sencilla y amena la
noble misión de educar y a la que he dedicado parte de mi
vida.
FUNDAMENTO DE ELECTRÓNICA
TEORÍA DE SEMICONDUCTORES
ÍNDICE GENERAL
CONTENIDO PAG.
Preliminares
Portada i
Dedicatoria ii
Índice General iii
Índice de Figuras vii
CAPÍTULO I. TEORÍA DE SEMICONDUCTORES
1. Semiconductor 2
2. Banda de Energía y Conductividad Eléctrica del Cristal 4
3. Tipos de Semiconductores 6
3.1. Semiconductores Intrínseco 6
3.2. Semiconductores Extrínseco 7
3.2.1. Semiconductores Extrínseco Tipo N 8
3.2.2. Semiconductores Extrínseco Tipo P 9
4. Ley de Acción de Masas 10
5. Ley de Neutralidad de Carga 11
6. Movilidad y Conductividad 11
6.1 Corriente de Arrastre 11
6.2 Corriente de Difusión 14
7.- Relación de Einstein 15
CAPÍTULO II. TEORÍA DE DIODOS
1. El Diodo 17
2. Polarización en Sentido Directo 19
3. Polarización en Sentido Inverso 21
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TEORÍA DE SEMICONDUCTORES
4. Características De Un Diodo En Unión PN 22
5. Representación Simbólica del Diodo 25
6. Resistencias del Diodos 26
6.1. Resistencia Estática 26
6.2. Resistencia Dinámica 26
7. Influencia De La Temperatura Sobre Las Propiedades De La Unión 28
7.1. Influencia de la temperatura sobre la corriente de Saturación S 28
7.2. Influencia de la temperatura sobre la tensión directa a los bornes
de la unión 29
8. Esquema Equivalente del Diodo en Régimen Alterno 30
8.1 Capacidad de Agotamiento o de Transición 30
8.2. Capacidad de Difusión 33
9. Modelos o Aproximaciones del Diodo 33
9.1 Modelo Ideal 34
9.2 Modelo de Caída de Tensión Constante 34
9.3. Modelo Lineal por Tramos 35
10. Parámetros y Especificaciones Eléctricas De Los Diodo 36
11.- Verificación del Estado de un Diodo 39
CAPÍTULO III. TIPOS DE DIODOS
1. Diodo Zener 42
1.1. Construcción de un Diodo zener 44
1.2. Código de Identificación del Zener 46
1.3. Aplicación 47
1.4. Especificaciones del Fabricante 48
2. Diodo Led y Fotodiodo 48
2.1 Diodo Led 48
2.2. Fotodiodo 50
3. Diodo de Barrera o Schottky 52
4. Diodo PIN 54
5. Diodo Varactor o Varicap 56
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6. Diodo Túnel 58
7. Diodo de Contacto Puntual 60
CAPÍTULO IV.- APLICACIONES DE LOS DIODOS
1. Rectificador 62
1.1 Rectificador de Media Onda 62
1.2. Rectificador de Onda Completa 64
2. Factor de forma (Ff) e Índice de Ondulación (Fr) 68
2.1. Factor de Forma (Ff) 68
2.2. Índice de Ondulación (Fr) 68
3. Comparación entre los diferentes Rectificadores 68
4. Filtraje 69
4.1. Filtraje con Condensador 69
5. Doblador de Tensión 74
6. Limitador de Tensión 75
6.1. Limitador Serie Positivo 76
6.2. Limitador Serie Negativo 76
6.3. Limitador Paralelo 78
6.4. Limitador Parcial o Polarizado de Un Nivel 79
6.5. Limitador Polarizado de dos Niveles 83
7. El Diodo Zener como Regulador de Tensión 86
8. Circuito Sujetador de Nivel 96
CAPÍTULO V. TEORÍA DEL TRANSISTOR BJT
1. Estructura de un Transistor Bipolar 100
2. Modos de Operación 101
3. Configuraciones Del Transistor 103
3.1. Configuración Base Común 103
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3.2. Configuración Emisor Común 105
3.3. Configuración Colector Común 106
4. Curva Característica 107
5. Relación de Corrientes 109
6. Polarización del Transistor 110
6.1. Polarización Fija 110
6.2. Polarización Con Resistencia en el Emisor 113
6.3. Polarización Independiente de β 116
6.4. Polarización con realimentación de Tensión de Colector 122
7. Análisis Gráfica de la Polarización en DC 123
8. El Transistor Como Interruptor 126
BIBLIOGRAFÍA 128
EJERCICIOS PROPUESTOS 129
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ÍNDICE DE FIGURAS
FIGURA PAG.
CAPÍTULO I. TEORÍA DE SEMICONDUCTORES
Fig. 1a.- Red Cristalina de Silicio (Si) 3
Fig. 1b.- Red Cristalina de Arseniuro de Galio (AsGa) 3
Fig. 2a.- Cristal de Silicio (Si) antes del aumento de la temperatura 4
Fig. 2b.- Cristal de Silicio (Si) después del aumento de la temperatura 4
Fig. 3 Estructura de las bandas de energía de un Aislante, un Semiconductor
y un Conductor 5
Fig. 4.- Cristal de Silicio contaminado con átomos de Fósforo
8
Fig. 5. Nivel donador o dador introducido por los átomos pentavalentes
9
Fig. 6.- Nivel aceptador o aceptor introducido por los átomos trivalentes
10
Fig. 7.-Movimiento de los huecos debido al movimiento de los electrones 13
CAPÍTULO II. TEORÍA DE DIODOS
Fig. 8. Unión PN 17
Fig. 9. Formación de la región de vaciamiento. 18
Fig. 10 Unión PN en equilibrio 19
Fig. 11 Polarización en Directo de la Unión PN 20
Fig. 12 Circulación de Corriente en la Unión PN 20
Fig. 13.- Polarización en Inverso de la Unión PN 21
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Fig. 14.- Aumento de la Región Carga Espacial 22
Fig. 15.- Curva Característica del Diodo 23
Fig. 16.- Curva Característica real del Diodo 24
Fig. 17.- Representación Simbólica y Física del Diodo 25
Fig. 18.- Representación del punto Q sobre la curva característica de Diodo 26
Fig. 19 Resistencia dinámica y Variación del punto Q 28
Fig. 20 Influencia de la temperatura sobre la tensión del diodo 30
Fig. 21Curva Característica de la Capacidad de agotamiento 30
Fig. 22 Variaciones de CT en función de VR para dos diodos Típicos 32
Fig. 23 Curva V vs de un Diodo Ideal 34
Fig. 24 Modelo de caída de voltaje constante de la característica directa del
diodo y la Representación de su circuito equivalente 35
Fig. 25 Modelo lineal por tramos de la característica directa del diodo y
su circuito equivalente 35
Fig.26 Hoja de Especificaciones del Fabricante BAY73 37
Fig.27 Curvas Eléctricas Típicas del Diodo BAY73 38
Fig. 28 Verificación del estado de un diodo con un ohmetro 40
Fig. 29 puntas del multimetro 40
CAPÍTULO III. TIPOS DE DIODOS Fig. 30 Curva Característica del Diodo Zener 43
Fig. 31 Aspecto Físico y Simbología del Diodo Zener 45
Fig. 32 Curva Característica del diodo zener para la primera aproximación 46
Fig. 33 Curva Característica del diodo zener para la segunda aproximación 46
Fig. 34 Símbolo y Aspecto físico del Diodo LED 49
Fig. 35 Simbología y Aspectos físicos de un Fotodiodo 51
Fig. 36 Curva característica / V de un fotodiodo para diferentes intensidades
luminosas 51
Fig. 37 Simbología y Curva Característica del Diodo Schottky 53
Fig.38 Circuito equivalente del diodo PIN en la región Directa e Inversa 56
Fig. 39 Simbología del Diodo PIN 56
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Fig.40 Simbología del Diodo Varicap y Circuito equivalente 57
Fig. 41 Curva de Variación de la Capacitancia vs. Tensión Inversa aplicada 58
Fig. 42 Curva Característica del Diodo túnel 59
Fig. 43 Circuito equivalente y simbología del Diodo Túnel 60
CAPÍTULO IV.- APLICACIONES DE LOS DIODOS
Fig. 44 Circuito Rectificador de Media Onda 63
Fig. 45 Señal de Salida de un Circuito Rectificador de Media Onda 63
Fig. 46 Circuito Rectificador Doble Onda con Transformador de Toma Central 64
Fig. 47 Señal de Entrada al Circuito Rectificador Doble Onda con
Transformador de Toma Central 65
Fig. 48 Señal de Salida del Circuito Rectificador Doble Onda con
Transformador de Toma Central 65
Fig. 49 Señal presente en los Diodos D1 y D2 65
Fig. 50 Circuito Rectificador Onda Completa Tipo Puente 66
Fig. 51 Circuito Rectificador Onda Completa Tipo Puente 67
Fig. 52 Circuito Rectificador de Media Onda con Filtro Capacitivo 70
Fig. 53 Señal de Salida de tensión (VO) y Corriente id Circuito
Rectificador Media Onda con Filtro Capacitivo. 70
Fig. 54 Circuito Rectificador Onda Completa con Filtro Capacitivo 71
Fig. 55 Señal de Salida Circuito Rectificador Onda Completa con
Filtro Capacitivo 72
Fig. 56 Método Gráfico para estimar el factor de rizado 72
Fig. 57 Filtro en con resistencia 74
Fig. 58 Circuito Doblador de Tensión 75
Fig. 59 Circuito Limitador Serie 76
Fig. 60 Señal de Entrada y Salida de un Circuito Limitador Serie Positivo 76
Fig. 61 Circuito Limitador Serie Negativo 77
Fig. 62 Señal de Entrada y Salida de un Circuito Limitador Serie Negativo 77
Fig. 63 Circuito Limitador Paralelo (a) Positivo (b) Negativo 78
Fig. 64 Señales de Salida de los Circuito Limitador Paralelo 78
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Fig. 65 Circuito Limitador Polarizado de un nivel 79
Fig. 66 Señal de Salida de un Circuito Limitador Polarizado de un Nivel 80
Fig. 67 Circuito Limitador Polarizado de un nivel 80
Fig. 68 Señal de Salida de un Circuito Limitador Polarizado de un Nivel 81
Fig. 69 Circuito Limitador Polarizado de un nivel 81
Fig. 70 Señal de Salida de un Circuito Limitador Polarizado de un Nivel 82
Fig. 71Circuito Limitador Polarizado de un Nivel 82
Fig. 72 Señal de Salida de un Circuito Limitador Polarizado de un Nivel 83
Fig. 73 Circuito Limitador Polarizado de dos Niveles 83
Fig. 74 Señal de Salida de un Circuito Limitador Polarizado de Dos Niveles 84
Fig. 75 Circuito Limitador Polarizado de dos Niveles Con Diodos Zener 85
Fig. 76 Señal de Salida de un Circuito Limitador Polarizado de Dos Niveles
con diodos Zener 86
Fig. 77 Circuito Regulador de Tensión 86
Fig. 78 Curva Característica del Diodo Zener 87
Fig. 79 Análisis Gráfico de Rs 90
Fig. 80 Circuito Sujetador de Nivel 96
Fig. 81 Señal de Entrada y Salida de un Circuito Sujetador de Nivel 97
CAPÍTULO V. TEORÍA DEL TRANSISTOR BJT
Fig. 82 Estructura de los transistores BJT 101
Fig. 83 Polarización de los transistores BJT 103
Fig. 84 Configuración Base Común 104
Fig. 85 Característica de Entrada y Salida de la Configuración
Base Común NPN 104
Fig. 86 Transistor NPN con el Emisor Abierto 105
Fig. 87 Configuración Emisor Común 106
Fig. 88 Característica de Entrada y Salida de la Configuración
Emisor Común NPN 106
Fig. 89 Configuración Colector Común o Emisor Seguidor 107
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Fig. 90 Circuito Con polarización Fija 110
Fig. 91 Circuito De Entrada 111
Fig. 92 Circuito De Salida 111
Fig. 93 Ejemplo de un Circuito Con polarización Fija 112
Fig. 94 Circuito Con polarización con resistencia en el emisor 113
Fig. 95 Circuito de entrada polarización con resistencia en el emisor 114
Fig. 96 Circuito de entrada polarización con resistencia en el emisor 114
Fig. 97 Ejemplo Circuito de entrada polarización con resistencia en el emisor 115
Fig. 98 Circuito de polarización por divisor de Tensión 116
Fig. 99 Circuito de Polarización por Divisor de Tensión malla de Entrada 117
Fig. 100 Circuito de Polarización por Divisor de Tensión Simplificado 118
Fig. 101 Circuito de Polarización por Divisor de Tensión Malla de Salida 119
Fig. 102 Circuito de Polarización con Realimentación de Tensión 122
Fig. 103 Circuito Autopolarizado 123
Fig. 104 Recta de Carga en Continua 124
Fig. 105 Recta de Carga en Continua para las Variaciones de RC y RE 125
Fig. 106 Recta de Carga en Continua para las Variaciones VCC 125
Fig. 107 Recta de Carga en Continua sobre la característica de Salida
del Transistor 126
Fig. 108 El Transistor NPN como Interruptor 127
Fig. 109 Circuito para el accionamiento de un relé 127
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TEORÍA DE SEMICONDUCTORES
FUNDAMENTO DE ELECTRÓNICA
TEORÍA DE SEMICONDUCTORES
CAPÍTULO I TEORÍA DE
SEMICONDUCTORES
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
TEORÍA DE SEMICONDUCTORES
2
CAPÍTULO I
TEORÍA DE SEMICONDUCTORES
1.- Semiconductor
Entre los materiales conductores, que permiten una circulación generosa de corriente
por presentar una resistencia relativamente baja, y los materiales aislantes, que no
permiten la circulación de corriente, nos encontramos una gama de materiales con
propiedades propias que denominamos semiconductores ellos tienen una
conductividad que varía con la temperatura, pudiendo comportarse como conductores
o como aislantes.
Todos semiconductores se caracterizan porque en su última capa de electrones de su
estructura atómica poseen cuatro (4) electrones (son tetravalentes) llamados
electrones de valencia.
El elemento semiconductor más usado es el Silicio (Si), pero hay otros
semiconductores como el Germanio (Ge) que también son usados en la fabricación
de circuitos. El silicio está presente de manera natural en la arena por lo que se
encuentra con abundancia en la naturaleza. Además, el Si presenta propiedades
mecánicas y eléctricas buenas. Su purificación es relativamente sencilla (llegándose a
Si puro del 99,99999%) y el Si se presta fácilmente a ser oxidado, formándose SiO2 y
constituyendo un aislante que se utiliza en todos los transistores de la tecnología
CMOS. Aunque idéntico comportamiento presentan las combinaciones de elementos
de los grupos II y III con los de los grupos VI y V respectivamente (AsGa, PIn,
AsGaAl, TeCd, SeCd y SCd) de la tabla periódica. De un tiempo a esta parte se ha
comenzado a emplear también el azufre.
En la tabla # 1 se muestra algunos elementos pertenecientes a los grupos II, III, IV, V,
VI de la tabla periódica.
Estos elementos tienen una estructura más estable si comparten electrones, formando
enlaces covalentes, de forma que al compartir estos electrones con átomos vecinos
todos ellos tengan en la última capa ocho electrones, situación que es muy estable.
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3
Elemento Grupo Electrones en
la última capa
Cd II A 2 e-
Al, Ga, B, In III A 3 e-
Si, Ge IV A 4 e-
P, As, Sb V A 5 e-
Se, Te, (S) VI A 6 e-
Tabla #1
Esto hace que se forme una malla de átomos que se denomina red cristalina. El
diamante es un ejemplo de este tipo de estructura cristalina formada por átomos de
carbono. El silicio, el germanio y el arseniuro de galio forman redes similares ver
Figuras 1a y 1b.
Un cristal está formado por un conjunto de átomos muy próximos entre sí dispuestos
espacialmente de forma ordenada de acuerdo con un determinado patrón geométrico.
La gran proximidad entre los átomos del cristal hace que los electrones de su última
capa sufran la interacción de los átomos vecinos.
Fig. 1a.- Red Cristalina de Silicio (Si) Fig. 1b.- Red Cristalina de Arseniuro de Galio (AsGa)
Fuente: www.ele.uva.es
En estas condiciones todos los electrones tienen su lugar en la red, así que estos
materiales no permiten la movilidad de electrones y por lo tanto son aislantes.
Un aumento en la temperatura hace que los átomos en un cristal por ejemplo de
silicio vibren dentro de él, a mayor temperatura mayor será la vibración. Con lo que
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4
un electrón se puede liberar de su órbita, lo que deja un hueco, que a su vez atraerá
otro electrón, y así sucesivamente. En la figura 2a se puede observar un cristal de
silicio antes del aumento de la temperatura y en la figura 2b el cristal de silicio
después de un aumento de temperatura donde se produce la creación de el hueco y del
electrón libre por el rompimiento de los enlaces covalentes del cristal. A 0 ºK, todos
los electrones son ligados. A 300 ºK o más, aparecen electrones libres.
(a) (b)
Fig. 2a.- Cristal de Silicio (Si) antes del aumento de la temperatura. Fig. 2b.- Cristal de Silicio (Si)
después del aumento de la temperatura.
Fuente: www.rincondelvago.com
La unión de un electrón libre y un hueco se llama "recombinación", y el tiempo entre
la creación y desaparición de un electrón libre se denomina "tiempo de vida".
2.- Banda de Energía y Conductividad Eléctrica del Cristal
El nivel energético de cada electrones puede estar situado en la "banda de valencia" o
en la "banda de conducción" del cristal. Un electrón que ocupe un nivel dentro de la
banda de valencia está ligado a un átomo del cristal y no puede moverse libremente a
través de él, mientras que si el nivel ocupado pertenece a la banda de conducción, el
electrón puede moverse libremente por todo el cristal, pudiendo formar parte de una
corriente eléctrica.
Entre la banda de valencia y la de conducción existe una "banda prohibida", cuyos
niveles no pueden ser ocupados por ningún electrón del Cristal. La magnitud de ese
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5
banda prohibida son permite definir otra diferencia entre los semiconductores,
aislante y conductores.
En la figura 3 se puede observar la estructura de los niveles o bandas de energía
según el tipo del material. La magnitud de la banda prohibida (Eg) de algunos
semiconductores son: para el Silicio (Si) es aproximadamente de 1,11 eV, Germanio
(Ge) de 0,67 eV, Arseniuro de Galio (AsGa) de 1,43 eV, Telurio de 0,33 eV, Galena
(SPb) de 0,37 eV, Antimoniuro de Indio (SbIn) de 0,23 eV.
Fig. 3 Estructura de las bandas de energía de un Aislante, un Semiconductor y un Conductor
Fuente: El Autor
Para que la conducción de la electricidad sea posible es necesario que haya electrones
en la capa de conducción, así podemos considerar tres situaciones:
Los conductores, en los que ambas bandas de energía se superponen.
Los aislantes, en los que la diferencia existente entre las bandas de energía,
del orden de 6 eV impide, en condiciones normales el salto de los electrones.
Los semiconductores, en los que el salto de energía es pequeño, del orden de
1 eV, por lo que suministrando energía pueden conducir la electricidad; pero
además, su conductividad puede regularse, puesto que bastará disminuir la
energía aportada para que sea menor el número de electrones que salte a la
Semiconductor Aislante Conductor
Banda de
Conducción
Banda de
Valencia Banda de
Prohibida
Eg = 6eV Eg 1eV
Solapamiento de la Banda de Valencia y
la Banda de conducción
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6
banda de conducción; cosa que no puede hacerse con los metales, cuya
conductividad es constante, o más propiamente, poco variable con la
temperatura.
Es importante notar que la conductividad eléctrica de los semiconductores es
directamente proporcional a la temperatura, y por ello se afirma que su coeficiente
térmico de conductividad es positivo, a diferencia de los metales cuyo coeficiente
térmico de conductividad es negativo.
Estos coeficientes son positivos, al aumentar la temperatura la resistividad de los
metales aumenta o, en forma equivalente, su conductividad disminuye.
Por lo contrario, a temperaturas normales (aprox. 25°C), la conductividad de los
semiconductores aumenta en un 5% por cada grado de incremento en la temperatura.
NOTA: No debe confundirse la resistividad del material con la resistencia del mismo.
La resistividad es una propiedad característica de cada material, mientras que la
resistencia depende de la forma geométrica.
La corriente en los conductores se debe al movimiento de los electrones libres
mientras que en los semiconductores se debe al movimiento de los electrones libre y
los huecos.
3.- Tipos de Semiconductores
3.1 Semiconductores Intrínseco
Son los cristales semiconductores puros. A temperatura ambiente se comporta como
un aislante porque solo tiene unos pocos electrones libres y huecos debidos a la
energía térmica. En ellos, el número de huecos es igual al número de electrones y es
función de la temperatura del cristal.
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La conductividad en ellos a una temperatura ambiente no suele ser muy alta, y la
cantidad de electrones libres es igual a la cantidad de huecos presente en el cristal
debido al fenómeno de recombinación. Sucede que, a una determinada temperatura,
las velocidades de creación de pares e-h, y de recombinación se igualan, de modo que
la concentración global de electrones y huecos permanece invariable. Siendo n la
concentración de electrones (cargas negativas) y p la concentración de huecos (cargas
positivas), se cumple que:
pnni (1)
Siendo ni la concentración intrínseca del semiconductor, función exclusiva de la
temperatura. Si se somete el cristal a una diferencia de tensión, se producen dos
corrientes eléctricas. Por un lado la debida al movimiento de los electrones libres de
la banda de conducción, y por otro, la debida al desplazamiento de los electrones en
la banda de valencia, que tenderán a saltar a los huecos próximos, originando una
corriente de huecos en la dirección contraria al campo eléctrico cuya velocidad y
magnitud es muy inferior a la de la banda de conducción.
Tk
E
i
g
eTBn**22/3 ** (2)
Donde:
B: Constante del material semiconductor especifico
Eg: Es la magnitud del nivel de energía entre banda
T: Temperatura en grado Kelvin (K)
k : Constante de Boltzmann 86*10-6
eV/ K
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8
La constante del material para el Silicio (Si) es 5,23*1015
cm-3
K-3/2
, para el Arseniuro
de Galio (GaAs) es 2,10*1014
cm-3
K-3/2
y para el Germanio (Ge) es de 1,66 cm-3
K-3/2
.
3.2.- Semiconductores Extrínseco
Para aumentar la conductividad en un semiconductor intrínseco se somete al
semiconductor a un proceso de dopado, el cual consiste en agregar de una forma
controlada átomos o impurezas para cambiar sus características eléctricas y así
convertirlo en extrínseco y dependiendo del tipo de impurezas o átomos añadidos
podemos tener dos tipos de semiconductores extrínsecos.
3.2.1.- Semiconductores Extrínseco Tipo N
Es el semiconductor intrínseco que en el proceso de dopado se le han añadido átomos
o impurezas pentavalentes (5 electrones de valencia), entre las podemos que
mencionar Fósforo (P), arsénico (As), Antimonio (Sb), las cuales son llamadas
también impurezas donadoras las cuales añaden un electrón libre a al cristal a
temperatura ambiente ya que los cuatros restantes formaron enlace covalente con los
átomos vecinos del semiconductor. Ellas introducen un nivel donador entre la banda
de valencia y la banda de conducción pero mas cercano a esta última.
En ellos a una temperatura cualquiera existirán más electrones que huecos, los cuales
serán llamados portadores mayoritarios a los electrones y portadores minoritarios a
los huecos en este caso. En la figura 4 se puede ver un cristal de silicio al cual se le a
añadido un átomo de fósforo (P) el cual genera un electrón libre.
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Fig. 4.- Cristal de Silicio contaminado con átomos de Fósforo (Liberación de un electrón) y átomos de
Boro (Absorción de un electrón). Fuente: www.acapomil.cl
En la figura 5 se muestra el nuevo nivel de energía de un semiconductor con átomos
donadores (por ejemplo P en Si), el nivel dador se encuentra justo por debajo de la
banda de conducción. Los electrones (●) son promocionados fácilmente a la banda de
conducción. El semiconductor es de tipo-n.
Fig. 5. Nivel donador o dador introducido por los átomos pentavalentes
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10
Fuente: www.cpi.uc.edu.ve
3.2.2.- Semiconductores Extrínseco Tipo P
Es el semiconductor intrínseco que en el proceso de dopado se le han añadido átomos
o impurezas trivalentes (3 electrones de valencia), entre las podemos que mencionar
Boro (B), Indio (In), Aluminio (Al), Galio (Ga) las cuales son llamadas también
impurezas aceptadoras las cuales generan un hueco en el cristal a temperatura
ambiente ya que tres de sus electrones de valencia forman enlace covalente con los
átomos vecinos del semiconductor y queda un vacío en un de los enlaces covalentes o
simplemente no se llega a formar el enlace. Ellas introducen un nivel aceptador entre
la banda de valencia y la banda de conducción pero más cercano a la primera. En
ellos a una temperatura cualquiera existirán más huecos que electrones, los cuales
serán llamados portadores mayoritarios a los huecos y portadores minoritarios a los
electrones en este caso, contrario a los semiconductores extrínsecos tipo N. En la
figura 4 se puede ver un cristal de silicio al cual se le ha añadido un átomo de boro
(B) el cual genera un hueco. En la figura 6 se muestra el nuevo nivel de energía
añadido en un semiconductor con átomos aceptores (por ejemplo B en Si), el nivel
aceptor se encuentra justo por encima de la banda de valencia. Los electrones son
promovidos fácilmente al nivel aceptor dejando agujeros positivos (○) en la banda de
valencia. El semiconductor es de tipo-p.
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Fig. 6.- Nivel aceptador o aceptor introducido por los átomos trivalentes
Fuente: www.cpi.uc.edu.ve
4.- Ley de Acción de Masas
Esta ahora hemos observado que, al añadir impurezas de tipo n, disminuye el número
de huecos. De forma similar ocurre al dopar con impurezas tipo p, disminuye la
concentración de electrones libres a un valor inferior a la del semiconductor
intrínseco, en condiciones de equilibrio térmico, el producto de la concentración de
las cargas positivas y negativas libres es una constante independiente de la cantidad
de átomo donador o aceptador. Esta ecuación se denomina Ley de Acción de Masas y
viene dada por:
2* inpn (3)
5.- Ley de Neutralidad de Carga
En todo material semiconductor en circuito abierto se debe cumplir que la suma de
las cargas positivas debe ser igual a la suma de las cargas negativas. Así la
concentración de cargas positivas esta constituida por la suma de los iones positivos
ND y los huecos p, ND + p. De la misma manera la concentración de cargas negativas
esta constituida por la suma de los iones negativos NA y los electrones n, NA + n
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12
nNpN AD (4)
Cuando tenemos un material tipo n, que tenga NA = 0. El número de electrones será
mucho mayor que el número de huecos por lo tanto se puede aproximar la ecuación
anterior a:
DNn Dn Nn (5)
Por lo tanto, lo portadores minoritarios, los huecos se calculan utilizando la ley de
acción de masa:
D
in
N
np
2
(6)
De igual manera, en un semiconductor del tipo p:
2* ipp npn Ap Np A
ip
N
nn
2
(7)
6.- Movilidad y Conductividad
En los semiconductores la corriente eléctrica es el resultado del movimiento de ambas
cargas, es decir, de los electrones libre y los huecos, esto esta asociado a dos
fenómenos físicos.
Corriente de Arrastre o Desplazamiento (fuga)
Corriente de Difusión.
6.1 Corriente de Arrastre
Este primer fenómeno se origina por el movimiento de las cargas cuando se aplica un
campo eléctrico al material semiconductor. Cuando las cargas son aceleradas por el
campo eléctrico se producen que aumentan la energía térmica la cual va a fomentar el
movimiento de las cargas en forma no aleatoria. Y los portadores e carga se ven
afectado e la siguiente manera:
Electrones libres: La fuerza que el campo eléctrico ejerce sobre los electrones
provocará el movimiento de estos, en sentido opuesto al del campo eléctrico aplicado.
De este modo se originará una corriente eléctrica. La densidad de la corriente
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
TEORÍA DE SEMICONDUCTORES
13
eléctrica (número de cargas que atraviesan la unidad de superficie en la unidad de
tiempo) dependerá de la fuerza que actúa (q*E), del número de portadores existentes
y de la movilidad con que estos se mueven por la red, es decir:
EqnJ nn *** (8)
Donde:
nJ : Densidad de corriente de los electrones
n : Movilidad de los electrones en el material
n : Concentración de los electrones
q : Carga eléctrica (1,6 * 10-19
C)
E : Campo eléctrico aplicado.
La movilidad n es característica del material, y está relacionada con la capacidad de
movimiento del electrón a través de la red cristalina.
Huecos: El campo eléctrico aplicado ejerce también una fuerza sobre los electrones
asociados a los enlaces covalentes. Esa fuerza puede provocar que un electrón
perteneciente a un enlace cercano a la posición del hueco salte a ese espacio. Así, el
hueco se desplaza una posición en el sentido del campo eléctrico. Si este fenómeno se
repite, el hueco continuará desplazándose. Aunque este movimiento se produce por
los saltos de electrones, podemos suponer que es el hueco el que se está moviendo
por los enlaces.
Fig. 7.-Movimiento de los huecos debido al movimiento de los electrones
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
TEORÍA DE SEMICONDUCTORES
14
Fuente: www.info-ab.uclm.es
La carga neta del hueco vacante es positiva y por lo tanto, se puede pensar en el
hueco como una carga positiva moviéndose en la dirección del campo eléctrico.
Obsérvese en la figura 7 que los electrones individuales de enlace que se involucran
en el llenado de los espacios vacantes por la propagación del hueco, no muestran
movimiento continuo a gran escala. Cada uno de estos electrones se mueve
únicamente una vez durante el proceso migratorio. En contraste, un electrón libre se
mueve de forma continua en la dirección opuesta al campo eléctrico.
Análogamente al caso de los electrones libres, la densidad de corriente de huecos
viene dada por:
EqpJ pp *** (9)
Donde:
pJ : Densidad de corriente de los huecos
p : Movilidad de los huecos en el material
p : Concentración de huecos
q : Carga eléctrica (1,6 * 10-19
C)
E : Campo eléctrico aplicado.
La movilidad p es característica del material, y está relacionada con la capacidad de
movimiento del hueco a través de los enlaces de la red cristalina. La "facilidad" de
desplazamiento de los huecos es inferior a la de los electrones.
Considerando ahora el caso de un semiconductor que disponga de huecos y
electrones, al que sometemos a la acción de un campo eléctrico. Hemos visto cómo
los electrones se mueven en el sentido opuesto a la del campo eléctrico, mientras que
los huecos lo harán según el campo. El resultado es un flujo neto de cargas positivas
en el sentido indicado por el campo, o bien un flujo neto de cargas negativas en
sentido contrario. En definitiva, la densidad de corriente total es la suma de las
densidades de corriente de electrones y de huecos:
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
TEORÍA DE SEMICONDUCTORES
15
pnTotalArrastre JJJ (10)
6.2 Corriente de difusión
En segundo lugar tenemos el fenómeno de difusión; por regla las cargas electrones y
huecos, se mueven en sentido del gradiente de concentración, van de regiones de
mayor concentración a regiones de menor concentración para favorecer el equilibrio
de las cargas; este movimiento genera una corriente proporcional al gradiente de
concentración.
La difusión no depende del valor absoluto de la concentración de portadores, sino
solamente de su derivada espacial, es decir, de su gradiente la cual obedece Ley Fick
es la relación de proporcionalidad entre la densidad de corriente y el gradiente de
concentración de portadores de carga debido al fenómeno de la difusión.
nqDJ
** (11)
Donde J es la densidad de corriente (en A/m2), D es la difusividad (en m
2/s), q la
carga de los portadores (en C) y n (o p ) el gradiente de concentración de
electrones (o huecos) (en electrones o huecos /m4).
En los metales, la difusión no es un proceso de importancia, porque no existe un
mecanismo mediante el cual se pueda generar un gradiente de densidad. Dado que en
un metal únicamente hay portadores negativos de carga, cualquier gradiente de
portadores que se pudiera formar desequilibraría la neutralidad de la carga. El campo
eléctrico resultante crearía una corriente de arrastre, que de manera instantánea
anularía el gradiente antes de que pudiera darse la difusión. Por el contrario, en un
semiconductor hay portadores positivos y negativos de carga, por lo que es posible la
existencia de un gradiente de densidad de huecos y de electrones, mientras se
mantiene la neutralidad de la carga.
En un semiconductor, los componentes de la densidad de corriente de difusión
pueden expresarse de forma unidimensional mediante la ecuación:
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
TEORÍA DE SEMICONDUCTORES
16
dx
dpDq
dx
dnDqJ pnTotalDifusión ****_ (12)
El segundo término de la expresión tiene signo negativo porque la pendiente negativa
de los huecos da lugar a una corriente negativa de los huecos.
Donde:
DifusiónJ : Densidad de Difusión total
pD : Difusividad de los huecos
nD : Difusividad de los electrones
n : Concentración de electrones
p : Concentración de huecos
q : Carga eléctrica (1,6 * 10-19
C)
7.- Relación de Einstein
Establece la relación entre la constante de difusión (difusividad) y la movilidad de
cada portador ya que ambas son fenómenos estadísticos termodinámicas y no son
independientes. Esta relación viene dada por la ecuación de Einstein
T
p
p
n
n VDD
(12)
Donde TV es el “Potencial equivalente de Temperatura”, definido por:
q
TkVT
* (13)
k : Constante de Boltzmann (1,38*10-23
J/ K); T: Temperatura en Kelvin; q: Carga
del electrón (1,6*10-19
C)
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
TEORÍA DE DIODOS
CAPÍTULO II
TEORÍA DE DIODOS
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
TEORÍA DE DIODOS 18
CAPÍTULO II
TEORÍA DE DIODOS
1.- El Diodo
Un diodo no es más que la unión de un semiconductor tipo P con un semiconductor
tipo N a la que se le han añadido 2 terminales uno en la parte p y otro en la parte n,
para poder acoplarse a un circuito. En la figura 8 se puede observar una
representación idealizada de la unión PN.
Fig. 8.- Unión PN
Fuente: El autor
Es decir que el semiconductor de la región P tiene impurezas de tipo aceptadora y de
concentración NA y la región N tiene impurezas de tipo donadora ND. A la
temperatura ordinaria esas impurezas son ionizadas. Una impureza aceptadora NA da
un hueco libre móvil y una impureza donadora ND da un electrón libre móvil.
Después esas impurezas forman iones cargados, fijos en la red, iones negativos en la
región P e iones positivos en la región N respecto a la característica de la neutralidad
de los semiconductores antes del movimiento de los portadores.
Cuando los trozos de semiconductores entran en contacto, comienza a actuar los
mecanismos de difusión tanto en los electrones del semiconductor N como en los
Hueco
Electrón
Unión
Ion Aceptador Ion Donador
Tipo “p” Tipo “n”
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
TEORÍA DE DIODOS 19
huecos del semiconductor P. El mecanismo de difusión actúa de modo similar al
comportamiento de un gas.
Por Ejemplo, los huecos del semiconductor P, cuando se ven unidos a un trozo de
semiconductor en el que la presencia de huecos es casi nula (Semiconductor N),
comienzan a desplazarse hacia el semiconductor tipo N.
Ahora bien, tal como lo haría un gas, los huecos que se encuentran en la frontera con
el semiconductor N comienzan a desplazarse hacia la zona del semiconductor tipo n,
con el propósito de equilibrar la concentración de huecos a lo largo de toda la unión
pn.
Ocurre exactamente lo mismo con los electrones del semiconductor N que se
encuentran en la frontera con semiconductor tipo P donde apenas hay unos cuantos
electrones, comienzan a desplazarse hacia la zona del semiconductor tipo P.
¿Que ocurriría si los huecos de la zona P se dirigen a la zona N y los electrones de la
zona N se dirigen a la zona P?
Como los electrones se dirigen a un sitio con muchos huecos, se recombinan con los
huecos, y como los huecos se dirigen a un sitio con muchos electrones, también se
recombinan con los electrones, esto conlleva que en la zona próxima a la unión se
produzca un vaciamiento de portadores libres (electrones y huecos), quedando por lo
tanto en presencia de los iones de los semiconductores, cargada positivamente en el
semiconductor N y negativamente en el P. Ahora bien, conformé se va formando esa
región de carga espacial o también conocida como región de agotamiento, entorno a
la unión, se va creando un campo eléctrico
E en dicha región de carga, y dirigido de
la parte positiva a la negativa como se puede observar en la figura 9.
Tipo
“p” Tipo
“n” Hueco
Hueco
Neutro
Electrón
Electrón
Neutro
E
Ion Positivo Ion Negativo
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
TEORÍA DE DIODOS 20
Fig. 9.- Formación de la región de vaciamiento. Fuente: El Autor
En principio, los electrones y los huecos seguirán difundiéndose, pero en el momento
en que forma el campo eléctrico este se opone al movimiento de electrones de la zona
N a la P y se opone al movimiento de huecos de la zona P a la N. Por lo tanto hay,
una doble tendencia que intenta mover a los electrones y a los huecos: la difusión y el
campo eléctrico que se generan en la región de carga espacial.
Al principio, la difusión es suficiente para vencer al campo eléctrico, pero, al ir
creciendo la región de carga espacial, el campo también crece, y cada vez se opone
con más fuerza a la difusión. Pero llegará el momento en que el campo eléctrico sea
lo suficientemente grande como para detener el flujo de los electrones y huecos
debido a la difusión. Entonces se habrá llegado a una situación de equilibrio, y habrá
cesado el flujo de carga.
Fig. 10.- Unión PN en equilibrio. Fuente El Autor
Como se ha dicho anteriormente la unión PN conforma un diodo. Ahora queda
añadirle 2 terminales externos para ver como se comporta la unión PN cuando se le
aplica una determinada tensión entre la parte p y su parte n.
2.- Polarización en Sentido Directo.
Tipo “p” Tipo “n”
Neutro Neutro
E
Región de Carga Espacial
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
TEORÍA DE DIODOS 21
Supongamos que le aplicamos una tensión positiva VD entre la parte p y n como
muestra la figura 11.
Fig. 11.- Polarización en Directo de la unión PN
Fuente: El Autor
El hecho de aplicar esa tensión VD hace que se forme un campo eléctrico
DE que
atraviesa toda la unión pn, y cuyo sentido es de la zona p a la zona n, ese campo se
superpone en sentido opuesto al campo eléctrico que había en la región de carga
espacial el cual disminuirá, provocando que se reanude la difusión y se generara una
corriente eléctrica en el sentido de p a n, debida al flujo de huecos hacia la zona n y el
flujo de electrones hacia la zona p. En tal situación la región de carga espacial habrá
disminuido. Ver figura 12.
Tipo “p” Tipo “n”
V
D
DE
E
Tipo
“p” Tipo
“n”
VD
DE
E
Hueco Electrón
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
TEORÍA DE DIODOS 22
Fig. 12.- Circulación de Corriente en la Unión PN
Fuente: El Autor
La corriente es debida en su mayor parte al movimiento de los portadores
mayoritarios tanto de los huecos como de los electrones.
3.- Polarización en Sentido Inverso
Supongamos que le aplicamos una tensión positiva VD entre la parte n y p como
muestra la figura 13.
Fig. 13.- Polarización en Inverso de la Unión PN
Fuente: El Autor
Al aplicar más tensión a la parte N que a la parte P se genera un campo eléctrico
DE dirigido de la zona N a la zona P, que se superpondrá al campo de la región de
carga espacial, y, al ser del mismo sentido, dará como resultado que el campo
eléctrico
E de la región de carga aumente; al ser el campo el elemento que se opone
a la difusión, entonces, al aumentar imposibilitaría aun más la difusión. El resultado
es que, al igual que en el equilibrio, no circulara corriente a través de la unión, pero
Tipo “p” Tipo “n”
V
D
DE
E
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
TEORÍA DE DIODOS 23
esta vez habrá aumentado la región de carga espacial. Como se puede observar en la
figura 14.
Fig. 14.- Aumento de la Región Carga Espacial
Fuente: El Autor
En la polarización Inversa se dice que no hay circulación de corriente significativa a
través de la unión pero en realidad existe una pequeñísima corriente eléctrica que es
debida a los portadores minoritarios y fluye de la zona N a la zona P la cual recibe el
nombre de corriente inversa de saturación.
4.- Características De Un Diodo En Unión PN
Matemáticamente, la relación existente entre la tensión directa VD que soporta la
unión y la corriente que fluye de la zona P a la zona N viene dada por la siguiente
expresión:
E
V
D
DE
Tipo
“p” Tipo
“n”
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
TEORÍA DE DIODOS 24
)1( T
D
V
V
S e (14)
Esta es la expresión (VD) de una unión ideal. En una unión real, es similar pero no
del todo idéntica.
Donde:
: Es la intensidad de corriente que atraviesa el diodo.
VD: Es diferencia de tensión en los extremo del diodo
S: Es la intensidad de corriente de saturación (Es decir valores negativos de VD)
VT : Es una Constante que varia con la temperatura conocido como “Voltaje
Térmico” o “Potencial equivalente de Temperatura” y que para una temperatura de
300K tiene un valor de:
mVVVT 9,250259,0
La gráfica de esta relación tensión corriente es evidente:
Fig. 15.- Curva Característica del Diodo
Fuente: El Autor.
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
TEORÍA DE DIODOS 25
Si a la unión PN se le aplica una tensión inversa muy grande, entonces por ella
circulará una corriente inversa considerable, debida a dos mecanismos.
Avalancha (Diodos Poco Dopados):
Si la tensión inversa es muy grande, entonces el campo eléctrico que soporta la
unión también lo es.
Como ese campo atraviesa toda la unión, es capaz de captar tanto electrones
minoritarios de la zona P como huecos de la zona N, y acelerarlos mucho, de tal
modo que, tan grande es su energía cinética, que al colisionar con los enlaces de
la red cristalina, se llevan por delante a otros tantos electrones ( es decir, rompen
los enlaces, liberándose electrones), que, por el mismo mecanismo, pueden seguir
rompiendo mas enlaces y en consecuencia generan al final una gran cantidad de
electrones en movimientos que dan lugar a la corriente eléctrica.
Efecto Zener ( Diodos muy Dopados):
El efecto zener se basa en la aplicación de tensiones inversas que originan fuertes
campos eléctricos que producen la rotura de los enlaces covalentes dejando así
electrones libres capaces de establecer la conducción y no requiere la aceleración
de un portador de carga (huecos o electrones) debida al campo. El efecto zener es
reversible y así no es destructible cuando se limita la corriente a un valor no
demasiado elevado para que no se funda la unión.
De ese modo, la grafica real de la corriente que circula por la unión en sentido de
P hacia N en función de la
tensión directa será:
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
TEORÍA DE DIODOS 26
Fig. 16.- Curva Característica real del Diodo
Fuente: El Autor.
Donde:
Vγ: Tensión umbral.
La tensión umbral (también llamada barrera de potencial) de polarización directa
coincide en valor con la tensión de la zona de carga espacial del diodo no polarizado.
Imax: Corriente máxima.
Es la intensidad de corriente máxima que puede conducir el diodo sin fundirse por el
efecto Joule.
Is: Corriente Inversa de Saturación
Es la pequeña intensidad de corriente que se establece al polarizar inversamente el
diodo por la formación de pares electrón-hueco debido a la temperatura, admitiéndose
que se duplica por cada incremento de 10º en la temperatura.
Vr: Tensión de ruptura.
Es la tensión inversa máxima que el diodo puede soportar antes de darse el efecto
avalancha.
5.- Representación Simbólica del Diodo.
Como se dijo anteriormente un diodo no es más que una unión PN a la que se le
añaden 2 terminales externos para conectarse a un circuito, en la figura 17 se puede
observar la representación simbólica y la física de un diodo normal (De Propósito
General o Rectificador) con son 2 terminales Ánodo (Positivo) y Cátodo (Negativo).
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
TEORÍA DE DIODOS 27
Fig. 17.- Representación Simbólica y Física del Diodo
6.- Resistencias del Diodos
Cuando el punto de operación de un diodo se mueve desde una región a otra, la
resistencia del diodo también cambia debido a la forma no lineal de la curva
característica, si se analiza un diodo trabajando en régimen de continua o si está
trabajando en pequeña señal, lo cual significa que se aplica una señal alterna montada
sobre un nivel de continua. Se puede hablar de 2 tipos de resistencia a saber:
Resistencia Estática.
Resistencia Dinámica.
6.1.- Resistencia Estática.
Se obtiene al aplicar voltaje directo, el punto de operación no cambia con el tiempo,
es decir la resistencia estática de un diodo es independiente de la característica en la
región entorne al punto de interés solo depende del Voltaje y la corriente en el punto
de polarización (Q). Este punto corresponde a una tensión de polarización que por un
valor determinado da una corriente constante en régimen continuo.
d
dD
I
VR
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
TEORÍA DE DIODOS 28
Fig. 18.- Representación del punto Q sobre la curva característica de Diodo
6.2.- Resistencia Dinámica
La resistencia del diodo cambia con la corriente que le atraviese, por lo tanto se
define una resistencia en cada punto de la característica por la expresión:
Dr Se llama resistencia o dinámica de la unión, que corresponde a la resistencia
interna del diodo.
Gráficamente la resistencia dinámica Dr es un punto de la característica y se mide por
la pendiente de la recta tangente en ese punto.
Teóricamente de la ecuación )1( T
D
V
V
S e
T
D
T
S
D V
Ve
VI
dV
dI
r
11
Pero en la polarización directa
T
V
V
SV
I
dV
dIe T
D
I
Vr T
D
La relación anterior de la expresión de la resistencia de unión correspondiente a la
corriente que la atraviesa es decir, que fija el punto sobre la curva característica (V)
dI
dVrD
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
TEORÍA DE DIODOS 29
llamado punto de polarización. La resistencia diferencial Dr cambia el punto de
polarización sobre la curva característica.
A la temperatura ambiente:
Dr = 25,9 Ω cuando = 1mA
Dr = 2,59 Ω cuando = 10mA
Dr = 2,59KΩ cuando = 10µA
La resistencia diferencial o dinámica dI
dVrD se puede determinar gráficamente por
la medición de la pendiente de la tangente a la curva característica en el punto de
polarización. Esa pendiente da Dr
1 .
Experimentalmente se puede también notar la resistencia dinámica del diodo Dr
como la razón de una pequeña variación de voltaje V y de la variación
correspondiente de la intensidad .
I
VrD
Prácticamente se toma una pequeña variación de la alrededor del punto de
polarización y se nota la variación correspondiente del V. Esas variaciones deben
ser pequeñas porque la característica se aproxima a una recta y eso es exacto sobre un
pequeño intervalo alrededor de .
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
TEORÍA DE DIODOS 30
Fig. 19 Resistencia dinámica y Variación del punto Q
7.- Influencia De La Temperatura Sobre Las Propiedades De La Unión
Los semiconductores dependen mucho del efecto de la temperatura. En el caso de los
diodos la temperatura cambia:
A la corriente directa constante, el valor de la tensión a los bornes del diodo.
A la tensión inversa constante, el valor de la corriente inversa de saturación S
Esos efectos se denominan “Derivas Térmicas”.
7.1.- Influencia de la temperatura sobre la corriente de Saturación S
La corriente inversa de la unión viene del flujo de los portadores minoritarios en la
unión. Es decir que la variación de S en función de la temperatura sigue la ley de
variación de la generación de los portadores en función de la temperatura.
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
TEORÍA DE DIODOS 31
Tk
E
S
g
eTBI*3 **
El término KT
Eg
e
de la ecuación anterior, cambia mucho más que T3 alrededor de la
temperatura ambiente (300 K).
)(
0101)()(
TTK
SSieTITI
Donde ki= 0,072/C= 7,2%/C, resulta
10/)(
01012)()(
TT
SS TITI
, (e0,72
2)
“S se duplica aproximadamente cada 10 C de aumento de T”
La corriente inversa de los diodos de Si es menor que la corriente inversa para los
diodos Ge. Esta corriente aumenta rápidamente cuando aumenta la temperatura.
7.2.- Influencia de la temperatura sobre la tensión directa a los bornes de la
unión.
De manera general la tensión a los bornes de un diodo de unión PN de Si o Ge
polarizada a corriente constante, disminuye cuando ambiente aumenta de 1C.
)()()( 1212 TTkTVTV vDD
TkV vD
T1, T2 Temperatura
Kv coeficiente de temperatura V/C (usado en termómetros)
-2,5 mV/C Germanio
-2,0 mV/C Silicio
-1,5 mV/C Schottky
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
TEORÍA DE DIODOS 32
Fig. 20 Influencia de la temperatura sobre la tensión del diodo.
8.- Esquema Equivalente del Diodo en Régimen Alterno.
Capacidad de agotamiento o Transición.
Capacidad de Difusión.
8.1.- Capacidad de Agotamiento o de Transición
Del comportamiento de la unión PN en la región inversa observamos la analogía entre
la capa de agotamiento (o deplexión) y un condensador. A medida que cambia el
voltaje en paralelo con la unión PN, la carga almacenada en la capa de agotamiento
cambia de conformidad. En la figura 21 se muestra una curva característica típica de
carga versus el voltaje externo aplicado de una unión PN.
Fig. 21Curva Característica de la Capacidad de agotamiento
Cuando el dispositivo se polariza en inverso y la variación de la señal alrededor del
punto de polarización es pequeña como se ilustra se puede usar una aproximación de
capacitancia lineal. Desde esta aproximación a pequeña señal, la capacidad de
agotamiento o transición es simplemente la pendiente de la curva qJ versus VR en el
punto Q de polarización.
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
TEORÍA DE DIODOS 33
Fácilmente derivando se puede hallar una expresión para Cj. Si tratamos la capa de
agotamiento como un condensador de placas planas paralelas obtenemos una
expresión idéntica para Cj.
La expresión resultante para Cj se puede escribir en una forma conveniente
Siendo Cjo el valor de Cj obtenido para voltaje aplicado cero VR = VQ = 0
El análisis precedente y la expresión para Cj se aplican para uniones en las que la
concentración de portadores se hace cambiar abruptamente en la frontera de la unión.
Una fórmula más general para Cj es
Donde m es una constante cuyo valor depende de la manera en que cambia la
concentración del lado P al lado N de la unión. Se denomina coeficiente de
distribución, y su valor es de ⅓ a ½. También se conoce Cj = CT.
Para resumir, a medida que un voltaje de polarización inversa se aplica a una unión
PN, ocurre un transitorio durante el que la capacitancia de agotamiento se carga al
nuevo voltaje de polarización. Una vez que gradualmente desaparezca el transitorio,
la corriente inversa de estado estable es simplemente S. En realidad, corrientes de
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
TEORÍA DE DIODOS 34
hasta unos pocos nanoamperes (10-9
A) circulan en dirección inversa, en dispositivos
para los que S es del orden 10-15
A. Esta gran diferencia se debe a fuga y otros efectos.
Además, la corriente inversa depende en cierta medida de la magnitud del voltaje
inverso, contrario al modelo teórico, que expresa que ≅ S independiente del valor
del voltaje inverso aplicado. No obstante lo anterior, debido a que intervienen
corrientes muy bajas, por lo general no nos interesamos en los detalles de la curva
característica i-v del diodo en la dirección inversa.
En la Figura 22 se observa la variación de CT en función de VR para dos diodos
típicos.
Fig. 22 Variaciones de CT en función de VR para dos diodos Típicos
Se observa de la figura 22 que cuanto mayor sea la tensión inversa, mayor es el ancho
Wagot de la región de agotamiento o de carga espacial, y como consecuencia, menor la
capacidad Cj.
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
TEORÍA DE DIODOS 35
De manera análoga, si aumenta la tensión directa, Wagot disminuye y Cj aumenta. En
ciertos circuitos se utiliza este efecto de la variación de la capacidad con la tensión de
una unión PN polarizada inversamente.
8.2.-Capacidad de Difusión
De la descripción de la operación de la unión PN en la región de sentido directo
observamos que, en estado estable, cierta cantidad de exceso de carga de portadores
minoritarios se almacena en la mayor parte de cada una de las regiones P y N con
carga neutra. Si cambia la tensión entre terminales, este cambio finalizará antes que
se alcance un nuevo estado estable. Este fenómeno de carga y almacenamiento da
lugar a otro efecto capacitivo, muy diferente del que se debe al almacenamiento de
carga en la región de agotamiento.
Para pequeñas variaciones de carga situadas alrededor de un punto de polarización,
podemos definir la capacitancia de difusión a pequeña señal Cd como:
Y podemos demostrar que
Donde es la corriente del diodo en el punto de polarización. Nótese que Cd es
directamente proporcional a la corriente del diodo y es, por lo tanto, tan pequeña
que es despreciable cuando el diodo se polariza inversamente. Nótese también que
para mantener una Cd pequeña, el tiempo de tránsito T debe hacerse pequeño, lo cual
es un requisito importante para diodos destinados para operación a alta velocidad o
alta frecuencia.
9.- Modelos o Aproximaciones del Diodo.
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
TEORÍA DE DIODOS 36
Modelo Ideal
Modelo de caída de voltaje constante
Modelo Lineal por tramos
9.1.- Modelo Ideal
Un modelo útil para una gran variedad de instancias de análisis es el “ideal”, que
describe al diodo como una válvula unidireccional, esto es, como un conductor
perfecto cuando es polarizado directamente (positivo en el ánodo, negativo en el
cátodo), y como un aislador perfecto cuando es polarizado negativamente.
La figura 23 muestra la grafica el modelo ideal.
Fig. 23 Curva V vs de un Diodo Ideal
Si D es positiva, VD es cero, y se dice que el diodo está en estado On (encendido).
Si VD es negativo, D es cero, y se dice que el diodo está en estado Off (apagado).
El modelo ideal se puede utilizar si el contexto del circuito se puede presumir que los
voltajes serán de magnitud suficiente para asegurar uno u otro estado de operación de
los diodos, y si, frente a esos niveles de voltaje y corriente, los voltajes de conducción
y las corrientes inversas resultan despreciables. También resulta muy útil el modelo
ideal si lo que se requiere es la comprensión del funcionamiento de un circuito
(cualitativo) más que un análisis exacto (cuantitativo).
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
TEORÍA DE DIODOS 37
En este modelo se sustituyen o se reemplazan en el circuito el símbolo de diodo por
cortocircuitos (los supuestos en estado On) y por circuitos abiertos (los supuestos en
estado Off).
9.2.- Modelo de Caída de Tensión Constante
En este modelo no solo se sustituyen o se reemplazan en el circuito el símbolo de
diodo por cortocircuitos los que están en estado On y por circuitos abiertos los que
están en estado Off, sino que se lo agrega una fuente de tensión en serie al diodo al
diodo ideal, el valor de la fuente es la tensión umbral del diodo. En la figura 24 se
puede observar la curva característica V vs de diodo bajo usando esta aproximación
o modelo.
Fig. 24 Modelo de caída de voltaje constante de la característica directa del diodo y la
Representación de su circuito equivalente.
9.3.- Modelo Lineal por Tramos
Algunas aplicaciones cuyas solución requiere de mayor precisión obligan a mejorar el
modelo anterior, haciendo consideración tanto del voltaje de umbral (VD0) (diferente
de 0[V]) como del carácter finito de la pendiente de la curva V-.
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
TEORÍA DE DIODOS 38
Fig. 25 Modelo lineal por tramos de la característica directa del diodo y su circuito equivalente.
rD = 20 Ω; D = 0, VD ≤VD0 ; D = (VD – VD0)/rD ; Para VD ≥ VD0
rD: Resistencia interna del diodo válida tanto para condiciones estáticas como
dinámicas
10.- Parámetros y Especificaciones Eléctricas De Los Diodo
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 de pico Inverso (PIV). Este valor es igual al máximo valor que el
diodo puede tolerar cuando se polariza en inversa.
3. Máxima corriente inversa en PIV (R) (a temperatura y corriente
especificadas)
4. Máxima corriente de cd en directo (f). Este valor es igual a la máxima
corriente que puede circular por el diodo sin dañarlo cuando éste se encuentra
en el estado de conducción.
5. Corriente promedio de media onda rectificada en directo (o).
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TEORÍA DE DIODOS 39
6. Máxima temperatura de la unión.
7. Capacitancia máxima (c).
8. Disipación de Potencia.
9. Curvas de degradación de corriente.
10. Curvas características para cambio en temperatura de tal forma que el
dispositivo se pueda estimar para altas temperaturas.
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TEORÍA DE DIODOS 40
Fig.26 Hoja de Especificaciones del Fabricante BAY73
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TEORÍA DE DIODOS 41
Fig.27 Curvas Eléctricas Típicas del Diodo BAY73
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TEORÍA DE DIODOS 42
11.- Verificación del Estado de un Diodo
Debemos recordar que los diodos son componentes que conducen la corriente en un
solo sentido, teniendo en cuenta esto, se pueden probar con un multímetro en la
posición de "óhmetro" ya que para hacer la prueba de resistores, por él circula una
pequeña corriente que suministra el propio instrumento. En otras palabras, el
multímetro como óhmetro no es más que un microamperímetro en serie con una
batería y una resistencia limitadora.
Cuando el terminal positivo de la batería del multímetro se conecta en serie con el
ánodo del diodo bajo ensayo y el otro terminal del instrumento se conecta al cátodo,
la indicación debe mostrar una baja resistencia, mayor deflexión se conseguirá cuanto
más grande sea el rango, según se indica en la figura 28a.
En inversa el instrumento causará alta resistencia. En teoría la resistencia inversa
debería ser infinita, con lo cual la aguja del multímetro no se debería mover, como lo
sugiere la figura 28b, pero en algunos diodos, especialmente los de germanio, cuando
se los mide en rangos superiores a R x 100 en sentido inverso, provocan una
deflexión notable llegando hasta un tercio de la escala, lo cual podría desorientar a los
principiantes creyendo que el diodo está defectuoso cuando en realidad está en
buenas condiciones. Por lo tanto, para evitar confusiones la prueba de diodos debe
realizarse en el rango más bajo del óhmetro tal que al estar polarizado en directa la
aguja deflexione indicando baja resistencia y cuando se lo polariza en inversa la aguja
del instrumento casi no se mueva, lo que indicará resistencia muy elevada. Si se dan
estas dos condiciones, entonces el diodo está en buen estado.
Si la resistencia es baja en ambas mediciones, significa que el diodo está en
cortocircuito, en cambio si ambas lecturas indican muy alta resistencia, es indicio de
que el diodo está abierto. En ambos casos se debe desechar el componente.
La prueba es válida para la mayoría de los multímetros analógicos en los cuales el
negativo del "multímetro" corresponde al terminal positivo de la batería interna,
cuando el multímetro funciona como óhmetro, esto se ejemplifica en la figura 29
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TEORÍA DE DIODOS 43
El método aplicado es igualmente válido para todos los diodos sin incluir los
rectificadores de alta tensión empleados en televisores transistorizados, como por
ejemplo diodos de potencia para fuentes de alimentación, diodos de señal, diodos
varicap, diodos zener, etc., ya sean de germanio o de silicio.
Hay que observar que cuando se utiliza un multímetro digital que tiene una posición
para el diodo, puede llevarse a cabo una prueba dinámica de este dispositivo
semiconductor. Con un diodo en buenas condiciones, el voltaje de polarización
directa que despliega el mutímetro debe ser, aproximadamente, de 0,7 V. El
procedimiento anterior es la mejor prueba para verificar el estado de un diodo
a b
Fig. 28 Verificación del estado de un diodo con un ohmetro. a.- Cuando el diodo está polarizado en sentido directo, la lectura del ohmetro es baja
b. Si el diodo se polariza en sentido inverso, la lectura del ohmetro indica una
resistencia muy alta (infinita).
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TEORÍA DE DIODOS 44
Fig. 29
Nota: En los multimetros analógicos, la punta roja corresponde al negativo de la
batería interna.
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TIPOS DE DIODOS
Rectificador
Zener
Tunel
Varicap
o
Varactor
Led FotoDiodo
CAPÍTULO III
TIPOS DE DIODOS
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TEORÍA DE DIODOS 46
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
TIPOS DE DIODOS
47
CAPÍTULO III
TIPOS DE DIODOS
Según su construcción, se podría decir que existen dos tipos de diodos: de Contacto
por punta y de unión.
Los de contacto por punta están formados por un cristal semiconductor montado
sobre una base de metal y por un alambre terminado en punta, la cual hace contacto a
presión con el semiconductor. Un Terminal de conexión exterior va soldado al
extremo libre del alambre y el otro a la base del metal. El alambre suele ser de
aleación de platino, tungsteno, bronce fosforoso, etc. El cristal semiconductor, de
silicio tipo P o germanio tipo N. En realidad, no existe unión PN en este tipo de
diodo.
Los diodos de unión están formado por la unión de dos cristales de diferentes clases
uno tipo N y otro tipo P. Los terminales de conexión exteriores van unidos a las
superficies extremas de los cristales. Este tipo de diodo trabaja con potencias más
elevadas que los de contacto por punta.
Algunos diodos dentro de los dos tipos planteados son:
1. Diodo Zener
El diodo zener corresponde a una unión PN particular polarizada en sentido inverso
es decir que el cátodo (K) se conecta a un potencial más elevado que el ánodo (A), se
caracteriza porque conduce en la zona inversa a partir de una tensión negativa VZ.
Tiene tres zonas de funcionamiento, la zona de polarización en sentido directo tiene
las mismas características que el diodo rectificador o de propósito general, mientras
que en polarización en sentido inverso se diferencian dos zonas, una en la que el
diodo no conduce y en la que si conduce o permite la circulación de corriente, y la
tensión tiene un valor menor o igual a la tensión Zener o de ruptura (VZ), Esta tensión
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TIPOS DE DIODOS
48
de ruptura depende de las características de construcción del diodo, se fabrican desde
2 a 200 voltios.
Fig. 30 Curva Característica del Diodo Zener
Las características que diferencian a los diversos diodos Zener entre si son:
Tensiones de polarización inversa, conocida como Tensión Zener.- Es la
tensión que el zener va a mantener constante.
Corriente mínima de funcionamiento.- Si la corriente a través del zener es
menor, no hay seguridad en que el Zener mantenga constante la tensión en sus
bornes
Potencia máxima de disipación. Puesto que la tensión es constante, nos
indica el máximo valor de la corriente que puede soportar el Zener.
La máxima corriente que puede conducir un diodo Zener viene dada por la siguiente
ecuación:
Z
ZMAXMax
V
PI
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TIPOS DE DIODOS
49
Por tanto el Zener es un diodo que al polarizarlo inversamente mantiene constante la
tensión en sus bornes a un valor llamado tensión de Zener, pudiendo variar la
corriente que lo atraviesa entre el margen de valores comprendidos entre el valor
mínimo de funcionamiento y el correspondiente a la potencia de zener máxima que
puede disipar. Si superamos el valor de esta corriente el zener se destruye.
1.1.-Construcción de un diodo Zener
Los diodos Zener se fabrican por procesos de aleación o proceso de difusión según
sean las características que se deseen obtener. De modo general, podemos decir que
los diodos con tensiones de rupturas inferiores a 9V, presentan mejores características
cuando se fabrican por aleación, mientras que cuando las tensiones de rupturas son
superiores a los 12V se fabrican por difusión, pero para las tensiones entre 9V y 12V
el proceso de fabricación depende de otros factores.
Proceso de Fabricación por Aleación.
Este método consiste en calentar a una temperatura de 650°C aproximadamente, una
pequeña pastilla de cristal de silicio tipo N, a la que se le coloca encima una
minúscula cantidad de material tipo P. Al calentarlos se produce la aleación entre
ambos materiales en una zona de forma circular.
Proceso de Fabricación por Difusión
Este tipo de diodos se obtienen depositando en una delgada lamina de cristal de
silicio, boro por una cara (para la formación del materia tipo P) y por la otra vapor de
fósforo (para la formación del materia tipo N) el conjunto se introduce en un horno a
una temperatura superior a 1200ºC el calor provocara que en el cristal de silicio
penetre el fósforo por un lado y el boro por el otro, difundiéndose ambos materiales
en el cristal de silicio.
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TIPOS DE DIODOS
50
El tipo de encapsulado es igual que el de los diodos rectificadores. Aunque no se
comportan como ellos, es por eso que en simbología electrónica la forma de
representarlos es también diferente. Ver figura 31
Los modelos del diodo Zener se forman a partir de cualquiera de los modelos del
diodo de propósito general añadiendo una zona de operación, la de conducción
inversa. La expresión en polarización directa permanece sin cambios, pero en le zona
inversa hay que introducir una modificación en la conducción, que queda de la
siguiente forma:
Fig. 31 Aspecto Físico y Simbología del Diodo Zener
Modelo Ideal: VZ ≤ VD ≤ 0 No hay circulación de corriente
Los otros Modelos: VZ ≤ VD ≤ Vγ No hay circulación de corriente
1ER
Aproximación
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TIPOS DE DIODOS
51
Bajo esta aproximación el diodo se sustituye por una batería o fuente de tensión de
valor igual a tensión zener VZ. Esto solo es válido entre IZmín y IZmáx. Ver Figura 32
2DO
Aproximación
En esta segunda aproximación se sustituye al diodo por una batería de valor igual a la
tensión zener en serie con una resistencia, siendo está el inverso de la pendiente de la
curva característica en sentido inverso. Igualmente esto solo es válido entre IZmín y
IZmáx, Z
Z
ZD VV
R
VVI
. Ver figura 33.
Fig. 32 Curva Característica del diodo zener para la primera aproximación
Fig. 33 Curva Característica del diodo zener para la segunda aproximación
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TIPOS DE DIODOS
52
El modelo más utilizado del diodo zener es el que supone que las resistencias del
diodo tanto en directo como en inverso son muy pequeñas y se desprecia dicho valor,
quedando:
ZD
DZ
D
VVI
IVVV
VVI
0
0
0
1.2.- Código De Identificación Del Zener
Existen tres tipos de identificación de los diodos zener. El más moderno consiste en
tres letras seguidas de un número de serie y el valor que hace referencia a la tensión
zener.
1. Es un B, indicativa de que se trata de un elemento semiconductor de silicio
2. Es una Z, indica que se trata de un diodo zener
3. Es una X o Z indica que se trata de aplicaciones profesionales
Después ira el número de serie indicado por el fabricante y la tensión zener,
utilizando la V como coma decimal. Por ejemplo:
BZX-79-5V1
En ocasiones se le añade una letra más que nos indicara la tolerancia de la tensión
zener, según el siguiente código:
A---- 1%
B---- 2%
C---- 5%
D----10%
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E----15%
Otro código es el que utiliza También tres letras y el número de serie del fabricante,
siendo:
1. Es un O, indicativa de que se trata de un elemento semiconductor.
2. Es AZ, indica que se trata de un diodo zener
3. El numero de serie del fabricante.
Y por ultimo el código americano, que al igual que los diodos rectificadores seria:
1N seguido por un número de serie.
1.3.- Aplicaciones
Regulador de tensión.
Tensión de referencia.
Circuito Limitador.
1.4.- Especificaciones del fabricante
En el caso de los diodos zener por lo general aparecen los siguientes parámetros en
las hojas de especificaciones.
Tipo de dispositivo con el número genérico o con los números del fabricante.
Tensión zener nominal (tensión de temperatura por avalancha).
Tolerancia de tensión.
Máxima disipación de potencia (a 25°C).
Corriente de prueba, Izt.
Impedancia dinámica a Izt.
Corriente de vértice.
Máxima temperatura en la unión.
Coeficiente de temperatura.
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TIPOS DE DIODOS
54
Curvas de degradación para altas temperaturas.
2. Diodo Led Y Fotodiodo
2.1 Diodo LED
Ciertos tipos de diodos son capaces de cambiar la fuente de energía eléctrica en
fuente de energía lumínica. El diodo emisor de luz (LED, Light 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.
Los diodos emisores de luz, se fabrican con materiales semiconductores de
formulación especial [Arseniuro de Galio (GaAs), Fosfato de Galio (GaP)] que
emiten fotones de luz visible o infrarroja cuando conducen en polarización directa. En
polarización inversa se comportan como un diodo de propósito general, aunque se
diferencian en que su tensión umbral de conducción es de 1,5V a 2,2V
aproximadamente y la gama de corrientes que debe circular por él está entre los 10 y
20 miliamperios (mA) en los diodos de color rojo y de entre los 20 y 40 miliamperios
(mA) para los otros LEDs.
Pero como resulta difícil distinguir, por pura inspección visual, el modelo del LED así
como el fabricante: los valores máximos de tensión y corriente que puede soportar y
que suministra el fabricante serán por lo general desconocidos. Por esto, cuando se
utilice un diodo LED en un circuito, se recomienda que la intensidad que lo atraviese
no supere los 20 mA, precaución de carácter general que resulta muy válida.
Los LED, se pueden obtener en el mercado en diferentes colores: Rojo, Verde,
Naranja, Amarillo, Infrarrojo, Bicolor etc. Y ala intensidad de la luz tiene
dependencia lineal con la corriente de excitación. Estos dispositivos emisores de luz,
vienen constituidos para diferentes corrientes de excitación, corrientes muy altas
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TIPOS DE DIODOS
55
disminuirán la vida útil de LED, por ello, es importante colocar en serie con el diodo
una resistencia de protección para que limite la corriente que circula por el LED.
Dependiendo del material de que está hecho el LED, será la emisión de la longitud de
onda y por ende el color.
Fig. 34 Símbolo y Aspecto físico del Diodo LED
Para identificar los terminales del diodo LED observaremos como el cátodo será el
terminal más corto, siendo el más largo el ánodo. Además en el encapsulado,
normalmente de plástico, se observa un chaflán en el lado en el que se encuentra el
cátodo.
Se utiliza ampliamente en aplicaciones visuales, como indicadoras de cierta situación
específica de funcionamiento.
Ejemplos
- Se utilizan para desplegar contadores.
- Para indicar la polaridad de una fuente de alimentación de corriente directa.
- Para indicar la actividad de una fuente de alimentación de corriente alterna.
- En dispositivos de alarma.
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TIPOS DE DIODOS
56
Sus desventajas son que su potencia de iluminación es tan baja, que su luz es invisible
bajo una fuente de luz brillante y que su ángulo de visibilidad está entre los 30° y 60°.
Este último problema se corrige con cubiertas difusores de luz.
2.2.- Fotodiodo
Un fotodiodo realiza la función inversa al LED. Esto es, transforma la fuente de
energía lumínica en corriente eléctrica. Cuando el fotodiodo es polarizado en sentido
directo, ofrece un comportamiento similar al de un diodo de propósito general pero
cuando se ilumina una unión PN polarizada inversamente se produce un aumento de
la corriente inversa que es proporcional a la intensidad de luz aplicada. Este
fenómeno se da porque los fotones de luz generan nuevos pares electrón-hueco en las
dos zonas, de forma que los portadores minoritarios puedan atravesar la unión por la
acción del potencial inverso, contribuyendo aun aumento apreciable de la corriente
inversa, a ese flujo de corriente, se denomina " 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.
El fotodiodo exhibe un pico de respuesta en una longitud de onda radiante
determinada. Para esta longitud de onda, se produce la máxima cantidad de pares
huecos-electrón en la proximidad de la unión.
El máximo de la curva de respuesta espectral de un fotodiodo típico se halla en 850
nm, aproximadamente.
La totalidad de los detectores de luz comunes consisten en una unión a fotodiodo y un
amplificador. En la mayoría de dispositivos comerciales, la corriente del fotodiodo se
halla en el margen comprendido entre el submicroamperio y las decenas de
microamperios, pudiendo añadirse a la pastilla un amplificador por un coste mínimo.
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TIPOS DE DIODOS
57
Fig. 35 Simbología y Aspectos físicos de un Fotodiodo
Fig. 36 Curva característica / V de un fotodiodo para diferentes intensidades luminosas
Composición
El material empleado en la composición de un fotodiodo es un factor crítico para
definir sus propiedades. Suelen estar compuestos de silicio, sensible a la luz visible
(longitud de onda de hasta 1µm); germanio para luz infrarroja (longitud de onda hasta
aprox. 1,8 µm ); o de cualquier otro material semiconductor.
También es posible la fabricación de fotodiodos para su uso en el campo de los
infrarrojos medios (longitud de onda entre 5 y 20 µm), pero estos requieren
refrigeración por nitrógeno líquido.
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TIPOS DE DIODOS
58
Antiguamente se fabricaban exposímetros con un fotodiodo de selenio de una
superficie amplia.
Tabla de los semiconductores y su longitud de onda
3. DIODO DE BARRERA O SCHOTTKY
El diodo Schottky llamado así en honor del físico alemán Walter H. Schottky,
también denominado diodo pnpn o 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, es un dispositivo semiconductor que proporciona conmutaciones
muy rápidas entre los estados de conducción directa e inversa (menos de 1ns en
dispositivos pequeños de 5 mm de diámetro) y muy bajas tensiones umbral. Su
característica de tensión corriente es muy similar a la del diodo de unión PN de silicio
excepto porque la tensión en directo, Vγ, es 0.3 V en vez de 0.7 V, la capacitancia
asociada con el diodo es pequeña. A frecuencias bajas un diodo normal puede
conmutar fácilmente cuando la polarización cambia de directa a inversa, pero a
medida que aumenta la frecuencia el tiempo de conmutación puede llegar a ser muy
alto, poniendo en peligro el dispositivo.
El diodo Schottky está constituido por una unión metal-semiconductor (barrera
Schottky), ligeramente dopada con un metal como el aluminio o platino, en lugar de
la unión convencional semiconductor-semiconductor utilizada por los diodos
normales. Es por ello que se dice que el diodo Schottky es un dispositivo
semiconductor "portador mayoritario". Esto significa que, si el cuerpo semiconductor
está dopado con impurezas tipo N, solamente los portadores tipo N (electrones
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59
móviles) jugaran un papel significativo en la operación del diodo y no se realizará la
recombinación aleatoria y lenta de portadores tipo N y P que tiene lugar en los diodos
rectificadores normales, con lo que la operación del dispositivo será mucho más
rápida.
La alta velocidad de conmutación permite rectificar señales de muy altas frecuencias
y eliminar excesos de corriente en circuitos de alta intensidad.
La limitación más evidente del diodo de Schottky es la dificultad de conseguir
resistencias inversas relativamente elevadas cuando se trabaja con altos voltajes
inversos pero el diodo Schottky encuentra una gran variedad de aplicaciones en
circuitos de alta velocidad para computadoras donde se necesiten grandes velocidades
de conmutación y mediante su poca caída de voltaje en directo permite poco gasto de
energía, otra utilización del diodo Schottky es en variadores de alta gama para que la
corriente que vuelve desde el motor al variador no pase por el transistor del freno y
este no pierda sus facultades.
Fig. 37 Simbología y Curva Característica del Diodo Schottky
4. Diodo Pin
El fotodiodo PIN es el detector más importante utilizado en los sistemas de
comunicación óptica. Es relativamente fácil de fabricar, altamente fiable, tiene bajo
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TIPOS DE DIODOS
60
ruido y es compatible con circuitos amplificadores de baja tensión. Además, es
sensible a un gran ancho de banda debido a que no tiene mecanismo de ganancia. Es
un diodo que presenta una región P y una región N también fuertemente dopada,
separadas por una región de material que es casi intrínseco. Este tipo de diodos se
utiliza en frecuencias de microondas, es decir, frecuencias que exceden de 1 GHz,
puesto que incluso en estas frecuencias el diodo tiene una impedancia muy alta
cuando está inversamente polarizado y muy baja cuando esta polarizado en sentido
directo. Además, las tensiones de ruptura están comprendidas en el margen de 100 a
1000 V.
En virtud de las características del diodo PIN se le puede utilizar como interruptor o
como modulador de amplitud en frecuencias de microondas ya que para todos los
propósitos se le puede presentar como un cortocircuito en sentido directo y como un
circuito abierto en sentido inverso. También se le puede utilizar para conmutar
corrientes muy intensas y/o tensiones muy grandes.
Los diodos Pin hacen básicamente cambiar su resistencia en RF en función de las
condiciones de polarización. Por ello, pueden actuar:
1. Como conmutador de RF
2. Como resistencia variable
3. Como protector de sobretensiones
4. Como fotodetector
El diodo se forma partiendo de silicio tipo P de alta resistividad. La capa P de baja
resistividad representada, está esta formada por difusión de átomos de boro en un
bloque de silicio tipo P y la capa N muy delgada está formada difundiendo grandes
cantidades de fósforo. La región intrínseca es realmente una región P de alta
resistividad y se suele denominar región p. Cuando el circuito está abierto, los
electrones fluyen desde la región (p) hasta la región P para recombinarse con los
huecos en exceso, y los huecos fluyen desde la región para recombinarse con los
electrones de la región N. Si el material (p) fuese verdaderamente intrínseco, la
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TIPOS DE DIODOS
61
caída de tensión en la región sería nula, puesto que la emigración de huecos sería
igual a la emigración de electrones. Si embargo, como el material es en verdad p (P
de alta resistividad), hay mas huecos disponibles que electrones.
Cuando se aplica una polarización inversa al diodo los electrones y los huecos del
material p son barridos (swept free). Un posterior aumento de la tensión inversa
simplemente incrementa las distribuciones de tensiones P- e -N. En el diodo PIN la
longitud de la región de transición L es aproximadamente igual a la región y
aproximadamente independiente de la tensión inversa. Por lo tanto, a diferencia de los
diodos PN o Schottky, el diodo PIN tiene una capacidad inversa que es
aproximadamente constante, independiente de la polarización. Una variación típica de
la capacidad podría ser desde 0,15 hasta 0,14 pF en una variación de la polarización
inversa de, por ejemplo, 100 V. En virtud de que es igual a la longitud de la región ,
la longitud de la región de transición es aproximadamente constante y
considerablemente mayor que la de otros diodos y, por lo tanto, la capacidad CR, que
es proporcional a 1/L es significativamente menor que la de otros diodos, por lo que
el diodo PIN es apropiado para aplicaciones de microondas. Los valores normales de
CR varían desde 0,1 pF hasta 4 pF en los diodos PIN, comercialmente asequibles.
Cuando el diodo está polarizado en sentido directo, los huecos del material P se
difunden el la región p, creando una capa P de baja resistividad. La corriente es
debida al flujo de los electrones y de los huecos cuyas concentraciones son
aproximadamente iguales en la región . En la condición de polarización directa la
caída de tensión en la región es muy pequeña. Además, al igual que el diodo PN,
cuando aumenta la corriente, también disminuye la resistencia. En consecuencia el
diodo PIN es un dispositivo con su resistencia o conductancia modulada. En una
primera aproximación, la resistencia rd en pequeña señal es inversamente
proporcional a la corriente IDQ con polarización directa, lo mismo que en el diodo PN.
En frecuencias de microondas se representa de maneras más sencillas por una
capacidad CR en serie con la resistencia directa rd. Con tensiones directas, CR es
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62
aproximadamente infinita, mientras que en polarización inversa, rd es
aproximadamente nula. La capacidad CT es la capacidad parásita paralelo que se
produce soldando el diodo a la cápsula y L es la inductancia serie debida a los hilos
de conexión desde el diodo hasta la cápsula.
Fig.38 Circuito equivalente del diodo PIN en la región Directa e Inversa
Fig. 39 Simbología del Diodo PIN
5. Diodo Varactor O Varicap
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Los diodos varactores [llamados también varicap (diodo con capacitancia-voltaje
variable) o sintonizadores] son semiconductores dependientes del voltaje, capacitores
variables. Su modo de operación depende de la capacitancia que existe en la unión P-
N cuando el elemento está polarizado inversamente. En condiciones de polarización
inversa, se estableció que hay una región sin carga en cualquiera de los lados de la
unión que en conjunto forman la región de agotamiento y definen su ancho Wd. La
capacitancia de transición (CT) establecida por la región sin carga se determina
mediante:
CT = E (A/Wd)
Donde E es la permitibilidad de los materiales semiconductores, A es el área de la
unión P-N y Wd el ancho de la región de agotamiento.
Conforme aumenta el potencial de polarización inversa, se incrementa el ancho de la
región de agotamiento, lo que a su vez reduce la capacitancia de transición. El pico
inicial declina en CT con el aumento de la polarización inversa. El intervalo normal
de VR para diodos varicap se limita aproximadamente 20V. En términos de la
polarización inversa aplicada, la capacitancia de transición se determina en forma
aproximada mediante:
CT = K / (VT + VR)n
donde:
K = constante determinada por el material semiconductor y la técnica de
construcción.
VT = potencial en la curva según se definió en la sección
VR = magnitud del potencial de polarización inversa aplicado
n = 1/2 para uniones de aleación y 1/3 para uniones de difusión
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Fig.40 Simbología del Diodo Varicap y Circuito equivalente
Fig. 41 Curva de Variación de la capacitancia vs Tensión Inversa aplicada
Los valores de capacidad obtenidos van desde 1 a 500 pF. La tensión inversa mínima
tiene que ser de 1 V.
La aplicación de estos diodos se encuentra, sobre todo, en la sintonía de TV,
modulación de frecuencia en transmisiones de FM y radio.
Ventajas y desventajas
El varicap tiene, entre otras, las siguientes ventajas:
Menor tamaño que los capacitores variables mecánicos.
Posibilidad de sintonía remota.
La principal desventaja del varicap es la dependencia de algunos de sus parámetros de
la temperatura y por lo tanto requiere esquemas de compensación.
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6. Diodo Tunel
El físico japonés Esaki, descubrió que los diodos semiconductores obtenidos con un
grado de contaminación del material básico mucho más elevado que lo habitual
exhiben una característica tensión-corriente muy particular. La corriente comienza
por aumentar de modo casi proporcional a la tensión aplicada hasta alcanzar un valor
máximo, denominado corriente de cresta. A partir de este punto, si se sigue
aumentando la tensión aplicada, la corriente comienza a disminuir y lo siga haciendo
hasta alcanzar un mínimo, llamado corriente de valle, desde el cual de nuevo
aumenta. El nuevo crecimiento de la corriente es al principio lento, pero luego se
hace cada vez más rápido hasta llegar a destruir el diodo si no se lo limita de alguna
manera. Este comportamiento particular de los diodos muy contaminados se debe a lo
que los físicos denominan efecto túnel, para las aplicaciones prácticas del diodo túnel,
la parte mas interesante de su curva característica (ver figura 42) es la comprendida
entre la cresta y el valle. En esta parte de la curva a un aumento de la tensión aplicada
corresponde una disminución de la corriente; en otros términos, la relación entre un
incremento de la tensión y el incremento resultante de la corriente es negativa y se
dice entonces que esta parte de la curva representa una "resistencia incremental
negativa". Una resistencia negativa puede compensar total o parcialmente una
resistencia positiva. Así, por ejemplo, las pérdidas que se producen en un circuito
resonante a causa de la presencia siempre inevitable de cierta resistencia en el, se
compensa asociando al circuito una resistencia negativa de valor numérico
conveniente y realizada por ejemplo, mediante un diodo túnel. En tal caso el circuito
oscilante se transforma en un oscilador.
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Fig. 42 Curva Característica del Diodo túnel
Cuando el voltaje de polarización directa se encuentra entre 0,1V y 0,5V, la corriente
empieza a reducirse con el aumento del voltaje, llevando a una característica de
corriente- voltaje en forma de S, la región central de esta curva se llama la región de
resistencia negativa, el voltaje mínimo a la derecha de esta región se denomina
tensión de valle (VV); la corriente en este punto se llama corriente de valle (V), y la
corriente máxima que fluye a bajos voltajes se llama corriente de pico (P) y la tensión
en ese punto es el voltaje de pico (VP).
El diodo túnel es útil en aplicaciones de alta velocidad. Conforme aumenta la
polarización directa, la corriente aumenta con rapidez hasta que se produce la ruptura,
entonces la corriente cae rápidamente. Este a su vez es muy útil debido a esta cesión
de resistencia negativa la cual se desarrolla de manera característica en el intervalo de
50mV a 250mv.
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
TIPOS DE DIODOS
67
Fig. 43 Circuito equivalente y simbología del Diodo Túnel
7. Diodo De Contacto Puntual.
El rectificador de contacto puntual consiste en un semiconductor sobre el que
descansa la punta de un alambre delgado.
La curva de corriente versus voltaje es cualitativamente similar a la del diodo de
unión. Sin embargo, para un voltaje positivo dado, el diodo de contacto puntual
conduce algo más de corriente. Más aún, conforme el voltaje negativo aumenta, la
corriente inversa tiende a aumentar más bien que permanecer aproximadamente
constante. La marca inflexión en la curva del diodo de unión en -V» no ocurre en los
diodos de contacto puntual, dado que el calentamiento de tal punto ocurre a voltajes
mucho mas bajos y produce un aumento gradual de la conductancia en la dirección
negativa.
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
APLIACIONES DE LOS DIODOS
CAPÍTULO IV
APLICACIONES DE LOS
DIODOS
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
APLICACIONES DEL DIODOS
69
CAPÍTULO IV
APLICACIONES DE LOS DIODOS
El diodo es un elemento semiconductor formado por la unión de dos pastillas
semiconductoras, una de tipo P (ánodo) y otra de tipo N (cátodo).
Cuando la tensión en el ánodo es más positiva (o menos negativa) que la del cátodo,
superándola en al menos 0,6 voltios en diodos de silicio y de 0,3 voltios en los de
germanio, el diodo se encuentra polarizado directamente. En esta disposición
conducirá el diodo y se comportará prácticamente como un cortocircuito (en su
modelo ideal). Si la tensión en el ánodo es menor que la correspondiente al cátodo, el
diodo estará polarizado inversamente y no conducirá, siendo equivalente a un
circuito abierto (en su modelo ideal).
1.- Rectificador
Concepto
Los rectificadores se usan para transformar una señal alterna en una señal continua.
Se usan por lo tanto en todos los circuitos electrónicos, salvo los que van alimentados
por baterías. Cualquier dispositivo que permita circular la corriente en un solo sentido
podemos decir que es un rectificador. Y éste es el caso de los diodos, pues
únicamente cuando el ánodo esté a una tensión más positiva que el cátodo dejará
pasar la corriente a través de él, con el sentido convencional de ánodo a cátodo.
1.1.- Rectificador de Media onda
Un circuito rectificador de media onda sólo rectifica la mitad de la tensión alterna
presente en su entrada; es decir, cuando el ánodo tenga una tensión sea mas positivo
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
APLICACIONES DEL DIODOS
70
respecto a la tensión en el cátodo. Puede considerarse como un circuito en el que la
unidad rectificadora está en serie con la tensión de entrada y la carga. Ver figura 44.
T1
D1
RL
+
-
Vo
+
-
Vi
Fig. 44 Circuito Rectificador de Media Onda
En el circuito de la figura 44, cuando llega el semiciclo positivo de señal presente en
el secundario del transformador al ánodo del diodo, éste queda polarizado
directamente y consecuentemente conducirá; la tensión en la salida Vo vista en los
terminales de la resistencia será Vo = Vm-0,7 V, siendo Vm la amplitud de la señal de
entrada.
Cuando llegue el semiciclo negativo del secundario al ánodo del diodo, éste quedará
polarizado inversamente y no conducirá, siendo Vo muy próxima a cero ya que
siempre circulará una pequeñísima corriente inversa.
SEÑAL DE SALIDA
-2
0
2
4
6
8
10
12
Tiempo (S)
Tensió
n d
e S
alid
a V
o (
V)
Fig. 45 Señal de Salida de un Circuito Rectificador de Media Onda
SEÑAL DE ENTRADA
-15
-10
-5
0
5
10
15
Tiempo (S)
Ten
sió
n d
e E
ntr
ad
a V
i (V
)
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
APLICACIONES DEL DIODOS
71
Las tensiones características vendrán dadas por las siguientes ecuaciones:
Valor Eficaz de la tensión de Salida RMS 2
7,0 VVV m
o
Valor Medio o Tensión de corriente continúa
VVomed
7,0V m
Aplicaciones. Se emplean como alimentación de muchos sistemas de baja tensión y
de aparatos universales, así como para proporcionar alta tensión a los osciloscopios.
1.2.- Rectificador de Onda Completa o Doble onda
El rectificador de doble onda, también denominado onda completa, está formado por
dos rectificadores de media onda que funciona durante alternancias opuestas de la
tensión de entrada.
Tipos:
Con Transformador de Toma Central
Puente
Con Transformador de Toma Central
El secundario del transformador tiene en su punto intermedio una toma conectada a
tierra, obteniéndose así dos tensiones iguales y desfasadas 180 grados que se aplican
alternativamente a los ánodos de cada diodo.
Cuando llega el semiciclo positivo a un diodo, al otro le llega el semiciclo negativo,
con lo cual uno conduce y el otro no, y viceversa. Consecuentemente siempre habrá
un diodo conduciendo, obteniéndose en la salida únicamente semiciclos positivos.
En este circuito tenemos:
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
APLICACIONES DEL DIODOS
72
Fig. 46 Circuito Rectificador Doble Onda con Transformador de Toma Central
Fig. 47 Señal de Entrada al Circuito Rectificador Doble Onda con Transformador de Toma Central
Fig. 48 Señal de Salida del Circuito Rectificador Doble Onda con Transformador de Toma Central
Vo
(Vm-
0,7V)
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
APLICACIONES DEL DIODOS
73
Fig. 49 Señal presente en los Diodos D1 y D2
Valor Eficaz de la tensión de Salida RMS 2
7,0 VVV m
o
Valor Medio o Tensión de corriente Continua
)7,02(V m V
Vomed
Aplicaciones. Se usan en sistemas de todos los equipos de comunicación, teniendo
un gran rendimiento y posibilidad de proporcionar una gran gama de tensiones con
corrientes moderadas. Se utilizan mucho para la carga de baterías porque así se evita
el peligro de la saturación del núcleo del transformador.
Tipo Puente
Son cuatro rectificadores de media onda conectados en la forma indicada en el
circuito.
Fig. 50 Circuito Rectificador Onda Completa Tipo Puente
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
APLICACIONES DEL DIODOS
74
La tensión alterna se aplica entre las uniones de un ánodo y un cátodo de dos diodos,
obteniéndose la salida en el punto de unión de dos cátodos (polo positivo) y de dos
ánodos (polo negativo).
Durante el semiciclo positivo de la señal de entrada conducen dos diodos, cerrándose
el circuito de circulación de la corriente por la resistencia de carga; durante el
semiciclo negativo conducirán los otros dos diodos, cerrándose el circuito también
por la resistencia de carga. Así se obtiene en la salida únicamente semiciclos
positivos tal como ocurría en el circuito rectificador de doble onda anterior.
Fig. 51 Circuito Rectificador Onda Completa Tipo Puente
En este rectificador las fórmulas y el tipo de aplicaciones son las mismas que en el
anterior, aunque debemos tener en cuenta que la tensión de salida será 0,7 voltios
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
APLICACIONES DEL DIODOS
75
inferior pues al haber dos diodos conduciendo la caída de tensión será ahora de
0,7+0,7=1,4. Sin embargo, la ventaja que presenta es que el transformador no
necesita toma intermedia y que la tensión inversa se reparte entre dos diodos en cada
semiciclo, no sobre uno sólo como en el circuito anterior.
Valor Eficaz de la tensión de Salida RMS 2
4,1 VVV m
o
Valor Medio o Tensión de corriente continúa
VVoDC
)4,12(V m
2.- Factor de Forma F y Índice de Ondulación (Factor de Rizo)
2.1.- Factor de Forma Ff
El factor de forma de una rectificación es la relación que existe entre el valor eficaz
total de la magnitud ondulada y su valor medio
SenwtdtVT
wtdtSenVT
V
VF
m
T
T
m
oDC
rmsf
0
0
22
1
1
Cuanto mas se acerca a la unidad el factor de forma, mejor será la rectificación
obtenida.
2.2.-Índice de Ondulación o Factor de Rizo Fr
El índice de modulación es igual al cociente entre el valor eficaz de la ondulación
exclusivamente y su valor medio.
12 fr FF
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
APLICACIONES DEL DIODOS
76
3.-Comparación Entre los Diferentes Rectificadores
El rectificador de media onda tiene un índice de ondulación igual a 1,21. Este
resultado indica que la tensión eficaz de ondulación es mayor que la tensión promedio
de salida y este tipo de rectificador es un circuito relativamente malo para convertir
corriente alterna en continua.
El rendimiento que se obtiene con este tipo de rectificador era realmente bajo, ya que
medio período de la corriente quedaba completamente inútil.
El otro tipo de rectificador doble onda, no presenta este problema. Sin embargo este
rectificador plantea otro problema, ahora en los diodos. La tensión inversa que debe
soportar los diodos es el doble de la tensión rectificada.
Debemos también tener para este tipo de rectificador un transformador con toma
central en el secundario.
El rectificador tipo puente soluciona estos problemas.
Las desventajas del rectificador tipo puente son las siguientes:
Necesidad de utilizar dos diodos por fase (el doble de diodos que el
rectificador con toma central) y necesidad que estos diodos posean una
resistencia directa pequeña.
Las Ventajas son:
La tensión inversa que debe soportar cada diodo es la mitad que en el caso con
transformador con toma central.
El transformador no necesita toma central.
En conclusión se utiliza siempre un rectificador de onda Completa que tiene un índice
de ondulación más interesante que el media onda.
El rectificador tipo puente es el que se utiliza con más frecuencia.
La corriente rectificada en cada tipo tiene una componente alterna muy importante.
Debemos separar esta componente de la corriente, es decir filtrarla.
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
APLICACIONES DEL DIODOS
77
4.-Filtraje.
La salida de cualquiera de los rectificadores anteriormente expuestos debe ser
modificada para que se aproxime lo más posible a una tensión continua pura. Para
ello se utiliza un filtro (tipo paso bajo) para así aplanar los impulsos rectificados.
4.1.- Filtraje con condensador
Con frecuencia el filtraje se efectúa colocando un condensador en paralelo con la
carga. El funcionamiento de este sistema se basa en que el condensador almacena
energía durante el período de conducción y entrega esta energía a la carga durante el
período inverso, o de no conducción. De esta forma, se prolonga el tiempo durante el
cual circula corriente por la carga, y se disminuye notablemente el rizado.
Rectificador de media onda con filtro capacitivo
El condensador en los filtros paso bajo va en paralelo con el rectificador y la carga.
Su capacidad debe ser grande para que la reactancia que presente sea mucho menor
que la resistencia de la carga.
Fig. 52 Circuito Rectificador de Media Onda con Filtro Capacitivo
En el semiciclo positivo de la señal de entrada el diodo conduce, cerrándose así el
circuito y haciendo que el condensador se cargue a una tensión muy próxima a la
tensión de pico de salida del secundario del transformador. Debe elegirse con gran
cuidado el diodo y el condensador para evitar que cuando el condensador se
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
APLICACIONES DEL DIODOS
78
encuentre totalmente descargado, el primer pico de corriente sea excesivamente
grande y dañe al diodo.
Durante el semiciclo negativo de la señal de entrada (Vs) el diodo no conduce,
comportándose prácticamente como un circuito abierto. El condensador se descargará
sobre la resistencia hasta que empiece un nuevo semiciclo positivo en el secundario
del transformador, volviendo a cargarse el condensador en cuanto la tensión de
entrada supere a la que conserva entre sus extremos el condensador.
Fig. 53 Señal de Salida
de tensión (VO) y
Corriente id Circuito
Rectificador Media Onda
con Filtro Capacitivo.
En ese momento el
condensador volverá a recuperar la carga perdida hasta alcanzar el valor de pico de la
tensión de entrada, y así sucesivamente se vuelve a repetir el suceso.
La magnitud del segundo pico de corriente, y los sucesivos, son bastante inferiores al
primero y dependerán de la carga que aun conserve el condensador y también de la
capacidad del mismo.
Podemos observar en el osciloscopio que ya no existe vacío en la señal entregada por
el rectificador sin filtro, resultando así la señal más plana. Aumentando la capacidad
del condensador, la inclinación de la descarga sería menor y con ello disminuiría el
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
APLICACIONES DEL DIODOS
79
factor de rizado; sin embargo, tal capacidad no puede aumentarse en exceso porque el
impulso de corriente que se produciría en el instante de inicio de la carga alcanzaría
una intensidad capaz de dañar al diodo.
La constante de tiempo del condensador y la resistencia de carga debe ser grande
comparada con el período de la señal de entrada: RLC>>>T.
Filtro a condensador en el rectificador de doble onda
En este caso, el efecto producido por el condensador es el mismo, pero el tiempo de
descarga se reduce a la mitad y consecuentemente la magnitud de los impulsos de
corriente disminuye.
Fig. 54 Circuito Rectificador Onda Completa con Filtro Capacitivo
La tensión de salida del circuito y la corriente serán idénticas a las obtenidas en el
rectificador de media onda; ahora bien, al ser el doble la frecuencia de los semiciclos
que llegan al condensador, la tensión de rizado será menor y se obtendrá una tensión
más constante.
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
APLICACIONES DEL DIODOS
80
Fig. 55 Señal de Salida Circuito Rectificador Onda Completa con Filtro Capacitivo
En la figura 55 podemos ver las distintas tensiones y tiempos que se emplearán en el
análisis del calculo del factor de rizado. Hay que tener en cuenta que, como se supone
un rizado bajo, la señal que se considera de salida es una onda en diente de sierra si la
constante de tiempo RLC es grande frente al período de la señal, o sea RLC>>>T
como la siguiente:
Fig. 56 Método Gráfico para estimar el factor de rizado
A partir de esta señal, deducimos que la tensión de continua a la salida viene dada
como: 2
rmdc
VVV , donde Vm es la tensión de pico de la señal rectificada. Se
observa de dicha tensión de continua es la tensión de pico menos el valor medio del
rizado, el cual en este caso sencillo coincide con Vr/2.
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
APLICACIONES DEL DIODOS
81
El condensador se descarga linealmente durante T/2, luego la carga perdida se puede
expresar como: 2
TI dc y nos queda que la tensión de rizado y de continua vienen dadas
por las ecuaciones:
fC
I
C
TI
C
QV dcdc
r22
fC
IV
VVV dc
mr
mdc42
El rizado se puede definir como:
dc
rms
V
Vr
Vrms: Valor eficaz de la componente alterna
Vdc: Componente continúa
Obtenemos el valor eficaz de la componente alterna aplicando la definición, y nos
queda:
32234
1
2
1
0
2
2
3
0
2
rr
rrrms
VVd
VVV
Ahora substituimos el valor Vrms obtenido en la fórmula del rizado:
Ldc
dc
dc
r
fCRfCV
I
V
Vr
34
1
34*32
De nuevo se deduce que r disminuye con f, C y RL.
Filtro en PI con resistencia
La particularidad de este filtro es que lleva dos condensadores de filtro, unidos por
una resistencia que también podría ser una bobina.
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
APLICACIONES DEL DIODOS
82
T1
R1
47ohm
RL
330ohm
C1
470uF
C2
470uF
D1
1N4001GP
D2
1N4001GP
Fig. 57 Filtro en con resistencia
La carga y descarga del primer condensador produce un efecto como en el
rectificador de media o doble onda con filtro a condensador. La resistencia entre
ambos condensadores hace que se aplane aun más la señal, llegándole al segundo
condensador una corriente relativamente constante. Por último, la carga y descarga de
este último condensador, debido a la componente alterna, aplana todavía más las
fluctuaciones y a la carga llegará una corriente continua relativamente pura.
Estos filtros no son buenos porque, debido a la caída de tensión en la resistencia,
disminuirá la tensión en la salida del circuito y es muy posible que ésta sea
insuficiente. Se emplean únicamente cuando la corriente demandada sea pequeña
(consecuentemente la caída de tensión será despreciable en la resistencia entre
condensadores). Tal es el caso dado, por ejemplo, en la alimentación de alta tensión
en los tubos de rayos catódicos en los que se necesita una alta tensión con una baja
corriente.
5- Doblador de Tensión
Un circuito multiplicador de tensión está formado por diversos rectificadores de
media onda y condensadores dispuestos especialmente para entregar una tensión
múltiplo de la recibida en su entrada.
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
APLICACIONES DEL DIODOS
83
En el caso de un doblador, la tensión en la salida será, en principio, el doble de la
tensión máxima de la señal de entrada.
Fig. 58 Circuito Doblador de Tensión
Cuando el interruptor está abierto, el circuito es similar al rectificador de onda
completa, con una salida de aproximadamente Vm cuando los condensadores son
grandes. Cuando el interruptor está cerrado, el circuito opera como un doblador de
tensión. C1 se carga hasta Vm a través de D1 cuando la señal del generador es positiva
y C2 se carga hasta Vm a través de D4 cuando la señal del generador es negativa. La
tensión de salida será 2Vm. En este modo, los diodos D2 y D3 están polarizados en
inversa. El circuito doblador de tensión es útil cuando se precisa utilizar el equipo en
sistemas de diferentes estándares de tensión. Por ejemplo, se podría diseñar un
circuito para que operase correctamente tanto en Venezuela, donde la tensión de la
red es de 120 V, como en otros lugares donde la tensión de la red es de 240 V.
Si seguimos disponiendo diodos y condensadores iremos haciendo que la tensión de
salida sea el triple, cuádruplo, etc. de la señal alterna de entrada.
6.- Limitador De Tensión
Estos circuitos se emplean cuando se quiere seleccionar parte de una onda a unos
valores predeterminados. Su función se basa en el hecho de que un diodo no conduce
hasta que no esta polarizado directamente. Podemos distinguir dos tipos
Limitador Serie
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
APLICACIONES DEL DIODOS
84
Limitador Paralelo
o Limitador Positivo
o Limitador negativo
o Limitador Parcial o Polarizado de un nivel
o Limitador Parcial Doble o Polarizado de dos niveles
6.1.- Limitador Serie Positivo
En el la señal de salida se obtiene en serie con el diodo, son un caso particular de los
rectificadores de media onda.
Fig. 59 Circuito Limitador Serie
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APLICACIONES DEL DIODOS
85
Fig. 60 Señal de Entrada y Salida de un Circuito Limitador Serie Positivo
El la figura 60 se puede apreciar la señal de entrada y salida del circuito anterior se
observa que tiene la misma forma de onda que un circuito rectificador de media onda.
6.2.- Limitador Serie Negativo
En este el diodo entra en conducción para los valores del semiciclo negativo de la
señal de entrada, y no conduce para los valores positivos de la señal de entrada.
Fig. 61 Circuito Limitador Serie Negativo
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
APLICACIONES DEL DIODOS
86
Fig. 62 Señal de Entrada y Salida de un Circuito Limitador Serie Negativo
6.3.- Limitador Paralelo
En ellos la señal de salida se obtiene paralelo con el diodo, pueden ser positivos o
nega
tivo
depe
nde
de la
posi
ción
del diodo.
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
APLICACIONES DEL DIODOS
87
Fig. 63 Circuito Limitador Paralelo (a) Positivo (b) Negativo
Fig. 64 Señales de Salida de los Circuito Limitador Paralelo (a) Positivo (b) Negativo
6.4.- Limitador Parcial o Polarizado de un nivel
En ellos la señal de salida se observa la unión del diodo en serie con una fuente de
tensión que puede ser positiva o negativa respecto a tierra.
Ejemplo a
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APLICACIONES DEL DIODOS
88
Fig. 65 Circuito Limitador Polarizado de un nivel.
>>> Semiciclo positivo de la tensión de entrada:
Cuando la tensión de entrada es menor que la tensión de la fuente continua, el diodo
queda polarizado inversamente (circuito abierto), con lo cual la tensión de salida es
igual a la tensión de entrada (VO =VS).
Cuando la tensión de entrada es mayor que la tensión de la fuente continua, el diodo
queda polarizado directamente (cortocircuito), siendo ahora la tensión de salida igual
al valor de la fuente mas la tensión del diodo (VO=VDC+ VD= 5,7V).
>>> Semiciclo negativo de la tensión de entrada:
Como la tensión de entrada es menor que la tensión de la fuente continua, el diodo se
encontrará polarizado inversamente (circuito abierto) y la tensión en la salida será
igual a la de la entrada (VO = VS).
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
APLICACIONES DEL DIODOS
89
Fig. 66 Señal de Salida de un Circuito Limitador Polarizado de un Nivel
Ejemplo b
Fig. 67 Circuito Limitador Polarizado de un nivel.
>>> Semiciclo positivo de la tensión de entrada:
Cuando la tensión de entrada es menor que la tensión de la fuente continua, el diodo
se polariza directamente (cortocircuito) y consecuentemente la tensión de salida es
igual a la tensión de la fuente continua mas la tensión del diodo (VO=VDC+VD=
5,7V).
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
APLICACIONES DEL DIODOS
90
Si la tensión de entrada es mayor que la de la tensión de la fuente continua, el diodo
queda polarizado inversamente (circuito abierto) y consecuentemente la tensión en la
salida será igual a la de la entrada (VO=VS).
>>> Semiciclo negativo de la tensión de entrada:
Como la tensión de entrada es menor que la tensión de la fuente de continua, el diodo
queda polarizado directamente y la tensión en la salida será igual a la tensión de la
fuente continua mas la tensión del diodo (VO=VDC+VD= 5,7V).
Fig. 68 Señal de Salida de un Circuito Limitador Polarizado de un Nivel
Ejemplo c
Fig. 69 Circuito Limitador Polarizado de un nivel.
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
APLICACIONES DEL DIODOS
91
>>> Semiciclo positivo de la tensión de entrada:
Como la tensión de entrada es mayor que la tensión de la fuente continua, el diodo
queda polarizado inversamente y la tensión en la salida será la misma que la de la
entrada (VO = VS).
>>> Semiciclo negativo de la tensión de entrada:
Si la tensión en la entrada es menor que la tensión de fuente continua, el diodo se
polariza inversamente y la tensión de salida será igual a la de la entrada (VO = VS).
Si la tensión de entrada es mayor que la tensión de fuente continua, el diodo queda
polarizado directamente y en la salida tendremos una tensión igual a la tensión de la
fuente continua mas la tensión del diodo (VO= -VDC -VD= - 5,7V).
Fig. 70 Señal de Salida de un Circuito Limitador Polarizado de un Nivel
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
APLICACIONES DEL DIODOS
92
Ejemplo d
Fig. 71Circuito Limitador Polarizado de un Nivel
>>> Semiciclo positivo de la tensión de entrada:
Como la tensión de entrada es mayor que la tensión de la fuente continua, el diodo
queda polarizado directamente y la tensión en la salida será igual a la tensión de la
fuente continua menos la tensión del diodo (VO= -VDC +VD= - 4,3V).
>>> Semiciclo negativo de la tensión de entrada:
Si la tensión de entrada es menor que la tensión de la fuente continua, el diodo queda
polarizado directamente y la tensión en la salida será igual a la tensión de la fuente
continua menos la tensión del diodo (VO= -VDC +VD= - 4,3V).
Cuando la tensión de entrada sea mayor que la tensión de la fuente, el diodo será
polarizado de forma inversa y en la salida tendremos la tensión de la entrada
(VO=VS).
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
APLICACIONES DEL DIODOS
93
Fig. 72 Señal de Salida de un Circuito Limitador Polarizado de un Nivel
6.5.- Limitador Polarizado de Dos Niveles
Ejemplo e
Fig. 73 Circuito Limitador Polarizado de dos Niveles
>>> Semiciclo positivo de la tensión de entrada:
Mientras que la tensión de entrada sea menor que la tensión de las fuentes de tensión
continuas, los diodos quedan polarizados inversamente y la tensión de salida es igual
a la tensión de entrada (VO = VS).
Cuando la tensión de entrada sea mayor que la tensión de la fuente continua 2, el
diodo 1 continua polarizado inversamente y el diodo 2 se polariza en forma directa
generando una tensión en la salida igual a la suma del valor de la fuente continua 2
mas la tensión del diodo (VO=VDC2+ VD2= 5,7V).
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
APLICACIONES DEL DIODOS
94
>>> Semiciclo negativo de la tensión de entrada:
Al igual que en el semiciclo positivo mientras que la tensión de entrada sea menor
que la tensión de las fuentes de tensión continuas, los diodos quedan polarizados
inversamente y la tensión de salida es igual a la tensión de entrada (VO = VS)
En el momento en que la tensión de entrada sea mayor que la tensión de la fuente
continua 1, el diodo 1 queda polarizado directamente y el diodo 2 inversamente;
obteniéndose a la salida una la tensión igual a igual a la suma del valor de la fuente
continua 1 mas la tensión del diodo (VO= -VDC1 - VD1= -5,7V).
Fig. 74 Señal de Salida de un Circuito Limitador Polarizado de Dos Niveles
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
APLICACIONES DEL DIODOS
95
Ejemplo f
Fig. 75 Circuito Limitador Polarizado de dos Niveles Con Diodos Zener
>>> Semiciclo positivo de la tensión de entrada:
Mientras que la tensión de entrada esa menor que la tensión en inverso del Zener este
no conducirá y se comporta como un circuito abierto, y la tensión en la salida será la
misma de la entrada (VO=VS).
Cuando la tensión de entrada es mayor que la tensión en inverso del zener 2, este
queda polarizado en inverso y el Zener 1 en Directo obteniéndose a la salida VO una
tensión igual a la tensión de zener en inverso del diodo 2 mas la tensión en directo del
Diodo 1 (VO = VZ2+ VD1= 5,8V).
>>> Semiciclo negativo de la tensión de entrada:
En este semiciclo ocurre algo similar que en el semiciclo positivo pero el diodo 1
queda polarizado en inverso y el diodo 2 en directo cuando la tensión entrada es
mayor que la tensión en inverso del diodo Zener 1, generando una tensión de salida
igual a igual a la tensión de zener en inverso del diodo 1 más la tensión en directo del
Diodo 2 (VO = -VZ1 - VD2= - 5,8V).
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
APLICACIONES DEL DIODOS
96
Fig. 76 Señal de Salida de un Circuito Limitador Polarizado de Dos Niveles con diodos Zener
7.- Diodo zener como Regulador de Tensión
Corriente máxima y corriente mínima
Sea el siguiente montaje, donde el diodo zener es utilizado como regulador de
voltaje.
Fig. 77 Circuito Regulador de Tensión
La tensión de entrada varía entre Emínima= Em y Emáxima = EM o Em < E < EM.
La corriente máxima corresponde al estado de utilización en circuito abierto (L=S=0)
y con EM, es decir,
S
ZMM
R
VEI
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
APLICACIONES DEL DIODOS
97
La corriente en el zener no debe ser menor que Zmín (Corriente mínima para la cual la
tensión del diodo es todavía igual a VZ).
En el caso de la salida abierta (S= L=0) la corriente mínima que atraviesa el zener es:
S
Zmm
R
VEI
Como m > Zmín
Para el buen funcionamiento del regulador, la corriente de entrada que varía entre m
e M debe estar comprendida en el intervalo Zmín e Zmáx del diodo zener.
Si los valores límites Em y EM de la tensión de entrada se conocen, y también las
características del diodo zener, se puede calcular la resistencia RS.
Cálculo de RS (valor mínimo y valor máximo).
Fig. 78 Curva Característica del Diodo Zener
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
APLICACIONES DEL DIODOS
98
La pendiente de la curva característica, nos permite calcular la resistencia del diodo
zener.
min
min
ZZ
ZZd
II
VVr
Esta relación puede escribirse:
min)min ( ZZdZZ IIrVV
Y la parte lineal de la curva puede como VZ = VZO + rd*Z donde VZ, Z es un punto
sobre la curva, esta ecuación es válida si Z - Zmín> 0; no existe regulación si Zmín >Z.
Por otro parte, no se debe sobrepasar los límites de Zmáx y VZmáx, en caso contrario se
quema el diodo, PZmáx = VZMáx * Zmáx.
La resistencia RS deberá ser calculada de tal manera que:
maxmin ZZZ III y maxmin ZZZ VVV , siempre que E y RL varíen
entre ciertos valores conocidos.
Considerando Dos Casos:
1ER
Caso
RS no deberá ser mayor que RSMáx para lo cual Z = Zmín y VZ = VZmín y se supone el
caso desfavorable, es decir E = Em y RL = RLmín.
minL
ZMinLMaxL
R
VII
Aplicando la ley de Kirchhoff al circuito de regulación
minZLMaxZMaxSMaxm VIIRE
min
minmin
min
maxmin
min
max
L
ZZ
Zm
LZ
Zm
S
R
VI
VE
II
VER
2do
Caso
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
APLICACIONES DEL DIODOS
99
RS no deberá ser menor que RSmín para Z = Zmáx y VZ = VZmáx y se supone el caso
más desfavorable, es decir, E = EM y RL = RLmáx.
En este caso
max
min
L
ZMaxLL
R
VII
Aplicando la ley de Kirchhoff al circuito de regulación
maxminmin ZLZMaxSM VIIRE
max
maxmax
max
minmax
maxmin
L
ZZ
ZM
LZ
ZMS
R
VI
VE
II
VER
El problema tendría una solución si maxmin SSS RRR , es decir, los límites
impuestos a E y a RL son compatibles con los límites de funcionamiento Zmín e Zmáx
del diodo.
En la práctica se puede tomar 2
maxmin ssS
RRR
.
Resolución Gráfica
Sabemos que ZLZ VI )( R E S e L
Z
R
VIL ; ZLSZS VIRIRE luego
L
SZZZS
R
RVVIRE
L
SZZS
R
RVIRE 1 despejando Z
S
L
S
Z
S
ZR
R
RV
R
EI
1
Que representa la ecuación de una recta, que se llama recta de carga.
Consideraremos dos casos:
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
APLICACIONES DEL DIODOS
100
1ER
Caso Para E = Em y RL = RLmín
Si tomamos la ecuación de recta de carga y hacemos Z = 0 tenemos:
min
1L
S
mZ
R
R
EV
Ahora hacemos VZ = 0 obtener S
mZ
R
EI , el punto de funcionamiento es el punto A
en la figura 79.
2do
Caso Para E = EM y RL = RLmáx
Tomando la ecuación de la recta de carga y haciendo Z = 0 tenemos:
max
1L
S
MZ
R
R
EV
Ahora hacemos VZ = 0 obtener S
MZ
R
EI , el punto de funcionamiento es el punto B
en la figura 79.
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
APLICACIONES DEL DIODOS
101
Fig. 79 Análisis Gráfico de Rs
Existen otros casos: que toman los valores de VZ comprendidos entre
maxmin ZZZ VVV y los valores de RL comprendido entre maxmin LLL RRR .
Ejemplo
A.- Se quiere construir un circuito regulador de tensión que entregue a la salida una
tensión de 5,1 V, sabiendo que la carga consume una ILmáx = 100 mA, siendo ILmín =
0 y que dispone de una alimentación que varía entre 9 V y 10 V. Los diodos zener
de que se dispone son los que se muestran en la siguiente tabla escoger el que
corresponda para el diseño del circuito.
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
APLICACIONES DEL DIODOS
102
Solución:
Si se elige Z1:
Si se abre la carga por el zener irían 105 mA y como IZmáx = 78 mA no podría
funcionar, se quemaría y se dañaría no la resistiría.
Si probamos con Z2:
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
APLICACIONES DEL DIODOS
103
Veamos si es suficiente esa corriente, el peor de los casos es suponer que ILmáx = 100
mA.
Si abrimos la carga los 150 mA van por el zener y como este soporta hasta 294 mA si
serviría, el Z2 es el adecuado. Ahora elegiremos la resistencia (R).
Tenemos dos puntos importantes para analizarlos:
Peligro de que el zener se quede sin corriente
Suposiciones críticas para ese punto:
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
APLICACIONES DEL DIODOS
104
26
10050
1,59
maxmin
min
mAmAII
vvR
LZ
Zi
Peligro de que el zener se queme
26,13
0294
1,59
minmax
max
mAmAII
vvR
LZ
Zi
Entonces la resistencia esta entre estos dos valores:
2626,13 R
Cualquier valor entre estos dos valores valdría, tomamos por ejemplo: R = 22Ω
Vemos que ocurre en los 2 casos extremos:
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
APLICACIONES DEL DIODOS
105
Ahora que sabemos en que zona trabaja el zener tenemos que calcular de qué
potencia elegimos esa resistencia.
Peor caso: IZ = 222 mA P = (10-5,1)*222·10-3
= 1,08 W
Se escoge un valor normalizado de 2 W.
Ahora vamos a ver el rango de valores por el que mueve la resistencia de carga (RL):`
)(0min
vacioRmAI LL 51100
1,5100
maxmA
VRmAI LL
Calculo de la Recta de carga: Tomaremos el convenio de la figura con lo que nos
saldrán la intensidad y la tensión negativas (en el tercer cuadrante).
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
APLICACIONES DEL DIODOS
106
Punto A
Punto B
Finalmente la representación gráfica de esas ecuaciones queda de la siguiente
manera:
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
APLICACIONES DEL DIODOS
107
Las dos rectas de carga son paralelas. Los demás puntos están entre esas dos rectas
paralelas.
8.- Circuito Sujetador de Nivel (CLAMP CIRCUITS)
En ciertas aplicaciones se requiere que la señal, sin perder su forma de onda original,
se mantenga confinada sobre o bajo un voltaje especificado de umbral; para el
propósito se agrega a la señal un nivel continuo tal que impida que sus “PICOS”
excedan el umbral especificado. La función es normalmente realizada en base a
diodos.
Fig. 80 Circuito Sujetador de Nivel
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
APLICACIONES DEL DIODOS
108
El circuito de la figura 80 enclava los picos positivos de la señal de entrada en -5V
(tensión de la fuente continua).
Considerando el diodo como ideal y el condensador muy grande, las excursiones
positivas de VS(t) cargan el condensador al valor pico, a través de la conducción del
diodo. Al disminuir la tensión de entrada el diodo asume estado apagado (circuito
abierto) y la salida estará dada por:
Vo(t)= VS(t ) - VC
Fig. 81 Señal de Entrada y Salida de un Circuito Sujetador de Nivel
Suponiendo un valor de VS(t)= 10sen(wt) para el ejemplo anterior.
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
APLICACIONES DEL DIODOS
109
Es posible naturalmente producir el enclavamiento en diferentes combinaciones de
pico enclavado (positivo o negativo) y el voltaje al cual se enclava (positivo o
negativo), por medio de diferentes polaridad de la batería y orientación (sentido) del
diodo.
Como criterio de diseño inicial se elige el producto RC (constante de tiempo) en un
orden de magnitud mayor que el período de la señal de entrada (T = 2/w).
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
APLICACIONES DEL DIODOS
110
CAPÍTULO V
TEORÍA DE LOS
TRANSISTORES BJT
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
APLICACIONES DEL DIODOS
111
CAPÍTULO V
TEORÍA DEL TRANSISTOR BJT
El transistor es un dispositivo semiconductor de tres terminales que generalmente
actúa como amplificador de corriente.
Existen cuatro modelos fabricados con diferente tecnología, y con características y
propiedades físicas bastantes diferentes, ellos son:
Transistor Bipolar: Son de doble unión de tres terminales, y es controlado por
corriente.
Transistor FET: Son de efecto de campo, unipolar que opera como un
dispositivo controlado por voltaje.
Transistor MOSFET: Es un FET de metal –oxido semiconductor.
Transistor UJT: Monounión, usado esencialmente como interruptor de
enganche.
Este capítulo se basará en los aspectos relacionados con los transistores bipolares
1.- Estructura De Un Transistor Bipolar
El transistor es un dispositivo semiconductor de tres capas que consiste de dos capas
de material tipo n y una capa tipo p, o bien, de dos capas de material tipo p y una tipo
n. al primero se le llama transistor npn, en tanto que al segundo transistor pnp.
Para la polarización las terminales que se muestran en la figura 82 las terminales se
indican mediante las literales E para el emisor, C para el colector y B para la base. La
abreviatura BJT, de transistor bipolar de unión (del ingles, Bipolar Junction
Transistor), suele aplicarse a este dispositivo de tres terminales. El término bipolar
refleja el hecho de que los huecos y los electrones participan en el proceso de
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
APLICACIONES DEL DIODOS
112
inyección hacia el material polarizado de forma opuesta. Si sólo se utiliza un portador
(electrón o hueco), entonces se considera un dispositivo unipolar.
La representación gráfica de la estructura física y su símbolo es como se muestra en
la figura 82.
Fig. 82 Estructura de los transistores BJT
El Emisor el cual esta fuertemente dopado, la Base esta ligeramente dopada y es más
angosta. Y el Colector esta dopado en forma intermedia.
Los transistores bipolares vienen empacados en:
Cápsulas metálicas: Los que disipan mayor potencia, > 5 w
Cápsulas plásticas: Los de baja potencia
2.- Modos De Operación
Estos transistores por presentar dos uniones pueden tener en cada una de ellas dos
tipos de polarización directa e inversa. Dependiendo de cómo estén polarizadas las
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
APLICACIONES DEL DIODOS
113
uniones se tendrán los modos de operación como se puede observar en la siguiente
tabla.
Se describirá la operación básica del transistor utilizando el transistor pnp de la figura
82 la operación del transistor npn es exactamente la misma que si intercambiaran la
funciones que cumplen el electrón y el hueco. Se realizará el estudio en el modo
activo para trabajar al transistor como amplificador, y para ello se muestra las
polarizaciones, tanto para un NPN como para un PNP. El espesor de la región de
agotamiento se redujo debido a al polarización aplicada, lo que da por resultado un
flujo muy considerable de portadores mayoritarios desde el material tipo p hacia el
tipo n, mientras que la región de agotamiento de la otra unión aumenta debido a la
polarización en inverso.
Al tener estas uniones polarizada de la manera indicada habrá una gran difusión de
portadores mayoritarios a través de la unión p-n con polarización directa hacia el
material tipo n. Así, la pregunta sería si acaso estos portadores contribuirán de forma
directa a la corriente de base IB o si pasarán directamente al material tipo p. Debido a
que el material tipo n del centro es muy delgado y tiene baja conductividad, un
número muy pequeño de estos portadores tomará esta trayectoria de alta resistencia
hacia la terminal de la base.
La magnitud de la corriente de base casi siempre se encuentra en el orden de los
microamperes (μA), comparando con miliamperes (mA) para las corrientes del
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
APLICACIONES DEL DIODOS
114
emisor y del colector. La mayor cantidad de estos portadores mayoritarios se
difundirá a través de la unión con polarización inversa, hacia el material tipo p
conectado a la terminal del colector. La razón de esta relativa facilidad con la cual los
portadores mayoritarios pueden atravesar la unión con polarización inversa se
comprenderá con facilidad si se considera que para el diodo con polarización inversa,
los portadores mayoritarios inyectados aparecerán como portadores con polarización
inversa, los portadores mayoritarios inyectados aparecerán como portadores
minoritarios en el material tipo n.
En otras palabras, tuvo lugar una inyección de portadores minoritarios al material de
la región de la base tipo n. A la combinación de esto con el hecho de que todos los
portadores minoritarios en la región de agotamiento atravesarán la unión con
polarización inversa de un diodo puede atribuírsele el flujo.
A lo largo de este capítulo todas las direcciones de corriente harán referencia al flujo
convencional (huecos) en lugar de hacerlo respecto al flujo de electrones. Para el
transistor la flecha en el símbolo gráfico define la dirección de la corriente del emisor
(flujo convencional) a través del dispositivo. Ver Figura 82
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
APLICACIONES DEL DIODOS
115
Fig. 83 Polarización de los transistores BJT
3.- Configuraciónes Del Transistor
3.1-Configuración Base Común (B-COM).
Para la configuración de base común con transistores PNP y NPN. La terminología de
la base común se deriva del hecho de que la base es común tanto a la entrada como a
la salida de la configuración. A su vez, por lo regular la base es la terminal más
cercana a, o que se encuentra en, el potencial de tierra.
Fig. 84 Configuración Base Común
Para el comportamiento de un dispositivo de tres terminales, como los amplificadores
de base común se requiere de dos conjuntos de características, una para los
parámetros de entrada y la otra para los parámetros de la salida. El conjunto de
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
APLICACIONES DEL DIODOS
116
entrada para el amplificador de base común relacionará la corriente de entrada (IE)
con la tensión de entrada (VBE) en función de la tensión de salida (VCB). El conjunto
de características de la salida relaciona la corriente de salida (IC) con la tensión de
salida (VCB) en función de la corriente de entrada (IE). Allí encontramos las tres
regiones básicas de operación.
Fig. 85 Característica de Entrada y Salida de la Configuración Base Común NPN
En el extremo más bajo de la región activa, la corriente del emisor (IE) es cero; esa no
es la verdadera corriente del colector, y se debe a la corriente de saturación inversa
ICO.
La corriente ICO real es tan pequeña (microamperes) en magnitud si se compara con la
escala vertical de IC = 0. Las condiciones del circuito que existen cuando IE = 0 para
la configuración de base común se muestra en la figura 86. La notación que con más
frecuencia se utiliza para ICO en los datos y las hojas de especificaciones es, ICBO.
Fig. 86 Transistor NPN con el Emisor Abierto
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
APLICACIONES DEL DIODOS
117
Debido a las mejoras en las técnicas de fabricación, el nivel de ICBO para los
transistores de propósito general (en especial los de silicio) en los rangos de potencia
baja y mediana, por lo regular es tan bajo que puede ignorarse su efecto. Sin
embargo, para las unidades de mayor potencia ICBO, así como IS, para el diodo (ambas
corrientes de fuga inversas) son sensibles a la temperatura. A mayores temperaturas,
el efecto de ICBO puede convertirse en un factor importante debido a que aumenta
muy rápidamente con la temperatura.
3.2-Configuración Emisor Común (E-COM)
Se le denomina configuración de emisor común debido a que el emisor es común o
hace referencia a las terminales tanto de entrada como de salida (en este caso, es
común tanto a la terminal de base como a la de colector). Una vez más, se necesitan
dos conjuntos de características para describir por completo el comportamiento de la
configuración de emisor común: uno para el circuito de entrada o base-emisor que
relacionará la corriente de entrada (IB) con la tensión de entrada (VBE) en función de
la tensión de salida (VCE). El conjunto de características de la salida relaciona la
corriente de salida (IC) con la tensión de salida (VCE) en función de la corriente de
entrada (IB).
Fig. 87 Configuración Emisor Común
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
APLICACIONES DEL DIODOS
118
Fig. 88 Característica de Entrada y Salida de la Configuración Emisor Común NPN
3.3.-Configuración Colector Común (C-COM) o Configuración Emisor
Seguidor.
La configuración de colector común se utiliza sobre todo para propósitos de
acoplamiento de impedancia, debido a que tiene una alta impedancia de entrada y una
baja impedancia de salida, contrariamente a las de las configuraciones de base común
y de un emisor común.
La figura 89 muestra una configuración de circuito de colector común con la
resistencia de carga conectada del emisor a la tierra. Obsérvese que el colector se
encuentra conectado a la tierra aunque el transistor esté conectado de manera similar
a la configuración del emisor común. Desde un punto de vista de diseño, no se
requiere de un conjunto de características de colector común para elegir los
parámetros del circuito. Puede diseñarse utilizando las características de salida para la
configuración de colector común son la mismas que para la configuración de emisor
común.
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
APLICACIONES DEL DIODOS
119
Fig. 89 Configuración Colector Común o Emisor Seguidor
No importa la configuración, si al transistor se quiere trabajar en un modo en
particular, se deben realizar las polarizaciones correspondientes.
4.- Curva Características
Los transistores, se estudian y analizan a través de sus curvas características; con
ellas se puede conocer el comportamiento o funcionamiento eléctrico del elemento,
expresándose las relaciones gráficas de las corrientes IB, IE e IC en función de las
tensiones exteriores aplicadas y para cualquiera de las configuraciones en que puede
ser empleado el transistor E-COM, B-COM ó C-COM.
Las curvas no son universales, cada tipo concreto de transistor, tiene las suyas,
normalmente diferentes de los demás, aunque semejante en forma.
Las curvas dadas por el fabricante representa la características media de una serie de
fabricación con un elevado número de unidades.
Existen dos (2) familias de curvas de especial importancia y son, la de entrada y la de
salida.
1. Las curvas de entrada: Expresan gráficamente la relación entre la corriente de
base (IB) y la tensión Base-Emisor (VBE) para una tensión colector-Emisor
constante. Con ellas se puede calcular la corriente que circula por la base
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
APLICACIONES DEL DIODOS
120
cuando se aplica una tensión externa entre está y el emisor. Ellas se
corresponde con las curvas del diodo de unión con polarización directa.
2. Las curvas de salida: Expresan la relación entre la corriente de colector (Ic)
para una tensión colector- Emisor (VCE), cuando IB se mantiene constante.
En estas curvas se pueden identificar tres regiones de operación del transistor las
cuales son:
a.- Región Activa o Lineal: Está ubicada por encima de la tensión C-E en 0,7V,
donde las curvas características son casi constantes, es decir, IC aumenta ligeramente
a medida que VCE aumenta, en esta zona IC depende de IB. En esta región el transistor
trabaja como amplificador.
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
APLICACIONES DEL DIODOS
121
b.- Región de Saturación: Esta ubicada por debajo de VCE = 0.7V, donde las curvas
se unen; en esta región se tiene que IC aumenta rápidamente para pequeñas
variaciones de VCE, Cuando VCE cae por debajo de VBE, se tendrá que VCB es negativa
( VCB = VCE – VBE) y polariza directamente a la unión C-B, entrando el transistor a
saturación.
c.- Región de Corte: Se ubica para una corriente IB = 0 para este caso la corriente de
colector IC es muy pequeña, igual a la corriente de fuga ICEO.
5.- Relación De Corrientes
Por definición IE = IB + IC
IC = IE + ICBO
: Es una constante de proporcionalidad, es decir, una proporción de la corriente de
emisor en el colector, También conocida como GANANCIA DE CORRIENTE
BAJO LA CONFGIGURACIÓN DE BASE COMÚN. La cual siempre tiene un
valor < 1.
IE = f (IB) → Ie = IB + IE + ICBO
Si ICBO 0 IE = IB + IE
1
B
E
II
)( BC IfI CBOEC III
Si ICBO 0
EC II E
C
I
I
Como
1
BE
II BC II
1 DONDE
1B
C
I
I
: Factor de amplificación de corriente, conocido comúnmente como GANANCIA
DE CORRIENTE BAJO LA CONFIGURACIÓN EMISOR COMÚN.
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
APLICACIONES DEL DIODOS
122
Se puede conseguir a través de las curvas características del fabricante
normalmente su valor oscila entre 50 y 400.
1 Y
1
6.- Polarización Del Transistor
6.1.- POLARIZACIÓN FIJA.
RB = Resistencia de la Base
RC = Resistencia del Colector
VCC = Tensión de alimentación
IB = Corriente de base
IC = Corriente de Colector
Fig. 90 Circuito Con polarización Fija
El análisis del circuito de polarización se realiza en forma separada, es decir, se
considerará primero el circuito de entrada (Base – Emisor) y luego el circuito de
salida (Colector –Emisor).
Circuito De Entrada.
En la figura 91 se muestra el circuito base-emisor, del cual se obtiene la siguiente
ecuación:
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
APLICACIONES DEL DIODOS
123
0* BEBBCC VRIV
Donde:
B
BECCB
R
VVI
Fig. 91 Circuito De Entrada
Como los valores del voltaje de VCC y VBE son fijos, la selección de un resistor de
polarización de base fija el valor de la corriente de la base IB.
Circuito De Salida.
En la figura se muestra el circuito de colector –emisor, del cual se obtiene la siguiente
ecuación:
0* CECCCC VRIV
Fig. 92 Circuito De Salida
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
APLICACIONES DEL DIODOS
124
En la región activa la corriente de colector se relaciona con la corriente de base a
través de la ganancia de corriente del transistor o hFE y se expresa da la siguiente
forma:
BC II *
Donde la corriente de base se ha calculado a través del circuito de entrada; se puede
observar que la corriente de colector (IC), solo depende de la corriente de base y no de
la resistencia RC en el circuito de salida.
Conociendo a IC por IB, entonces se puede calcular a VCE como sigue:
CCCCCE RIVV *
El calculo de IC, VCE e IB representan el punto de trabajo (Q) del transistor en
corriente continua (DC).
Ejemplo.
Calcular los voltajes y corrientes de polarización en CD para el circuito mostrado
sabiendo que = 50
Fig. 93 Ejemplo de un Circuito Con polarización Fija
SATURACIÓN DEL TRANSISTOR:
Siempre y cuando el transistor este trabajando en su región activa o lineal se cumple
BC II * , pero si el transistor se encuentra en la región de Saturación ya esta
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
APLICACIONES DEL DIODOS
125
ecuación no se valida. Se debe recordar que, si el transistor trabaja en la región activa,
la unión base- emisor debe estar polarizada en directa y la unión colector –base en
inverso, esto es cierto sólo si el voltaje VCE > VBE. Como VCE = VCC – IC * RC que
VCC > IC *RC para que el transistor este activo, es decir, C
CCC
R
VI . Si IC se hace
mayor o igual a C
CC
R
V, el transistor está operando en la región de saturación. En este
caso el valor de C
CESATCC
CR
VVI
, siendo VCESAT = 0V ó 0.3V y
B
BECCB
R
VVI
.
Si el circuito se necesita como amplificador, no se debe esperar que el transistor este
en la zona de saturación.
CORTE DEL TRANSISTOR:
Cuando el transistor está trabajando en la región de corte, la corriente IB = 0 IC= 0
y VCE = VCC. Región no deseada para el transistor cuando se quiere trabajar como
amplificador.
6.2.- POLARIZACIÓN CON RESISTENCIA EN EL EMISOR
Este circuito brinda una mejor estabilidad de polarización que el circuito de
polarización fija, ya que en éste BC II * y varía hasta para el mismo tipo de
transistor, es decir, si se cambia el transistor por uno del mismo tipo la corriente IC
variará aún con IB constante.
RC =Resistencia de colector
RE =Resistencia de emisor
RB =Resistencia de base
IE = Corriente de emisor
IC = Corriente de colector
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
APLICACIONES DEL DIODOS
126
IB = Corriente de base
Fig. 94 Circuito Con polarización con resistencia en el emisor
Circuito De Entrada:
Se tiene que 0** EEBEBBCC RIVRIV por definición CBE III e
BC II * , por lo tanto BBBE IIII *)1(* entonces sustituyendo
tenemos:
0**)1(* BEBEBBCC IRVRIV
Donde EB
BECCB
RR
VVI
*)1(
e BC II * .
Fig. 95 Circuito de entrada polarización con resistencia en el emisor
Circuito De Salida:
Se tiene que
0** EECECCCC RIVRIV como
EC II * tenemos
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
APLICACIONES DEL DIODOS
127
)(
ECCCCCE
RRIVV al igual que en el caso anterior el punto de trabajo (Q)
viene dado por los valores de IC, VCE e IB.
Fig. 96 Circuito de entrada polarización con resistencia en el emisor
Ejemplo.
Calcular los valores de Ic, IB y VCE sabiendo que = 50
Fig. 97 Ejemplo Circuito de entrada polarización con resistencia en el emisor
Resultados:
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
APLICACIONES DEL DIODOS
128
IB = 40,12A; IC = 2.01mA; VCE = 13.94V
COMPARACIÓN
Como se mencionó anteriormente, al agregar la resistencia de emisor a la
polarización de CD mejorará la estabilidad de está, es decir, las corriente y voltajes de
polarización de CD se mantienen más cercanos a los puntos donde fueron fijados por
el circuito, aún cuando cambie el valor de del transistor.
Para el ejemplo anterior si se cambia a 100 tendremos los siguientes resultados:
IB = 36.27A; IC = 3.62mA; VCE = 9.08 V
IB (A) IC (mA) VCE (V)
50 40.12 2.01 13.94
100 36.27 3.62 9.08
IC cambia casi un 50% para un cambio de al 100%. El decremento de IB ayuda a
mantener IC o al menos reducir al cambio total de IC con .
6.3.- CIRCUITO DE POLARIZCAIÓN DC INDEPENDIENTE DE .
En los circuitos de polarización de CD analizados anteriormente, se tenía que los
valores de corriente y voltajes de polarización del colector dependían de . Debido a
este problema se hizo necesario un circuito de polarización independiente de ,
recordando de que es sensible a la temperatura (sobre todo si el transistor es de
Silicio Si) y además su valor nominal no esta bien definido. El circuito que se
muestra en la figura 98, cumple con la condición de que su polarización es
independiente de , También conocido como Circuito de Polarización por Divisor
de Tensión.
Para el análisis del circuito se sigue el procedimiento descrito en los circuitos
anteriores; Primero se trabaja con el circuito o malla de entrada y luego con el de
salida.
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
APLICACIONES DEL DIODOS
129
Fig. 98 Circuito de polarización por divisor de Tensión
Circuito O Malla De Entrada
Si la resistencia que se observa desde la base (RB) es mayor que la resistencia R1,
entonces el voltaje de la base se ajusta mediante el divisor de voltaje de R1 y R2; si
esto es cierto, la corriente que circula a través de R2 pasa casi por completo por R1 y
las dos resistencias pueden considerarse efectivamente en serie.
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
APLICACIONES DEL DIODOS
130
Fig. 99 Circuito de Polarización por Divisor de Tensión malla de Entrada
Si RB >> R1
I1 I2
Entonces el voltaje en la unión de las resistencias, que es también el voltaje de la base
del transistor, se determina simplemente por un divisor de voltaje de R1 y R2, y el
voltaje de alimentación; por lo tanto obtendremos que:
21
1 *
RR
VRV cc
BB
Y 21 // RRRB
Dando como resultado el siguiente circuito:
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
APLICACIONES DEL DIODOS
131
Fig. 100 Circuito de Polarización por Divisor de Tensión Simplificado
Recorriendo la malla de entrada tenemos:
0** EEBEBBBB RIVRIV
Como BBBCBE IIIIII *)1(*
Entonces:
EB
BEBBB
EBBBEBB
RR
VVI
RRIVV
)1(
])1([
Para que las corrientes no dependan de , por lo general se considera que (1+)RE
>> RB, entonces: E
BEBBB
R
VVI
)1(
como Ic = IB y como (1+) entonces:
E
BEBB
E
BEBBC
R
VV
R
VVI
)(.
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
APLICACIONES DEL DIODOS
132
Circuito De Salida.
Fig. 101 Circuito de Polarización por Divisor de Tensión Malla de Salida
La ecuación de salida es:
0** EECECCCC RIVRIV
EcCCCCE
RRIVV
CONDICION DE SATURACIÓN
VCESAT = 0 ó 0.3V EC
CSESATCCCSAT
RR
VVI
e
CSAT
BSAT
II
CONDICIÓN DE CORTE
IB = 0, IC = 0 Y VCE = VCC
EJEMPLO
Hallar el punto de operación del siguiente circuito sabiendo que VBE = 0,7V y
considerando un = 70 y 140.
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
APLICACIONES DEL DIODOS
133
KKK
KKRB 55.3
399.3
39*9.3
V
KK
VKVBB 2
399.3
22*9.3
Transformando el circuito de entrada tenemos:
Circuito de entrada:
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134
EB
BEBBB
EBBBEBB
RR
VVI
RRIVV
)1(
])1([
Para =70
AKK
VVI B 81.11
5.1*7155.3
7.02
mAAII BC 8268.081.11*70*
Para = 140
AKK
VVI B 045.6
5.1*14155.3
7.02
mAAII BC 846.0045.6*140*
Circuito de salida.
Para =70
EcCCCCE
RRIVV ; 9859.0
71
70
VK
KmAVVCE 47.129859.0
5.1108268.022
Para =140
9929.0141
140
VK
KmAVVCE 26.129929.0
5.110846.022
IB (A) IC (mA) VCE (V)
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70 11.81 0.8268 12.47
140 6.045 0.846 12.26
6.4.- CIRCUITO DE POLARIZACIÓN EN CD CON REALIMENTACIÓN DE
TENSIÓN DE COLECTOR.
Además de la resistencia de emisor para mejorar la estabilidad del punto de
operación (Q), una retroalimentación de voltaje se le suma a esta mejora. El circuito
de la figura 102 muestra este tipo de polarización.
Fig. 102 Circuito de Polarización con Realimentación de Tensión
Circuito o malla de entrada:
0*** EEBEBBCCC RIVRIRIV
BEBC IIIIII *)1(
0*)(**)1( BEBBECBCC VRIRRIV
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136
))(1( ECB
BECCB
RRR
VVI
BC II *
Circuito de salida:
0** EECECCC RIVRIV EII
)(* ECECCCE RRIVV
7.- ANÁLISIS GRÁFICO DE POLARIZACIÓN EN CD
Existe una técnica gráfica para mostrar la ubicación del punto de trabajo de un
circuito con transistor, ésta técnica se basa en dibujar una recta llamada recta de carga
de CD, la cual se consigue con la ecuación de salida del circuito; esta ecuación se va
a representar sobre los ejes de las curvas de salida, que relacionan la corriente de
colector (IC) con la tensión Colector-Emisor (VCE) si se trata de una Configuración
Emisor Común.
PASOS A SEGUIR PARA LA GRAFICACIÓN.
Circuito Autopolarizado.
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Fig. 103 Circuito Autopolarizado
Se busca la ecuación de salida del circuito:
ECCCCCE
RRIVV
Se dibuja la ecuación de salida sobre la curva característica de salida del
transistor de la siguiente forma:
1. Se hace IC = 0 para conseguir el punto de corte en VCE quedando que
VCE = VCC.
2. Se hace VCE = 0 para conseguir el punto de corte en IC quedando que
E
C
CCc R
R
VI
si se considera que IC IE EC
CCc
RR
VI
3. Uniendo los dos puntos se consigue la recta de carga de CD.
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Fig. 104 Recta de Carga en Continua
Se puede observar que la recta de carga en CD solo depende de VCC, RC y RE; la
pendiente depende de RC y RE y es el inverso de la resistencia de salida en CD.
Si los valores de RC y RE varían, la pendiente de la recta de carga también variará. En
la figura 105 se puede observar como varía la pendiente de la recta para las
variaciones de (RC + RE).
Fig. 105 Recta de Carga en Continua para las Variaciones de RC y RE
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También el cambio de voltaje VCC moverá la recta de carga de CD en forma paralela,
pero manteniendo la pendiente, tal como se muestra en la figura 106.
Fig. 106 Recta de Carga en Continua para las Variaciones VCC
Debido que la operación del circuito depende tanto de las características del
transistor, como de los elementos del circuito, la graficación de ambas curvas (las
características del transistor y la recta de carga de CD) sobre una gráfica permite la
determinación del punto de operación (Q) del circuito. La recta de carga de CD
describe todos los valores posibles de voltaje y corriente en la sección de colector-
emisor del circuito.
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Fig. 107 Recta de Carga en Continua sobre la característica de Salida del Transistor
8.- EL TRANSISTOR COMO INTERRUPTOR
Un transistor funciona como un interruptor para el circuito conectado al colector (RC)
si se hace pasar rápidamente de corte a saturación y viceversa. En corte es un
interruptor abierto y en saturación es un interruptor cerrado. Los datos para calcular
un circuito de transistor como interruptor son: el voltaje del circuito que se va a
encender y la corriente que requiere con ese voltaje. El voltaje VCC se hace igual al
voltaje nominal del circuito, y la corriente corresponde a la corriente ICSAT. Se calcula
la corriente de saturación mínima, luego la resistencia de base mínima:
CSAT
BSAT
II min
min
max
BSAT
ONB
I
VR
Donde Von es el voltaje en la resistencia de base para encender el circuito, el circuito
debe usar una RB por lo menos 4 veces menor que RBmax.
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141
Adicionalmente se debe asegurar un voltaje en RB de apagado VOFF que haga que el
circuito entre en corte.
La principal aplicación de transistor como interruptor es en los circuitos e integrados
lógicos, allí se mantienen trabajando los transistores entre corte o en saturación, en
otro campo se aplican para activar y desactivar relés, en este caso como la carga es
inductiva (bobina del relé) al pasar el transistor de saturación a corte se presenta la
"patada inductiva" que al ser repetitiva quema el transistor se debe hacer una
protección con un diodo en una aplicación llamada diodo volante.
Fig. 108 El Transistor NPN como Interruptor (a) Circuito Apagado (b) Circuito Encendido
Fig. 109 Circuito para el accionamiento de un relé
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142
BIBLIOGRAFÍA
- Paúl M. Chirlian Análisis y Diseño de Circuitos Electrónicos. McGraw-Hill.
2da edición. 1970
- Adel S. Sedra y Kenneth C. Smith Microelectronic Circuits. Oxford. 1998.
- Adel S. Sedra y Kenneth C. Smith. Dispositivos Electrónicos y
Amplificación de Señales. McGraw-Hill. 1989.
- Robert Boylestad. Electrónica. Prentice Hall
- Donald Neamen. Análisis y Diseño de Circuitos Electrónicos. McGraw-
Hill. 2001
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143
Ejercicios Propuestos
Ejercicio 1
En el circuito regulador de tensión de la figura se tienen: VCC= 6.3 V, Rs=12,
VZ=4.8V, rz=0. La corriente por el diodo Zener debe limitarse al rango: 5 mA Iz
100 mA.
a) Determinar el intervalo de corrientes de carga y resistencias de carga posibles
b) Calcular la potencia nominal requerida para el diodo.
Ejercicio 2
Determinar los valores de RL de modo que el Zener trabaje en la región de ruptura.
Suponer Izmín = 0.1 Izmáx. Vz=10 V, Pzmáx = 400 mW, rz = 0
Ejercicio 3
El diodo Zener de la figura regula una tensión fija entre sus terminales siempre que Iz
se mantenga entre 200 mA y 2 A. (rz = 0 )
a) Calcular el valor de Rs de modo que la tensión de salida Vo se mantenga en 18V
mientras la tensión de entrada Vcc pueda variar entre 22 V hasta 28V.
b) ¿Cuál será la máxima potencia disipada por el diodo?
Iz IL
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Ejercicio 4
El circuito regulador Zener mostrado utiliza un diodo de 9 V (rz = 0 ). La tensión
de entrada varía entre 16 V y 25 V y la corriente por la carga varía entre 100 mA y
800 mA.
a) Calcular el valor de Rs
b) Determinar el margen de potencia por el Zener
c) ¿Cuál será la variación pico a pico en la salida si rz =5 ?
Ejercicio 5
Analizar el funcionamiento del circuito y dibujar la tensión de salida Vo(t).
Ejercicio 6
Para el circuito de la figura considerando que el diodo puede representarse por un
modelo lineal con V = 0 V y Rd =25 , determinar:
a) la corriente media por la carga RL y por el diodo
b) la tensión media sobre la carga y sobre el diodo
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145
c) la corriente y tensión eficaz sobre la carga
d) el factor de rizado
e) la tensión inversa de pico que soporta el diodo
f) el rendimiento de rectificación %
g) ¿Es un buen circuito rectificador? Justificar
Ejercicio 7
El rectificador mostrado se utiliza como cargador de baterías. La capacidad de
la batería es de 100 Watts hora y su tensión es 24 V. La corriente de carga
promedio es Icc = 5 A. La tensión de entrada es de 60 Vef. a 60 Hz. Calcular el
ángulo de conducción del diodo, la resistencia R de limitación de corriente, la
potencia disipada por R, el tiempo de carga h en horas, la eficiencia de
rectificación y la tensión inversa que debe soportar el diodo
Ejercicio 8
Para los circuitos mostrados (rectificador de onda completa con punto medio y
rectificador de onda completa tipo puente) los diodos se pueden representar por un
modelo lineal con V = 0 V y Rd= 25 . Determinar:
a) la corriente media por la carga RL y por el diodo
b) la tensión media sobre la carga y sobre el diodo
c) la corriente y tensión eficaz sobre la carga
d) el factor de rizado
e) la tensión inversa de pico que soporta el diodo
f) el rendimiento de rectificación %
.
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146
g) Comparar las características de cada circuito.
Ejercicio 8
Analizar en el siguiente circuito las variaciones de vo(t) y de la corriente por los
diodos al variar C. Considerar C= 1 F, C= 10 F, C= 100 F.
¿Cómo conviene que sea C? ¿Qué inconveniente presenta hacer C muy grande?
Ejercicio 9
El circuito anterior se modifica agregando un regulador Zener. Analizar el
funcionamiento del circuito. Dibujar las tensiones Vi, vs y Vo.
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Ejercicio 10
Determinar el rango de valores de Vcc que mantendrá la tensión sobre la carga Vo= 8
V sin exceder el valor máximo de potencia del diodo Zener. (rz = 0)
Ejercicio 11
Se debe diseñar un regulador de tensión de modo de mantener una tensión de salida
de 20 V para una carga de 1 K. Se sabe que la tensión de entrada tendrá una
variación entre 30 V y 50 V. Determinar el valor de Rs y la corriente por el Zener.
Suponer rz=0 .
Ejercicio 12
Analizar el funcionamiento del circuito, dibujar vo(t). ¿Podría usarse el circuito como
rectificador? Justificar. Calcular la tensión continua disponible.
Vi = 12 V sen wt,
f=60Hz
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100V
-100V
Ejercicio 13
A un circuito rectificador de media onda se le aplican 10V eficaces y se lo carga con
RL. Suponiendo para el diodo un modelo lineal por tramos representado en directa
por V = 0 V y Rd= 20 , y en inversa con Is= 0.075 A constante:
a) Obtener la expresión del valor medio de la tensión sobre la carga en función
de RL.
b) Calcular para RL= 1 K, 50 K, 1 M. Comparar resultados.
c) Repetir considerando que V = 0.6V en lugar de V = 0V. Analizar resultados.
Ejercicio 14
Analizar el funcionamiento del siguiente circuito rectificador de salida
complementaria, considerando vi1= vi2 = 12 V sen wt (f=50 Hz). Dibujar las formas
vi
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de onda de vo1 y vo2. ¿Cuánto vale la tensión inversa de pico sobre cada diodo?