EL01 2013-1 Capitulo 1 Diodos

Circuitos Electrónicos 1Dispositivos y Circuitos Analógicos 1

Circuitos Electrónicos 1

Diodos


Visión del curso

Leyes lineales

Pensamiento lógico – Pensamiento CríticoKirchhoff

Lo aprendido en Análisis de Circuitos

MétodosTeoremasRedesDC y AC

dtdILV L

L dtdVCI C

C IRV


Visión del curso

Leyes lineales

KirchhoffMétodosTeoremasRedes

DC y AC

Opamps

dtdILV L

L dtdVCI C

C IRV

Diodo

Leyes NO lineales

Mosfet

BJT

Pensamiento lógico – Pensamiento Crítico


Objetivo final: ¿Cómo se pueden diseñar sistemas electrónicos y de telecomunicación, tomandoen cuenta la fuente de energía y su uso óptimo, así como de los componentesrequeridos para tal fin?

Kirchhoff

Diodo

Leyes NO linealesMosfet

BJT

Pensamiento lógico – Pensamiento Crítico

Leyes lineales

MétodosTeoremasRedes

DC y AC

Opamps

dtdILV L

L dtdVCI C

C IRV


Red de aprendizajeLo

que

el a

lum

no d

ebe

sabe

r

Lo que el profesor proporciona

Análisis de circuitoselectrónicos básicos

Simulación de circuitosPSpice, EWB,Circuit Maker, Proteus

Hojas técnicas,Internet

Conocimientos Capacidad deAnálisis y Diseño

Aporteprofesional

logros Análisis y diseño

Proyecto del curso

empatía

Dispositivos eléctricosy electrónicos básicos

Kirchhoff

DiodoLeyes NO lineales

Mosfet BJT

Leyes lineales

MétodosTeoremasRedes

DC y AC

dtdILV L

L dtdVCI C

C IRV


Calificación del curso

Examen Parcial [E1] (semana 8)Examen Final [E2] (semana 16)Prácticas Calificadas (2) [PC] (1 por tema)Laboratorios (6) [PL] (3 antes del parcial y 3 antes del final)Proyecto Final [PT] Se presenta en la semana 15 de clases

Nota Final del curso [NF]:NF = (E1 + E2 + PC + PL + PT) / 5


Criterios de Evaluación

Se tomarán en cuenta para la calificación de las evaluacionesen el curso, según el caso de los siguientes criterios:

Reconocer el problemaSaber enfocarlo para determinar la soluciónAdecuado uso de herramientas matemáticas y computacionalesCorrecto uso de técnicas analíticasCriterios de diseñoOrden y limpiezaSaber sustentar sus apreciaciones


Mapa referencial del curso

• Diodos• Transistor Mosfet• Transistor BJT

Objetivos: analizar el comportamiento de diodo rectificadoren DC y AC y diseñar fuentes reguladas con salida DC variable


El Diodo• Es un dispositivo electrónico de

comportamiento v-i NO lineal.• Tiene hasta tres modos de

comportamiento eléctrico según los niveles de voltaje y corriente que hay entre sus terminales:

Directa (D) Inversa (I) iD = -IS 0A Ruptura (R) VZ = VZ0 + izrz

• El diodo común tiene dos estados de comportamiento: directa e inversa. Por eso que este dispositivo es un interruptor ON-OFF

(D)

(I)

(R)

)1( T

D

nVv

SD eIi

Curva característica v-i del diodo


Concepción Ideal del Diodo Al aplicarle voltaje negativo, no hay

corriente y se llama inversamente polarizado o que el diodo está en inversa o corte.

Al aplicarle una corriente positiva, el potencial será cero y se dice que está en directamente polarizado, que conduce o está en directa.

Comportamientodel diodo ideal

ONOFFapagado encendido

directainversa

corte

Símbolo del diodo consus terminales.


Diodo Ideal Cuando se usa circuitos

eléctricos con diodos ideales, se puede estimar el estado de operación del dispositivo y luego conocer cómo opera el circuito.

En (a) el voltaje en los terminales del diodo es positivo, por consiguiente está en conducción (ON).

En (b) el diodo se opone al sentido de la corriente, por lo cual se encuentra en corte (OFF).


Ejemplos de aplicaciónHalle la información requeridade voltajes y corrientes de loscircuitos con diodos


El Rectificador de onda

Usando al diodo ideal: En el semiciclo positivo el diodo está en ON En el semiciclo negativo el diodo está en OFF


Ejemplo de aplicación

El circuito de la figura es un cargadorde batería de 12VDC. Si vs es una señalsenoidal, de amplitud pico de 24V,encuentre el ángulo de conducción dela corriente del diodo.


Compuertas Lógicas Con diodos se pueden

construir compuertas lógicas. En (a) cuando se aplica un

voltaje positivo (5V por ejemplo), la salida mantendrá ese voltaje.

Entonces el comportamiento será de una puerta OR

En (b) al aplicar 0V, la salida será cero.

Entonces el comportamiento será de una puerta AND

CBAY CBAY


Ejemplos de aplicaciónHalle la información requeridade voltajes y corrientes de loscircuitos con diodos


Estudio de la curva característica de los diodos de unión

Se analizará el comportamiento del diodo en cadazona de operación:

Directa

Inversa

Ruptura


Directa Esta en directa cuando v es

positivo. Su ecuación es: IS es corriente de saturación o

corriente de escala porque es proporcional al área de sección transversal.

IS típico 10-9A a 10-15A VT es el voltaje térmico cuyo valor

típico es 25mV. n depende del material y su

estructura física. 1≤ n ≤ 3 Para una v<0.5V, la corriente es

muy pequeña.

)1( TnVv

S eIi


Los parámetros IS y VT son dependientes de la temperatura.

Como consecuencia la curva cambia y el voltaje de conducción se desplaza.

El desplazamiento producido es -2mV/ºC.

qTkVT

k es la constante de Boltzman = 1.38x10-23 J/KT es la temperatura en grados Kelvin = °C + 273q es la magnitud de la carga eléctrica = 1.609x10-19C

Directa

Al reemplazar estas constantes y la temperatura a 27°C, resultala cantidad de 25mV


Análisis de circuitos con diodo en Directa

La fuente tiene un voltaje mayor al umbral y esto nos permite verificar que el diodo está en la zona de directa.

Y en todo circuito eléctrico debe cumplir las leyes de Kirchhoff.

El procedimiento matemático para la solución de este problema es aplicando el criterio de la iteración, hasta lograr el valor final del voltaje y corriente en el diodo

TD nVVSD eII

RVVI DDD

D

Ecuación de Shocktley

William Bradford Shockley fue el primero que modeló al diodo

Ley de Kirchhoff de Voltajes


Análisis de circuitos con diodo en Directa

La resolución gráfica del circuito se obtiene trazando las curvas característica del diodo y del circuito completo (recta de carga).

El punto de intersección constituyen los valores de funcionamiento del diodo. Este es el punto de operación Q.

TD nVVSD eII

RVVI DDD

D


Aproximación de la ecuación de Schockley

)log(3.21

2

12D

DTDD I

InVVV

T

D

nVv

SD eIi2

2

T

D

nVv

SD eIi1

1

VD1 VD2

ID1

ID2

Se toma dos valores genéricos del par v-i en el diodo

Se puede deducir lasiguiente ecuación:

Luego se procede a aplicarla iteración entre la LKV yla ecuación modificada deShockley :

RVVI DDD

D

2

)log(3.21

2

12D

DTDD I

InVVV


Ejemplo de aplicación

Para el circuito mostrado, VDD es 12V,La resistencia R es 1k.Se sabe que en el diodo habrá 0.7V para una corriente de 1mA.

Hallar el punto Q de operación del diodo.

VD = _______ (V)ID = _______ (mA)


Inversa Se presenta cuando v es

negativo. En la figura se representa en

una escala comprimida. En esta zona de operación la

curva esta dada por:

Donde IS es la corriente de saturación.

SIi


Ruptura Se presenta cuando v

sobrepasa un valor de umbral conocido como voltaje de ruptura (VZK).

La corriente aumenta muy rápido con respecto al voltaje.

Para evitar la destrucción del dispositivo en esta zona, es conveniente limitar su corriente a valores apropiados.

Estos valores apropiados corresponden a la potencia disipada y se encuentran en las hojas de datos

Aquí operan los diodos Zener


Diodo Zener

La característica pronunciada de la región de ruptura permite usar a los diodos en esta región como reguladores de voltaje.

Sin embargo no cualquier diodo no se puede trabajar en esta región.

Los diodos especialmente fabricados para operar aquí se les conoce como diodos de ruptura y diodos Zener.

La polaridad y sentido de la corriente para el diodo trabajando en la zona Zener se muestra en la figura con el símbolo correspondiente. A

K


Modelo del Diodo Zener

Debajo de IZK la curva es casi una línea recta.

El voltaje de Zener se especifica utilizando una corriente de prueba.

Se especifica también una potencia máxima que limita la corriente de trabajo.

La curva característica del diodo zener se puede aproximar a la ecuación de una recta.


Modelo del Diodo Zener

Las características mostradas en el circuito nos llevan al modelo equivalente del Zener.

Este modelo es sólo aplicable cuando se trabaja en zona Zener.

La fuente VZO representa la intersección de la recta tangente a la curva del Zener en el punto de prueba. Es diferente a VZK.

Entonces el voltaje del Zener tendrá la siguiente expresión :

ZzZZ IrVV 0


Ejemplo de aplicaciónPara el circuito de la figura

Los datos del diodo zener son:

VZ=6.8V a IZ = 5mA, rZ=20

Calcule:a. VO sin carga y a 10Vb. VO, si RL es igual a 2k,c. Vo, si RL es igual a 0.5k,d. vo cuando la variación

de V+ es ±1V y RL es 2k


Modelo Aproximado del Diodo El análisis se complica con la curva exponencial, por lo cual se toma

una aproximación lineal por partes. La pendiente de la curva puede variar dependiendo del intervalo donde se trabaje.

A partir de la gráfica lineal de puede deducir el modelo equivalente del diodo


Modelo Simplificado del Diodo En ocasiones no es necesario conocer el cambio en la corriente y se

usa un modelo más simple en el cual el voltajes es constante. El modelo simplificado se dibujará de la siguiente manera:


Modelo a Pequeña Señal

En algunas aplicaciones el diodo se polariza en un punto dentro de la zona lineal de la curva y alrededor de ella se superpone una pequeña señal.

En el punto de polarización se trazará la recta del modelo equivalente que es tangente a la curva del diodo.

Empleamos el siguiente circuito para efectuar dicho análisis.


Modelo a Pequeña Señal Consideramos la ecuación de Schockley del

diodo:

Pero vD = VD + vd , luego:

Sabemos que:

Para garantizar la linealidad del modelo en pequeña señal, la exponencial se “trunca” a los dos primeros términos, luego:

La relación entre la corriente y el voltaje en señal es la conductancia del diodo a pequeña señal y su inversa la resistencia del diodo a pequeña señal o incremental (rd)

T

D

nVv

SD eIi

T

D

nVv

SD eIi

T

d

T

d

T

D

T

dD

nVv

DnVv

nVV

SnVvV

SD eIeeIeIi

.....!4!3!2

1432

xxxxex

dDT

dDD iI

nVvIi )1( d

T

Dd vnVIi

dr


Modelo a Pequeña Señal De la figura podemos obtener que rd es:

Por lo tanto la ecuación de la recta será:

Y su consiguiente modelo equivalente es:

DD IiD

Dd v

ir

1

)(1 DODd

D Vvr

i


Modelo a Pequeña Señal

Modelo en DC Modelo en AC


Circuitos Limitadores La curva de un circuito limitador se ve en la

figura. Es lineal en el intervalo L+ y L-. Si la entrada supera los umbrales, el

circuito limita la salida según sea el lugar. Esta caso es el más completo llamado

limitador doble. Si la onda sobrepasa ambos lados, la salida que da recortada de acuerdo con los límites.


Circuitos Limitadores


Circuitos Rectificadores La rectificación se usa en una de las etapas de las fuentes de

alimentación para circuitos electrónicos. El diagrama de bloques mostrado abajo indica las distintas etapas de

una fuentes de alimentación. La carga puede ser cualquier circuito electrónico. Los diodos intervienen tanto en la etapa rectificadora como la

reguladora.


El rectificador de media onda


El rectificador de onda completa

Se usa un transformador con derivación central o toma central.

Este tipo de rectificador es el usado para las fuentes de alimentación


El rectificador tipo puente

La forma de onda es similar y no necesita un transformador con derivación central.

La onda rectificada tiene un amplitud menor debido a la cantidad de diodos mayor respecto al rectificador de onda completa.


Rectificador con filtro

Consideramos el circuito rectificador de media onda y le agregamos un condensador en paralelo para realizar el filtrado.

Al inicio el condensador se carga al valor pico de la fuente. Al descender el voltaje el condensador se empieza a descargar a

través de R. Esto sucede hasta que el voltaje nuevamente se incremente y alcance el voltaje en C.


Rectificador con filtro En la figura se muestran la

entrada y salida. Se supone siempre que

RC»T. La descarga se efectúa hasta que la salida coincide con la entrada.

Aparece una diferencia de voltaje Vr llamado Voltaje Rizo bastante pequeño.

En esta aplicación el diodo conduce en un intervalo de tiempo muy corto.


Rectificador con filtro La aplicación de filtrado usado para media onda también se puede

aplicar para onda completa. En este caso el voltaje cae menos que en el de media onda debido

a la mayor frecuencia. Por consiguiente el voltaje rizo es menor. Cuando los diodos son reales los valores son ligeramente menores

debido al voltaje umbral del diodo.


Operación Física del Diodo El diodo semiconductor es una unión p-n. Se construye en un sólo

cristal de silicio donde se forman la región p y la región n. El semiconductor es una estructura que mantiene enlaces covalentes

y a temperaturas suficientemente bajas no tiene electrones libres. Cuando el material se encuentra a temperatura ambiente se rompen

algunos enlaces provocando un par llamado electrón-hueco. El movimiento de los electrones y huecos puede ser por difusión y

desplazamiento.

Difusión debido a efectos térmicos y es al azar.

Desplazamiento por la aplicación de un campo eléctrico.


Operación Física del Diodo Silicio puro, éste

posee valencia 4


Operación Física del Diodo Debido a la

temperatura, el enlace covalente se rompe, esto genera un hueco permitiendo la conducción eléctrica


Operación Física del Diodo Al silicio se le

agregan impurezas, que no es otra cosa que adicionar elementos de valencia +5

Esto permite la circulación de la corriente en un sentido determinado


Operación Física del Diodo Al silicio se le

agregan ahora impurezas, que no es otra cosa que adicionar elementos de valencia +3

Esto permite la circulación de la corriente en el sentido contrario


Operación Física del Diodo Los semiconductores con impurezas son aquellos en los que

predominan uno de los portadores (electrones o huecos). Cuando la mayoría de los portadores son electrones el material es del

tipo n. Cuando la mayoría de los portadores son huecos el material es del

tipo p. Para convertir un semiconductor en tipo n o p es necesario añadir

algunos átomos de otros elementos. El fósforo al ser introducido eleva la cantidad de electrones libres por

lo cual se le conoce como donante. Cuando se introduce boro en el semiconductor existe una cantidad de

excesiva de huevos resultando ser un aceptante.


Operación del DiodoCircuito Abierto

La corriente de difusión ID es la que provocan los portadores que migran de una región a la otra.

En la vecindad de la unión se forma una región neutra llamada de agotamiento donde los portadores migrados se combinan.

Aparece un voltaje llamado de barrera, la cual debe vencerse para que se provoque la circulación de las cargas.

La corriente de desplazamiento IS es provocada por los portadores minoritarios que pasan la unión.


Operación del DiodoPolarización Inversa

Para entender el comportamiento aplicamos una fuente de corriente en dirección inversa menor que IS.

Los electrones fluyen del material n al p a través del circuito externo y viceversa.

Esto provoca que la región de agotamiento se …..

Entonces aparecerá un voltaje VR que será el nuevo voltaje de barrera.

III DS


Operación del DiodoRegión de Ruptura

Aplicamos ahora una corriente mayor a IS y los electrones pasarán del material n al p y viceversa provocando un ensanchamiento mayor de la región de agotamiento.

El voltaje se eleva hasta llegar a un punto donde pueden ocurrir dos eventos: el efecto Zener y el efecto avalancha.

El efecto Zener se provoca debido a la intensidad de campo que rompe enlaces covalentes liberando pares electrón-hueco.

El efecto Avalancha se provoca cuando los portadores minoritarios provocan la ruptura de enlaces de los átomos y se multiplican.


Operación del DiodoPolarización Directa

Se aplica ahora una corriente como se ve en la figura.

Los huecos y electrones inyectados en los materiales p y n provocan una disminución de la región de agotamiento.

Esto permite el paso de los portadores a través de la unión.

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