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Electrónica – 5 EM – ITS Lorenzo Massa Pagina 1 Unidad 3 - Ing. Juan Jesús Luna Alumno:

Diodos Semiconductores Introducción: Todos los elementos químicos existentes en la naturaleza poseen características diferentes, agrupados en la denominada “Tabla de Elementos Químicos”. Desde el punto de vista eléctrico, todos los cuerpos simples o compuestos formados por esos elementos se pueden dividir en tres amplias categorías: Conductores, Aislantes y Semiconductores. Los materiales conductores ofrecen una baja resistencia al paso de la corriente eléctrica. Los semiconductores se encuentran a medio camino entre los conductores y los aislantes, pues en unos casos permiten la circulación de la corriente eléctrica y en otros no. Finalmente los cuerpos aislantes ofrecen una alta resistencia al paso de la corriente eléctrica. Materiales Semiconductores: El material semiconductor mayormente usado en electrónica es el silicio (Si) ya que es un componente relativamente barato de obtener, la materia prima empleada para fabricar cristales semiconductores de silicio es la arena, uno de los materiales más abundantes en la naturaleza, en su forma industrial primaria el cristal de silicio tiene la forma de una oblea de muy poco grosor (entre 0,20 y 0,25 mm aproximadamente), pulida como un espejo. En menor medida se usa el germanio (Ge) y combinaciones como el Arseniuro de Galio (GaAs) Incremento de la conductividad en un elemento semiconductor: La mayor o menor conductividad eléctrica que pueden presentar los materiales semiconductores depende en gran medida de su temperatura interna. En el caso de los metales, a medida que la temperatura aumenta, la resistencia al paso de la corriente también aumenta, disminuyendo la conductividad. Todo lo contrario ocurre con los elementos semiconductores, pues mientras su temperatura aumenta, la conductividad también aumenta. En resumen, la conductividad de un elemento semiconductor se puede variar aplicando uno de los siguientes métodos: 1 - Elevación de su temperatura 2 - Introducción de impurezas (dopaje) dentro de su estructura cristalina 3 - Incrementando la iluminación. Semiconductores "Intrinsecos": Los materiales semiconductores, según su pureza, se clasifican de la siguiente forma: 1 – Intrínsecos: Semiconductor en estado puro. 2 – Extrínsecos: Semiconductor que contiene impurezas (átomos de otro tipo dentro de su estructura). Material "Tipo P": Es un semiconductor dopado o contaminado con otras sustancias llamadas impurezas de tal modo que en su estructura molecular le faltan electrones, a esa ausencia de electrones se le llama “hueco” o carga positiva. Material "Tipo N": Es un semiconductor dopado o contaminado con otras sustancias llamadas impurezas de tal modo que en su estructura molecular le sobran electrones o cargas negativas. Diodo Semiconductor: Es un componente electrónico formado por la unión de un material Tipo P con otro Tipo N y tiene la funcionalidad de que la corriente eléctrica circula por él en un solo sentido. En el mismo momento que un cristal semiconductor de silicio (Si) de Tipo P se pone en contacto con otro cristal semiconductor también de silicio, pero de Tipo N, se crea un diodo de empalme o de unión “p-n”. Si al diodo así formado se le conecta una fuente de corriente eléctrica, éste reacciona de forma diferente a como ocurre con cada una de las dos partes semiconductoras por separado.


Representación gráfica de las dos partes que componen.un diodo de silicio de unión PN: A la izquierda la parte positiva (P) y a la derecha la negativa (N). En la ilustración se puede apreciar la “zona de deplexión” que se forma alrededor del punto donde se unen los dos cristales semiconductores de diferente polaridad. En el punto de unión PN se crea una “barrera de potencial” cuya misión es impedir que los electrones libres de la parte negativa salten a la parte positiva para unirse con los huecos presentes en esa parte del semiconductor. Hasta tanto los electrones no alcancen el nivel de energía necesario que le debe suministrar una fuente de energía externa conectada a los dos extremos del diodo, no podrán atravesar esa barrera.

En la parte de arriba de esta ilustración aparece el símbolo general usado para identificar un diodo semiconductor común y abajo el aspecto físico externo que presentan la mayoría de los diodos de silicio. Como se puede observar en ambas ilustraciones, el ánodo “A” constituye la parte positiva y el cátodo “K” la negativa. En un diodo real, el extremo correspondiente al cátodo se identifica por medio de una marca o anillo color plata impreso junto al terminal negativo de conexión al circuito eléctrico. Polarización del Diodo: Puede polarizarse de forma directa o de forma inversa. Diodo polarizado directamente: Los diodos semiconductores actúan de forma similar al funcionamiento de una válvula hidráulica del tipo antirretorno.

Válvula antirretorno: La flecha estampada en su cuerpo metálico indica el único sentido en que puede circular el fluido cuando se conecta a un circuito hidráulico. Arriba, la flecha azul señala el sentido de circulación permitido. Abajo, la flecha roja muestra que si el fluido hidráulico ha pasado a la parte izquierda de la válvula intenta ir hacia atrás por el mismo camino, no podrá hacerlo porque en ese sentido contrario al normal se encontrará bloqueada la entrada de la válvula. Cuando se instala una válvula antirretorno en un circuito hidráulico, el fluido sólo puede circular en un sentido, porque se bloquea en sentido inverso, ya que en ese caso su mecanismo interno se cierra


automáticamente. De forma similar, para que la corriente eléctrica pueda fluir a través de un diodo, es necesario polarizarlo “directamente”. Para ello el polo negativo (–) de la batería o fuente de fuerza electromotriz se conecta al cátodo “K” o parte negativa (N) del diodo, mientras que el polo positivo (+) de la propia batería se conecta al ánodo “A” o parte positiva (P) del propio diodo.

En la parte superior de esta figura se representa el esquema de un diodo energizado en “polarización directa”. Como se puede observar, el polo negativo (–) de la batería se encuentra conectado al cátodo “K” y el polo positivo (+) al ánodo “A” del diodo. Esta conexión permite que la corriente de electrones que suministra la batería o fuente de fuerza electromotriz pueda circular en el sentido que indican las flechas. En la parte de abajo de la figura,.se muestra un símil hidráulico, que emplea una “válvula antirretorno” con el paso abierto para que el fluido hidráulico pueda circular. Se puede observar que el fluido (representado por las flechas de color rojo) atraviesa la válvula circulando en el sentido en el que la bola que sirve de compuerta a la válvula se abre. Así,.una vez que la presión del propio fluido hidráulico vence la fuerza que ejerce el muelle sobre la bola, ésta cede y el líquido puede fluir libremente. De forma similar en el circuito eléctrico de un diodo polarizado de forma directa, la corriente también puede fluir a través del mismo en un solo sentido. Cuando se polariza un diodo de forma directa, el polo positivo de la batería rechaza los huecos o agujeros contenidos en la región "P" (ánodo del diodo), y los obliga a dirigirse al empalme "P-N". En esas condiciones, la “zona de deplexión” se reduce por completo, por lo que los electrones en exceso en el material negativo o cátodo adquieren la suficiente energía como para poder atravesar la barrera de potencial existente en el empalme "P-N". De esa forma los electrones penetran en la región "P" de la parte positiva del diodo para combinarse ahí con los huecos. Al mismo tiempo la atracción que ejerce el polo positivo de la batería sobre los electrones (negativos) provoca que estos salten o se desplacen de hueco en hueco a través de esa mitad del diodo y recorran toda la región semiconductora "P". Así, los electrones que cede la batería a partir de su polo negativo (–), retornan a su polo positivo (+) después de atravesar el diodo. De esa manera se restablece el equilibrio electrónico interno de la propia batería, el cual se ve continuamente alterado durante todo el tiempo que se encuentre conectada al circuito cediendo electrones a la región “N” del diodo.

En la ilustración “A” se puede ver un circuito electrónico formado por un diodo de silicio (1), una pila o batería (2), una lámpara LED en función de consumidor (3), un interruptor (4) y un


miliamperímetro (5)..Como todavía el circuito se encuentra abierto (no se ha accionado el interruptor), la corriente eléctrica no circula. En la ilustración "B" se ha accionado el interruptor y, de acuerdo con polaridad de la batería, el diodo se polariza de forma directa permitiendo el paso de la corriente a través del circuito, por lo que la lámpara LED se enciende y la aguja del miliamperímetro se mueve indicando que la corriente eléctrica está circulando. En la ilustración “C” se ha cambiado la conexión de la batería en el circuito, por lo tanto,.la polaridad también queda invertida. En esta ocasión, aunque el interruptor se accione, se puede observar que la lámpara LED no se enciende y la aguja del miliamperímetro no muestra circulación de corriente eléctrica alguna (se mantiene indicando “0” mA), pues al haberse cambiado la polaridad de la batería, el diodo se polariza de forma inversa impidiendo que la corriente eléctrica circule por el circuito. El efecto que se obtiene es el mismo que si no se hubiera accionado el interruptor.

Diodo polarizado inversamente:

En la parte de arriba de esta figura se representa el esquema de un diodo energizado en “polarización inversa”. Como se puede observar, el polo positivo de la batería se encuentra conectado al cátodo “K” y el polo negativo al ánodo “A”. Esta conexión impide que la corriente de electrones que suministra la batería u otra fuente de fuerza electromotriz puedan circular en el sentido que indican las flechas y atravesar el diodo, por lo que no se puede completar el circuito eléctrico. En la parte de abajo de la ilustración se muestra el esquema de una “válvula hidráulica antirretorno” cerrada. Aquí se puede observar que el fluido hidráulico (representado por la flecha de color rojo) no puede atravesar la válvula si intenta circular en sentido inverso, debido a la presión que ejerce el muelle sobre la bola y la propia presión que ejerce también el fluido hidráulico sobre ésta, lo que provoca el cierre completo de la abertura de entrada. De forma similar un diodo polarizado de forma inversa impide que la corriente eléctrica pueda fluir en sentido contrario, por lo que no puede atravesarlo, ni completarse tampoco la circulación de corriente a través del circuito.

Características de los Diodos: La forma de funcionamiento de un diodo común de silicio se puede apreciar observando la curva característica que se crea cuando se polariza, bien de forma directa, o bien de forma inversa. En ambos casos la curva gráfica (representada en color verde en el siguiente gráfico) muestra la relación existente entre la corriente y la tensión o voltaje que se aplicada a los terminales del diodo.


En este gráfico correspondiente a la curva característica de un diodo de silicio, se puede observar un eje horizontal “x” y otro vertical “y” que se intersectan en el centro. En ese punto el valor del voltaje y de la intensidad de la corriente es igual a “0” volt. El eje vertical “y” muestra hacia arriba su parte positiva (+y) correspondiente al valor que puede alcanzar la intensidad de la corriente (Id) que atraviesa al diodo cuando se polariza directamente, mientras que hacia abajo su parte negativa (-y) muestra cuál será su comportamiento cuando se polariza de forma inversa (Ii). El eje horizontal “x” muestra hacia la derecha, en su parte positiva (+x), el incremento del valor de la tensión o voltaje que se aplicada al diodo en polarización directa (Vd). Hacia la izquierda del propio eje se encuentra la parte negativa (–x), correspondiente al incremento también del valor de la tensión o voltaje, pero en polarización inversa (Vi). Si a un diodo común de silicio se le aplica una tensión (Vd) para polarizarlo directamente, partiendo de “0” volt (punto de intersección de los ejes de las coordenadas), se puede observar en el gráfico que hasta tanto no se alcanzan los 0,7 volt sobre el eje “+x”, el valor de la corriente (Id) no indica ninguna variación debido a la resistencia que, por debajo de ese voltaje, ofrece la “barrera de potencial” al flujo de los electrones en el punto de unión "P-N". Sin embargo, a partir de los 0,7 volt un pequeño incremento en el valor de la tensión, originará un enorme flujo de intensidad de corriente, tal como se puede apreciar en el gráfico, representado por la curva de color verde (paralela al eje “+y”), en la parte correspondiente a la “región de polarización directa” del diodo. Un diodo de germanio (Ge) sólo requiere 0,3 volt de polarización directa para que comience a conducir la corriente. Ahora bien, si el diodo se polariza de forma inversa aplicándole una tensión o voltaje inverso a partir de “0” volt y siguiendo el eje –x, se ve que aunque se incremente el valor de esa tensión, la corriente (Ii) no muestra variación alguna, excepto en un punto donde se produce una pequeñísima “corriente de fuga” de unos pocos micro amperes. A partir de ese momento si se continúa incrementando el valor de la tensión se llega al punto de “ruptura inversa”, (codo de la curva de color verde), donde el aislamiento de la unión "P-N" se rompe originándose un flujo de corriente, de valor tan alto, que destruye el diodo y lo hace inservible. No obstante, existe un diodo de silicio, denominado “zener”, que, contrariamente a lo ya explicado, emplea para su funcionamiento la polarización inversa. Debido a su construcción especial tiene la propiedad de estabilizar la tensión o voltaje inverso cuando llega al punto de ruptura y alcanza la región de avalancha (denominada también “región zener”). De esa forma el alto valor del flujo de corriente que se origina a partir de ese punto lo aprovecha este diodo para reducir el valor de la tensión sin que llegue a destruirse como ocurriría con otro diodo común. Por tanto, mientras otros tipos de diodos de silicio o de germanio tienen que operar necesariamente por debajo de la tensión de ruptura


inversa, el diodo zener puede soportar esa tensión de operación. Debido a esa característica este diodo se emplea, comúnmente, como regulador de tensión o voltaje en los circuitos electrónicos. Especificaciones Técnicas: En forma general se debe especificar: 1 – Máxima Corriente Directa 2 – Máxima Tensión Inversa 3 – Máxima Frecuencia de Trabajo En forma particular se deben especificar otros parámetros que dependen de la aplicación que se trate. Encapsulados de Diodos: En dependencia de la tensión que soportan, la intensidad de la corriente de trabajo, la función específica que tendrán asignada dentro de un circuito electrónico y la potencia que disipan en watt, los diodos se comercializan con diferentes tipos de encapsulados. Además, un diodo específico puede tener tamaño y características de trabajo diferentes, así como diferente forma de encapsulado.

En esta ilustración aparecen varios diodos de características y usos diferentes y con encapsulados también diferentes. El tipo de encapsulado de estos diodos se identifica con las siguientes siglas: 1.- DO35, 2.- DO-41, 3.- SOD-57, 4.- TO-3, 5.- TO-48, 6.- SOD-23,7.- KBL, 8.- WOW. Además de estos ejemplos existen muchos tipos más de encapsulados.

Muestra de dos diodos rectificadores de silicio de diferentes características y encapsulados también diferentes, ambos comparados con un céntimo de euro. El diodo de arriba, de menor tamaño, puede soportar una corriente de 1 ampere y trabajar con un voltaje de 1000 volt. A ese diodo le corresponde un encapsulado DO-41. El diodo de abajo, de mayor tamaño, puede soportar una corriente de 10


ampere y trabajar, igualmente, con un voltaje de 1000 volt, pero a diferencia del anterior a éste le corresponde un encapsulado R-6.

Existen también componentes miniaturizados para montar directamente sobre circuitos impresos, denominados “SMD” (Surface Mount Device –Dispositivo de montaje en superficie). Entre esos componentes se pueden encontrar, igualmente, diodos de silicio como los que aparecen en la foto superior identificados como D7 y D8. Nótese los pocos milímetros que poseen tanto esos dos diodos como el resto de los componentes que le acompañan [capacitores (C) y resistencias (R)]. Rectificación de la Corriente Alterna (C.A.) empleando Diodos: Puesto que los diodos permiten el paso de la corriente eléctrica en una dirección y lo impiden en la dirección contraria se los puede usar para rectificar Corriente Alterna para transformarla en Corriente Continua. Funcionamiento de un Rectificador de Media Onda (RMO): La corriente alterna (C.A.) circula por el circuito eléctrico formando una sinusoide, en la que medio ciclo posee polaridad positiva mientras y el otro medio ciclo posee polaridad negativa. Es decir, cuando una corriente alterna circula por un circuito eléctrico cerrado su polaridad cambia constantemente tantas veces como ciclos por segundo o hertz de frecuencia posea. En el caso de la corriente alterna que llega a nuestros hogares la frecuencia puede ser de 50 o de 60 ciclos en dependencia del sistema que haya adoptado cada país en cuestión.

En la ilustración de arriba se puede apreciar que en el proceso de rectificación de la corriente alterna (C.A.) utilizando un solo diodo, durante un primer medio ciclo positivo los electrones circularán por el circuito atravesando primero el diodo y a continuación el consumidor o carga eléctrica, representado por una resistencia (R). En ese instante, en los extremos de la resistencia se podrá detectar una corriente directa "pulsante" que responde a ese medio ciclo. En el medio ciclo siguiente (esta vez negativo), los electrones cambiarán su sentido de circulación y no podrán atravesar ni la resistencia, ni el semiconductor diodo, porque en ese instante el camino estará bloqueado por el diodo y no habrá circulación de corriente por el circuito. A continuación y durante el medio ciclo siguiente positivo, de nuevo el diodo vuelve a permitir el paso de los electrones, para bloquearlo nuevamente al cambiar la corriente el sentido de circulación y así sucesivamente mientras se continúe suministrándole corriente al diodo. Por tanto, durante cada medio ciclo positivo de una fuente de corriente alterna (C.A.) conectada a un diodo se registra una polaridad fija en los extremos de un consumidor conectado al circuito de salida del propio diodo, mientras que durante el siguiente medio ciclo negativo no


aparecerá polaridad alguna debido al bloqueo que ofrece el propio diodo al paso de los electrones en sentido inverso. De esa forma, a través del consumidor circulará una corriente pulsante, pues en este caso el diodo actúa como un rectificador de corriente alterna de media onda. Parámetros más importantes en RMO:

Parámetro Fórmula Observaciones

Valor Medio de la Tensión

Es la media aritmética de todos los valores instantáneos de la señal comprendidos en un intervalo (en este caso la mitad del período).

Valor Eficaz de

la Tensión

Este valor de tensión se lo puede comprobar con un tester.

Valor Medio de

la Corriente

Se obtiene aplicando la Ley de Ohm a los valores de tensión. Dependen de la Resistencia de Carga del Rectificador.

Valor Eficaz de

la Corriente

= Valor de Pico o Máximo: Es la Amplitud máxima que puede tomar la señal.

= Valor Eficaz o Efectivo: Es el valor que tendría una corriente continua que produciría el mismo efecto calorífico que la corriente alterna. En ondas senoidales es:

Valor Instantáneo: Es el valor que puede tomar la señal en cualquier instante de tiempo. Funcionamiento de un Rectificador de Onda Completa (ROC): ROC con 2 Diodos y Transformador con Toma Central:

Durante el medio ciclo positivo la tensión en el arrollamiento secundario superior hace que conduzca D1, la corriente circula por R (de + a -) para cerrar por la Derivación central del secundario del transformador; mientras que la tensión en el arrollamiento secundario inferior hace que D2 permanezca bloqueado.


Durante el medio ciclo negativo la tensión en el arrollamiento secundario inferior hace que conduzca D2, la corriente circula por R (de + a -) para cerrar por la Derivación central del secundario del transformador; mientras que la tensión en el arrollamiento secundario superior hace que D1 permanezca bloqueado. ROC con Puente Rectificador: Está compuesto por cuatro diodos conectados en puente. Se ilustran tres formas de esquematizar en un diagrama la conexión de esos cuatro diodos para obtener un rectificador de onda completa.

Diferentes formas de representar esquemáticamente un mismo puente rectificador de onda completa integrado por cuatro diodos, aunque la figura de la izquierda es la forma más común de representarlo.

Un puente rectificador de cuatro diodos funciona de la siguiente forma: En la parte (A) de la ilustración, durante el primer medio ciclo negativo (–) de la corriente que proporciona la fuente de suministro alterna (C.A.) conectada al puente rectificador, los electrones atraviesan primero el diodo (1), seguidamente el consumidor (R) y después el diodo (2) para completar así la circulación de la corriente de electrones por una mitad del circuito correspondiente al puente rectificador. Como aclaración, al llegar los electrones en su recorrido al punto de conexión (a), no pueden atravesar el diodo (4) porque, de acuerdo con la colocación que éste ocupa en el circuito, bloqueará o impedirá la circulación de los electrones en ese sentido. Una vez que los electrones continúan su recorrido, al llegar al punto de conexión (b), tampoco pueden atravesar el diodo (4), porque la corriente de electrones nunca circula en dirección a su propio encuentro (de forma similar a como ocurre con la corriente de agua en un río), sino que siempre se mueve en dirección al polo opuesto de la fuente de suministro que le proporciona la energía eléctrica, o sea, el polo positivo de la corriente alterna (C.A.) en este caso. En la parte (B) de la ilustración la corriente alterna cambia la polaridad y, por tanto, el sentido de circulación de los electrones. En esta ocasión, los electrones atraviesan primeramente el diodo (3), a continuación atraviesan el consumidor (R) y, por último, el diodo (4) para retornar a la fuente de suministro eléctrico y completar así el circuito. De forma similar a lo ocurrido en el ciclo anterior, ahora el diodo (1) es el encargado de bloquearle el paso a los electrones para que se puedan dirigir en dirección al consumidor (R), mientras que al diodo (2) tampoco pueden atravesarlo, porque no pueden ir a su propio encuentro, tal como ocurre en el medio ciclo anterior.


Como se habrá podido apreciar, tanto en el primer medio ciclo, como en el siguiente, los signos de polaridad positiva (+) y negativa (–) a la salida del circuito del puente de rectificación donde se encuentra conectado el consumidor (R), se mantiene constante, pues una vez rectificada la corriente alterna (C.A.) y convertida en directa (C.D.) las polaridades no sufren variación alguna como ocurre con la corriente alterna a la entrada del circuito. En esa ilustración se puede ver también que a la salida del circuito de rectificación se obtienen una serie de pulsaciones continuas, es decir, no intermitentes como ocurre cuando se emplea un solo diodo rectificador en un circuito de media onda. Parámetros más importantes en ROC:

Parámetro Fórmula Observaciones

Valor Medio de la Tensión

Es la media aritmética de todos los valores instantáneos de la señal comprendidos en un intervalo (en este caso la mitad del período). Si se tiene en cuenta la tensión de la polarización directa del Diodo se tiene:

Valor Eficaz de

la Tensión

Este valor de tensión se lo puede comprobar con un tester.

Tensión

Máxima Inversa del Diodo

Se obtiene de la hoja de datos del diodo. Debe ser como mínimo igual al doble de la tensión máxima que entrega el transformador.

Valor Medio de

la Corriente

Se obtiene aplicando la Ley de Ohm a los valores de tensión. Dependen de la Resistencia de Carga del Rectificador.

Valor Eficaz de

la Corriente


Rectificador con Filtro a la Salida de la Corriente Directa: Si se quisiera que un dispositivo rectificador de onda completa entregue una corriente directa lo más lineal posible, se puede colocar un filtro compuesto por uno o dos capacitores electrolíticos polarizados: 1 – Filtro con Capacitor:

Si el capacitor es grande significa menos rizado, pero aun cumpliéndose esta condición, el rizado podría ser grande si la resistencia de carga es muy pequeña (corriente en la carga es grande). Hay que tomar en cuenta que el voltaje máximo que se podrá obtener dependerá del voltaje entregue el transformador. 2 – Filtro π (2 Capacitores y 1 Bobina): La función del filtro consiste en compensar las variaciones o deformaciones residuales que puedan haber quedado remanentes en la corriente rectificada. Para ello durante el medio ciclo negativo los capacitores se cargan y durante el siguiente medio ciclo positivo se descargan para rellenar los espacios sin carga que se crean entre una cresta y la otra, correspondientes a las medias ondas de la corriente rectificada.

Sin embargo, algunos equipos y dispositivos electrónicos (sobre todo los de sonido, por ejemplo), requieren de una corriente directa rectificada lo más pura o lineal posible, por lo que para obtener ese resultado será necesario colocar un transistor a continuación del filtro, en función de estabilizador (figura C).


En la foto de la arriba se muestra un dispositivo rectificador de onda completa empleado en un equipo que funciona con 12 volt de corriente directa (C.D.), conectándose a una toma doméstica de corriente alterna (C.A.) de 220 volt. En la parte izquierda se encuentra un transformador encargado de transformar o rebajar los 220 volt de entrada en 12 volt de salida, también de corriente alterna. En el centro hay un puente rectificador (con encapsulado KBL), que convierte los 12 volt de corriente alterna (C.A.) en 12 volt de corriente directa (C.D.). A la derecha se observan los dos capacitores electrolíticos y una de las resistencias que hacen función de filtro. La otra resistencia también visible, se emplea para limitar la corriente por el LED (en la parte inferior de la foto) empleado como testigo o luz piloto para indicar que el equipo se encuentra conectado al suministro de corriente alterna de la red doméstica, incluso cuando éste no está en uso. Aplicaciones: - Adaptadores de corriente que emplean diferentes equipos electrónicos. - Cargadores de batería para teléfonos móviles, cámaras fotográficas digitales, reproductores mp3, ordenadores portátiles, etc. Fuente Partida, Dual o Simétrica:

Es una Fuente de Alimentación que provee una tensión positiva y otra negativa respecto de tierra. En el circuito de la figura se observa que: 1 – En Semi Ciclo Positivo: - Conducen D2 y D4 para aportar a +Vcc - Conducen D1 y D3 para aportar a –Vcc 2 - En Semi Ciclo Negativo: - Conducen D1 y D3 para aportar a +Vcc - Conducen D2 y D4 para aportar a –Vcc


Resultando la siguiente forma de onda:

La presencia de C1 para +Vcc y C2 para –Vcc modifican dicha forma de onda: (solo se grafica la parte positiva; la parte negativa es idéntica pero de signo contrario)

Regulación de Tensión: Regular o Estabilizar una variable física significa mantenerla dentro de ciertos límites. El elemento que realiza esta regulación se le llama Regulador o Estabilizador. El siguiente Diagrama de Bloques muestra la estructura de una Fuente de Alimentación Regulada Lineal; también existen las Reguladas Conmutadas pero estas se encuentran fuera del alcance del curso:

El Regulador Lineal es un circuito electrónico más o menos complejo que tiene la finalidad de eliminar casi por completo el rizado o ripple y mantener la tensión continua de salida sin variaciones en un rango de corriente que entrega a la carga. Existen circuitos integrados de reguladores donde se destacan los de la serie 78XX (para tensión positiva) y 79XX (para tensión negativa); todos los reguladores de esta familia entregan una corriente máxima de 1A. Por ejemplo, el 7805 es un regulador de 5V; el 7912 es un regulador de -12V. Ejemplo de regulador de +5V:


Fuente de Alimentación de Laboratorio Las fuentes de alimentación de laboratorio son aparatos imprescindibles en cualquier taller de mantenimiento, preventivo o correctivo, de equipos electrónicos. Su función es la de alimentar placas de prototipos electrónicos y aparatos electrónicos y eléctricos a baja tensión continua, con valores que suelen estar comprendidos entre 0V y unos 30V. Estas fuentes de alimentación (FA a partir de ahora) permiten suministrar valores de corriente máxima comprendidos, típicamente, entre 1A y 5A. El aspecto que presentan las FA de laboratorio comerciales es similar a los siguientes:

En la actualidad se pueden encontrar dos tipos de FA de laboratorio en lo que respecta a su funcionamiento interno: las FA lineales y las FA conmutadas. Éstas últimas van ganando cada vez más terreno a las primeras, que hasta hace poco eran las únicas existentes. Principales características técnicas: ● Resistencia interna: la FA, como generador de tensión que es, presenta una cierta resistencia interna, resistencia que queda conectada en serie con la carga. Esta resistencia interna tiene como efecto que la tensión de salida de la FA dependa de la intensidad de corriente eléctrica que está suministrando. Cuanto menor sea el valor de este parámetro mejor será la FA. ● Impedancia de salida: este parámetro incluye al anterior y lo amplía. Para variaciones lentas de la corriente de salida (o para ninguna variación en absoluto) la impedancia de salida coincidirá con la resistencia interna de la fuente. Sin embargo, si el circuito alimentado por la FA tiene variaciones de consumo rápidas la impedancia de salida gana importancia respecto a la resistencia interna, pasando a predominar. Una impedancia de salida elevada implicará que la FA no será capaz de suministrar al circuito las corrientes requeridas con la rapidez suficiente. Cuanto menor sea este parámetro para una FA determinada mejor será esa fuente. ● Rango de tensiones de salida: es el intervalo de tensiones que la FA es capaz de suministrar a su salida. ● Corriente de salida máxima: máximo absoluto de corriente que la FA puede entregar a su salida. ● Potencia máxima de salida: es la potencia máxima absoluta que puede entregar la FA a una carga conectada en su salida. En general, el valor de este parámetro no tiene por qué ser igual al producto de la tensión de salida máxima por la corriente de salida máxima, sino que será más pequeño:

Además, la potencia máxima que la fuente puede entregar en cada momento dependerá de los valores de corriente y tensión suministrados. Así, como ejemplo de lo dicho, el fabricante TTi (Thurlby Thandar instruments) proporciona la siguiente gráfica para su FA modelo CPX200, la cual tiene una tensión de salida máxima de 35V y una corriente de salida máxima de 10A:


● Regulación de carga (LR): Este parámetro especifica cuánto podrá llegar a variar la tensión fijada de salida ante variaciones de la carga que se conecta a la FA. Como una FA debe de mantener constante su tensión de salida sea cual sea la carga que se le conecte (dentro de su posibilidad de suministrar corriente), este parámetro será mejor cuanto menor sea su valor. Para medir este parámetro se ajusta la salida de la FA a una tensión tal que cuando se conecte la carga circule por ella la máxima corriente de salida de la FA. Esta tensión se la llamará . A continuación se conecta la citada carga. En estas condiciones se procede a medir la tensión de salida de la FA. Esta tensión se la llamará . Entonces, la regulación de carga se puede conocer mediante la siguiente expresión:

● Regulación de línea (SR): proporciona información sobre lo “sensible” que es una FA ante las variaciones de tensión de la red eléctrica, ya que cuando esto ocurre la tensión de salida de la FA también variará, siendo lo ideal que no lo hiciese. Al igual que el anterior parámetro, suele especificarse en forma de porcentaje, siendo mejor la FA cuanto más pequeño sea dicho porcentaje. Si

es la tensión de salida de la fuente y la tensión de la red eléctrica, se tendrá que:

● Protecciones: Se distinguen las siguientes: - Protección de Sobretensión: Protege la Carga. Desconecta la Carga si la FA entrega más tensión que la que tiene que entregar. - Protección de Sobrecorriente: Protege la FA. Desconecta la Carga cuando ésta consume más corriente que la indicada. - Protección contra Cortocircuito: Protege la FA. Desconecta la Carga cuando se produce un cortocircuito a la salida de la FA.

Diodos Zener: Un diodo Zener, es un diodo de silicio que se ha construido para que funcione en las zonas de rupturas. Llamados a veces diodos de avalancha o de ruptura, el diodo zener es la parte esencial de los reguladores de tensión casi constantes con independencia de que se presenten grandes variaciones de la tensión de red, de la resistencia de carga y temperatura. Símbolo esquemático: El diodo Zener se representa en los esquemas con el siguiente símbolo; en cambio el diodo normal no presenta esa curva en las puntas:


Curva Característica Tensión / Corriente del Zener

Voltaje Zener: El diodo está polarizado en forma inversa, obsérvese que la corriente tiene un valor casi nulo mientras que el voltaje se incrementa rápidamente, en este ejemplo fue con 5.6 voltios. Los diodos Zener mantienen la tensión entre sus terminales prácticamente constante en un amplio rango de intensidad y temperatura, cuando están polarizados inversamente, por ello, este tipo de diodos se emplean en circuitos estabilizadores o reguladores de la tensión tal y como el mostrado en la figura:

Eligiendo la resistencia R y las características del diodo, se puede lograr que la tensión en la carga (RL) permanezca prácticamente constante dentro del rango de variación de la tensión de entrada VS. Para elegir la resistencia limitadora R adecuada hay que calcular primero cuál puede ser su valor máximo y mínimo, después elegiremos una resistencia R que se adecue a nuestros cálculos.

Donde: 1. es el valor mínimo de la resistencia limitadora. 2. es el valor máximo de la resistencia limitadora. 3. es el valor máximo de la tensión de entrada. 4. es el valor mínimo de la tensión de entrada. 5. es la tensión Zener. 6. es la mínima intensidad que puede circular por la carga, en ocasiones, si la carga es desconectable, suele tomar el valor 0. 7. es la máxima intensidad que soporta la carga. 8. es la máxima intensidad que soporta el diodo Zener. 9. es la mínima intensidad que necesita el diodo zener para mantenerse dentro de su zona zener o conducción en inversa (1mA). La resistencia que se elija, debe estar comprendida entre los dos resultados que se obtuvieron.


La resistencia de carga del circuito ( ) debe cumplir la siguiente formula:

Diodos Emisores de Luz o LED: El LED (acrónimo del inglés de Light-Emitting Diode) es un dispositivo semiconductor (diodo) que emite luz coherente de espectro reducido cuando se polariza de forma directa la unión PN del mismo y circula por él una corriente eléctrica. Este fenómeno es una forma de electroluminiscencia. El color (longitud de onda), depende del material semiconductor empleado en la construcción del diodo y puede variar desde el ultravioleta, pasando por el visible, hasta el infrarrojo. Los diodos emisores de luz que emiten luz ultravioleta también reciben el nombre de UV LED (UltraViolet Light-Emitting Diode) y los que emiten luz infrarroja suelen recibir la denominación de IRED (Infra-Red Emitting Diode). El dispositivo semiconductor está comúnmente encapsulado en una cubierta de plástico, que puede estar coloreado pero solamente por razones estéticas, ya que ello no influye en el color de la luz emitida. Para obtener una buena intensidad luminosa debe escogerse bien la corriente que atraviesa el LED; para ello, hay que tener en cuenta que el voltaje de operación va desde 1,8 hasta 3,8 voltios aproximadamente (lo que está relacionado con el material de fabricación y el color de la luz que emite) y la gama de intensidades que debe circular por él varía según su aplicación. Valores típicos de corriente directa de polarización de un LED corriente están comprendidos entre los 10 y los 40 mA. En general, los LEDs suelen tener mejor eficiencia cuanto menor es la corriente que circula por ellos, con lo cual, en su operación de forma optimizada, se suele buscar un compromiso entre la intensidad luminosa que producen (mayor cuanto más grande es la intensidad que circula por ellos) y la eficiencia (mayor cuanto menor es la intensidad que circula por ellos).

Representación simbólica del diodo LED

Los LEDs comerciales típicos están diseñados para potencias del orden de los 30 a 60 mW. En torno a 1999 se introdujeron en el mercado diodos capaces de trabajar con potencias de 1 W para uso continuo; estos diodos tienen matrices semiconductoras de dimensiones mucho mayores para poder soportar tales potencias e incorporan aletas metálicas para disipar el calor generado por efecto Joule. Hoy en día, se están desarrollando y empezando a comercializar LEDs con prestaciones muy superiores a las de unos años atrás y con un futuro prometedor en diversos campos, incluso en aplicaciones generales de iluminación. El comienzo del siglo XXI ha visto aparecer el OLED (LED orgánicos), fabricados con materiales polímeros orgánicos semiconductores. Aunque la eficiencia lograda con estos dispositivos está lejos de la de los diodos inorgánicos, su fabricación promete ser considerablemente más barata que la de aquellos, siendo además posible depositar gran cantidad de diodos sobre cualquier superficie empleando técnicas de pintado para crear pantallas a color.


Los diodos infrarrojos (IRED) se emplean desde mediados del siglo XX en mandos a distancia de televisores, habiéndose generalizado su uso en otros electrodomésticos como equipos de aire acondicionado, equipos de música, etc. y en general para aplicaciones de control remoto, así como en dispositivos detectores. Los LEDs se emplean con profusión en todo tipo de indicadores de estado (encendido/apagado) en dispositivos de señalización (de tránsito, de emergencia, etc.) y en paneles informativos (el mayor del mundo, del NASDAQ, tiene 36,6 metros de altura y está en Times Square, Manhattan). También se emplean en el alumbrado de pantallas de cristal líquido de teléfonos móviles, calculadoras, agendas electrónicas, etc., así como en bicicletas y usos similares. Existen además impresoras LED. El uso de diodos LED en el ámbito de la iluminación (incluyendo la señalización de tráfico) es moderado y es previsible que se incremente en el futuro, ya que sus prestaciones son superiores a las de la lámpara incandescente y la lámpara fluorescente, desde diversos puntos de vista. La iluminación con LEDs presenta indudables ventajas: fiabilidad, mayor eficiencia energética, mayor resistencia a las vibraciones, mejor visión ante diversas circunstancias de iluminación, menor disipación de energía, menor riesgo para el medio ambiente, capacidad para operar de forma intermitente de modo continuo, respuesta rápida, etc. Asimismo, con LEDs se pueden producir luces de diferentes colores con un rendimiento luminoso elevado, a diferencia de muchas de las lámparas utilizadas hasta ahora, que tienen filtros para lograr un efecto similar (lo que supone una reducción de su eficiencia energética).

Conexión: Para conectar LEDs de modo que iluminen de forma continua, deben estar polarizados directamente. Además, la fuente de alimentación debe suministrarle una tensión o diferencia de potencial superior a su tensión umbral. Por otro lado, se debe garantizar que la corriente que circula por ellos no excede los límites admisibles (Esto se puede hacer de forma sencilla con una resistencia R en serie con los LEDs). Unos circuitos sencillos que muestran cómo polarizar directamente LEDs son los siguientes:

La diferencia de potencial Vd varía de acuerdo a las especificaciones relacionadas con el color y la potencia soportada. En términos generales, pueden considerarse de forma aproximada los siguientes valores de diferencia de potencial: • Rojo = 1,8 V a 2,2 V • Naranja = 2,1 V a 2,2 V • Amarillo = 2,1 V a 2,4 V


• Verde = 2 V a 3,5 V • Azul = 3,5 V a 3,8 V • Blanco = 3,6 V Luego mediante la ley de Ohm, puede calcularse la resistencia R adecuada para la tensión de la fuente Vfuente que se utilice.

El término I, en la fórmula, se refiere al valor de corriente para la intensidad luminosa que se necesita. Lo común es de 10 mA para LEDs de baja luminosidad y 20 mA para LEDs de alta luminosidad; un valor superior puede inhabilitar el LED o reducir de manera considerable su tiempo de vida. Otros LEDs de una mayor capacidad de corriente conocidos como LEDs de potencia (1 W, 3 W, 5 W, etc.), pueden ser usados a 150 mA, 350 mA, 750 mA o incluso a 1000 mA dependiendo de las características opto-eléctricas dadas por el fabricante. Cabe recordar que también pueden conectarse varios en serie, sumándose las diferencias de potencial en cada uno. También se pueden hacer configuraciones en paralelo, aunque este tipo de configuraciones no son muy recomendadas para diseños de circuitos con LEDs eficientes.

Fotodiodos: Un fotodiodo es un semiconductor construido con una unión PN, sensible a la incidencia de la luz visible o infrarroja. Para que su funcionamiento sea correcto se polariza inversamente, con lo que se producirá una cierta circulación de corriente cuando sea excitado por la luz. Debido a su construcción, los fotodiodos se comportan como células fotovoltaicas, es decir, en ausencia de luz exterior generan una tensión muy pequeña con el positivo en el ánodo y el negativo en el cátodo. Esta corriente presente en ausencia de luz recibe el nombre de corriente de oscuridad.

Símbolo del Fotodiodo 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. Material Longitud de onda (nm)

Silicio……………………………….190–1100 Germanio……………………………800–1700 Indio galio arsénico (InGaAs)………800–2600 sulfuro de plomo…………………….<1000-3500 Investigación: La investigación a nivel mundial en este campo se centra (en torno a 2005) especialmente en el desarrollo de células solares económicas, miniaturización y mejora de los sensores CCD y CMOS, así como de fotodiodos más rápidos y sensibles para su uso en telecomunicaciones con fibra óptica.


Diodo túnel: Es un diodo semiconductor que tiene una unión pn, en la cual se produce el efecto túnel que da origen a una conductancia diferencial negativa en un cierto intervalo de la característica corriente-tensión. La presencia del tramo de resistencia negativa permite su utilización como componente activo (amplificador/oscilador). También se conocen como diodos Esaki, en honor del hombre que descubrió que una fuerte contaminación con impurezas podía causar un efecto de tunelización de los portadores de carga a lo largo de la zona de agotamiento en la unión.

Símbolo del Diodo túnel

Características, principio de funcionamiento y aplicaciones: Una característica importante del diodo túnel es su resistencia negativa en un determinado intervalo de voltajes de polarización directa. Cuando la resistencia es negativa, la corriente disminuye al aumentar el voltaje. En consecuencia, el diodo túnel puede funcionar como amplificador, como oscilador o como biestable. Esencialmente, este diodo es un dispositivo de baja potencia para aplicaciones que involucran microondas y que están relativamente libres de los efectos de la radiación.

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