Modulo Electronica Basica - 201419.pdf

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD Escuela de ciencias Bsicas Tecnologa e Ingeniera Ingeniera Electrnica

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA

ESCUELA DE CIENCIAS BSICAS TECNOLOGA E INGENIERA

PROGRAMA DE INGENIERA ELECTRNICA

201419 ELECTRNICA BSICA

BOGOT AGOSTO DE 2011

Rplica del primer transistor, desarrollado en Bell Labs, en 1947.


GUA DIDCTICA - ELECTRNICA BSICA @Copyright UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ISBN 2006 Centro Nacional de Medios para el Aprendizaje Primera revisin Julio 20 de 2007. Editado - 20 de agosto de 2011.


NDICE DE CONTENIDO

INTRODUCCIN UNIDAD I: FUNDAMENTOS DE LOS SEMICONDUCTORES

Capitulo 1: Los Diodos Leccin 1: Diodos Semiconductores. Leccin 2: Anlisis de circuitos con diodos. Leccin 3: Rectificacin de media onda y rectificacin de onda completa. Leccin 4: Circuitos recortadores, sujetadores, y multiplicadores de Voltaje. Leccin 5: Diodo Zener y LED. Capitulo 2: Transistores Bipolares BJT Leccin 6: Construccin y operacin de transistores. Leccin 7: Configuraciones del BJT. Leccin 8: Accin de amplificacin del transistor. Leccin 9: Lmite de operacin, hoja de especificaciones, pruebas de transistores. Leccin 10: Punto de operacin. Capitulo 3: Polarizacin DC del transistor BJT Leccin 11: Circuito de polarizacin fija y de polarizacin estabilizada por emisor. Leccin 12: Polarizacin por divisor de voltaje y con retroalimentacin de voltaje. Leccin 13: Operaciones de diseo. Leccin 14: Redes de conmutacin con transistores. Leccin 15: Estabilizacin de polarizacin. FUENTES DOCUMENTALES DE LA UNIDAD 1

UNIDAD II. FET Y OTROS DISPOSITIVOS PNPN

Capitulo 4: EL FET Leccin 16: Construccin y caractersticas de los JFET Leccin 17: MOSFET de tipo decremental e incremental. Leccin 18: Manejo de MOSFET. Leccin 19: VMOS (Vertical Metal Oxide Silicon) Leccin 20: CMOS (MOS con arreglo complementario)


Capitulo 5: Polarizaciones del FET Leccin 21: Configuraciones de polarizacin del FET Leccin 22: MOSFET de tipo decremental e incremental. Leccin 23: Redes combinadas. Leccin 24: Diseo Leccin 25: FET de canal P y curva de polarizaciones para JFET. Capitulo 6: Otros Dispositivos PNPN Leccin 26: Diodos de cuatro capas Leccin 27: El SCR (Silicon Controled Rectifier) Leccin 28: Otros Tiristores Leccin 29: Disparo y Bloqueos de los Tiristores Leccin 30: Algunas Aplicaciones tpicas de los Tiristores. FUENTES DOCUMENTALES DE LA UNIDAD 2


LISTADO DE GRFICOS Y FIGURAS

Figura 1. Diodo ideal. (a) Smbolo; (b) Caracterstica Figura 2. Cortocircuito Figura 3. Circuito abierto Figura 4. Estructura atmica de un conductor: el cobre (Cu). Figura 5. Niveles de energa. Figura 6. Bandas de conduccin y valencia. Figura 7. Representacin de un cristal de silicio Figura 8. Movimiento de electrones libres. Figura 9. Enlace covalente roto Figura 10. Grafica de movimiento de electrones en el silicio. Figura 11. La Unin PN Figura 12. Zona de deplexin Figura 13. Polarizacin directa. Figura 14. Sentido del movimiento del electrn libre (e-) y de la corriente (I). Figura 15. Polarizacin inversa. Figura 16. Sentido del movimiento del electrn libre y de la corriente. Figura 17. Mapa Conceptual Diodo Semiconductor Figura 18. Anlisis de una resistencia. Figura 19. Comportamiento de una resistencia en la regin de polarizacin directa. Figura 20. Comportamiento de una resistencia en polarizacin inversa. Figura 21. Curva caracterstica de una resistencia. Figura 22. Comportamiento de un diodo. Figura 23. Curvas de comportamiento en las dos zonas de polarizacin. Figura 23. Tensin umbral (a) y similitud a la curva de una resistencia (b). Figura 24. Clculo de la resistencia en la zona de polarizacin inversa. Figura 25. Pendiente de la recta en zona directa. Figura 26. Curva de un diodo. Figura 27. Grafica de corriente mxima. Figura 28. Resistencia limitadora. Figura 29. Disipacin de potencia de un diodo Figura 30. Polarizacin inversa. Figura 31. Circuito Figura 32. Diodo ideal en zona de conduccin. Figura 33. Circuito Figura 34. 2 aproximacin. Figura 35. 3 Aproximacin. Figura 36. Circuito Figura 37. Anlisis con la recta de carga Figura 38. Incorporacin del efecto de capacitancia de transicin. Figura 39. Definicin del tiempo de recuperacin inverso. Figura 40. Valores del diodo. Figura 41. Comparacin de la resistencia interna del diodo. Figura 42. Resistencia con polarizacin inversa. Figura 43. Medicin de un diodo.


Figura 44. Rectificacin de media onda. Figura 45. Rectificacin de onda completa. Figura 46. Ondas Figura 47. Componentes Figura 48. Rectificacin de onda completa con puente. Figura 49. Explicacin grfica de rectificacin. Figura 50. Graficas Figura 51. Un multiplicador de tensin. Figura 52. Doblador de tensin Figura 53. Funcionamiento de un doblador de tensin. Figura 54. Anlisis del doblador. Figura 56. Doblador de tensin de onda completa. Figura 55. Resumen del funcionamiento de un doblador de media onda. Figura 57. Anlisis de un doblador de onda completa. Figura 58. Triplicador Figura 59. Triplicador de voltaje Figura 60. Cuadriplicador de voltaje. Figura 61. Limitador recortador positivo. Figura 62. Limitador recortador con fuente de voltaje adicional. Figura 63. Recortador Negativo. Figura 64. Funcionamiento de un limitador negativo. Figura 65. Aplicacin de un recortador. Figura 66. Aplicacin de un limitador. Figura 67. Circuito. Figura 68. Truco de reemplazo de fuente adicional. Figura 69. Utilizacin de un sujetador de nivel positivo Figura 70. Funcionamiento de un circuito sujetador positivo. Figura 71. Seal de salida del Sujetador Figura 73. Grafica de la 2 aproximacin Figura 74. Diodo Zener. Figura 75. Curvas tpicas de un diodo Zener. Figura 76. Efecto de avalancha para diferentes materiales semiconductores. Figura 77. Pendiente de la recta. Figura 78. Curvas reales de un diodo Zener. Figura 79. Modelo ideal del Zener. Figura 80. Segunda aproximacin del Zener. Figura 81. Modelo equivalente del Zener. Figura 82. Fuente de alimentacin DC Figura 83. Curvas de una fuente de alimentacin DC. Figura 84. Fuente DC regulada con diodo Zener. Figura 85. Anlisis del regulador Figura 86. Comportamiento del diodo Zener Figura 87. Rectificacin con diodo Zener. Figura 88. Curvas de respuesta de un diodo Zener. Figura 89. Regulacin con carga. Figura 90. Anlisis de la regulacin con carga.


Figura 91. Valores mximos y mnimos Figura 92. Curvas reales en un circuito regulado. Figura 93. Anlisis del circuito regulado. Figura 94. Ejemplo. Figura 95. Fuente regulada con preregulador. Figura 96. LED. Figura 97. Aplicacin del LED Figura 98. Intensidad del LED. Figura 99. El LED y su rango de funcionamiento. Figura 100. Ejemplo de una mala aplicacin. Figura 53. Funcionamiento de un doblador de tensin. Figura 54. Anlisis del doblador. Figura 56. Doblador de tensin de onda completa. Figura 55. Resumen del funcionamiento de un doblador de media onda. Figura 57. Anlisis de un doblador de onda completa. Figura 58. Triplicador Figura 59. Triplicador de voltaje Figura 60. Cuadriplicador de voltaje. Figura 61. Limitador recortador positivo. Figura 62. Limitador recortador con fuente de voltaje adicional. Figura 63. Recortador Negativo. Figura 64. Funcionamiento de un limitador negativo. Figura 65. Aplicacin de un recortador. Figura 66. Aplicacin de un limitador. Figura 67. Circuito. Figura 68. Truco de reemplazo de fuente adicional. Figura 69. Utilizacin de un sujetador de nivel positivo Figura 70. Funcionamiento de un circuito sujetador positivo. Figura 71. Seal de salida del Sujetador Figura 73. Grafica de la 2 aproximacin Figura 74. Diodo Zener. Figura 75. Curvas tpicas de un diodo Zener. Figura 76. Efecto de avalancha para diferentes materiales semiconductores. Figura 77. Pendiente de la recta. Figura 78. Curvas reales de un diodo Zener. Figura 79. Modelo ideal del Zener. Figura 80. Segunda aproximacin del Zener. Figura 81. Modelo equivalente del Zener. Figura 82. Fuente de alimentacin DC Figura 83. Curvas de una fuente de alimentacin DC. Figura 84. Fuente DC regulada con diodo Zener. Figura 85. Anlisis del regulador Figura 86. Comportamiento del diodo Zener Figura 87. Rectificacin con diodo Zener. Figura 88. Curvas de respuesta de un diodo Zener. Figura 89. Regulacin con carga.


Figura 90. Anlisis de la regulacin con carga. Figura 91. Valores mximos y mnimos Figura 92. Curvas reales en un circuito regulado. Figura 93. Anlisis del circuito regulado. Figura 94. Ejemplo. Figura 95. Fuente regulada con preregulador. Figura 96. LED. Figura 97. Aplicacin del LED Figura 98. Intensidad del LED. Figura 99. El LED y su rango de funcionamiento. Figura 100. Ejemplo de una mala aplicacin. Figura 101. Uniones en El Transistor. Figura 102. Transistor (a) NPN, (b) PNP Figura 103. Movimiento electrnico en un transistor. Figura 104. Diferentes regiones de trabajo de un transistor. Figura 105. Funcionamiento de la zona activa, configuracin BC. Figura 106. Barrera de potencial. Figura 107. El Diodo Figura 108. El Transistor. Figura 109. Convencin para las corrientes en el transistor. Figura 110. Transistor en configuracin de Emisor Comn. Figura 111. Transistor Figura 112. Polarizacin de Emisor comn para un transistor PNP. Figura 113. Ejemplo de amplificacin de voltaje. Figura 114. Circuito Figura 115. Lmite de operacin de un transistor. Figura 116 Tabla de una hoja de especificaciones. Figura 117. Circuito Figura 118. Transistor con base abierta. Figura 119. Transistor con corto entre emisor y base. Figura 120. Prueba de un transistor. Figura 121. Anlisis por computador. Curvas caractersticas para el transistor Figura 122. Distintos puntos de operacin. Figura 123. Circuitos de polarizacin de transistores BJT Figura 124. Polarizacin fija Figura 125. Recta de carga para polarizacin fija. Figura 126. El BJT Como conmutador o como amplificador. Figura 127. BJT polarizado estabilizado en emisor. Figura 128. Grafica de BJT polarizado en emisor. Figura 129. Polarizacin base. Figura 130. Polarizacin en emisor. Figura 131. Polarizacin por divisor de voltaje. Figura 132. Circuito equivalente para polarizacin por divisor de voltaje. Figura 133. Polarizacin por divisin de voltaje. Figura 134. Polarizacin con retroalimentacin. Figura 135. Polarizacin con retroalimentacin de colector.


Figura 136. Retroalimentacin en emisor y polarizacin por divisor de voltaje. Figura 137. Anlisis de retroalimentacin. Figura 138. Retroalimentacin con seal AC. Figura 139. Ejemplo de retroalimentacin Figura 140. BJT en configuracin de retroalimentacin en emisor y colector. Figura 141. El transistor como conmutador Figura 142. El transistor como conmutador y su smbolo en electrnica digital Figura 143. Aplicaciones de conmutadores. Figura 116 Tabla de una hoja de especificaciones. Figura 144. (a) JFET canal N. (b) Smbolo de JFET canal N. (c) Smbolo canal P Figura 145. Caractersticas de un FET N Figura 146. Resistencia drain-source de un transistor NJFET en la regin lineal. Figura 147. Curvas caractersticas de un JFET. Figura 148. Smbolos de transistores NMOS y PMOS. Figura 149. Estructura fsica de un transistor NMOS Figura 150. Curvas de caractersticas de un NMOS. Figura 151. Estructura fisica de un VMOS Figura 152. Estructura fisica de un CMOS Figura 153. Circuito de polarizacin simple de un NJFET. Figura 154. Autopolarizacin de un NJFET. (a) Diagrama circuital. Figura 155. Polarizacin por divisor de voltaje de un JFET Figura 156. Grfica de JFET polarizado por divisor de voltaje. Figura 157. MOSFET de tipo decremental Figura 158. MOSFET de tipo Incremental Figura 159. Ejemplo de una red combinada Figura 160. Configuracin de Autopolarizacin para disear. Figura 161. Diodo de cuatro capas Figura 162. Caractersticas tensin/corriente del diodo de cuatro capas. Figura 163. SIDAC: a) estructura fsica, b) smbolo y c) caractersticas I-V. Figura 164. Caractersticas I-V en conduccin del MKP3V120. Figura 165. SIDAC como generador de diente de sierra. Figura 166. SBS: a) smbolo, b) circuito equivalente y c) Curva caracterstica I-V Figura 167. a) Smbolo del SCR, b) Modelo a nivel de transistor Figura 168. Caractersticas I-V del SCR. Figura 169. Circuitos de proteccin contra transitorios de a) tensin b) intensidad. Figura 170. Circuito regulador de potencia basado en un SCR. Figura 171. Formas de onda del circuito de la figura 170. Figura 172. Foto-SCR o LASCR: a) Smbolo y b) ajuste de sensibilidad a la luz. Figura 173. Smbolo de un GTO Figura 174. a) Smbolo del PUT y b) oscilador basado en un PUT. Figura 175. a) Smbolo del TRIAC y b) Modelo equivalente en SCR. Figura 176. Esquema de un opto-TRIAC. Figura 177. Esquema de un opto-acoplador TRIAC para activar un TRIAC Figura 178. Transistor UJT. Figura 179. Caractersticas elctricas de un UJT Figura 180. El UJT como oscilador de relajacin


Figura 181. Zona de seguridad de disparo del SCR TF521S. Figura 182. Circuitos de disparo de SCR. Figura 183. Regulador de luz Figura 184. Regulador de luz con UJT. Figura 186. Circuito de control de calor. Figura 185. Control de velocidad de motores.


INTRODUCCIN

La electrnica representa la maravilla del desarrollo de la tecnologa en ms de medio siglo, Gracias a la electrnica existen los llamados electrodomsticos que han cambiado la forma de trabajar e investigar de la humanidad, en la historia ninguna herramienta creada por el hombre, tena la capacidad de crear otras y acelerar su evolucin, en la actualidad muchos instrumentos y en general cualquier dispositivo electrnico utilizan muchos componentes para optimizar su funcionamiento. La finalidad de este libro es didctica y su edicin se ha realizado para el uso de los estudiantes de los programas de Tecnologa e Ingeniera Electrnica de la Universidad Nacional Abierta y a distancia UNAD. Se recomienda que cada estudiante lea el artculo: Fabricacin de los circuitos integrados que mueven al mundo.2 2 Anexo A del libro: Electrnica: Teora de circuitos y dispositivos electrnicos.


UNIDAD 1

Nombre de la Unidad FUNDAMENTOS DE LOS SEMICONDUCTORES

Introduccin

Los semiconductores han revolucionado la electrnica ms que ninguna otra tecnologa. No existe prcticamente ningn circuito, sistema o equipo electrnico moderno que no utilice semiconductores de una u otra forma. Esta unidad explica a grandes rasgos la teora bsica de los semiconductores y examina los principales tipos disponibles actualmente, haciendo especial nfasis en los diodos, los transistores bipolares, los transistores de efecto de campo y los tiristores. Para cada uno se analizan su funcionamiento, su simbologa, sus variantes o tipos, sus formas de identificacin y sus aplicaciones generales. En los captulos siguientes se estudian en detalle sus caractersticas y su comportamiento como elementos circuitales.

Justificacin

La propiedad especial de los materiales semiconductores ha proporcionado a la electrnica un avance gigante en dar respuesta a las necesidades que el ser humano usando la tecnologa, por esta razn al aprender electrnica es necesario conocer a profundidad todo sobre los materiales semiconductores, en este modulo se plasma los fundamentos y aplicaciones de la tecnologa con que se logra construir sistemas electrnicos estables para el desarrollo de soluciones a todo tipo de sectores para de este modo el estudiante adquiera las competencias necesarias para disear y mantener sistemas electrnicos analgicos bsicos.

Intencionalidades Formativas

Con esta Unidad se pretende que el estudiante conozca en profundidad los fundamentos de los dispositivos semiconductores, su construccin, arquitectura, evolucin y aplicaciones

Denominacin de captulos

Capitulo 1: Los Diodos Capitulo 2: Transistores Bipolares BJT Capitulo 3: Polarizacin DC del transistor BJT


CAPITULO 1: LOS DIODOS

LECCIN 1: DIODOS SEMICONDUCTORES.

DIODO IDEAL

Nuestro primer elemento que estudiaremos es el Diodo, por su simplicidad y utilidad. Es por analoga similar a un interruptor elctrico. Su uso va desde diseos sencillos hasta circuitos de gran complejidad. Adems de presentar los detalles acerca de su fabricacin y de sus caractersticas, se observaran las hojas de datos y las grficas ms relevantes que se encuentran en las hojas de especificaciones. Cundo un dispositivo tiene caractersticas perfectas lo conocemos como IDEAL. Luego, un diodo ideal es un dispositivo construido con dos terminales y con unas caractersticas tales como se muestran en las figuras 1a y 1b

Figura 1. Diodo ideal. (a) Smbolo; (b) Caracterstica

El diodo ideal tiene caractersticas semejantes a las de un interruptor, permite la conduccin de corriente en una sola direccin. En la direccin que indica la flecha en la figura 1a. Donde uno de sus terminales, el cual se llama nodo, tiene aplicado un potencial positivo (indicado en la grfica con el signo +), y en el otro terminal, el cual se llama ctodo, tiene aplicado un potencias negativo (indicado en la grfica con el signo -). De esta forma, el diodo ideal cumple con lo siguiente:


Grficamente podemos concluir: a) Cuando un diodo ideal esta polarizado directamente tenemos un cortocircuito.

Figura 2. Cortocircuito

b) Cuando un diodo ideal esta polarizado inversamente tenemos un circuito abierto.

Figura 3. Circuito abierto

Entonces nos quedan los siguientes interrogantes: a) Qu tan cercana ser la resistencia en polarizacin directa o resistencia de encendido de un diodo real al valor ideal de cero ohmios? b) La resistencia en polarizacin inversa ser lo suficientemente grande para permitir una aproximacin a un circuito abierto?

MATERIALES SEMICONDUCTORES, NIVELES DE ENERGA Y MATERIALES EXTRNSECOS.

La palabra semiconductor define en s misma la caracterstica y se aplica normalmente a un rango de nivel entre dos lmites. Los materiales se clasifican de acuerdo con la facilidad para permitir el flujo de carga o conductividad cuando una fuente de voltaje de magnitud limitada se aplica a sus terminales, as: conductores, si el flujo de carga es generoso; aislante o dielctrico cuando ese flujo es nulo o casi nulo y semiconductor cuando el flujo de carga es mucho mayor al dielctrico y mucho menor al de un conductor.


Entonces tenemos otro elemento que nos ayudar en la comprensin de este tema, la resistividad o resistencia al flujo de carga. Es una magnitud relacionada inversamente con la conductividad.

Mientras mayor sea la conductividad del material menor ser la resistividad del mismo.

Se define la resistividad (p, letra griega rho) como la magnitud caracterstica que mide la capacidad de un material para oponerse al flujo de una corriente elctrica. Tambin recibe el nombre de resistencia especfica. Es la inversa de la conductividad elctrica (o, letra griega sigma). La resistividad se representa por p y se mide en ohmmetro.

La resistividad elctrica de un material viene dada por la expresin R S/l, donde R es la resistencia elctrica del material, l la longitud y S la seccin transversal.

Donde, R equivale a la resistencia del cubo. equivale a la magnitud de la resistividad.

Conductor Semiconductor Dielctrico p=10-6Q-m. Cobre 50 - cm. Germanio

1012 - cm. Mica 50 * 103 - cm. Silicio

Tabla 1. Valores representativos de la resistividad.

Podemos observar en la tabla No.1 los valores representativos de la resistividad para las tres categoras amplias de materiales. Nos centraremos en los semiconductores advirtiendo que el germanio (Ge) y el silicio (Si) no son los nicos dos materiales semiconductores, pero ellos son los que ms se han trabajado en el desarrollo de dispositivos semiconductores. Pues estos materiales poseen una consideracin especial, se pueden fabricar con un alto nivel de pureza. Se ha logrado una razn de una parte de impureza en diez mil millones de partes de material (1:10.000.000.000). Esto es fundamental, porque si los niveles de impurezas son mayores se puede pasar de un material semiconductor a uno conductor. La otra razn importante para que el silicio y el germanio sean tenidos en cuenta en la fabricacin de semiconductores est en la habilidad para transformar significativamente las caractersticas del material en un proceso llamado dopaje. Adems, pueden ser modificados por otros mtodos como la aplicacin de luz o de calor.


Figura 4. Estructura atmica de un conductor: el cobre (Cu).

El silicio y el germanio tienen una estructura atmica bien definida que por naturaleza es peridica, es decir, que se repite continuamente. El patrn completo se denomina cristal y el arreglo peridico se denomina red. En un cristal puro de germanio o de silicio, los tomos estn unidos entre s en disposicin peridica, formando una rejilla cbica tipo diamante perfectamente regular. Cada tomo del cristal tiene cuatro electrones de valencia, cada uno de los cuales interacta con el electrn del tomo vecino formando un enlace covalente. Al no tener los electrones libertad de movimiento, a bajas temperaturas y en estado cristalino puro, el material acta como un aislante. Pero es posible que estos electrones adquieran suficiente energa cintica de origen natural para romper el enlace y asumir el estado de libre. El trmino libre manifiesta que su movimiento ser muy sensible a la aplicacin de potenciales elctricos. Las causas naturales incluyen efectos como la energa luminosa en forma de fotones o energa trmica que proviene del entorno. El silicio tiene alrededor de 1,5 X 1010 portadores libres en un centmetro cuadrado de material intrnseco de silicio. Los electrones libres generados por causas naturales se denominan portadores intrnsecos. La comparacin entre el germanio y el silicio con respecto a los electrones libres a temperatura ambiente es de 103 veces mayor en el germanio. El comportamiento del germanio y del silicio con el incremento de temperatura presenta una reduccin de su resistencia. Esto es, tienen un coeficiente de temperatura negativo. Los cristales de germanio o de silicio contienen pequeas cantidades de impurezas que conducen la electricidad, incluso a bajas temperaturas. Las impurezas tienen dos efectos dentro del cristal. Las impurezas de fsforo, antimonio o arsnico se denominan impurezas donantes porque aportan un


exceso de electrones. Este grupo de elementos tiene cinco electrones de valencia, de los cuales slo cuatro establecen enlaces con los tomos de germanio o silicio. Por lo tanto, cuando se aplica un campo elctrico, los electrones restantes de las impurezas donantes quedan libres para desplazarse a travs del material cristalino. Por el contrario, las impurezas de galio y de indio disponen de slo tres electrones de valencia, es decir, les falta uno para completar la estructura de enlaces interatmicos con el cristal. Estas impurezas se conocen como impurezas receptoras, porque aceptan electrones de tomos vecinos. A su vez, las deficiencias resultantes, o huecos, en la estructura de los tomos vecinos se rellenan con otros electrones y as sucesivamente. Estos huecos se comportan como cargas positivas, como si se movieran en direccin opuesta a la de los electrones cuando se les aplica un voltaje. En una estructura atmica aislada existen niveles de discretos de energa asociados a cada electrn en las diferentes orbitas del tomo

Figura 5. Niveles de energa.

En la figura 5 observamos que entre los niveles de valencia existen bandas de energa vacas, donde ningn electrn de la estructura atmica aislada puede permanecer. Cuando lo tomos de un material se unen para formar una red de estructura cristalina, existir una interaccin entre los tomos, donde los electrones de una rbita particular de un tomo posea un nivel de energa diferente a la del electrn de la misma rbita del tomo adyacente. Mientras ms distante se encuentre un electrn del ncleo, mayor ser su estado de energa. Tal como lo vemos en la figura 4. Adems, en la figura 6, se observa una regin prohibida entre la banda de valencia y la banda de ionizacin. Donde ionizacin es el mecanismo por medio del cual un electrn puede absorber energa suficiente para escapar de la estructura atmica e ingresar a la banda de conduccin. Aparece el trmino de electrn volts. El cul es la medida con la cual se mide la energa asociada a cada electrn.


Definimos la energa como el producto entre voltaje y carga asociada a cada electrn y est dada en electrn voltios (eV).

Figura 6. Bandas de conduccin y valencia.

Si sustituimos la carga de un electrn y una diferencia de potencial de 1 voltio en ese producto, obtendremos como resultado un nivel de energa referido como un electrn voltio. La energa se expresa tambin en joules y la carga de un electrn en 1,6 X 10-19 coulomb, entonces:

W= QV = (1,6 X 10-19 C) * (1 V) (1.3) 1 Ev = 1,6 X 10-19 J (1.4)

Cuando la temperatura es de 0 K o cero absolutos (-273,15 C), todos los electrones de valencia de un material semiconductor estarn ligados a la estructura atmica. Pero si la temperatura llegase a 300 K o 25 C, un nmero alto de electrones de valencia habrn adquirido la suficiente energa para abandonar la banda de valencia, cruzar la banda de energa vaca definida por Eg e ingresar a la banda de conduccin. En la figura 6 se establece una tabla para diferentes materiales semiconductores y el valor de Eg. Es evidente que a temperaturas ambiente existirn portadores libres, ms que suficiente para mantener un flujo constante de carga o corriente. Entre los semiconductores comunes se encuentran elementos qumicos y compuestos, como el silicio, el germanio, el selenio, el arseniuro de galio, el seleniuro de zinc y el telururo de plomo. El incremento de la conductividad provocado por los cambios de temperatura, la luz o las impurezas se debe al aumento del nmero de electrones conductores que transportan la corriente elctrica. En un semiconductor caracterstico o puro como el silicio, los electrones de valencia (o electrones exteriores) de un tomo estn emparejados y son


compartidos por otros tomos para formar un enlace covalente que mantiene al cristal unido. Estos electrones de valencia no estn libres para transportar corriente elctrica.

Para producir electrones de conduccin, se utiliza la luz o la temperatura, que excita los electrones de valencia y provoca su liberacin de los enlaces, de manera que pueden transmitir la corriente. Las deficiencias o huecos que quedan contribuyen al flujo de la electricidad (se dice que estos huecos transportan carga positiva). ste es el origen fsico del incremento de la conductividad elctrica de los semiconductores a causa de la temperatura

Un cristal de germanio o de silicio que contenga tomos de impurezas donantes se llama semiconductor negativo, o tipo N, para indicar la presencia de un exceso de electrones cargados negativamente. El uso de una impureza receptora producir un semiconductor positivo, o tipo P, llamado as por la presencia de huecos cargados positivamente.

Un cristal sencillo que contenga dos regiones, una tipo N y otra tipo P, se puede preparar introduciendo las impurezas donantes y receptoras en germanio o silicio fundido en un crisol en diferentes fases de formacin del cristal. El cristal resultante presentar dos regiones diferenciadas de materiales tipo N y tipo P.

La franja de contacto entre ambas reas se conoce como unin PN. Tal unin se puede producir tambin colocando una porcin de material de impureza donante en la superficie de un cristal tipo p o bien una porcin de material de impureza receptora sobre un cristal tipo n, y aplicando calor para difundir los tomos de impurezas a travs de la capa exterior.

Al aplicar un voltaje desde el exterior, la unin PN acta como un rectificador, permitiendo que la corriente fluya en un solo sentido. Si la regin tipo P se encuentra conectada al terminal positivo de una batera y la regin tipo N al terminal negativo, fluir una corriente intensa a travs del material a lo largo de la unin. Si la batera se conecta al revs, no fluir la corriente.

Al combinarse los tomos de Silicio para formar un slido, lo hacen formando una estructura ordenada llamada cristal. Esto se debe a los "Enlaces Covalentes", que son las uniones entre tomos que se hacen compartiendo electrones adyacentes de tal forma que se crea un equilibrio de fuerzas que mantiene unidos los tomos de Silicio.

Vamos a representar un cristal de silicio de la siguiente forma:


Figura 7. Representacin de un cristal de silicio

Cada tomo de silicio comparte sus 4 electrones de valencia con los tomos vecinos, de tal manera que tiene 8 electrones en la rbita de valencia, como se ve en la figura 7. La fuerza del enlace covalente es tan grande porque son 8 los electrones que quedan (aunque sean compartidos) con cada tomo, gracias a esta caracterstica los enlaces covalentes son de una gran solidez. Los 8 electrones de valencia se llaman electrones ligados por estar fuertemente unidos en los tomos.

El aumento de la temperatura hace que los tomos en un cristal de silicio vibren dentro de l, a mayor temperatura mayor ser la vibracin. Con lo que un electrn se puede liberar de su rbita, lo que deja un hueco, que a su vez atraer otro electrn.

Figura 8. Movimiento de electrones libres.


A 0 K, todos los electrones son ligados. A 300 K o ms, aparecen electrones libres, tal como lo expresamos anteriormente.

Esta unin de un electrn libre y un hueco se llama "recombinacin", y el tiempo entre la creacin y desaparicin de un electrn libre se denomina "tiempo de vida".

Figura 9. Enlace covalente roto

Enlace covalente roto: Es cuando tenemos un hueco, esto es una generacin de pares electrn libre - hueco.

Segn un convenio ampliamente aceptado tomaremos la direccin de la corriente como contraria a la direccin de los electrones libres.

Figura 10. Grafica de movimiento de electrones en el silicio.

En la figura 10 vemos que los electrones libres (electrones) se mueven hacia la izquierda ocupando el lugar del hueco. Los electrones ligados (huecos) se mueven hacia la derecha.

Carga del electrn libre = -1.6x10-19 Culombios. Carga de electrn ligado = +1.6x10-19 Culombios.

Semiconductores: Conducen los electrones (electrones libres) y los huecos (electrones ligados).

DIODO SEMICONDUCTOR. Los semiconductores tipo p y tipo n separados no tienen mucha utilidad, pero si un cristal se dopa de tal forma que una mitad sea tipo n y la otra mitad de tipo p, esa unin PN tiene unas propiedades muy tiles y entre otras cosas forman los "Diodos".


El tomo pentavalente en un cristal de silicio (Si) produce un electrn libre y se puede representar como un signo "+" encerrado en un crculo y con un punto relleno (que sera el electrn) al lado. El tomo trivalente sera un signo "-" encerrado en un crculo y con un punto sin rellenar al lado (que simbolizara un hueco).

Entonces la representacin de un semiconductor tipo n sera:

Y la de un SC tipo p:

La unin de las regiones p y n ser:

Figura 11. La Unin PN

Al juntar las regiones tipo p y tipo n se crea un "Diodo de unin" o "Unin PN".

Al haber una repulsin mutua, los electrones libres en el lado n se dispersan en cualquier direccin. Algunos electrones libres se difunden y atraviesan la unin, cuando un electrn libre entra en la regin p se convierte en un portador minoritario y el electrn cae en un hueco, el hueco desaparece y el electrn libre se convierte en electrn de valencia. Cuando un electrn se difunde a travs de la unin crea un par de iones, en el lado n con carga positiva y en el p con carga negativa.

Las parejas de iones positivo y negativo se llaman dipolos, al aumentar los dipolos la regin cerca de la unin se vaca de portadores y se crea la llamada "Zona de deplexin".


Figura 12. Zona de deplexin

Los dipolos tienen un campo elctrico entre los iones positivo y negativo, y al entrar los electrones libres en la zona de deplexin, el campo elctrico trata de devolverlos a la zona n. La intensidad del campo elctrico aumenta con cada electrn que cruza hasta llegar al equilibrio.

El campo elctrico entre los iones es equivalente a una diferencia de potencial llamada "Barrera de Potencial" que a 25 C equivale:

0.3 V para diodos de Ge. 0.68 V para diodos de Si.

Polarizar: Poner una pila o fuente de voltaje DC.

No polarizado: No tiene pila, circuito abierto o en vaco. z.c.e.: Zona de Carga Espacial o zona de deplexin (W).

Si el terminal positivo de la fuente est conectado al material tipo p y el terminal negativo de la fuente est conectado al material tipo n, diremos que estamos en "Polarizacin Directa".

La conexin en polarizacin directa tendra esta forma:

Figura 13. Polarizacin directa.


En este caso tenemos una corriente que circula con facilidad, debido a que la fuente obliga a que los electrones libres y huecos fluyan hacia la unin. Al moverse los electrones libres hacia la unin, se crean iones positivos en el extremo derecho de la unin que atraern a los electrones hacia el cristal desde el circuito externo. As los electrones libres pueden abandonar el terminal negativo de la fuente y fluir hacia el extremo derecho del cristal. El sentido de la corriente lo tomaremos siempre contrario al del electrn.

Figura 14. Sentido del movimiento del electrn libre (e-) y de la corriente (I).

Lo que le sucede al electrn: Tras abandonar el terminal negativo de la fuente entra por el extremo derecho del cristal. Se desplaza a travs de la zona n como electrn libre. En la unin se recombina con un hueco y se convierte en electrn de valencia. Se desplaza a travs de la zona p como electrn de valencia. Tras abandonar el extremo izquierdo del cristal fluye al terminal positivo de la fuente.

Se invierte la polaridad de la fuente de continua, el diodo se polariza en inversa, el terminal negativo de la batera conectado al lado p y el positivo al n, esta conexin se denomina "Polarizacin Inversa". En la figura 15 se muestra una conexin en inversa:

Figura 15. Polarizacin inversa.


El terminal negativo de la batera atrae a los huecos y el terminal positivo atrae a los electrones libres, as los huecos y los electrones libres se alejan de la unin y la z.c.e. se ensancha. A mayor anchura de la z.c.e. mayor diferencia de potencial, la zona de deplexin deja de aumentar cuando su diferencia de potencial es igual a la tensin inversa aplicada (V), entonces los electrones y huecos dejan de alejarse de la unin. A mayor la tensin inversa aplicada mayor ser la z.c.e.

Figura 16. Sentido del movimiento del electrn libre y de la corriente.

Existe una pequea corriente en polarizacin inversa, porque la energa trmica crea continuamente pares electrn-hueco, lo que hace que haya pequeas concentraciones de portadores minoritarios a ambos lados, la mayor parte se recombina con los mayoritarios pero los que estn en la z.c.e. pueden vivir lo suficiente para cruzar la unin y tenemos as una pequea corriente. La zona de deplexin empuja a los electrones hacia la derecha y el hueco a la izquierda, se crea as una la "Corriente Inversa de Saturacin"(IS) que depende de la temperatura.

Adems hay otra corriente "Corriente Superficial de Fugas" causada por las impurezas del cristal y las imperfecciones en su estructura interna. Esta corriente depende de la tensin de la pila (V VP).

Entonces la corriente en inversa (I IR) ser la suma de esas dos corrientes:


concluimos con el siguiente mapa conceptual:

Figura 17. Mapa Conceptual Diodo Semiconductor

LECCIN 2: ANLISIS DE CIRCUITOS CON DIODOS.

Se define un circuito equivalente como una combinacin de elementos elegidos de forma apropiada para representar de la mejor manera las caractersticas terminales reales de un dispositivo, sistema o similar, para una regin de operacin particular.

La idea es sustituir por un circuito equivalente que no afecte de forma importante el comportamiento real del sistema. Para poder conseguir una red que pueda resolverse con las tcnicas tradicionales de anlisis de circuitos.

La forma ms fcil de hacerlo es mediante el uso de segmentos donde los comportamientos son lineales. Aun cuando no se represente de forma exacta las caractersticas reales del dispositivo o sistema. Sin embargo, el resultado est muy aproximado a la curva real, lo cual, establece un circuito equivalente que proporciona una muy buena aproximacin al comportamiento real del dispositivo.


Previamente debemos tener en cuenta, en el comportamiento la funcin resistiva que posee el diodo. Antes de ver el diodo vamos a ver las caractersticas de la resistencia.

La resistencia de carbn tpica est formada por polvo de carbn pulverizado. Son importantes las dimensiones del carbn.

Figura 18. Anlisis de una resistencia.

Para analizar el comportamiento de esa resistencia la polarizaremos primero en directa y luego en inversa. Se toman los valores con un Ampermetro y un Voltmetro y se representa la I en funcin de V, con lo que tendremos el comportamiento de la resistencia.

Figura 19. Comportamiento de una resistencia en la regin de polarizacin directa.

Si polarizo al revs las ecuaciones son las mismas, pero las corrientes y las tensiones son negativas.


Figura 20. Comportamiento de una resistencia en la regin de polarizacin

inversa.

Entonces al final nos quedar de la siguiente forma:

Figura 21. Curva caracterstica de una resistencia.

A esta representacin se le llama "Curva Caracterstica" y es una recta, por ello se dice que la resistencia es un "Elemento Lineal". Es ms fcil trabajar con los elementos lineales porque sus ecuaciones son muy simples.

Analizamos de la misma forma el diodo:

Se le van dando distintos valores a la pila y se miden las tensiones y corrientes por el diodo, tanto en directa como en inversa (variando la polarizacin de la pila). Y as obtenemos una tabla que al ponerla de forma grfica sale algo as:


Figura 22. Comportamiento de un diodo.

Esta es la curva caracterstica del diodo (un diodo se comporta de esa forma). Como no es una lnea recta, al diodo se le llama "Elemento No Lineal" "Dispositivo No Lineal", y este es el gran problema de los diodos, que es muy difcil trabajar en las mallas con ellos debido a que sus ecuaciones son bastante complicadas.

La ecuacin matemtica de esta curva es:

En directa, a partir de 0.7 V la corriente aumenta mucho, conduce mucho el diodo y las corrientes son muy grandes. Debido a estas corrientes grandes el diodo podra romperse, por eso hay que tener cuidado con eso (como mximo se tomar 0.8 V 0.9 V). En inversa tenemos corrientes negativas y pequeas. A partir de -1V se puede despreciar la e y queda aproximadamente I = - IS, que es muy pequea aunque no se ha tenido en cuenta la corriente de fugas, con ella sera:


I = -(IS + If)

A partir de -1 V si no hubiera If tendramos una corriente pequea y horizontal pero como hay fugas que son proporcionales a la tensin inversa, bajando poco a poco.

Figura 23. Curvas de comportamiento en las dos zonas de polarizacin.

Si sigo aumentando la tensin inversa se llegar a un valor de ruptura, en este ejemplo a VR = -50 V aparece la avalancha y ya la ecuacin no vale, es otra distinta. Y aqu el diodo se destruye a menos que sea especialmente fabricado (un diodo Zener).

Al punto en el que se vence la barrera de potencial se le llama codo. La "Barrera de Potencial" "Tensin Umbral" es el comienzo del codo, a partir de ah conduce mucho el diodo en directa.

En la zona directa tenemos dos caractersticas importantes:

Hay que vencer la barrera de potencial (superar la tensin umbral Vd) para que conduzca bien en polarizacin directa (zona directa).

Aparece una resistencia interna (el diodo se comporta aproximadamente como una resistencia.

Como ya se ha dicho antes es el valor de la tensin a partir del cual el diodo conduce mucho. A partir de la Tensin Umbral Barrera de Potencial la intensidad aumenta mucho variando muy poco el valor de la tensin.


(a) (b)

Figura 23. Tensin umbral (a) y similitud a la curva de una resistencia (b).

A partir de la tensin umbral se puede aproximar, esto es, se puede decir que se comporta como una resistencia. La zona n tiene una resistencia y la zona p otra resistencia diferente:

Figura 24. Clculo de la resistencia en la zona de polarizacin inversa.

EJEMPLO:

1N4001 rp= 0.13 W rn = 0.1 W

La resistencia interna es la suma de la resistencia en la zona n y la resistencia en la zona p.

Y la pendiente de esa recta ser el inverso de esta resistencia interna.


Figura 25. Pendiente de la recta en zona directa.

Como la resistencia interna es pequea, la pendiente es muy grande, con lo que es casi una vertical, esto es, conduce mucho. Resumiendo hemos visto que tenemos:

Figura 26. Curva de un diodo.

Mxima corriente continua en polarizacin directa, es el mayor valor de corriente permitido en la caracterstica del diodo:

Figura 27. Grafica de corriente mxima.


EJEMPLO:

1N4001 IFmx = 1A (F = forward (directa))

En circuitos como el de la figura, hay que poner una resistencia porque si no el diodo se estropeara fcilmente. Esto se ve dndole valores a la pila, y viendo las intensidades que salen, que a partir de 0.7 V (suponiendo que el diodo es de silicio) aumentan mucho como se ve claramente en la grfica de la caracterstica del diodo.

Figura 28. Resistencia limitadora.

Entonces se pone una resistencia para limitar esa corriente que pasa por el diodo, como se ve en la figura 28. Se calcula la resistencia para limitar la corriente, para que no aumente a partir de 1 A por ejemplo.

La mxima corriente y la mxima potencia estn relacionadas. Como ocurre con una resistencia, un diodo tiene una limitacin de potencia que indica cuanta potencia puede disipar el diodo sin peligro de acortar su vida ni degradar sus propiedades. Con corriente continua, el producto de la tensin en el diodo y la corriente en el diodo es igual a la potencia disipada por ste. Normalmente en diodos rectificadores no se suele emplear la limitacin mxima de potencia, ya que toda la informacin acerca de la destruccin del diodo (por calor) ya est contenida en el lmite mximo de corriente.

EJEMPLO: 1N4001. En la hoja de caractersticas indica una corriente mxima con polarizacin directa Io de 1A. Siempre que la corriente mxima con polarizacin directa sea menor que 1A, el diodo no se quemar.


Figura 29. Disipacin de potencia de un diodo

La potencia se disipa en el diodo en forma de calor. Como ya se ha dicho no se debe pasar de ese valor de potencia.

En polarizacin inversa tenamos una corriente que estaba formada por la suma de los valores de la corriente IS y la corriente de fugas If (Figura 30). Hay que tener cuidado, no hay que llegar a VR porque el diodo se rompe por avalancha (excepto si es un Zener).

Figura 30. Polarizacin inversa.

Los modelos de resolucin de circuitos con diodos ms usados son 4:

EXACTA POR TANTEO: Ecuacin del diodo exponencial y ecuacin de la malla.

MODELOS EQUIVALENTES APROXIMADOS: 1 aproximacin, 2 aproximacin y 3 aproximacin.

DE FORMA GRFICA: Recta de carga.


Primeramente analizaremos la resolucin de forma exacta. El circuito que queremos resolver es el de la figura 31.

Figura 31.Circuito

Primeramente y mirando la temperatura en la que estamos trabajando tomamos del catlogo los siguientes valores para T = 27 C (temperatura ambiente):

Con esto podremos continuar calculando:

De la ecuacin exacta del diodo:

Tenemos 2 incgnitas y una ecuacin, necesitamos otra ecuacin que ser la ecuacin de la malla:

Y ahora tenemos 2 incgnitas y 2 ecuaciones, resolvemos:

Nos queda que es imposible despejar la V, es una "ecuacin trascendente". Para resolver este tipo de ecuaciones hay que usar otro tipo de mtodos, aqu lo


resolveremos por "tanteo", que consiste en ir dndole valores a una de las incgnitas hasta que los valores se igualen.

En este ejemplo hemos usado una malla, pero si tuviramos ms diodos, tendramos ms exponenciales, ms mallas, etc... Esto es muy largo, por eso no se usa (a no ser que dispongamos de un PC y un programa matemtico para resolver este tipo de ecuaciones). Para poder hacerlo a mano, vamos a basarnos en unos modelos aproximados ms o menos equivalentes del diodo. Estos modelos equivalentes aproximados son lineales, al ser aproximados cometeremos alguna imprecisin.

1 Aproximacin (el diodo ideal). La exponencial se aproxima a una vertical y una horizontal que pasan por el origen de coordenadas. Este diodo es ideal, no se puede fabricar. Polarizacin directa: Es como sustituir un diodo por un interruptor cerrado.

Figura 32. Diodo ideal en zona de conduccin.

Con la polarizacin inversa es como sustituir el diodo por un interruptor abierto. Como se ha visto, el diodo acta como un interruptor abrindose o cerrndose dependiendo de si esta en inversa o en directa. Para ver los diferentes errores que


cometeremos con las distintas aproximaciones vamos a ir analizando cada aproximacin.

EJEMPLO:

Figura 33. Circuito

En polarizacin directa:

2 Aproximacin. La exponencial se aproxima a una vertical y a una horizontal que pasan por 0,7 V (este valor es el valor de la tensin umbral para el silicio, porque suponemos que el diodo es de silicio, si fuera de germanio se tomara el valor de 0,3 V).

Figura 34. 2 aproximacin.


El tramo que hay entre 0V y 0,7V es en realidad polarizacin directa, pero como para efectos prcticos no conduce, se toma como inversa. Con esta segunda aproximacin el error es menor que en la aproximacin anterior. Polarizacin directa: La vertical es equivalente a una pila de 0,7V. Polarizacin inversa: Es un interruptor abierto.

EJEMPLO: Resolveremos el mismo circuito de antes pero utilizando la segunda aproximacin que se ha visto ahora. Como en el caso anterior lo analizamos en polarizacin directa:

Como se ve estos valores son distintos a los de la anterior aproximacin, esta segunda aproximacin es menos ideal que la anterior, por lo tanto es ms exacta, esto es, se parece ms al valor que tendra en la prctica ese circuito.

3 Aproximacin. La curva del diodo se aproxima a una recta que pasa por 0,7 V y tiene una pendiente cuyo valor es la inversa de la resistencia interna. El estudio es muy parecido a los casos anteriores, la diferencia es cuando se analiza la polarizacin directa:

Figura 35. 3 Aproximacin.

EJEMPLO: En el ejemplo anterior usando la 3 aproximacin, tomamos 0,23 como valor de la resistencia interna.


Esta tercera aproximacin no merece la pena usarla porque el error que se comete, con respecto a la segunda aproximacin, es mnimo. Por ello se usar la segunda aproximacin en lugar de la tercera excepto en algn caso especial. Para elegir que aproximacin se va a usar se tiene que tener en cuenta, por ejemplo, si son aceptables los errores grandes, ya que si la respuesta es afirmativa se podra usar la primera aproximacin. Por el contrario, si el circuito contiene resistencias de precisin de una tolerancia de 1%, puede ser necesario utilizar la tercera aproximacin. Pero en la mayora de los casos la segunda aproximacin ser la mejor opcin. La ecuacin que utilizaremos para saber que aproximacin se debe utilizar es esta:

Fijndonos en el numerador se ve que se compara la VS con 0.7 V. Si VS es igual a 7V, al ignorar la barrera de potencial se produce un error en los clculos del 10 %, si VS es 14V un error del 5 %, etc...

Tabla No. 2


Viendo el denominador, si la resistencia de carga es 10 veces la resistencia interna, al ignorar la resistencia interna se produce un error del 10 % en los clculos. Cuando la resistencia de carga es 20 veces mayor el error baja al 5% y as sucesivamente.

Tabla No. 3

En la mayora de los diodos rectificadores la resistencia interna es menor que 1 , lo que significa que la segunda aproximacin produce un error menor que el 5 % con resistencias de carga mayores de 20 . Por eso la segunda aproximacin es una buena opcin si hay dudas sobre la aproximacin a utilizar. Ahora veremos una simulacin para un ejemplo concreto de uso de estas aproximaciones. Cualquier circuito tiene variables independientes (como tensiones de alimentacin y resistencias en las ramas) y variables dependientes (tensiones en las resistencias, corrientes, potencias, etc.). Cuando una variable independiente aumenta, cada una de las variables dependientes responder, normalmente, aumentando o disminuyendo. Si se entiende cmo funciona el circuito, entonces se puede predecir si una variable aumentar o disminuir.

EJEMPLO:

Figura 31.Circuito


Si se analiza la resistencia RL y la tensin VS, se ve que los valores que se desean son de 1 K y 10 V en este caso, a estos se les llama "valores nominales", pero los valores reales se rigen por unas tolerancias, que son unos rangos de valores no un valor fijo. El diodo tambin puede variar su valor de tensin umbral. Pero estas tres variables (RL, VS y Vj) dependen de la fabricacin, estos es dependen de s mismas, son "variables independientes". Por otro lado estn las "variables dependientes", que dependen de las tres variables anteriores, que son: VL, IL, PD, PL y PT. Estos quedan reflejados en la tabla No 4:

Tabla No 4

ANLISIS POR MEDIO DE LA RECTA DE CARGA.

La recta de carga es una herramienta que se emplea para hallar el valor de la corriente y la tensin del diodo. Las rectas de carga son especialmente tiles para los transistores, por lo que ms adelante se dar una explicacin ms detallada acerca de ellas.

Hasta ahora hemos visto las 2 primeras, la tercera forma de analizarlos es de forma grfica, esto es calculando su recta de carga.


Figura 37. Anlisis con la recta de carga

Si de la ecuacin de la malla, despejamos la intensidad tenemos la ecuacin de una recta, que en forma de grfica sera:

A esa recta se le llama "recta de carga" y tiene una pendiente negativa. El punto de corte de la recta de carga con la exponencial es la solucin, el punto Q, tambin llamado "punto de trabajo" o "punto de funcionamiento". Este punto Q se controla variando VS y RS. Al punto de corte con el eje X se le llama "Corte" y al punto de corte con el eje Y se le llama "Saturacin".

APROXIMACIN DE DIODOS. En el captulo anterior cuando se realiz el anlisis del modelo equivalente mediante la utilizacin de segmentos lineales no se utiliz en el anlisis de la recta de carga debido a que RS es tpicamente mucho menor que los otros elementos en serie de la red. Si recurriramos a un anlisis tan preciso donde tengamos en cuenta las variaciones por tolerancias, temperaturas etc., Concluiramos que una solucin es tan precisa como la otra. Por esto, solamente debemos tener en cuenta el material con el cual est fabricado nuestro diodo, silicio o germanio para determinar el voltaje de cada que aporta en un anlisis circuital.

Tipo de diodo Valor de VD Silicio 0,7 V

Germanio 0,3 V IDEAL 0,0 V

Tabla No 5

CONFIGURACIONES DE DIODOS EN SERIE CON ENTRADAS DC. En el desarrollo de circuitos fcilmente encontraremos una variedad de


configuraciones de diodos en serie con entrada de DC. Debemos tener muy claro que un diodo est en estado de conduccin encendido si las corrientes aplicadas por las fuentes son superiores a la corriente umbral y permiten una cada de voltaje de acuerdo al tipo de material de construccin del diodo (VD> 0,7 V para el silicio o 0,3 V para el germanio). Para cada configuracin, la tcnica consiste en reemplazar los diodos por elementos resistivos con una cada de voltaje siempre y cuando la direccin de la corriente sea en el sentido que polarice de forma directa al diodo y este est en estado de conduccin. Para este caso, reemplazamos el diodo por una fuente de voltaje con el valor correspondiente al material, ver tabla No 5, y as, se realizar un anlisis que cumpla con la Ley de Kirchhoff, es decir, que la suma de los voltajes de una malla debe ser cero. En caso contrario, un diodo polarizado inversamente, se representar como un circuito abierto. Para cualquier caso, siempre se debe cumplir con la Ley de Kirchhoff.

CONFIGURACIN DE DIODOS EN PARALELO Y SERIE PARALELO.

Siendo consecuente con lo visto en el apartado anterior, el anlisis de las configuraciones paralelo y serie paralelo se realizarn de una forma similar. Se cambiarn los diodos por fuentes de voltajes y/o circuitos abiertos y se proceder a la realizacin del respectivo anlisis. Dentro de estas aplicaciones, podemos encontrar circuitos que se pueden comportar como compuertas AND/OR.

HOJA DE ESPECIFICACIONES, PRUEBAS DE DIODOS

La mayor parte de la informacin que suministra el fabricante en las hojas de caractersticas es solamente til para los que disean circuitos, nosotros solamente estudiaremos aquella informacin de la hoja de caractersticas que describe parmetros que aparecen en este texto.

CAPACITANCIA DE TRANSICIN Y DIFUSIN

Todos los dispositivos electrnicos cambian su comportamiento cuando se someten a las altas frecuencias. En los rangos de baja frecuencias los efectos capacitivos pueden ignorarse porque su reactancia (XC= 1/2 f C) es muy alta en esta zona de frecuencias y equivaldra a un circuito abierto. En un diodo semiconductor pn se presentan dos efectos capacitivos que se deben tener en cuenta. Ambos tipos se presentan tanto en la zona de polarizacin directa como en la zona de polarizacin inversa. Uno de los efectos es superior al otro en cada


zona. En la regin de polarizacin directa, el efecto significativo se conoce como capacitancia de difusin (CD). Y en la regin de polarizacin inversa, se presenta la capacitancia de transicin (CT) o de regin de agotamiento.

Figura 38. Incorporacin del efecto de capacitancia de transicin.

Los efectos capacitivos descritos se representan con un capacitor en paralelo al diodo ideal. Figura 38. En aplicaciones de baja y mediana frecuencia, salvo en el rea de potencia, el capacitor no se incluye en el smbolo del diodo.

TIEMPO DE RECUPERACIN INVERSO.

En las hojas de especificaciones los fabricantes proporcionan entre otros datos, el tiempo de recuperacin inversa, el cual se representa por trr. Anteriormente vimos que en la regin de polarizacin directa, existe un gran nmero de electrones que se desplazan del material tipo n hacia el material tipo p, y una gran cantidad de huecos que se desplazan en sentido contrario de los electrones. Siendo este el requisito para que exista conduccin. Luego, los electrones en el tipo p y los huecos que se difunden a travs del material tipo n establecen una gran cantidad de portadores minoritarios en cada material. Si se aplica un voltaje inverso al estado anterior, el diodo cambia de estado de conduccin a un estado de no conduccin. Pero, debido al gran nmero de portadores minoritarios en cada material, la corriente del diodo sencillamente se invierte y se mantiene en este nivel durante un tiempo ts (tiempo de almacenamiento), que requieren los portadores minoritarios para regresar a su estado de portadores mayoritarios en el material opuesto.

Figura 39. Definicin del tiempo de recuperacin inverso.


Esto es, el diodo permanece en estado de circuito cerrado con una corriente Iinversa determinada por los parmetros de la red. Una vez, el tiempo de almacenamiento termine, la corriente se reducir hasta alcanzar el estado de no conduccin. Esta segunda etapa se reconoce como el tiempo de recuperacin y se designa por tt, conocido como el intervalo de transicin. En la prctica los tiempos estn en el orden de 1 microsegundo (1 Seg) pero pueden existir trr del orden de unos cientos de picosegundos (10-12). TENSIN INVERSA DE RUPTURA.

Estudiaremos la hoja de caractersticas del diodo 1N4001, un diodo rectificador empleado en fuentes de alimentacin (circuitos que convierten una tensin alterna en una tensin continua).

La serie de diodos del 1N4001 al 1N4007 son siete diodos que tienen las mismas caractersticas con polarizacin directa, pero en polarizacin inversa sus caractersticas son distintas.

Primeramente analizaremos las "Limitaciones mximas" que son estas:

Tabla No. 6

Estos tres valores especifican la ruptura en ciertas condiciones de funcionamiento. Lo importante es saber que la tensin de ruptura para el diodo es de 50 V, independientemente de cmo se use el diodo. Esta ruptura se produce por la avalancha y en el 1N4001 esta ruptura es normalmente destructiva.

CORRIENTE MXIMA CON POLARIZACIN DIRECTA.

Un dato interesante es la corriente media con polarizacin directa, que aparece as en la hoja de caractersticas:

Tabla No. 7


Indica que el 1N4001 puede soportar hasta 1A con polarizacin directa cuando se le emplea como rectificador. Esto es, 1A es el nivel de corriente con polarizacin directa para el cual el diodo se quema debido a una disipacin excesiva de potencia. Un diseo fiable, con factor de seguridad 1, debe garantizar que la corriente con polarizacin directa sea menor de 0,5A en cualquier condicin de funcionamiento.

Los estudios de las averas de los dispositivos muestran que la vida de stos es un tanto ms corta cuanto ms cerca trabajen de las limitaciones mximas. Por esta razn, algunos diseadores emplean factores de seguridad hasta de 10:1, para 1N4001 ser de 0,1A o menos.

CADA DE TENSIN CON POLARIZACIN DIRECTA

Otro dato importante es la cada de tensin con polarizacin directa:

Tabla No. 8

Estos valores estn medidos en alterna, y por ello aparece la palabra instantneo en la especificacin. El 1N4001 tiene una cada de tensin tpica con polarizacin directa de 0,93 V cuando la corriente es de 1 A y la temperatura de la unin es de 25 C.

CORRIENTE INVERSA MXIMA

En esta tabla est la corriente con polarizacin inversa a la tensin continua indicada (50 V para un 1N4001).

Tabla No. 9


Esta corriente inversa incluye la corriente producida trmicamente y la corriente de fugas superficial. De esto deducimos que la temperatura puede ser importante a la hora del diseo, ya que un diseo basado en una corriente inversa de 0,05mA trabajar muy bien a 25 C con un 1N4001 tpico, pero puede fallar si tiene que funcionar en medios donde la temperatura de la unin alcance los 100 C.

Siempre que se habla de continua, se quiere decir que es esttica, que nunca cambia, es una "Resistencia Esttica". En la zona de polarizacin directa se simboliza con RF y en la zona de polarizacin inversa con RR.

Lo estudiaremos para el diodo 1N914:

RESISTENCIA CON POLARIZACIN DIRECTA

En cada punto tenemos una resistencia distinta, esa resistencia es el equivalente del diodo en polarizacin directa para esos valores concretos de intensidad y tensin.

Figura 40. Valores del diodo.


Si comparamos este valor de resistencia con la resistencia interna:

Figura 41. Comparacin de la resistencia interna del diodo.

Como los 3 puntos tienen la misma pendiente quiere decir que para los 3 puntos el modelo es el mismo. Entonces la RF anterior no es til porque vara, pero la rB no vara y por eso esta es la resistencia que se utiliza.

RESISTENCIA CON POLARIZACIN INVERSA

Exageramos la curva de la grfica para verlo mejor:

Figura 42. Resistencia con polarizacin inversa.

Como en el caso anterior en cada punto tenemos una recta, por lo tanto un RR

(R = Reverse, inversa) para cada punto.


Como es un valor muy grande, se puede considerar infinito (idealmente circuito abierto). Este valor no es til, no se utiliza para hacer modelos o mallas, pero de forma prctica en el laboratorio puede ser til (el polmetro marca la resistencia esttica y se puede utilizar para detectar averas).

Figura 43. Medicin de un diodo.

LECCIN 3: RECTIFICACIN DE MEDIA ONDA Y DE ONDA COMPLETA.

Este es el circuito ms simple que puede convertir corriente alterna en corriente continua. Este rectificador lo podemos ver representado en la siguiente figura:

Figura 44. Rectificacin de media onda. Las grficas que ms nos interesan son:


Durante el semiciclo positivo de la tensin del primario, el bobinado secundario tiene una media onda positiva de tensin entre sus extremos. Este aspecto supone que el diodo se encuentra en polarizacin directa. Sin embargo durante el semiciclo negativo de la tensin en el primario, el arrollamiento secundario presenta una onda sinusoidal negativa. Por tanto, el diodo se encuentra polarizado en inversa. La onda que ms interesa es VL, que es la que alimenta a RL. Pero es una tensin que no tiene partes negativas, es una "Tensin Continua Pulsante", y nosotros necesitamos una "Tensin Continua Constante". Analizaremos las diferencias de lo que tenemos con lo que queremos conseguir. Lo que tenemos ahora es una onda peridica, y toda onda peridica se puede descomponer en "Series de Fourier".

La siguiente figura muestra un rectificador de onda completa con 2 diodos:

Figura 45. Rectificacin de onda completa. Debido a la conexin en el centro del devanado secundario, el circuito es equivalente a dos rectificadores de media onda.


El rectificador superior funciona con el semiciclo positivo de la tensin en el secundario, mientras que el rectificador inferior funciona con el semiciclo negativo de tensin en el secundario. Es decir, D1 conduce durante el semiciclo positivo y D2 conduce durante el semiciclo negativo. As pues la corriente en la carga rectificada circula durante los dos semiciclos. En este circuito la tensin de carga VL, como en el caso anterior, se medir en la resistencia RL.

Figura 46.Ondas Aplicamos Fourier como antes.

Ahora la frecuencia es el doble de la de antes y el pico la mitad del anterior caso. As la frecuencia de la onda de salida es 2 veces la frecuencia de entrada.

Y el valor medio sale:


Figura 47. Componentes

Lo ideal sera que solo tuvisemos la componente continua, esto es, solo la primera componente de la onda que tenemos. El valor medio de esa onda lo calcularamos colocando un voltmetro en la RL, si lo calculamos matemticamente sera:

Y este sera el valor medio que marcara el voltmetro. Como hemos visto tenemos que eliminar las componentes alternas de Fourier. En estos casos hemos usado la 1 o la 2 aproximacin. Por ltimo diremos que este circuito es un rectificador porque "Rectifica" o corta la onda que tenamos antes, la recorta en este caso dejndonos solo con la parte positiva de la onda de entrada. En la figura siguiente podemos ver un rectificador de onda completa en puente:

Figura 48. Rectificacin de onda completa con puente.


Mediante el uso de 4 diodos en vez de 2, este diseo elimina la necesidad de la conexin intermedia del secundario del transformador. La ventaja de no usar dicha conexin es que la tensin en la carga rectificada es el doble que la que se obtendra con el rectificador de onda completa con 2 diodos.

Figura 49. Explicacin grfica de rectificacin.

Las grficas tienen esta forma:

Figura 50. Graficas


Durante el semiciclo positivo de la tensin de la red, los diodos D1 y D3 conducen, esto da lugar a un semiciclo positivo en la resistencia de carga. Los diodos D2 y D4 conducen durante el semiciclo negativo, lo que produce otro semiciclo positivo en la resistencia de carga. El resultado es una seal de onda completa en la resistencia de carga. Hemos obtenido la misma onda de salida VL que en el caso anterior. La diferencia ms importante es que la tensin inversa que tienen que soportar los diodos es la mitad de la que tienen que soportar los diodos en un rectificador de onda completa con 2 diodos, con lo que se reduce el costo del circuito.

LECCIN 4: CIRCUITOS RECORTADORES, SUJETADORES, Y MULTIPLICADORES DE VOLTAJE.

A veces hay cargas que necesitan una tensin muy alta y que absorben una corriente pequea. EJEMPLO: Tubo de rayos catdicos (TV, monitor de ordenador, osciloscopio).

Entonces hay que elevar la tensin de la red. Primero se pone un transformador elevador con todos los diodos y condensadores que necesite. Entonces hay que elevar la tensin de la red. Primero se pone un transformador elevador con todos los diodos y condensadores que necesite.

Figura 51. Un multiplicador de tensin.

Y tenemos un rizado casi nulo.


El mayor problema es que el transformador elevador sera muy voluminoso porque necesitara muchas espiras, adems el campo elctrico sera grande, VIP del diodo tambin (VIP = 2Vpico = 2933 = 1833 V en inversa), mucha tensin en el C, etc... Por eso no se usa un transformador elevador sino que se utiliza un multiplicador de tensin. Hay varios tipos de multiplicadores de tensin, nosotros analizaremos estos cuatro:

El Doblador de tensin El Doblador de tensin de onda completa El Triplicador El Cuadriplicador

Figura 52. Doblador de tensin

Para comenzar a analizar este tipo de circuitos es interesante tener en cuenta este truco. Truco: Empezar en el semiciclo (malla) donde se cargue un solo condensador.

Figura 53. Funcionamiento de un doblador de tensin.

Entonces nos queda de esta forma si ponemos la carga en C2:

Figura 54. Anlisis del doblador.


La masa se coloca en la borna negativa del condensador. Y se carga C2 a 622 V. Y como se ve, si se conectan las bornas a C2, esto es un doblador de tensin. Como la corriente de descarga es pequea, el C2 se descarga despacio con una constante de tiempo de valor:

Resumiendo tenemos:

Figura 55. Resumen del funcionamiento de un doblador de media onda.

Si cambiamos un poco el circuito tendremos otro ejemplo:

Figura 56. Doblador de tensin de onda completa.

Quitamos la carga para analizarlo. Como ya se ha dicho antes empezamos por donde haya un solo condensador. Si representamos VL en funcin del tiempo.


Figura 57. Anlisis de un doblador de onda completa.

Primero uno luego el otro, se van turnando los 2 condensadores, como cada uno es de 60 Hz, los 2 a la vez son 120 Hz. Este circuito tiene una ventaja respecto al anterior: El rizado es ms pequeo. La desventaja radica en que no sabemos dnde colocar la masa, en el caso anterior lo tenamos fcil, pero ahora si ponemos debajo de RL no hay ningn borne de la red a masa. Si conectamos una carga tambin a masa puede haber un cortocircuito. Hay que andar con cuidado al usar ese circuito. TRIPLICADOR.

Figura 58. Triplicador

Al de media onda se le aade algo. El principio es idntico: Semiciclo negativo se carga C1, semiciclo positivo se carga C2 a 622V, semiciclo negativo se carga C3 a 622V, 2 veces el pico.


Ahora elegimos los bornes para sacar:

Figura 59. Triplicador de voltaje

Con esto se puede hacer un doblador y un triplicador dependiendo de dnde se colocan las bornas. Y tenemos 933V a la salida. El truco consiste en que la constante de tiempo de descarga sea:

Y si a este circuito se le aade una etapa ms (diodo y condensador) se convierte en un cuadriplicador. CUADRIPLICADOR Es como los anteriores, y la tensin se toma como se ve en la figura:

Figura 60. Cuadriplicador de voltaje.

RECORTADORES LIMITADORES Podemos tener dos tipos de diodos:

De Pequea Seal: Frecuencias mayores de red, limitaciones de potencia


menores que 0.5 W (corrientes de miliamperios). o Limitadores. o Cambiadores de nivel. o Detector de pico a pico.

De Gran Seal: Diodos de potencia, son los diodos que se usan en las fuentes de alimentacin, tienen una limitacin de potencia mayor que 0.5 W (corrientes de Amperios).

Ahora vamos a analizar los diodos de pequea seal. RECORTADOR POSITIVO Esta es la forma de un limitador positivo:

Figura 61. Limitador recortador positivo.

Se tom RL >> R para que en el semiciclo negativo vaya todo a la salida.

Recorta los semiciclos positivos, limita o recorta. Si se usa la 2 aproximacin:

No recorta de forma perfecta por no ser ideal el diodo. Limitador positivo polarizado. Es como el anterior pero con una fuente de voltaje adicional.


Figura 62. Limitador recortador con fuente de voltaje adicional.

LIMITADOR NEGATIVO La diferencia con el limitador positivo radica en el cambio de direccin del diodo.

Figura 63. Recortador Negativo.

Para explicar el comportamiento del limitador negativo vamos a analizar un limitador doble, que est compuesto por un limitador polarizado positivo y otro limitador polarizado negativo.

Figura 64. Funcionamiento de un limitador negativo.


Esto era para RL >> R. Si no se cumpliera esto no sera una senoidal cuando no conducen los diodos. Es un circuito recortador (limitador), es un circuito limitador positivo polarizado y limitador negativo polarizado.

Aplicacin: Si se mete una onda de pico muy grande a la entrada, aparece una onda prcticamente cuadrada a la salida, que aunque no sea tan parecida se toma como si fuese una onda cuadrada (es imposible hacer una onda cuadrada perfecta). Primera aplicacin: "Transformar una Senoidal a Cuadrada". Si recorto en + 5 V y en 0 V. Puedo aprovechar esto para electrnica digital.

Aplicacin: Si tenemos un circuito que da alterna a su salida que es variable y nosotros queremos transmitir esa onda a la carga, podemos estropear la carga si conectamos directamente la carga a ese circuito.

Figura 65. Aplicacin de un recortador.

Por eso ponemos un recortador o limitador entre la carga y ese circuito para que no se estropee la carga. Es para proteccin de la carga (se puede limitar la parte positiva, la negativa o las dos dependiendo del limitador que se utilice).


Figura 66. Aplicacin de un limitador.

EJEMPLO: Imaginemos que queremos limitar la parte positiva.

Figura 67. Circuito.

As se protege la carga de tensiones mayores de + 5 V. Limitador = Fijador = Recortador. Pero este circuito suele ser caro debido a la fuente de voltaje adicional, que suele ser una fuente de alimentacin con su condensador, diodos, etc... Como la pila es cara se ponen muchos diodos:

Figura 68. Truco de reemplazo de fuente adicional.

El nico inconveniente de este circuito es que nos limita esa tensin a mltiplos de 0,7V.


SUJETADORES

Como en el caso anterior, de los limitadores, hay dos tipos de sujetadores de nivel positivo y negativo. SUJETADOR DE NIVEL POSITIVO Lo veremos con un ejemplo:

Figura 69. Utilizacin de un sujetador de nivel positivo

NOTA: La carga no tiene por qu ser solo una resistencia, puede ser el equivalente de Thvenin de otro circuito, etc. Se empieza por el semiciclo en el que conduce un diodo y se carga un condensador. Seguimos con el ejemplo. Semiciclo negativo.

Figura 70. Funcionamiento de un circuito sujetador positivo.

Suponemos el diodo ideal. El condensador se carga en el semiciclo negativo. Una vez cargado, el condensador se descarga en el semiciclo positivo. Interesa que el condensador se descargue lo menos posible. Para que sea la descarga prcticamente una horizontal se tiene que cumplir:

Si suponemos que el condensador se descarga muy poco, entonces asumimos una tensin permanente de 10V. Hemos subido 10 V el nivel de continua.


Figura 71. Seal de salida del Sujetador

OFFSET = Nivel de continua. Este es el sujetador de nivel positivo. Si quisiera cambiar hacia abajo sera el sujetador de nivel negativo que es igual cambiando el diodo de sentido. Sujetador de nivel negativo. Como antes, el condensador siempre a 10 V. Se le resta 10 a la entrada. Es un "OFFSET Negativo".

Figura 72. Funcionamiento de un sujetador de nivel negativo.

Todo esto es cogiendo el diodo ideal. Si usamos 2 aproximacin, diodo a 0.7V.

Figura 73. Grafica de la 2 aproximacin

LECCIN 5: DIODO ZENER Y LED. DIODO ZENER La aplicacin de estos diodos se ve en los Reguladores de Tensin y acta como dispositivo de tensin constante (como una pila). Smbolo:

Figura 74. Diodo Zener.


Caracterstica: Su grfica es de la siguiente forma:

Figura 75. Curvas tpicas de un diodo zener.

Un diodo normal tambin tiene una zona de ruptura, pero no puede funcionar en ella, con el Zener si se puede trabajar en esa zona.

La potencia mxima que resiste en la "Zona de Ruptura" ("Zona Zener"):

En la zona de ruptura se produce el "Efecto Avalancha" "Efecto Zener", esto es, la corriente aumenta bruscamente. Para fabricar diodos con un valor determinado de tensin de ruptura (VZ) hay que ver la impurificacin porque VZ es funcin de la impurificacin (NA ND), depende de las impurezas.

Figura 76. Efecto de avalancha para diferentes materiales semiconductores. La zona de ruptura no es una vertical, realmente tiene una inclinacin debida a RZ:


Figura 77. Pendiente de la recta.

En un "Diodo Zener Real" todos son curvas, pero para facilitar los clculos se aproxima siempre.

Figura 78. Curvas reales de un diodo Zener.

Las aproximaciones para el Zener son estas: Modelo ideal (1 aproximacin)

Figura 79. Modelo ideal del Zener.


Si buscamos su equivalente veremos que es una pila con la tensin VZ. Esto solo es vlido entre IZmn y IZmx. 2 aproximacin:

Figura 80. Segunda aproximacin del Zener.

Como en el caso anterior lo sustituimos por un modelo equivalente:

Figura 81. Modelo equivalente del Zener.

Anteriormente habamos visto este circuito:

Figura 82. Fuente de alimentacin DC

Primeramente supondremos que estn conectados directamente, por lo tanto vC = vL entonces:

Figura 83. Curvas de una fuente de alimentacin DC.


Problemas que podemos tener: RL variable (variaciones de carga). Variaciones de tensin de red (variaciones de red).

Debido a estos dos problemas la onda de salida de ese circuito puede variar entre dos valores y como nuestro objetivo es obtener una tensin constante a la salida tendremos que hacer algo. Para resolver este problema ponemos un regulador de tensin basado en el diodo Zener.

Figura 84. Fuente DC regulada con diodo Zener.

Ahora vamos a analizar este regulador de tensin. Regulador de tensin en vaco (sin carga). vS estar entre un mnimo y un mximo, y el regulador tiene que funcionar bien entre esos 2 valores (vSmx y vSmn).En este caso vS lo pondremos como una pila variable.

Figura 85. Anlisis del regulador

Adems para que funcione correctamente el Zener tiene que trabajar en la zona de ruptura.

Figura 86. Comportamiento del diodo Zener


Para que est en ruptura se tiene que cumplir:

EJEMPLO: Comprobar si funciona bien el siguiente circuito:

Figura 87. Rectificacin con diodo Zener.

Hay que ver si en la caracterstica los valores se encuentran entre IZmn e IZmx para comprobar si funciona bien.

Figura 88. Curvas de respuesta de un diodo Zener. Funciona bien porque se encuentra entre los dos valores (mximo y mnimo). La salida es constante, lo que absorbe la tensin que sobra es la R (que es la resistencia limitadora).


REGULADOR DE TENSIN CON CARGA.

Figura 89. Regulacin con carga.

Para comprobar que estamos en ruptura calculamos el equivalente de Thvenin desde las bornas de la tensin VZ:

Figura 90. Anlisis de la regulacin con carga.

Como en el anterior caso los valores del circuito tienen que estar entre un mximo y un mnimo:

Figura 91. Valores mximos y mnimos


El Zener absorbe la corriente sobrante (IZ variable) y la resistencia (R) la tensin sobrante. Entonces a la salida la forma de la onda es la siguiente:

2 aproximacin

Figura 92. Curvas reales en un circuito regulado.

El circuito equivalente sera de la siguiente forma. A ese circuito se le aplica la superposicin:

Figura 93. Anlisis del circuito regulado.


Como la superposicin es la suma de estos 2 circuitos la solucin ser esta:

Con esto se ve que lo que hace el Zener es "Amortiguar el rizado". Veamos cuanto disminuye el rizado: EJEMPLO: 1N961 VZ = 10 V RZ = 8,5 V VRentr. = 2 V

Figura 94. Ejemplo.

Si quiero disminuir ms el rizado pondra otro regulador que lo disminuira pico a pico:

Figura 95. Fuente regulada con preregulador.

DIODO EMISOR DE LUZ LED Se basa en:

Figura 96. LED.


El negativo de la pila repele a los electrones que pasan de n a p, se encuentran en p con un hueco, se recombinan con l y ya no son electrones libres, al bajar de BC a BV pierde una energa E que se desprende en forma de luz (fotn de luz). DIFERENCIAS ENTRE UN DIODO NORMAL Y UN LED:

Diodo normal, E en forma de calor. Diodo LED, E en forma de fotn. (E = h*f, h = cte de Planck, f = frecuencia que da color a esa luz).

Diodo normal hecho de silicio. Diodo LED hecho de As, P, Ga y aleaciones entre ellas. Para cada material de estos la distancia de BC y BV es distinta y as hay distintos colores, y mezclndolos se consiguen todos, hasta de luz invisible al ojo humano.

APLICACIN:

Lmparas de sealizacin. . Alarmas (fotones no visibles). . Etc...

El diodo LED siempre polarizado en directa, emitir luz. Podemos usar esto en una fuente de alimentacin que hemos dado.

Figura 97. Aplicacin del LED

La intensidad del LED:

Figura 98. Intensidad del LED.


Normalmente para el valor de 10mA se suelen encender (ver en el catlogo). La tensin en el LED: Diferencia con el silicio, la tensin es mayor. Cuando no dice nada se asume VLED = 2V. En la figura 97, aqu el diodo LED es un indicador que nos dice si la fuente de alimentacin est encendida o apagada. EJEMPLO: TIL 222 LED verde, VLED = 1.8:3V Hay que ver que luz da, si funciona bien en ese rango de valores. Se sacan las intensidades para los 2 extremos:

Figura 99. El LED y su rango de funcionamiento.

La corriente vara muy poco, lo que implica que la iluminacin vara muy poco, est muy bien diseado.

Figura 100. Ejemplo de una mala aplicacin.

No es muy buen diseo porque la intensidad vara bastante, y la iluminacin vara mucho. En conclusin: Los circuitos con tensiones grandes y resistencias grandes funcionan bien, por lo tanto, si se pueden tomar valores grandes.

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DIST

Modulo Electronica Basica - 201419.pdf

Documents

Transcript of Modulo Electronica Basica - 201419.pdf