S01. diodo semiconductor

Sesión 01. Introducción a los sistemas Sesión 01. Introducción a los sistemas electrónicoselectrónicos

Sistemas Electrónicos de Equipo Pesado

J.Max H’ery Quispe Chambi

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ResumenResumen

• En esta sesión vamos a reconocer las características y aplicaciones de los diodos semiconductores y analizar circuitos con diodos.

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Objetivo de la sesiónObjetivo de la sesión

• Identifica diversas aplicaciones de uso en equipos.

• Compara y analiza los circuitos.• Diagnostica diodos

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SemiconductoresSemiconductores

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o Los mejores conductores tienen un electrón de valencia, mientras que los mejores aislantes tienen ocho electrones de valencia.

o Un semiconductor es un elemento con propiedades eléctricas entre las de un conductor y un aislante, por tanto, los mejores semiconductores tienen 4 electrones de valencia.

Electrones de valencia: electrones en el último nivel.

Materiales SemiconductoresMateriales Semiconductores

SemiconductoresMateriales Conductores y Materiales Conductores y SemiconductoresSemiconductores

Semiconductores

• Conductor: material que soporta un gran flujo de carga/corriente.

• Aislante: material con bajo nivel de conductividad de corriente.

• Semiconductor: material que posee un nivel de conductividad entre los extremos de un aislante y un conductor.

DefinicionesDefiniciones

Conductores, aislantes y semiconductores.

CONDUCTOR AISLANTE SEMICONDUCTOR

Semiconductores

Regla general de clasificación.

Semiconductores

CONDUCTOR AISLANTE SEMICONDUCTORMenos de cuatro

electrones de valencia (e- en el

último nivel)

Más de cuatro electrones de

valencia (e- en el último nivel)

Igual a cuatro electrones de

valencia (e- en el último nivel)

Estructura del diodoEstructura del diodo

• El silicio y el germanio son los elementos más comúnmente usados como semiconductores.

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• El tipo de dispositivo semiconductor más simple es un diodo. Un diodo permite el flujo de corriente en una dirección y bloquea el flujo de la otra.

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• Los diodos se usan con muchos fines en los circuitos eléctricos, incluida la iluminación, la rectificación, la protección contra picos de voltaje y la prevención de corriente de retroalimentación.

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• Los diodos están hechos de una capa de material tipo “P” y una de material tipo “N”. Los diodos se crean al mezclar (agregar impurezas) las proporciones correctas en un trozo de material semiconductor, tal como el silicio o el germanio.

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• Esta combinación crea dos zonas distintas: el lado “P” y el lado “N”. El material tipo P tiene una deficiencia de electrones libres. El material tipo N tiene un exceso de electrones libres

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• En un diagrama, el triángulo en el símbolo del diodo apunta en la dirección en que se permite el flujo de corriente de acuerdo con la teoría de flujo de corriente convencional.

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Ánodo y cátodoÁnodo y cátodo

• La corriente fluye convencionalmente de izquierda a derecha en figura. Podemos indicar esto con el signo positivo (más) en el lado izquierdo y negativo (menos) en el lado derecho.

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Diodo con polarización Diodo con polarización directadirecta

• El término “polarización” se usa en referencia a la polaridad del voltaje aplicado a un diodo. Un diodo con polarización directa fluye al conectar el lado P (ánodo) al voltaje positivo y el lado N (cátodo) al voltaje negativo

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• Al conectarlo a una fuente de voltaje, un diodo con polarización directa cierra el circuito

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• Un diodo no conducirá el flujo de corriente hasta que el voltaje con polarización directa alcance cierto umbral.

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• El voltaje de umbral lo determina el tipo de material que se usa para fabricar el diodo (aproximadamente 0,6 v a 0,7 en Siliciio y 0,3 a 0,4 en Germanio)

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• El exceso de corriente produce exceso de calor, lo que puede destruir el diodo. El exceso de voltaje inverso también destruirá el diodo

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Diodo con polarización Diodo con polarización inversainversa

• Un diodo conectado al voltaje de modo que la corriente no puede fluir tiene “polarización inversa”. Los electrones del extremo del cátodo del diodo son atraídos por el terminal positivo de la fuente y en el circuito fluye una corriente mínima o nula

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• A través de un diodo con polarización inversa puede fluir una cantidad muy pequeña de corriente. Si el voltaje de suministro alcanza un nivel suficientemente alto, se averiará la estructura atómica dentro del diodo y aumentará la cantidad de corriente

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• Si la corriente inversa es lo suficientemente grande y dura bastante, el calor dañará el diodo

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• Si un diodo tiene polarización directa, tiene poca resistencia y por lo tanto tendrá una pequeña caída de voltaje. Si el diodo tiene polarización inversa tiene gran resistencia y crea un circuito abierto.

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DiagnósticoDiagnóstico

• Cualquiera de los siguientes síntomas puede llevarlo a diagnosticar diodos con un multímetro digital– Los circuitos no se energizan cuando se activan– Los circuitos se energizan cuando no se activan– La salida del sistema de carga está por debajo de

las especificaciones

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• Antes de usar un multímetro digital, debe de haber hecho lo siguiente:– Reunir la información pertinente de parte del operador– Realizar una inspección visual inicial– Llevar a cabo una prueba de funcionamiento del sistema eléctrico– Revisar el voltaje de origen – Realizar una inspección del cableado y de los mazos de cable en los

circuitos bajo sospecha

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• Cuando un diodo funciona correctamente en un circuito, tiene una gran caída de voltaje en una dirección y una pequeña en la otra .

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• Los diodos se pueden probar de tres formas

1.Si el diodo está en un circuito paralelo, se debe quitar del circuito y probar con el circuito digital en la posición de diodo

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2. Si el diodo está en serie, se puede probar con la energía del circuito apagada y el multímetro digital en la posición de diodo

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3. Si el diodo está en serie, se puede probar con la energía del circuito encendido y el multímetro digital en la posición de voltios de CC.

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Diagnóstico – Diagnóstico – Procedimiento 1Procedimiento 1

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• Con el multímetro digital en la posición de diodo realice la conexión de la figura

• Anote la lectura. En el Silicio aproximadamente 0,6 V


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• Invierta los conductores • Anote la lectura. Una lectura típica es OL


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• En la escala en voltios realice la siguiente conexión • Anote los resultados

Diodo ZenerDiodo Zener

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• Un diodo de Zener es un tipo especial de diodo que se fabrica de modo que tenga un alto número de electrones libres y huecos de electrón. Estos portadores de corriente adicional permiten el flujo de corriente inversa cuando se alcanza cierto voltaje de polarización inversa (punto de avalancha o punto de zener

Diodo Zener – Diseño de Diodo Zener – Diseño de los circuitoslos circuitos

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• Los circuitos están diseñados para incluir diodos de Zener con una clasificación lo suficientemente alta como para proteger los diodos y el circuito durante la operación normal.


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• Un diodo Zener común no conducirá corriente en la dirección inversa si el voltaje de polarización inversa está por debajo de seis voltios.


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• Si el voltaje de polarización inversa alcanza o supera seis voltios, el diodo permitirá el flujo de corriente inversa y mantendrá una caída de voltaje constante de seis voltios. El diodo Zener es de uso frecuente en circuitos de control de voltaje

Diodo Zener – Diodo Zener – Dispositivos de controlDispositivos de control

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• El diagrama muestra un diodo de zener que actúa como un dispositivo de control del alternador. A medida que el motor funciona y los requisitos de carga comienzan a disminuir, se acumula voltaje del alternador

Diodo Zener – Diodo Zener – Dispositivos de controlDispositivos de control

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• Esto hace que el voltaje a través de los resistores también aumente. El voltaje a través de R7 y R8 alcanza un nivel mayor que el voltaje crítico del diodo Zener. El diodo Zener “falla” de inmediato y permite el flujo de corriente en la dirección inversa

Diodo Zener – Diodo Zener – DiagnósticoDiagnóstico

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• Cualquiera de las siguientes causas puede llevarlo a diagnosticar diodos de zener con un multímetro digital– Sobrecarga de la batería – Carga insuficiente de la batería – Leces atenuadas


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• Antes de usar un multímetro digital, debe haber hecho lo siguiente:– Reunir la información pertinente de parte del

operador – Revisar el voltaje de origen– Realizar una inspección visual del cableado y de

los mazos de cables. Llevar a cabo una prueba operacional del sistema eléctrico


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• Un diodo zener permitirá el flujo de corriente con polarización directa e inversa. Al probarlo, se debe aplicar voltaje en las direcciones de polarización directa e inversa

Diodo Zener – Diagnóstico Diodo Zener – Diagnóstico con polarización directacon polarización directa

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• La prueba de diodos de Zener requiere un suministro de corriente CC variable.

• El multímetro digital se coloca en la modalidad de voltaje.


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• El multímetro digital se coloca en la modalidad de voltaje y el suministro se ajusta a un voltaje de 4 voltios.


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• El resultado esperado es una caída de tensión de 0.5 V para determinar que el zener funciona correctamente.

Diodo Zener – Diagnóstico Diodo Zener – Diagnóstico con polarización inversacon polarización inversa

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• El diagnóstico implica usar un multímetro digital para medir la caída de voltaje a través del diodo Zener con polarización inversa mientras que el suministro voltaje se ajusta por debajo del punto de Zener del diodo.

• Características del diodo zener: Vi=5.1 v P= 1 vatio


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• El voltaje de suministro de corriente variable se ajustará en 4 voltios (por debajo de su Vi).


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• Si el resultado muestra aproximadamente 4V, el diodo Zener funciona correctamente. Aumente el voltaje más allá del punto Zener para continuar la prueba

• Si el resultado muestra un voltaje significativamente menor cuando el suministro es de 4V, el diodo Zener falló.


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• Ajustar ahora el suministro a 12 V (por encima de su Vi)• Si los resultados muestran aproximadamente 5.1 V cuando

el voltaje de suministro es de 12V, el diodo zener funciona correctamente


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• Si los resultados muestran un voltaje significativamente menor o mayor a 5.1 V cuando el suministro es 12 V, el diodo Zener falló y debe reemplazar.

AplicacionesAplicaciones

• Regulación de voltaje (usando diodos Zener).

• Indicadores (usando los LED).• Rectificación (cambiando la

corriente CA a corriente CC).• Conexiones para controlar crestas y

sobretensiones de voltaje que puedan dañar los circuitos de estado sólido (que actúan como circuitos de protección).

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DiodoDiodo LedLed• Otro tipo de diodo usado

con frecuencia como lámpara indicadora es el diodo luminiscente (LED). Al igual que todos los diodos, los LED permiten el flujo de corriente sólo en un sentido. La diferencia está en que cuando se aplica voltaje directo a un LED, el LED emite luz.

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DiodoDiodo LedLed• Varios LED conectados en

serie en una disposición especial pueden indicar los números o las letras en una pantalla.

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DiodoDiodo LedLed• Mientras la mayoría de los

diodos de silicio necesitan para su conexión cerca de 0,5 ó 0,7 voltios, los LED necesitan aproximadamente de 1,5 a 2,2 voltios. Este voltaje produce corrientes lo suficientemente altas para dañar un LED. La mayoría de los LED pueden manejar sólo alrededor de 20 a 30 mA de corriente. Para prevenir el daño de un LED, un resistor, que limita la corriente, se coloca en serie con el LED.

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