Sistemas electrnicos: Diodos (unin p-n)
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Objetivo
Exponer los aspectos generales de los diodos semiconductores
El alumno deber entender las caractersticas y capacidades de este dispositivo y aprender los diversos esquemas de uso.
Al finalizar este tema el alumno deber ser capaz de manejar dichos dispositivos y comprender sus principales aplicaciones.
Introduction Los diodos semiconductores juegan un papel
primordial en los circuitos electrnicos. Funcionan como interruptores, elementos de paso en reguladores conmutados y como elementos de inversin de carga en capacitores y de transferencia de energa entre componentes.
Los diodos de potencia son similares a los diodos de pequea seal, son ms lentos pero cuentan con mayores capacidades de manejo de energa.
Diodos
Un diodo ideal permite el paso de la electricidad slo en un nico sentido, esto es:
Diodos
En polarizacin inversa, la corriente conducida es nula, sea cual sea el valor de la tensin inversa aplicada
En polarizacin directa, la cada de tensin es nula, sea cual sea el valor de la corriente directa conducida i
V
curva caracterstica
Materiales semiconductores A diferencia de los materiales aislantes cuyos
electrones estn firmemente unidos a sus tomos, inhibiendo la circulacin de electrones, o de los materiales conductores, los cuales mantiene una nube libre de electrones; los materiales semiconductores (e.g.: Silicio, Germanio) pueden permitir cierto control sobre el libre paso de los electrones a travs de las caractersticas obtenidas a travs de su proceso de fabricacin (e.g.: dopaje).
Union pnnodo
Ctodo
Encapsulado (cristal o resina sinttica)
Terminal
Terminal
PN
Marca sealando el ctodo
Contacto metal- semiconductor
Contacto metal-semiconductor
Oblea de semiconductor
Union pn
Al unir 2 tipos de materiales semiconductores, uno rico en tomos con electrones libres (tipo-n) y otro pobre en estos tomos (tipo-p) se forma una unin pn
Al unirse ambos materiales : Comienza la mayora de los portadores de carga cerca de
la unin a recombinarse con los portadores de carga de polaridad contraria (nulificandose la carga)
Al avanzar este proceso se van agotando a lo largo de la unin dichos portadores de carga formando una capa denominada regin de agotamiento (depletion layer)
Recombinacin de huecos electrones
Union pn
Polarizacin de la union pn
Polarizacin directaCuando un voltaje positivo se aplica a la terminal del sustrato tipo-p y uno positivo a la del sustrato tipo-n se dan las condiciones para que los electrones, y por ende, la corriente fluye sobre la unin-pn.
Polarizacin inversaCuando un voltaje negativo se aplica al sustrato tipo-p y uno positivo al sustrato tipo-n la regin de agotamiento se ensancha hasta que su potencial iguala al de polarizacin (voltaje aplicado). Esta polarizacin reduce el flujo de electrones (corriente) a prcticamente cero.
Polarizacin de la union pn
Diodos semiconductores
Corrientes inversa y directa
Voltajes de encendido y rompimiento para un diodo de silicio
Diodos semiconductores
Cractersticas de diodo de Silicio Por lo general tienen un voltaje de encendido 0.5 V Y un voltaje de conduccin de aprox. 0.7 V El voltaje de rompimiento depende de las caractersticas de
su fabricacin Alrededor de 75 V para un diodo de seal pequea Alrededor de 400 V para un diodo de potencia
Su corriente de operacin mxima tambin depende del propsito de su fabricacin
100 mA for a diodo de seal pequea (electrnica) Varios amperes si se trata de uno de potencia
Diodos semiconductores
Relacin de corriente voltaje ( iv ) del diodo.
Vzk entre 75 y 400 V
Diodos semiconductores
Tipos de Diodos
DO 35 DO 41 DO 15 DO 201
Tipos de Diodos Axiales
Tipos de Diodos Para usar con disipador
B 44
DO 5
Tipos de Diodos Para alta potencia
2 diodos en ctodo comn2 diodos en serie
Tipos de Diodos En grupos de varios diodos
Tipos de Diodos Con varios elementos
Nombre del dispositivo
Tipos de Diodos Con varios elementos
(sin conectar)
Nombre del dispositivo
Encapsulados
Tipos de Diodos Con varios elementos y diversos encapsulados para
el mismo dispositivo
Dual in line
Tipos de Diodos Con 4 Diodos : Puente rectificador
Tipos de Diodos Con 4 Diodos : Puente rectificador
Tipos de Diodos Con 4 Diodos : Puente rectificador
Tipos de Diodos Con 4 Diodos : Puente rectificador
Tipos de Diodos Con 6 Diodos : Puente rectificador trifsico
- Adecuados para alta potencia y relativa alta frecuencia
- Minimizan las inductancias parsitas de la conexin
- Se usan en aplicaciones industriales, espaciales, militares, etc
Control de MotoresElectrnica militar
Tipos de Diodos Encapsulados mixtos
Se pueden pedir a medida
1) Mxima tensin inversa soportada
2) Mxima corriente directa conducida
3) Cada de tensin en conduccin
4) Corriente inversa de fuga (en bloqueo)
5) Velocidad de conmutacin
Caractersticas de cualquier diodo
Caractersticas de cualquier diodo
1) Mxima tensin inversa soportada
Baja tensin
15 V
30 V
45 V
55 V
60 V
80 V
Alta tensin
500 V
600 V
800 V
1000 V
1200 V
Media tensin
100 V
150 V
200 V
400 V
Ejemplo de clasificacin
Corresponde a la tensin de ruptura de la unin inversamente polarizada
Caractersticas de cualquier diodo
1) Mxima tensin inversa soportada
La tensin mxima es crtica. Excederla suele ser determinante para el deterioro irreversible del componente
Caractersticas de cualquier diodo
2) Mxima corriente directa conducida
Depende del encapsulado
Caractersticas de cualquier diodo
2) Mxima corriente directa conducida
Corriente eficaz mxima IF(RMS) (Polarizacin directa)
Corriente directa mxima de pico repetitivo IFRM
Corriente directa mxima de pico no repetitivo IFSM
Caractersticas de cualquier diodo
3) Cada de tensin en conduccin
i
V
V
rd
ideal
ID
VD5 A
La cada de tensin en conduccin (obviamente) crece con la corriente directa conducida. A corrientes altas crece linealmente
Caractersticas de cualquier diodo
3) Cada de tensin en conduccin
La cada de tensin en conduccin crece con la mxima tensin soportable por el diodo
Caractersticas de cualquier diodo
3) Cada de tensin en conduccin
2,2V @ 25A
En escala lineal no son muy tiles Frecuentemente se representan en escala logartmica
IF(AV) = 5A, VRRM = 1200V
IF(AV) = 4A, VRRM = 200V
1,25V @ 25A
Caractersticas de cualquier diodo
3) Cada de tensin en conduccin
Los Schottky tienen mejor comportamiento en conduccin para VRRM < 200 (en silicio)
0,5V @ 10A
Caractersticas de cualquier diodo
3) Cada de tensin en conduccin
Schottky de VRRM relativamente alta
0,69V @ 10A
Caractersticas de cualquier diodo
3) Cada de tensin en conduccin
Schottky
Schottky
PN
Similares valores de VRRM y similares cadas de tensin en conduccin
Caractersticas de cualquier diodo
4) Corriente inversa de fuga (en bloqueo)
Depende de los valores de IF(AV) y VRRM, de la tensin inversa (poco) y de la temperatura (mucho)
Algunos ejemplos de diodos PN
IF(AV) = 8A, VRRM = 200V
Crece con IF(AV)
Crece con Tj
IF(AV) = 4A, VRRM = 200V
Caractersticas de cualquier diodo
4) Corriente inversa de fuga (en bloqueo)
Dos ejemplos de diodos Schottky
IF(AV) = 10A, VRRM = 170V
IF(AV) = 10A, VRRM = 40V Decrece con VRRM
Crece con IF(AV) Crece con Tj
Caractersticas de cualquier diodo
4) Corriente inversa de fuga (en bloqueo)
Dos ejemplos de diodos Schottky
Decrece con VRRM
Crece con IF(AV) Crece con Tj
Caractersticas de cualquier diodo
5) Velocidad de conmutacin
Comportamiento ideal de un diodo en conmutacin
Transicin de t1 a t2,De conduccin a bloqueo (apagado)
i
V
t
t
V1/R
-V2
t1 t2
V1V2
Ri
V+
-
Caractersticas de cualquier diodo
5) Velocidad de conmutacin
Comportamiento real de un diodo en conmutacin
ts = tiempo de almacenamiento (storage time )tf = tiempo de cada (fall time )trr = tiempo de recuperacin inversa (reverse recovery time )
t1 t2
V1V2
Ri
V+
-
i
V
t
t
trrV1/R
-V2/Rts
tf (i= -0,1V2/R)
-V2
Caractersticas de cualquier diodo
5) Velocidad de conmutacin
Comportamiento real de un diodo en conmutacin
td = tiempo de retraso (delay time )tr = tiempo de subida (rise time )
tfr = td + tr = tiempo de recuperacin directa (forward recovery time )
i
tr
0,9V1/R
td
0,1V1/R
tfr
Transicin de t2 a t1,De bloqueo a conduccin (encendido)
El tiempo de recuperacin directa genera menos problemas reales que el de recuperacin inversa
t1 t2
V1V2
Ri
V+
-
Caractersticas de cualquier diodo
5) Velocidad de conmutacin
Comportamiento real de un diodo en conmutacin
i
tr
0,9V1/R
td
0,1V1/R
tfr
Transicin de t2 a t1,De bloqueo a conduccin (encendido)
El tiempo de recuperacin directa genera menos problemas reales que el de recuperacin inversa
t1 t2
V1V2
Ri
V+
-
Caractersticas de cualquier diodo
5) Velocidad de conmutacin
Comportamiento real de un diodo en conmutacin con cargas con comportamiento inductivo
Caractersticas de cualquier diodo
5) Velocidad de conmutacin
Comportamiento real de un diodo en conmutacin con cargas con comportamiento inductivo
IF(AV) = 8A, VRRM = 200V
Caractersticas de cualquier diodo
5) Velocidad de conmutacin
Comportamiento real de un diodo en conmutacin en etapa de recuperacin
STTA506D
Caractersticas de cualquier diodo
5) Velocidad de conmutacin
Comportamiento real de un diodo en conmutacin. Respuesta en el tiempo y carga trmica.
STTA506D
Caractersticas de cualquier diodo
5) Velocidad de conmutacin
La velocidad de conmutacin (valorada con la trr) ayuda a clasificar los diodos
Standard
Fast
Ultra Fast
Schottky
VRRM trrIF
100 V - 600 V
100 V - 1000 V
200 V - 800 V
15 V - 150 V
> 1 s
100 ns 500 ns
20 ns 100 ns
< 2 ns 1 A 150 A
1 A 50 A
1 A 50 A
1 A 50 A
Caractersticas de cualquier diodo
Prdidas en diodos
Son de dos tipos:
- Estticas en conduccin (en bloqueo
son despreciables)
- Dinmicas
Caractersticas de cualquier diodo
Prdidas ESTTICAS en diodos
V
rd
ideal
Potencia instantnea perdida en conduccin:
pDcond (t) = vD (t)iD (t) = (V + rd iD(t)) iD(t)
PDcond = VIM + rd Ief2
IM : Valor medio de iD(t)
Ief : Valor eficaz de iD(t)
iD
T0
DcondDcond dt)t(pT1P
Potencia media en un periodo:
V
rd
ideal
iD
Potencia instantnea perdida en conduccin:
pDcond (t) = vD (t)iD (t) = (V + rd iD(t)) iD(t)
PDcond = VIM + rd Ief2
IM : Valor medio de iD(t)
Ief : Valor eficaz de iD(t)
iDForma de onda peridica
T0
DcondDcond dt)t(pT1P
Potencia media en un periodo:
Caractersticas de cualquier diodo
Prdidas ESTTICAS en diodos
Caractersticas de cualquier diodo
Prdidas DINMICAS en diodos
Las conmutaciones no son perfectas
Hay instantes en los que conviven tensin y corriente.
La mayor parte de las prdidas se producen en la salida de conduccin
trr
iD
t
VD
t
0,8 V
-200 V
10 A
3 A
Caractersticas de cualquier diodo
Prdidas DINMICAS en diodos
trr
iD
t
VD
t
0,8 V
-200 V
10 A
3 A
Potencia instantnea perdida en la salida de conduccin:
pDsc (t) = vD (t)iD (t) = PD
rrt0
DscD dt)t(pT1P
Potencia media en un periodo:
Caractersticas de cualquier diodo
Prdidas DINMICAS en diodos
Caractersticas de cualquier diodo
Prdidas DINMICAS en diodos
Caractersticas Trmicas
Las prdidas generan calor y ste debe ser evacuado
El silicio pierde sus propiedades semiconductoras a partir de
175-150C
Caractersticas de cualquier diodo
Magnitudes trmicas:
- Resistencias trmicas, RTH en C/W
- Increm. de temperaturas, T en C
- Potencia perdida, P en W
Si
jUnin (oblea)
cEncapsulado
aAmbiente
P (W)
RTHjc RTHca
Caractersticas Trmicas
Caractersticas de cualquier diodo
Ley de Ohm trmica: T=PRTH
- Resistencias elctricas, R en
- Difer. de tensiones, V en voltios
- Corriente, I en ARTH RT VP I
Equivalente elctrico
Las prdidas generan calor y ste debe ser evacuado
El silicio pierde sus propiedades semiconductoras a partir de
175-150C
Si
jUnin (oblea)
cEncapsulado
aAmbiente
P (W)
RTHjc RTHca
Caractersticas Trmicas
Caractersticas de cualquier diodoRTH RT VP I
Equivalente elctrico
P
RTHjc RTHcaTaj c
a
0 K
TCTJ
Por tanto: T = PRTH Tj-Ta = P(RTHjc + RTHca)
Y tambin: Tj-TC = PRTHjc y Tc-Ta = PRTHca
Si
jUnin (oblea)
cEncapsulado
aAmbiente
P (W)
RTHjc RTHca
Caractersticas Trmicas
Caractersticas de cualquier diodo
La resistencia trmica unin-cpsula es baja ( 0,5-5 C/W) La resistencia trmica cpsula-ambiente es alta ( 30-100 C/W)
IF(AV) = 5A, VRRM = 1200V
Cpsula TO 3 TO 5 TO 66 TO 220 TOP 3
RTHca [C/W] 30 105 45 60 40
Caractersticas Trmicas
Caractersticas de cualquier diodo
Para reducir la temperatura de la unin hay que disminuir la resistencia trmica entre la cpsula y el ambiente.
Para ello se coloca un radiador en la cpsula.
Caractersticas Trmicas
Caractersticas de cualquier diodo
Caractersticas Trmicas
Caractersticas de cualquier diodo
j c
P
RTHjc
RTHca Ta
a
0 K
TCTJ
Por tanto: Tj-Ta = P[RTHjc + (RTHcaRTHrad)/(RTHca+RTHrad)]
Y tambin: Tj-TC = PRTHjc y Tc-Ta = P(RTHcaRTHrad)/(RTHca+RTHrad)]
RTHrad
Si
jUnin (oblea)
cEncapsulado
aAmbiente
P (W)
RTHjc
RTHca
RTHrad
Diodos Zener
Caractersticas Presenta un voltaje de polarizacin
inversa relativamente constante, loque permite ser empleado como referncia de voltaje
Al voltaje de rompimiento se le conoce como voltaje Zener, VZ
El voltaje de salida Vo es igual aVZ a pesar de las variaciones en el voltaje de entrada V
Se emplea un resistor R para limitar la corriente en el diodo
Smbolo
La imagen muestra la relacin de corriente voltaje ( iv ) en la zona de ruptura
Diodos Zener
LED, siglas en ingls de Light-Emitting Diode, es un tipo de diodo que emite luz.Para que emita luz, lo debemos colocar con la polaridad correctaProducen luz ~ monocromtica
Smbolo
nodo Ctodo nodo
Ctodo
Diodos LED
Circuitos con diodos
Circuitos con diodos
Rectificador de media onda
El voltaje pico de salida es igual a:
Al voltaje pico de la entrada menos el voltaje de conduccin del diodo
La inclusin de un capacitor hace que la onda sea ms suave
Circuitos con diodos
Rectificador de media onda
El voltaje pico de salida es igual a:
Al voltaje pico de la entrada menos el voltaje de conduccin del diodo
La inclusin de un capacitor hace que la onda sea ms suave
Circuitos con diodos
Rectificador de onda completa
Si aadimos un diodo a la rama negativa de un transformador con derivacin central el voltaje pico de salida ser nuevamente igual al voltaje pico de la entrada menos el voltaje de conduccin del diodo
Circuitos con diodos
Rectificador de onda completa
Si aadimos un diodo a la rama negativa de un transformador con derivacin central el voltaje pico de salida ser nuevamente igual al voltaje pico de la entrada menos el voltaje de conduccin del diodo
Circuitos con diodos
Rectificador de onda completa
Si aadimos un diodo a la rama negativa de un transformador con derivacin central el voltaje pico de salida ser nuevamente igual al voltaje pico de la entrada menos el voltaje de conduccin del diodo
VD VS VS
Circuitos con diodos
Rectificador de onda completa
Rectificador de onda completa
Si aadimos un puente rectificador entre las terminales de un transformador el voltaje pico de salida ser ahora igual a:
Al voltaje pico de la entrada menos 2 veces el voltaje de conduccin del diodo
Circuitos con diodos
Rectificador de onda completa
Si aadimos un puente rectificador entre las terminales de un transformador el voltaje pico de salida ser ahora igual a:
Al voltaje pico de la entrada menos 2 veces el voltaje de conduccin del diodo
Circuitos con diodos
Rectificador de onda completa
Circuitos con diodos
Circuitos con diodos
Rectificador de onda completa
El puente rectificador reduce el tiempo en el que el capacitor debe mantener el voltaje sobre la carga, de esta manera se reduce el rizo de la seal senoidal
Circuitos con diodos
Rectificador Polifsica de 3 fases (Trifsica) Puente rectificador empleado comnmente en la industria. Rectifica
al tiempo 3-Fases lo que resulta en una menor oscilacin (rizo) del voltaje rectificado.
Circuito de puente rectificador de 3 fases y onda completa
Voltajes de entrada-salida del circuito rectificador
Rizo (ripple)
Circuitos con diodos
Rectificador Polifsica de 3 fases (Trifsica) Cada una de las fases se conecta entre cada par de diodos. La salida Positiva se toma del ctodo de los 3 ltimos diodos La salida Negativa se obtiene del nodo de los 3 primeros diodos.
Circuito de puente rectificador de 3 fases y onda completa
Circuitos con diodos
Rectificador Polifsica Seis fases Cada una de las fases se conecta entre cada par de diodos. La salida Positiva se toma del ctodo de los 6 ltimos diodos La salida Negativa se obtiene del nodo de los 6 primeros diodos.
Circuito de puente rectificador de 6 fases y onda completa
Circuitos con diodos
Rectificador Polifsica Seis fases La rectificacin de onda completa produce un voltaje
aproximadamente igual a:
En la prctica, existe un pequeo voltaje de cada producido por los diodos lo que reduce el voltaje de salida.
Para obtener una fuente de alimentacin ms precisa se requiere aadir una etapa de filtrado o regulacin al circuito.
Vo 2Vi,RMS
Circuitos con diodos
Aplicaciones Dimmer de iluminacin:
Enva una seal de alimentacin de media onda rectificada hacia la lampara.
Alternador automotriz: La salida de un generador trifsico de AC es rectificada por un puente rectificador (ms confiable que un generador de DC)
6 Diodos rectificadores
Limitadores de voltaje
Ejemplos: Manera simple de
acondicionamiento de seal
El diodo limita elvoltaje que percibela resistencia de carga
Se puede usar combinaciones de diodos tradicionales y Zener
Limitador de voltaje
Ejemplos: Manera simple de
acondicionamiento de seal
El diodo limita elvoltaje que percibela resistencia de carga
Se puede usar combinaciones de diodos tradicionales y Zener
Limitador de voltaje
Limitador de voltaje
Las corrientes regenerativas del efecto contra-motriz pueden producir daos en interruptoreso relevadores.
Los diodos de paso ofrecen un camino de baja impedancia (resistencia) para que la corriente regrenerativa circule de regreso a la bobina y de esa manera se disipe la energa almacenada.
Por el contrario, cuando se energiza la carga con la fuente de alimentacin (interruptor cerrado), la polarizacin inversa del diodo hace que el diodo se mantenga fuera del circuito sin ningn efecto.
Diodo de paso para cargas inductivas
Diodo de paso para cargas inductivas
Fuente de alimentacin
Fuente de alimentacin
Fuente de alimentacin
Puntos clave- Los diodos permiten la circulacin de la corriente SLO en una direccin- A bajas temperaturas los semiconductores actan como aislantes, a altas temperaturas comienzan a conducir- El dopaje de diversos tomos en los semiconductores deriva en la produccin de materiales semiconductores tipo-p y tipo-n- La unin entre un sustrato tipo-p y uno n produce las propiedades propias de un diodo- Los diodos de Silicio aproximan su comportamiento al de un diodo ideal pero comienzan a conducir al rededor de los 0.7V, para Germanio es 0.3V- Existen una gran variedad de tipos de diodos empleados para propsitos especiales y mltiples aplicaciones
Diodo SchottkyDiseado para una muy rpida respuesta. Muy usado en
aplicaciones de rpida conmutacin. Construido por la unin de una capa de metal
(e.g. aluminio) y otra de semiconductor
Su operacin recae slo en portadores mayoritarios de carga (e.g. portadores tipo N o electrones mviles ).
Tiene un voltaje de polarizacin directa bajo (0.25 V aprox)
Usado en el diseo de compuertas lgicas de alta velocidad.
Otros tipos de diodos
Diodo Schottky
Otros tipos de diodos
Diodo ShockleyDiodo de 4 capas diseado para controlar la cantidad
promedio de energa que se entrega a la carga.
Otros tipos de diodos
Anode
Cathode
PNPN
a. b. c.
DC Current AC Current
Ohms Law
ZVI
22 RXZ
I= CurrentV= VoltageR= Resistance
Z= ImpedanceX= Reactance
Frequency of AC Geometry of Secondary Magnetic Material Power = VI
=KW (kilowatts) Power = KVA
RVI
Factor de Potencia
P
V
P
I
I
V
(a) Carga meramente Resistiva (b) Carga Resistiva y Reactiva
Pav = VavIav cos()
Factor de Potencia
R=Resistance
X=Reac
tanceZ=Impedance
Power Factor = Cos
If: I=10,000 amps V=10 volts
Kva=100Kw=70.7
If: R=Xpf = 70.7%
o45
Factor de Potencia
Tunnel diodes high doping levels produce
a very thin depletion layerwhich permits tunnellingof charge carriers
results in a characteristicwith a negative resistanceregion
used in high-frequency oscillators, where they can be used to cancel out resistance in passive components
Varactor diodes a reversed-biased diode has two conducting regions
separated by an insulating depletion region this structure resembles a capacitor variations in the reverse-bias voltage change the width of
the depletion layer and hence the capacitance this produces a voltage-dependent capacitor these are used in applications such as automatic tuning
circuits
Sistemas embebidosObjetivoIntroductionDiodesSlide 5Slide 6pn JunctionsSlide 8Slide 9Slide 10Slide 11Slide 12Slide 13Slide 14Slide 15Slide 16Slide 17Slide 18Slide 19Slide 20Slide 21Slide 22Slide 23Slide 24Slide 25Slide 26Slide 27Slide 28Slide 29Slide 30Slide 31Slide 32Slide 33Slide 34Slide 35Slide 36Slide 37Slide 38Slide 39Slide 40Slide 41Slide 42Slide 43Slide 44Slide 45Slide 46Slide 47Slide 48Slide 49Slide 50Slide 51Slide 52Slide 53Slide 54Slide 55Slide 56Slide 57Slide 58Slide 59Slide 60Slide 61Slide 62Slide 63Slide 64Slide 65Slide 66Slide 67Slide 68Slide 69Slide 70Slide 71Slide 72Slide 73Slide 74Slide 75Diode CircuitsSlide 77Slide 78Slide 79Slide 80Slide 81Slide 82Slide 83Slide 84Slide 85Slide 86Slide 87Slide 88Slide 89Slide 90Slide 91Slide 92Slide 93Slide 94Slide 95Slide 96Slide 97Slide 98Key PointsSlide 100Slide 101Slide 102Slide 103Slide 104Power FactorSlide 106Slide 107Slide 108