FUNDAMENTO DE ELECTRÓNICAProf. LISSETH LÓPEZ
APLICACIONES DE LOS DIODOS 1
Resumen
El diodo es un elemento semiconductor formado por la unión de dos pastillas
semiconductoras, una de tipo P (ánodo) y otra de tipo N (cátodo).
Cuando la tensión en el ánodo es más positiva (o menos negativa) que la del
cátodo, superándola en al menos 0,6 voltios en diodos de silicio y de 0,3 voltios en
los de germanio, el diodo se encuentra polarizado directamente. En esta disposición
conducirá el diodo y se comportará prácticamente como un cortocircuito (En su
modelo ideal).
Si la tensión en el ánodo es menor que la correspondiente al cátodo, el diodo estará
polarizado inversamente y no conducirá, siendo equivalente a un circuito abierto
(En su modelo ideal).
APLICACIONES DE LOS DIODOS
Rectificador
Concepto
La rectificación consiste en convertir la corriente alterna en continua. Cualquier
dispositivo que permita circular la corriente en un solo sentido podemos decir que es
un rectificador. Y éste es el caso del diodo, pues únicamente cuando el ánodo esté
a una tensión más positiva que el cátodo dejará pasar la corriente a través de él,
con el sentido convencional de ánodo a cátodo.
Media onda
Un circuito rectificador de media onda sólo rectifica la mitad de la tensión alterna
presente en su entrada; es decir, cuando el ánodo sea positivo respecto al cátodo.
Puede considerarse como un circuito en el que la unidad rectificadora está en serie
con la tensión de entrada y la carga. En el circuito, cuando llega el semiciclo positivo
presente en el secundario del transformador al ánodo del diodo, éste queda
polarizado directamente y consecuentemente conducirá; la tensión en la salida Vo
será Vo = Vmax-0,6 V.
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APLICACIONES DE LOS DIODOS 2
T1D1
RL
+
-
Vo
+
-
Vi
Cuando llegue el semiciclo negativo del secundario al ánodo del diodo, éste quedará
polarizado inversamente y no conducirá, siendo Vo muy próxima a cero ya que
siempre circulará una pequeñísima corriente inversa.
Las tensiones características vendrán dadas por las siguientes fórmulas.
Vo = Vmáx /2
Vo media = Vmáx/ PI
Aplicaciones. Se emplean como alimentación de muchos sistemas de baja tensión
y de aparatos universales, así como para proporcionar alta tensión a los
osciloscopios.
Doble onda: El rectificador de doble onda, también denominado onda completa,
está formado por dos rectificadores de media onda que funcionan durante
alternancias opuestas de la tensión de entrada.
El secundario del transformador tiene en su punto intermedio una toma conectada a
tierra, obteniéndose así dos tensiones iguales y desfasadas 180 grados que se
aplican alternativamente a los ánodos de cada diodo.
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APLICACIONES DE LOS DIODOS 3
Cuando llega el semiciclo positivo a un diodo, al otro le llega el semiciclo negativo,
con lo cual uno conduce y el otro no, y viceversa. Consecuentemente siempre habrá
un diodo conduciendo, obteniéndose en la
salida únicamente semiciclos positivos.
En este circuito tenemos:
VR = Vmáx /1,41
VR media = 2Vmáx/PI
Aplicaciones. Se usan en sistemas de todos los equipos de comunicación,
teniendo un gran rendimiento y posibilidad de proporcionar una gran gama de
tensiones con corrientes moderadas. Se utilizan mucho para la carga de baterías
porque así se evita el peligro de la saturación del núcleo del transformador.
Doble onda en puente
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APLICACIONES DE LOS DIODOS 4
Son cuatro rectificadores de media onda conectados en la forma indicada en el
circuito.
La tensión alterna del secundario del transformador se aplica entre las uniones de
un ánodo y un cátodo de dos diodos, obteniéndose la salida en el punto de unión de
dos cátodos (polo positivo) y de dos ánodos (polo negativo).
Durante el semiciclo positivo de la señal de entrada conducen dos diodos,
cerrándose el circuito de circulación de la corriente por la resistencia de carga;
durante el semiciclo negativo conducirán los otros dos diodos, cerrándose el circuito
también por la resistencia de carga. Así se obtiene en la salida únicamente
semiciclos positivos tal como ocurría en el circuito rectificador de doble onda
anterior.
En este rectificador las fórmulas y el tipo de aplicaciones son las mismas que en el
anterior, aunque debemos tener en cuenta que la tensión de salida será 0,6 voltios
inferior pues al haber dos diodos conduciendo la caída de tensión será ahora de
0,6+0,6. Sin embargo, la ventaja que presenta es que el transformador no necesita
toma intermedia y que la tensión inversa se reparte entre dos diodos en cada
semiciclo, no sobre uno sólo como en el circuito anterior.
Parámetros característicos de un rectificador:
Corriente media directa: Es la máxima intensidad media que puede circular en
sentido directo.
Corriente de pico directa: Máxima intensidad de pico que puede circular en
sentido directo en forma de impulsos periódicos
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Máximo impulso de corriente: Es la máxima intensidad que puede circular en
sentido directo en forma de impulsos no periódicos.
Tensión inversa de pico: Máxima tensión de polarización inversa que puede ser
aplicada a la unión PN de los diodos.
Filtrado
La salida de cualquiera de los rectificadores anteriormente expuestos debe ser
modificada para que se aproxime lo más posible a una tensión continua pura. Para
ello se utiliza un filtro (tipo paso bajo) para así aplanar los impulsos rectificados.
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Factor de rizado
La señal obtenida en la salida de un sistema de alimentación no es totalmente
constante como sería de esperar, ya que los filtros no consiguen aplanar totalmente
la señal de salida. Esta señal podemos considerarla como el resultado de
superponer una corriente alterna a una corriente continua.
A la componente alterna de la señal rectificada se le denomina rizado. La cantidad
de rizado que aparece a la salida de un filtro se expresa por un coeficiente que
recibe el nombre de factor de rizado, el cual es igual a la relación existente entre el
valor eficaz de la tensión de rizado y la tensión continua de salida (Vs media). Se
suele expresar en tanto por ciento, y podemos considerar óptima (siempre
dependiendo de las aplicaciones) una señal de salida con un factor de rizado menor
del 10%.
Por tanto, el factor de rizado responde a la siguiente fórmula (%):
Fr = 100xVr/ Vs media
La tensión de rizado Vr dependerá del tipo de rectificador utilizado, media o doble
onda, y del filtro empleado.
Filtro a condensador en el rectificador de media onda
El condensador en los filtros paso bajo va en paralelo con el rectificador y la carga.
Su capacidad debe ser grande para que la reactancia que presente sea mucho
menor que la resistencia de la carga.
D1
1N4001GP
R11.0kohm
C1
100uF
T2..
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APLICACIONES DE LOS DIODOS 7
En el semiciclo positivo de la señal de salida del transformador el diodo conduce,
cerrándose así el circuito y haciendo que el condensador se cargue a una tensión
muy próxima a la tensión de pico de salida del secundario del transformador. Debe
elegirse con gran cuidado el diodo y el condensador para evitar que cuando el
condensador se encuentre totalmente descargado, el primer pico de corriente sea
excesivamente grande y dañe al diodo.
Durante el semiciclo negativo de la señal de salida del transformador el diodo no
conduce, comportándose prácticamente como un circuito abierto. El condensador se
descargará sobre la resistencia hasta que empiece un nuevo semiciclo positivo en el
secundario del transformador, volviendo a cargarse el condensador en cuanto la
tensión de entrada supere a la que conserva entre sus extremos el condensador.
En ese momento el condensador volverá a recuperar la carga perdida hasta
alcanzar el valor de pico de la tensión de entrada, y así sucesivamente se vuelve a
repetir el suceso.
La magnitud del segundo pico de corriente, y los sucesivos, son bastante inferiores
al primero y dependerán de la carga que aun conserve el condensador y también de
la capacidad del mismo.
Podemos observar en el osciloscopio que ya no existe vacío en la señal entregada
por el rectificador sin filtro, resultando así la señal más plana. Aumentando la
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APLICACIONES DE LOS DIODOS 8
capacidad del condensador, la inclinación de la descarga sería menor y con ello
disminuiría el factor de rizado; sin embargo, tal capacidad no puede aumentarse en
exceso porque el impulso de corriente que se produciría en el instante de inicio de la
carga alcanzaría una intensidad capaz de dañar al diodo.
Filtro a condensador en el rectificador de doble onda
En este caso, el efecto producido por el condensador es el mismo, pero el tiempo de
descarga se reduce a la mitad y consecuentemente la magnitud de los impulsos de
corriente disminuye.
La tensión de salida del circuito y la corriente serán idénticas a las obtenidas en el
rectificador de media onda; ahora bien, al ser el doble la frecuencia de los
semiciclos que llegan al condensador, la tensión de rizado será menor y se obtendrá
una tensión más constante.
Filtro en PI con resistencia
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APLICACIONES DE LOS DIODOS 9
La particularidad de este filtro es que lleva dos condensadores de filtro, unidos por
una resistencia que también podría ser una bobina.
T1
R1
47ohm
RL330ohm
C1470uF
C2470uF
D1
1N4001GP
D2
1N4001GP
La carga y descarga del primer condensador produce un efecto como en el
rectificador de media o doble onda con filtro a condensador. La resistencia entre
ambos condensadores hace que se aplane aun más la señal, llegándole al segundo
condensador una corriente relativamente constante. Por último, la carga y descarga
de este último condensador, debido a la componente alterna, aplana todavía más
las fluctuaciones y a la carga llegará una corriente continua relativamente pura.
Estos filtros no son buenos porque, debido a la caída de tensión en la resistencia,
disminuirá la tensión en la salida del circuito y es muy posible que ésta sea
insuficiente. Se emplean únicamente cuando la corriente demandada sea pequeña
(consecuentemente la caída de tensión será despreciable en la resistencia entre
condensadores). Tal es el caso dado, por ejemplo, en la alimentación de alta tensión
en los tubos de rayos catódicos en los que se necesita una alta tensión con una baja
corriente.
Doblador
Un circuito multiplicador de tensión está formado por diversos rectificadores de
media onda y condensadores dispuestos especialmente para entregar una tensión
múltiplo de la recibida en su entrada.
En el caso de un doblador, la tensión en la salida será, en principio, el doble de la
tensión máxima de la señal de entrada.
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APLICACIONES DE LOS DIODOS 10
C1
470uF C2470uFD1
1N4001GP
D2
1N4001GPV1
10V 1kHz 0Deg
Cuando llega el semiciclo negativo, el primer diodo conduce pues queda polarizado
directamente y se carga el primer condensador a la tensión máxima de entrada;
durante este tiempo no conduce el segundo diodo.
En el semiciclo positivo no conducirá el primer diodo, pues queda polarizado
inversamente y se comportará como un circuito abierto, siendo el segundo diodo el
que permitirá la conducción ya que está polarizado directamente y
consecuentemente se cargará el segundo condensador (que es donde se toma la
tensión de salida). Esta tensión de carga será la suma de la tensión en la entrada
más la del primer condensador, siendo así la tensión total en la salida el doble de la
señal máxima de entrada.
Vsalida = 2xVentrada máxima
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APLICACIONES DE LOS DIODOS 11
Si seguimos disponiendo diodos y condensadores iremos haciendo que la tensión
de salida sea el triple, cuádruplo, etc. de la señal alterna de entrada.
Estabilización
Estabilizar una fuente de alimentación (como puede ser un rectificador de doble
onda con filtro) consiste en conseguir que la tensión de salida sea siempre lo más
constante posible, no viéndose afectada por los cambios que puedan producirse en
la señal de entrada (tensión de la red), en los componentes de la propia fuente o en
la corriente de salida (dependiendo esta última variación por los diversos valores de
la carga). Al mismo tiempo, la propia estabilización consigue reducir notablemente el
factor de rizado y por tanto proporcionar una señal de valor más constante. Para
realizar la estabilización suele recurrirse al uso de diodos zener, transistores o
circuitos integrados construidos para tal fin.
Diodo zener como estabilizador
Como en el caso del diodo rectificador, el diodo zener también es un elemento
semiconductor compuesto por dos pastillas tipo P y N (ánodo y cátodo).
V1
20V 1kHz 0Deg
R1
10ohm
R3
330ohmC1
220uF
C2
220uFD11N4737A
1
2
4
3
D2
1G4B42
Si se polariza directamente se comporta como un diodo normal. Sin embargo, si se
polariza inversamente presenta la característica de mantener entre sus extremos
una determinada tensión, tensión de zener, de forma constante aun cuando
aumente la tensión o la corriente en el circuito de aplicación.
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Para que un diodo zener mantenga la tensión constante entre sus extremos es
necesario que la diferencia de potencial aplicada al circuito sea superior a dicho
valor. Una vez superado el valor zener, la tensión entre el ánodo y el cátodo será
constante, y por este motivo puede emplearse para conseguir una determinada
tensión fija en la salida de una fuente de alimentación.
Si por cualquier circunstancia la tensión de entrada aumenta o disminuye, dicha
variación se reflejará en la resistencia limitadora (330 ohmios), permaneciendo
constante la tensión en el zener y por tanto en la salida.
Cálculo de la resistencia limitadora y de carga mínimas
Para mantener la tensión zener Vz constante es necesario que por el zener circule
al menos la corriente de zener mínima Izmín.
Para no dañar el zener, la corriente máxima que circule a través de él no deberá
sobrepasar la corriente máxima de zener Izmáx.
Teniendo en cuenta lo anterior, se pueden dar los siguientes casos.
** La resistencia de carga es infinita (circuito abierto o sin carga):
ZMáx
ZEntradaLimitadora I
VVR
max
min >> Resistencia limitadora mínima <<
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APLICACIONES DE LOS DIODOS 13
** La resistencia de carga es muy pequeña (caso límite: cortocircuito):
mínLimitadora
ZmínEntradaR R
VVI
mínLimitadora
ZmínRMáxaC IIImínLimitadora
arg
MáxaC
ZamínC I
VR
arg
arg >>> Resistencia de carga mínima <<<
Limitador
Limitadores de tensión o recortadores son circuitos que emplean como elemento
fundamental el diodo. Su misión es recortar la señal de entrada en un cierto sentido
según se disponga el diodo y una tensión continua auxiliar. Podemos distinguir dos
tipos de recortadores: Recortadores a un nivel y recortadores a dos niveles.
Limitadores a un nivel
Ejemplo a
V110V 1kHz 0Deg
D21N4001GP
V2
5V
R1
1.0kohm
>>> Semiciclo positivo de la tensión de entrada:
Cuando la tensión de entrada es menor que la tensión de la batería, el diodo queda
polarizado inversamente (circuito abierto), con lo cual la tensión de salida es igual a
la tensión de entrada (Vs=Ve). Cuando la tensión de entrada es mayor que la
tensión de la batería, el diodo queda polarizado directamente (cortocircuito), siendo
ahora la tensión de salida igual a la de la batería (Vs=5v).
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>>> Semiciclo negativo de la tensión de entrada:
Tanto si la tensión de entrada es mayor o menor que la tensión de la batería, el
diodo se encontrará polarizado inversamente (circuito abierto) y la tensión en la
salida será igual a la de la entrada (Vs=Ve).
Ejemplo b
V110V 1kHz 0Deg
D21N4001GP
V2
5V
R1
1.0kohm
>>> Semiciclo positivo de la tensión de entrada:
Cuando la tensión de entrada es menor que la tensión de la batería, el diodo se
polariza directamente (cortocircuito) y consecuentemente la tensión de salida es
igual a la tensión de la batería (Vs=5v).
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APLICACIONES DE LOS DIODOS 15
Si la tensión de entrada es mayor que la de la batería, el diodo queda polarizado
inversamente (circuito abierto) y consecuentemente la tensión en la salida será igual
a la de la entrada (Vs=Ve).
>>> Semiciclo negativo de la tensión de entrada:
Tanto si la tensión de entrada es mayor o menor que la tensión de la batería, el
diodo queda polarizado directamente y la tensión en la salida será la misma que la
de la batería.
Ejemplo c
V110V 1kHz 0Deg
D21N4001GP
V25V
R1
1.0kohm
>>> Semiciclo positivo de la tensión de entrada:
Tanto si la tensión de entrada es mayor o menor que la tensión de la batería, el
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APLICACIONES DE LOS DIODOS 16
diodo queda polarizado inversamente y la tensión en la salida será la misma que la
de la entrada (Vs=Ve).
>>> Semiciclo negativo de la tensión de entrada:
Cuando la tensión en la entrada es menor que la de la batería, el diodo se polariza
inversamente y la tensión de salida será igual a la de la entrada (Vs=Ve).
Si la tensión de entrada es mayor que la de la batería, el diodo queda polarizado
directamente y en la salida tendremos la tensión de la batería (Vs= -5v).
Ejemplo d
V110V 1kHz 0Deg
D21N4001GP
V25V
R1
1.0kohm
>>> Semiciclo positivo de la tensión de entrada:
Independientemente de que la tensión de entrada sea mayor o menor que la de la
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APLICACIONES DE LOS DIODOS 17
batería, el diodo queda polarizado directamente y la tensión en la salida será la de la
batería (Vs= -5v).
>>> Semiciclo negativo de la tensión de entrada:
Si la tensión de entrada es menor que la de la batería, el diodo queda polarizado
directamente y la tensión en la salida será la de la batería (Vs= -5v).
Cuando la tensión de entrada sea mayor que la de batería, el diodo será polarizado
en inversa y en la salida tendremos la tensión de la entrada (Vs=Ve).
Limitadores a dos niveles
Ejemplo e
D21N4001GP
V25V
R1
1.0kohm
V15V
D11N4001GP
Vi
10V 1kHz 0Deg
>>> Semiciclo positivo de la tensión de entrada:
Cuando la tensión de entrada es menor que la tensión de las baterías, los diodos
quedan polarizados inversamente y la tensión de salida es igual a la tensión de
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APLICACIONES DE LOS DIODOS 18
entrada (Vs=Ve).
Cuando la tensión de entrada sea mayor que la de las baterías, el diodo 1 se
polariza inversamente y el diodo 2 directamente, así que la tensión en la salida será
la de la batería 2 (Vs=5v).
>>> Semiciclo negativo de la tensión de entrada:
Si la tensión de entrada es menor que las de las baterías, los diodos 1 y 2 quedarán
polarizados inversamente y la tensión en la salida será la de entrada (Vs=Ve).
En el caso de que la tensión de entrada sea mayor, el diodo 1 queda polarizado
directamente y el diodo 2 inversamente; la tensión en la salida será la de la batería 1
(Vs=5v).
Ejemplo f
R1
1.0kohm
Vi
10V 1kHz 0Deg
Vz1
1N4733A
Vz2
1N4733A
>>> Semiciclo positivo de la tensión de entrada:
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APLICACIONES DE LOS DIODOS 19
El diodo zener 1 queda siempre polarizado directamente y el diodo zener 2 en
inversa, pero cuando la tensión en la entrada sea menor que la tensión zener este
diodo 2 todavía no conducirá como zener, comportándose como un circuito abierto y
la tensión en la salida será la misma de la entrada (Vs=Ve).
Cuando la tensión de entrada es mayor que la tensión de zener, diodo 2 está en
zener y la tensión en la salida será igual a la tensión de zener (Vs=Vz2). Los diodos
son de la misma tensión zener Vz=5v.
>>> Semiciclo negativo de la tensión de entrada:
Ocurre lo mismo que en el semiciclo positivo pero cambia la conducción de los
diodos. Vs=Vz1= -5v.
Ejemplo g
D21N4001GP
V26V
R1
1.0kohm
V14V
D11N4001GP
Vi
10V 1kHz 0Deg
>>> Semiciclo positivo de la tensión de entrada:
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APLICACIONES DE LOS DIODOS 20
Cuando la tensión de entrada es menor que la tensión de las baterías, el diodo 1
queda polarizado en directo y el diodo 2 en inverso; la tensión en la salida será igual
a la de la batería 1 (Vs=V1=4V).
Cuando la tensión de entrada es mayor que la tensión de la batería 1 (4v) y menor
que la de la batería 2 (6v), los diodos estarán polarizados en inverso y la tensión en
la salida será igual a la de entrada (Vs=Ve).
Cuando la tensión de entrada es mayor que la de las dos baterías, el diodo 1 estará
en inverso y el diodo 2 estará en directo, siendo la tensión en la salida igual a la de
la batería 2 (Vs=V2=6v).
>>> Semiciclo negativo de la tensión de entrada:
Siempre el diodo 1 estará polarizado en directo y el diodo 2 en inverso, con lo cual
la tensión en la salida será igual a la de la batería 1 (Vs=V1=4v).
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APLICACIONES DE LOS DIODOS 21
CIRCUITOS DE ENCLAVAMIENTO (CLAMP CIRCUITS)
En ciertas aplicaciones se requiere que la señal, sin perder su forma de onda
original, se mantenga confinada sobre o bajo un voltaje especificado de umbral;
para el propósito se agrega a la señal un nivel continuo tal que impida que sus
“PICOS” excedan el umbral especificado. La función es normalmente realizada en
base a diodos.
El circuito de la figura enclava los picos positivos de la señal de entrada en -5V
(tensión de batería).
Considerando el diodo como ideal y el condensador muy grande, las excursiones
positivas de Vs(t) cargan el condensador al valor pico, a través de la conducción del
diodo. Al disminuir la tensión de entrada el diodo asume estado OFF (circuito
abierto) y la salida estará dada por:
CSO VtVtV )()(
Las curvas de la figura suponen VS(t)= 10sen(wt)
Es posible naturalmente producir el enclavamiento en diferentes combinaciones de
pico enclavado (positivo o negativo) y el voltaje al cual se enclava (positivo o
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APLICACIONES DE LOS DIODOS 22
negativo), por medio de diferentes polaridad de la batería y orientación (sentido) del
diodo.
Como criterio de diseño inicial se elige el producto RC (constante de tiempo)
un orden de magnitud mayor que el período de la señal de entrada (T = 2/w).
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