Universidad Tecnolgica Nacional
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Esteban Bern
Dispositivos Electrnicos
< TEMA 2 >
Problema 2
Describa con sus propias palabras las caractersticas de un diodo ideal y como se determinan los estados de encendido y apagado del dispositivo. Es decir, describa porque son adecuados los equivalentes de circuito cerrado y de circuito abierto.
Problema 7
Con sus propias palabras, defina un material intrnseco, con un coeficiente de
temperatura negativo y un enlace covalente.
Problema 10
Si se requieren 48eV de energa para mover una carga a travs de una diferencia de potencial de 12V, determine la carga involucrada.
Solucin
CV
eVVWQQ
WV eC
1919
104,612
106,148
=
===
Solucin
El material intrnseco es aquel que tiene una muy baja concentracin de impurezas, idealmente un semiconductor intrnseco seria un material
totalmente libre de impurezas. Esto es imposible en la prctica pero con las tcnicas actuales se pueden lograr niveles de impurezas muy bajos (1 en 1013). Un enlace covalente es una unin qumica entre dos tomos mediante dos electrones compartidos de cada tomo. De esta forma completan su ltimo nivel de energa y as el compuesto es ms estable.
Los materiales semiconductores se dice que poseen un coeficiente de temperatura negativo ya que al aumentar la temperatura la resistencia elctrica de ellos disminuye, a diferencia de la mayora de los materiales en los cuales la resistencia aumenta con la temperatura. Esto se debe que al aumentar la temperatura se rompen los enlaces covalentes dejando libres
varios electrones en la capa de conduccin. En los semiconductores este efecto es mucho ms significativo que la vibracin de los tomos, que es un fenmeno que aumenta la temperatura.
Solucin
El diodo ideal acta como un circuito cerrado cuando se lo polariza en
directo (de modo que la corriente convencional circula en direccin de la flecha del smbolo de diodo) y se comporta como un circuito cerrado al polarizarlo en forma inversa. Este modelo es adecuado para ciertos clculos ya que aunque el diodo no es exactamente un circuito cerrado al ser polarizado en forma directa, la corriente aumenta en forma exponencial al aumentar a tensin en sus
bornes. De igual forma al polarizarlo en forma inversa circula corriente por el diodo pero esta es tan pequea que puede considerarse al diodo como un circuito abierto en la mayora de los casos
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Problema 12
Describa las diferencias entre los materiales semiconductores tipo n y tipo p
Problema 20
Utilizando la ecuacin 1.4 determine la corriente de diodo a 20C para el caso de un diodo de silicio con IS = 50nA y una polarizacin directa de 0,6V
Problema 22
Utilizando la ecuacin 1.4 determine la corriente de diodo a 20C para el caso de un diodo de silicio con IS = 0,1A bajo un potencial de polarizacin inversa de -10V. El resultado es el esperado? Por que?
Problema 24
En la regin de polarizacin inversa, la corriente de saturacin de un diodo de silicio es cercana a 0,1A (T= 20C). Determine su valor aproximado si la temperatura se incrementa a 40C.
Solucin
La diferencia entre los materiales tipo p y tipo n es el tipo de impureza con el cual se a dopado al semiconductor intrnseco. Los materiales tipo n se han dopado con elementos pentavalentes (5 electrones en su ultimo
orbital) por lo cual queda un electrn libre (sin enlace covalente). Por esta razn el principal portador de la corriente elctrica en este material es el electrn. Los materiales tipo p en cambio son dopados con elementos del tercer grupo (3 electrones en su ultimo orbital) por esta razn queda un enlace incompleto, falta un electrn. A este falta de electrn se le llama hueco y es
el principal portador de la corriente elctrica en los semiconductores tipo p.
Solucin ( ) ( )KTk
ecuacioneII
K
TkVSD
KD
2932732058002
116004.11
=+===
=
Solucin
( ) AeAIKTk
KD
K
1,011,0
2932732058002
11600
293105800==
=+===
Es el resultado esperado (IS) ya que al polarizarlo en forma inversa circula por el diodo la corriente inversa de saturacin (la exponencial de la formula tiende a 0)
Solucin ( ) ( )
( ) mAenAIKTk
ecuacioneII
KVD
K
TkVSD
KD
2,7150
2932732058002
116004.11
2936,05800==
=+===
=
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Problema 31
Calcule la resistencia de AC y de DC para el diodo de la figura 1.34 bajo una corriente
de 10mA y compare sus magnitudes.
Problema 36
Encuentre un circuito equivalente de segmentos lineales para el diodo de la figura 1.19. Utilice un segmento de lnea recta que cruce el eje horizontal en el valor 0,7V y que mejor se aproxime a la curva para la regin mayor que 0,7V.
Problema 41
Para el diodo de la figura 1.41, determine el nivel de IR a temperatura ambiente (25C)
y a temperatura de ebullicin del agua (100). El cambio es importante? Prcticamente se duplica el nivel por cada incremento de 10C en la temperatura.
Problema 43
Utilizando las caractersticas de la figura 1.41, determine los niveles mximos de disipacin de potencia del diodo a temperatura ambiente (25C) y para 100C. En el supuesto de que VF permaneciera fijo en 0,7V como cambio el nivel mximo de IF entre los dos niveles de temperatura.
Solucin
( )( ) nAI
nAI
R
R
806,0
100
25
=
=
Es un cambio importante ya que la corriente aumento ms de130 veces. La corriente se duplica cada aproximadamente 10C
Solucin
==
=
====
52,910
2,021021
2,07,09,0
mAV
IV
r
mAmAmAIVVVV
D
Dd
D
D
Solucin
2,155
76
510
05,010515
05,073,078,0
7610
76,0
=
=
==
=
====
===
d
D
D
Dd
D
D
D
DD
r
RmA
VIV
r
mAmAmAIVVVV
mAV
IVR
La resistencia en DC es 15,2 veces mayor que la resistencia en AC para 10mA de corriente
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Problema 45
Utilizando como referencia la figura 1.42, determine la capacitancia de transicin para un potencial de polarizacin inverso de -25 y -10V. a) Cul es el radio del cambio en la capacitancia para el cambio del voltaje?
b) Repita el inciso (a) para potenciales de polarizacin inversos de -10 y -1V. Determine la proporcin de cambio en la capacitancia al cambio de voltaje. c) Cmo se comportan las proporciones determinadas en los incisos (a) y (b)? Qu indica esto sobre cual rango tendr mas reas de aplicacin practica?
Problema 49
Dibuje la forma de onda para i en la red de la figura 1.70 si tt=2tS y el tiempo inverso total de recuperacin es de 9ns
Solucin
( )( )( ) pFC
pFCpFC
VT
VT
VT
32,18,0
1
10
25
=
=
=
a) VpF0267,0
25108,02,1
=
+
b) VpF244,0
1018,03
=
+
c) Con bajas tensiones inversas la capacitancia de transicin tiene ms
variacin. Por esta razn los rangos ms altos de tensin inversa tendrn mas aplicacin prctica.
Solucin
nsnst
t
ttt
ttt
tt
rrs
rrss
rrst
st
33
93
2
2
===
=+
=+
=
mAkVI
mAkVI
R
F
5,010
5
11010
=
=
=
=
Solucin
( )( ) mWP
mWP
D
D
250500
100
25
=
=
Para un VF fijo el nivel mximo de IF cae a la mitad
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Problema 4
a) Empleando las caractersticas aproximadas del diodo de Si, determine el nivel
de VD, ID, VR para el circuito de la figura 2.151 b) Desarrolle el mismo anlisis del inciso (a) utilizando el modelo ideal del diodo c) Los resultados obtenidos en los incisos (a) y (b) sugieren que el modelo ideal
puede proporcionar una buena aproximacin?
Problema 8
Determine V0 e ID para las redes de la figura 2.155
Solucin
a)
VkmARIV
mAkkVVI
VkmARIEkR
D
D
S
518,72,1265,6
265,62,12,27,022
222,2102,2
0 ===
=
+
=
==== b)
VkmAVV
mAk
VID
3,48,6574,320
574,38,6
7,025
0 ==
=
=
Solucin
a)
mAk
VVI
VV
D
D
318,132,2
7,0307,0
=
=
=
b)
mAkVI
VV
D
D
636,132,2
307,0
=
=
=
c) Si, esto se debe a que la cada de tensin en el diodo es despreciable (en este caso) en relacin a la tensin de la fuente
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Problema 9
Determine V01 y V02 para las redes de la figura 2.156
Problema 11
Determine V0 e I para las redes de la figura 1.158
Solucin
a)
mAk
VI
VVVV
7,91
7,97,93,0100
=
=
==
b)
mAk
VVI
VVVVV
55,07,4
126,146,147,07,0160
=
=
==
Solucin
a)
VVVVVV
3,03,117,012
02
01
=
==
b)
VkmARIV
mAkk
VVVI
VVVVV
D
D
6,63,32
23,32,1
7,03,01097,03,010
02
01
===
=
+++
=
=++=
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Problema 18
Determine V0 para la compuerta OR de lgica negativa de la figura 1.161
Problema 19
Determine V0 para la compuerta AND de lgica negativa de la figura 1.162
Problema 26
Para la red de la figura 2.168, dibuje v0 e iR
Solucin
V0
Vkk
kVV ip 09,91101010 =
+
=
IR
( )
( ) mAkVI
mAk
VI
InvR
DirR
91,01110
3,91
7,010
=
=
=
=
Solucin
VV 7,00 =
Solucin
VVVV 3,47,050 =+=
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Problema 27
Dado Pmax= 14mW para cada diodo de la figura 2.169, determine el valor nominal
mximo de la corriente de cada diodo (usando el modelo equivalente aproximado) Determine Imax cuando Vi max=160V Determine la corriente de cada diodo a Vi max usando los resultados del inciso (b) Si solo un diodo estuviera presente, determine la corriente del diodo y comprela con el valor nominal mximo
Problema 28
Un rectificador de onda completa tipo puente con una entrada senoidal de 120Vrms tiene una resistencia de carga de 1k. Si se emplean diodos de silicio, Cul es el voltaje de DC disponible en la carga? Determine el valor de PIV requerido para cada diodo.
Encuentre la corriente mxima a travs de cada diodo durante la conduccin Cul es el valor nominal de potencia requerida para cada diodo?
Solucin
mWmAVP
mAk
VI
VV
VVV
VVVVV
PIV
L
picoL
P
81,1173,1987,0
3,1681
3,1683,1197,0120
11923,168
3,1687,07,07,1697,1692120
max
max
)(
==
=
=
==
==
==
==
Solucin
mAmAI
mAk
VVI
R
mAV
mWVP
I
mWP
D
eq
Tnom
355,182
71,36
71,3634,4
7,016034,4
207,0
1414
max
maxmax
max
==
=
=
=
===
=
(Solo si ambos diodos tuvieran exactamente la misma VT)
Si solo hubiera un diodo circulara los 36,71mA por el diodo superando su valor nominal mximo (20mA) daando el diodo
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Problema 31
Dibuje v0 para la red de la figura 2.172 y determine el voltaje disponible.
Problema 33
Determine v0 para cada red de la figura 2.174 para la entrada mostrada
Solucin
a)
VkmARIVmAkkVVI 29,32,174,274,2
2,12,27,010
0 ====+
=
b)
VkmARIVmAk
VVVI
VVVVV
3,42,191,091,07,4
57,0103,47,0510
0
0
====
=
==
Solucin
VVkk
kV 67,561702,21,1
1,10 =+
=
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Problema 36
Dibuje iR y v0 para la red de la figura 2.177 para la entrada mostrada.
Problema 37
Dibuje v0 para cada red de la figura 2.178 para la entrada mostrada.
Problema 39
Para la red de la figura 2.180 Calcule 5. Compare 5 con la mitad del periodo de la seal aplicada.
Dibuje v0.
Solucin
Solucin
mAk
VVI
mAk
VVI
VVVVVVVV
mim
210
810
410
61083,77,0
63,57,0
min
max
0
max0
=
+
=
=
=
==
=+=
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Problema 50 (Unidad 1)
Se detallan las siguientes caractersticas para un diodo Zener particular: VZ=29V, VR=16.8V, IZT=10mA, IR=20A e IZM=40mA. Trace la curva caracterstica de la misma forma que se hizo anteriormente.
Solucin
a)
msms
msFkRC286,555
6,51,056==
===
b)
565,0285
5,011
11
2
2
==
====
msmsrelacion
msmskHzfT
T
T
c)
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Problema 42
a) Determine VL, IL, IZ e IR para la red de la figura 2.183 si RL=180.
b) Repita el inciso (a) si RL=470. c) Determine el valor de RL que establecer las condiciones de potencia mxima
del diodo Zener d) Determine el valor mnimo de RL para asegurar que el diodo Zener se encuentra
en el estado de encendido
Solucin
a)
VVV 9180220
18020=
+
=
Este valor es menor a VZ por lo tanto el diodo se encuentra apagado
AI
mAVII
Z
LR
0
50180220
20
=
=
+==
b)
VVV 62,13470220
47020=
+
=
Este valor es mayor a 10V por lo tanto el diodo se encuentra ON
mAIII
mAVI
mAVVI
VV
LRZ
L
R
L
17,24
28,2147010
45,45220
102010
==
=
=
=
=
=
c)
=
=
=
=
===
kmAmA
VII
VR
III
mAVmW
VPI
ZR
ZL
ZRL
ZZ
834,14045,45
10
4010
400
max
max
maxmax
d)
=
=
=+
=
220102010220
min VVV
VVVRR
RRVRV
Zi
ZL
L
iLZ
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Problema 15
Cuales son las diferencias esenciales entre un diodo de unin semiconductor y un
diodo tnel
Problema 18
Determine la resistencia negativa para el diodo de tnel de la figura 19.13 entre VT=0,1V y VT=0,3V
Problema 19
Determine los puntos de operacin estable para la red de la figura 19.17 si E=2V, R=0,39k y se utiliza el diodo tnel de la figura 19.13. Utilice los valores tpicos de la tabla 19.1
Problema 3
En referencia al a figura 19.5, Cmo se relaciona la corriente pico mxima IFSM con la corriente directa rectificada promedio? Es por lo general 20:1? Por que es posible tener tales niveles altos de corriente? Qu diferencia notable existe en la construccin a medida que el nivel de corriente se incrementa?
Solucin
Solo hay un punto estable de operacin ya que intercepta la curva del diodo en un solo punto.
mAIVV
T
T
6,29,0
=
=
Solucin
La corriente de pico mxima es siempre mucho mayor que la corriente rectificada promedio, por lo general mas 20 veces mayor.
Solucin
=
=
==
==
14,575,521,03,0
23,05,51,0
mAmAVVR
mAIVVmAIVV
T
T
Solucin
El diodo tnel se obtiene mediante el dopaje de materiales semiconductores dando lugar a uniones p-n a un nivel de varios de cientos o miles de veces mayor que los niveles de dopaje de los diodos semiconductor tpico.
La principal diferencia es que posee una zona de resistencia negativa, esto significa que para un aumento de tensin en los terminales la corriente disminuir. Los alto niveles de dopaje producen una zona de agotamiento muy angosta y de esta forma le permite a los portadores atravesar la zona de agotamiento como un tunel en lugar de intentar superar el potencial y
debido a este efecto se produce el pico de corriente a bajos potenciales.
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Problema 5
Para la curva de la figura 19.6b denotada como 2900/2303, determine el cambio
porcentual en IR para un cambio en el voltaje inverso de 5 a 10V. A que voltaje inverso esperara que se alcance una corriente inversa de 1A? Observe la escala logartmica para IR
Problema 7
a) Determine la capacitancia de transicin de un diodo varicap de unin por difusin a un potencial inverso de 4.2V si C(0)=80pF y VT=0,7V.
b) De la informacin del inciso (a), determine la constante k de la ecuacin 19.2 Problema 8
a) Para un diodo varicap que cuenta con las caractersticas de la figura 19.7, determine la diferencia en capacitancia entre los potenciales de polarizacin inversa de -3 y -12V.
b) Determine la razon incremental de cambio (C/Vr) cuando v=-8V. Como se compara este valor con el cambio incremental determinado a -2V.
Solucin
nAnAVV13060
105
( ) %6,11610060
60130% ==nA
nAnAI R
A aproximadamente 25V la corriente inversa llegara a 1A
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