Circuito de diodos

Tema 2. Circuitos con Diodos. rev4

TEMA 2

CIRCUITOS CON DIODOS

Profesores:
Germán Villalba Madrid
Miguel A. Zamora Izquierdo
Departamento de Ingeniería de la Información y Comunicaciones
Universidad de Murcia
1


CONTENIDO

• Introducción
• Conceptos básicos de semiconductores. Unión pn.
• Diodo real. Ecuación del diodo. Recta de carga.
• Diodos zener.
• Modelos del diodo
– Modelo del diodo ideal.
– Modelo completo del diodo.
– Modelo del diodo zener.
• Otros tipos de diodos.
• Circuitos con diodos
– Rectificadores. Filtrado.
– Circuitos recortadores.
– Circuitos fijadores.
– Circuitos lógicos con diodos.
• Estabilizadores de tensión zener.
• Conmutación y comportamiento en alta frecuencia. Capacidades.
2


INTRODUCCION

• El diodo es el dispositivo electrónico más simple. Es un semiconductor
de dos terminales (Ánodo y Cátodo) que ofrece una baja resistencia
del orden de los m en una polarización y del orden de los G en la
otra. Esto lo convierte en un componente adecuado como rectificador.
• El diodo exhibe una relación no lineal entre la tensión entre sus
terminales y la corriente que circula por él. En el análisis de circuitos
con diodos, se pueden realizar algunas aproximaciones que faciliten la
resolución del sistema.
• Se estudian también algunos diodos de uso especial, como son los
zener, LED, fotodiodos y Schottky.
• Los diodos permiten desarrollar circuitos con distintas aplicaciones,
destacando la rectificación, en cualquiera de sus variantes.

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CONCEPTOS BASICOS DE SEMICONDUCTORES INTRÍNSECOS

• Materiales válidos para la fabricación de dispositivos electrónicos de
estado sólido: silicio, germanio y arseniuro de galio.
• Semiconductor Intrínseco (puro)
– Cada par de átomos forma un enlace covalente con cada uno de los
cuatro átomos cercanos (disposición tetraédrica). Electrones de la capa de
valencia (grupo 4).
– A 0º K, no existen electrones libres.
– A 300º K, los electrones libres permiten flujo de una corriente si se aplica
una ddp. (Tiene mayor R que un conductor eléctrico).
– Concentración de huecos (np) igual a concentración de electrones libres
(ni) en un material puro.
– Ambos tipos de portadores contribuyen al flujo de corriente.
– Generación: a mayor temperatura, mayor velocidad de generación de
electrones libres y huecos (energía térmica).
– Recombinación: el hueco y el electrón libre se combinan formando un
enlace covalente.
– La conductividad de un semiconductor intrínseco aumenta con la Tª.

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CONCEPTOS BASICOS DE SEMICONDUCTORES EXTRINSECOS

• Semiconductor Extrínseco (impurificado)
– Tipo N: impurezas donantes de electrones. Portadores mayoritarios
(electrones); Portadores minoritarios (huecos). n = p + ND
• n concentración de electrones.
• p concentración de huecos
• Nd concentración átomos donantes.
– Tipo P: impurezas aceptadoras de electrones (aportan huecos).
Portadores mayoritarios (huecos); Minoritarios (electrones).
• Na concentración átomos aceptadores NA + n = p

• Ley de acción de masas: en un tipo n, el valor de p se reduce (mayor
probabilidad de recombinación). Se cumple que el producto de la
concentración de huecos por la de electrones libres es constante a
una temperatura dada:

– En el material intrínseco: pn = pi ni ⇒ pn = ni2
pi = ni

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UNION pn NO POLARIZADA

• Una unión pn consiste en un único cristal semiconductor al cual se le han
añadido impurezas de manera que se obtiene un zona p y otra n.
• Si estuviera formado por dos cristales independientes, antes de conformar
físicamente la unión, se tendría una distribución de portadores según se
indica en la figura.

• El elevado gradiente de
concentración hueco-electrón a
lo largo de la unión, inicia un
proceso de difusión, creando
una zona de carga espacial
en la zona de unión.

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DIFUSION PORTADORES EN UNION NO POLARIZADA
La zona de carga espacial
surge por la difusión de
portadores mayoritarios
desde las zonas de mayor a
menor concentración.
El efecto principal del campo
eléctrico de la zona de carga
espacial es una barrera de
potencial que impide la
circulación de electrones.

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UNION PN EN POLARIZACION INVERSA

•
Un diodo está inversamente polarizado,
si la tensión aplicada aumenta la zona
de carga espacial.
• Los portadores mayoritarios son atraídos
por cada uno de los terminales del
generador.
• Si la tensión externa inversa es mayor
de unas décimas de voltio, la corriente
de los portadores mayoritarios se reduce
casi a cero.
• Así, la corriente inversa estará formada por los portadores minoritarios, que
al ser muy pocos, da lugar a una corriente pequeña, e independiente del
valor de la tensión inversa aplicada.
• Sin embargo, al depender la concentración de los portadores minoritarios de
la generación térmica, a medida que aumente ésta, también aumentará el
valor de la corriente inversa.
• Si la tensión inversa es suficientemente alta, el campo eléctrico es capaz de
romper los enlaces covalentes, lo que produce una gran cantidad de pares
hueco-electrón, y por tanto, un gran flujo de corriente inversa.
8


UNION PN EN POLARIZACION DIRECTA

• La corriente total corresponde a la suma de la corriente debida a los huecos,
y la debida a los electrones.
• A mayor distancia en cada una de las zonas desde la unión, la corriente
predominante corresponde a los huecos en la zona p, y a los electrones en la
zona n.

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DIODO REAL - CARACTERISTICAS

• Característica del diodo.
– Posee dos terminales (Ánodo y Cátodo).
– Polarización DIRECTA:
• Si Vd es > 0 voltios.
– Polarización INVERSA:
• Si Vd < 0 voltios.
• En Directa la corriente fluye con facilidad.
• En Inversa, al alcanzar la región de
ruptura o zona de avalancha, el flujo de
corriente es elevado siempre y cuando no se
exceda la potencia máxima de disipación.
• Designación características:
– Vr: tensión inversa.
– If(av): corriente media directa.
– If(rms): corriente eficaz directa
– Vf: caída de tensión directa.

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DIODO REAL – ECUACION DEL DIODO

• La ecuación del diodo (ecuación de Shockley) es: iD = I S (e vD / nVT − 1)
• Donde:
– La tensión térmica es VT = k T / q
– Is es la corriente de saturación inversa.
– n es el coeficiente de emisión entre 1 y 2.
• En la región de polarización directa, los diodos de Si de pequeña señal
conducen muy poca corriente (menos de 1 mA) hasta que se aplica
una tensión de 0,6 a 0,7 voltios (a temperatura ambiente).
• A partir de dicha tensión (Vumbral), la corriente incrementa
rápidamente a pequeños aumentos de tensión.
• La respuesta del diodo de Si a variaciones de temperatura es
de aproximadamente -2 mV/ºK.
• En la región inversa la corriente es aproximadamente de 1 nA. Si T
aumenta, también aumenta la I.
• En la zona de ruptura, la corriente aumenta rápidamente. Existen
diodos especiales para trabajar en dicha zona (diodos Zener).
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DIODO REAL – RECTA DE CARGA

• Aplicando la 2ª Ley de Kirchhoff:
VSS = RiD + vD
• Conocido el valor de Vss, R y la
curva característica del diodo, se
puede obtener el punto de trabajo
del circuito.
• La recta de carga se obtiene a Fig. .- Polarización diodo.
partir de los puntos de corte de la
ecuación obtenida con los ejes
coordenados:
– Si id = 0 -> Vd = Vss; (pto A)
– Si Vd = 0 -> id = Vss / R; (pto B)
• Uniendo los dos puntos A y B, se
obtiene la recta de carga.
• El punto de trabajo es la
intersección entre la característica
del diodo y la recta de carga.
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RESISTENCIA DINAMICA DEL DIODO
• En la zona de polarización positiva, antes de Vumbral la pendiente de
la recta que se aproxima a la característica tiende a cero
(conductancia); por tanto, su resistencia será elevada. Si se sobrepasa
la Vu, la pendiente es muy grande, y por tanto, la resistencia
reducida. Así, la pendiente de la curva se modifica según sea el punto
Q en el que se encuentre el diodo.
• Suponiendo que la tensión continua de alimentación hace que el diodo
trabaje en un punto de reposo, punto Q, y superponiendo una
pequeña señal alterna, su comportamiento se aproximará al de una
−1
resistencia según:  di  
r d =  D  
 
 dvD  Q 
 
vD vD
diD I iD
= S e nVT como e nVT
= +1
dvD nVT IS
sustituyendo y sup oniendo I S << I D
diD iD + I S i
= ≈ D
dvD nVT nVT
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DIODO IDEAL

• Es un modelo útil que permite simplificar el
análisis por medio de las siguientes
aproximaciones:
– En polarización directa, el diodo actúa como
un cortocircuito. (R = 0 ohmios).
– En polarización inversa, el diodo se comporta
como un circuito abierto. (R = infinito)
• En la Fig. , se representa la característica i -
v de un diodo ideal.
• Obsérvese, que en este modelo no existe
una tensión umbral en directa necesaria para
el inicio de la conducción de corriente.
• En el análisis con diodos ideales, primero se supondrá cuales están en corte
y en conducción. Posteriormente, si id es positiva en los diodos en
conducción, y Vd negativa en los supuestamente en corte, la suposición
inicial será correcta.

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MODELO COMPLETO DEL DIODO

• En este modelo, se sustituye el diodo por un diodo ideal, en serie con
una fuente de tensión de valor la tensión umbral, y la resistencia en
directa.

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OTROS TIPOS DE DIODOS

• Diodos LED (Light Emiter Diode – Diodo Emisor de Luz)
– El diodo LED es un tipo especial de diodo, que trabaja como un diodo común, pero
que al ser atravesado por una corriente emite luz proporcionalmente a la cantidad
de corriente que circula.
– Existen diodos que emiten luz de diferentes longitud de onda según el material del
que están construidos. Existen diodos led Rojos, Amarillos, Verde, Ambar e
Infrarrojos.
– La caída de tensión en directa está en el rango de 1,5 voltios a 2,2 voltios,
aproximadamente.
• Fotodiodos
– Realiza la función inversa al LED.
– Si se polariza en inversa, y recibe energía luminosa, la cantidad de corriente inversa
será proporcional a la intensidad incidente. (Es debida a los pares hueco-electrón
generados por los fotones).
• Diodo Schottky
– Se usan en aplicaciones de alta frecuencia y conmutación rápida.
• Diodo Zener
– Trabajan en la zona de ruptura inversa.
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CIRCUITOS CON DIODOS

• Ejemplo análisis de un circuito simple con diodos:

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CIRCUITOS RECTIFICADORES

• Circuitos Rectificadores: convierten la corriente alterna en corriente
continua (unidireccional). También se conoce como convertidor AC-DC
• Tipos:
– Rectificadores de media onda
– Rectificadores de onda completa
• Con trafo de toma intermedia (dos diodos).
• Con puente de diodos (cuatro diodos).

• Conceptos básicos de Transformadores Ideales
– Trafo
– Trafo con toma intermedia

• Relación Vmax & Vef

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RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA

• Cuando la tensión es positiva (intervalo 0 ≤ ωt ≤ π ), el diodo se encuentra
polarizado en directa, y conducirá la corriente (caída de 0.7 V).
• Cuando la tensión es negativa, el diodo se polariza inversamente, no dejando
pasar corriente. En este intervalo el diodo soporta la tensión inversa impuesta
por la entrada.
• Aplicando la 2ª Ley de Kirchhoff, a los dos casos anteriores, se obtiene:
– En directa, prácticamente la caída de tensión de la alimentación está en bornes de
la carga.
– En inversa, la caída de tensión la acapara el diodo por no circular corriente.

Diodo ideal 0,7 V

Vmsen (ω t) Diodo
real

(a) Diagrama del circuito (b) Tensión de la fuente (c) Tensión de la carga
en función del tiempo en función del tiempo
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RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA

• La tensión de entrada es senoidal según: vS = Vm sen ωt
• El valor medio de la tensión Vo(dc) se obtiene realizando la integral:
1 π 1 π Vm
VO ( DC ) = ∫ vO d (ωt ) = ∫ Vm sen ωt d (ωt ) = = 0,318Vm
2π 0 2π 0 π
• La corriente media para una carga resistiva R, se obtiene por la Ley
de Ohm.
• El valor de la tensión eficaz (rms) será:
1 π Vm
VO ( rms ) = ∫ V sen ωt d (ωt ) =
2 2
= 0,5Vm
2π
m
0 2

• La frecuencia de salida es igual a la de entrada

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RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA CON TRAFO DE TOMA
INTERMEDIA

• Consiste en dos rectificadores de media
onda con fuentes de tensión desfasadas
180º.
• El trafo aísla (respecto de tierra) a la
carga de la corriente alterna de entrada.
• Durante el ciclo positivo, conduce el diodo
A; durante el ciclo negativo, el diodo B
conduce rectificando la señal.
• Voltaje medio o de continua:
2Vm
VO ( DC ) =
π
• Frecuencia de salida

f out = 2 f in

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RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA CON PUENTE DE DIODOS
• Ciclo positivo de la entrada, los diodos A y B conducen.
• Ciclo negativo de la entrada, los diodos D y C conducen.

• Valor medio VO ( DC ) = 2Vm / π

• Frecuencia de salida f out = 2 f in
• La configuración en Puente ofrece las siguientes ventajas:
– El valor del condensador para un cierto rizado, es la mitad; con lo cual se reduce el
tamaño y el precio del sistema.
– La corriente soportada por cada diodo es aproximadamente la mitad que para el de
media onda, reduciendo así el espacio ocupado por los diodos y el coste del diseño.

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FILTRADO DE LA SEÑAL RECTIFICADA

• La tensión de salida de un rectificador tiene una componente continua (valor
medio), y una parte fluctuante (componentes senoidales de varias frecuencias
o armónicos).
• Se utilizan filtros de continua: L, C y LC. (L y LC en fuentes de alimentación; C
en circuitos integrados).
• Análisis de un filtro L (superposición):

• En el circuito de continua, el valor de la tensión corresponde a la tensión
media. A 0Hz la reactancia inductiva es cero.
• Al aumentar la frecuencia XL se hace más grande (XL aumenta con el número
de armónico)
• El filtro L produce una tensión de salida continua igual al valor medio de la
tensión rectificada.
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FILTRO CON CONDENSADOR A LA ENTRADA

• El condensador permite el paso de bajas
frecuencias hacia la carga, e impide el paso de
las altas frecuencias. (Filtro Paso Bajo).
• El diodo sólo conducirá cuando la tensión de
entrada sea superior a la tensión mantenida por
el condensador.
• Mientras la constante de tiempo RloadC sea
mucho mayor que el periodo, el condensador
permanece casi totalmente cargado y la tensión
en la carga es aproximadamente Vm
• Se obtiene una componente continua, y sobre
ella, una componente alterna, cuyo valor de
rizado máximo depende del filtro,
• El valor del rizado será:
Q = Vr ⋅ C , Q = I ⋅ T ⇒ Vr = I / FC
y en valor eficaz, el rizado es:
I
Vr ( ef ) =
2 2CF
siendo F = fin (Hz) en m.o. y 2fin en o.c. y p.d.
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CIRCUITOS RECTIFICADORES. VOLTAJE DE PICO INVERSA

v2 = V p sen ωt

VPI = 2V p

VPI = V p

VPI = V p

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CIRCUITOS RECORTADORES

• Los circuitos recortadores son
aquellos que recortan una porción
de la señal de entrada.
• En el ejemplo, si la tensión de
entrada es superior a 6v, o inferior
a –9v, recorta a dichos valores la
señal de salida.

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CIRCUITOS FIJADORES

• Añaden una componente continua a una señal de entrada de CA.
• Se obliga a los picos a tener un valor especificado.
• En el ejemplo, el condensador desacopla la señal de entrada CA de la
alimentación DC. Si la señal de entrada intenta forzar un valor de
tensión superior a –5V, el diodo entrará en conducción.
• El condensador se carga con la tensión máxima de la fuente, y en el
siguiente ciclo el diodo no conduce y el condensador se encontrará en
serie con la fuente.
• La constante de tiempo
RC debe ser unas 10
veces mayor que el
periodo de la señal.

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CIRCUITOS LOGICOS CON DIODOS

• En el ejemplo, se muestra como crear dos puertas lógicas de 3
entradas haciendo uso de diodos.

• No todas las funciones lógicas se pueden realizar con diodos; por
ejemplo, el inversor.

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DIODOS ZENER O DIODOS DE AVALANCHA

• Trabajan en la zona de ruptura inversa. Dos tipos:
– Ruptura de avalancha (Aprox. Vz <= 5v).
– Ruptura zener (Aprox. Vz > 5v).
• Se usan para mantener constante la tensión en un punto.
• Características del diodo zener:
– 1.8 v < Vz < 200 v (comercialmente)
– Pmax: potencia máxima del diodo zener.
– Izmin: intensidad mínima que polariza el zener en inversa.
– Izmax: Pmax / Vz

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MODELO DEL DIODO ZENER CON DIODOS IDEALES

• En este modelo, se sustituye el
zener por dos diodos ideales en
paralelo, incluyendo en la rama
inversa una fuente de tensión con
valor la tensión zener.
• Se le puede incluir en serie una Rz.

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ESTABILIZACION DE LA TENSION DE SALIDA MEDIANTE ZENER

• Los reguladores de tensión se
utilizan para suministrar una
tensión constante a la carga, ∆Vc arg a
aunque fluctúe la tensión de Re gulación fuente = ×100%
alimentación. ∆VSS
• La regulación de entrada:
Vsin c arg a − V plena c arg a
Re gulación c arg a = ×100%
• La regulación de carga: V plena c arg a

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ESTABILIZACION DE LA TENSION DE SALIDA MEDIANTE ZENER

• Características Zener:
– Vz: tensión zener
– Izk: intensidad zener mínima para superar la “rodilla” de la
característica y mantener así la Vz
– Izt: intensidad de prueba.
– Izm: intensidad zener máxima.
• Polarización y cálculo de R (valor óhmico y potencia).
• Cálculo de la Rcmin.
• Cálculo de la Vin máxima y mínima para R dado.

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ESTABILIZACION DE TENSION DE SALIDA MEDIANTE ZENER
• Si en el circuito anterior, R=1k, y se utiliza un zener con las
características del gráfico. Determinar la tensión de salida para Vss =
15 v y para 20 voltios. Determinar el porcentaje de regulación de
entrada.
∆VCARGA 0.5
Re gulación de entrada = x 100% = x100% = 10%
∆VSS 5

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CONMUTACION Y COMPORTAMIENTO EN ALTA FRECUENCIA

• Los dispositivos electrónicos de alta velocidad precisan que el cambio
de estados de conducción y no conducción sea rápido.
• El almacenamiento de carga (capacidad) de la unión pn, afectará
negativamente a dicho requisito.
• La capacidad (no lineal) en una unión pn se puede deber a:
– Capacidad de transición: está asociada al almacenamiento de carga en
la zona de carga espacial, en polarización inversa.
– Capacidad de difusión: aparece a causa de los portadores minoritarios
almacenados en los lados opuestos de la unión con polarización directa.

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CAPACIDAD DEL DIODO - CONMUTACION

• A medida que la tensión de polarización inversa aumenta, la carga
almacenada en la zona de carga espacial también aumenta.
• La carga en la zona espacial es similar a la carga almacenada en un
condensador de placas paralelas.
– Cj: capacidad de transición.
– Cdif: capacidad de difusión.

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