Diodo Semiconductor | Ejercicios y fórmulas clave |

Electrónica
Cuarto
Electromecánica
1

El Diodo Semiconductor
El diodo es el dispositivo semiconductor que
conduce energía en una sola dirección actuando
como un interruptor.
Si se polariza directamente, conduce la energía
eléctrica y, si se polariza inversamente, actuará
como un aislante.
2

La polarización directa en la electrónica se debe al
suministro de energía eléctrica positiva por el lado
en el que hay material P (+) y, la polarización
indirecta, es cuando la energía con carga negativa
pasa por el cristal P (+), originando que el
elemento electrónico se comporte como un
aislante.
3

El material base en la construcción del diodo es el
Cristal de Silicio. Este es el semiconductor más
utilizado, pero el Germanio y otros materiales
semiconductores operan bajo los mismos principios
generales.
Cuando el silicio está en forma líquida (fundido), se
mezclan ciertas impurezas intencionalmente.
Este proceso de contaminación es llamado dopaje
(doping). Si se mezcla, por ejemplo, el
elemento fósforo con el silicio, se obtendrá un
material tipo-N que conduce electricidad por medio
de electrones libres.
5

Si se utiliza, en cambio, el elemento boro, se
obtiene material tipo-P y este, a diferencia del
material tipo-N, conduce electricidad solo por
medio de hueco.
6

Un hueco es la situación que aparece cuando un
átomo, en vez de agregar un electrón libre al
momento de ser dopado, genera la deficiencia de
un electrón en la estructura.
7

10
- El diodo semiconductor se
comporta como un interruptor
mecánico en el sentido de que
puede controlar el flujo de
corriente entre sus dos
terminales.
- El diodo semiconductor es
diferente del interruptor
mecánico en el sentido de que
cuando éste se cierra sólo
permite que la corriente fluya
en una dirección.

11
CIRCUITOS EQUIVALENTES DEL DIODO
Un circuito equivalente es una combinación de elementos
apropiadamente seleccionados para que representen mejor las
características terminales reales de un dispositivo o sistema en
una región de operación particular.
Una vez que se define el circuito equivalente, el símbolo del
dispositivo puede ser eliminado de un esquema y el circuito
equivalente insertado en su lugar sin afectar gravemente el
comportamiento real del sistema. Con frecuencia, el resultado es
una red que se puede resolver con técnicas tradicionales de análisis
de circuito.

12
Circuito equivalente ideal
Idealmente, para que el
diodo semiconductor se
comporte como un
cortocircuito en la región de
polarización en directa, su
resistencia deberá ser de 0 .
En la región de polarización
en inversa su resistencia
deberá ser de para
representar el equivalente a
un circuito abierto.

13
Circuito equivalente simplificado
Esta aproximación
se emplea con
frecuencia en el
análisis de circuitos
semiconductores

14
Circuito lineal equivalente por segmentos

15
Región Zener
Hay un punto donde la aplicación de
un voltaje demasiado negativo
producirá un cambio abrupto de las
características, como se muestra en la
figura 1.17. La corriente se incrementa
muy rápido en una dirección opuesta
a la de la región de voltaje positivo. El
potencial de polarización en inversa
que produce este cambio dramático de
las características se llama potencial
Zener y su símbolo es VZ.

20
HOJAS DE ESPECIFICACIONES DE DIODOS
Normalmente, el fabricante proporciona datos sobre dispositivos
semiconductores específicos en una de dos formas. Con más frecuencia,
dan una descripción muy breve, tal vez limitada a una página.
1. El voltaje en directa VF (a una corriente y temperatura especificadas)
2. La corriente máxima en directa IF (a una temperatura especificada)
3. La corriente de saturación en inversa IR (a un voltaje y temperatura
especificados)
4. El valor nominal de voltaje inverso [PIV, PRV, o V(BR), donde BR
proviene del término “breakdown” (ruptura) (a una temperatura
especificada)]
5. El nivel de disipación de potencia máximo a una temperatura
particular
6. Niveles de capacitancia
7. Tiempo de recuperación en inversa trr
8. Intervalo de temperatura de operación

26
Un cortocircuito tiene una
caída de voltaje a través de
sus terminales, pero la red
circundante limita la
corriente.

27
Un circuito abierto puede tener
cualquier voltaje a través de sus
terminales, pero la corriente
siempre es de 0 A.

28
Para la configuración de diodos en serie de la figura 2.13, determine VD, VR, e ID.

29
Repita el ejemplo anterior con la corriente invertida (sentido contrario).

30
Para la configuración de diodos en serie de la figura 2.16, determine VD, VR e ID.
TIP

31
Determine Vo e ID para el circuito en serie de la figura.

32
Determine ID, y Vo para el circuito de la figura.

33
Determine I, V1, V2 y Vo para la configuración en serie cd de la figura.

34
Determine Vo, I1, e para la configuración de diodos en paralelo de la figura.

35
Circuito detector de polaridad.
Encuentre el resistor R que garantice una corriente de 20 mA a través del diodo
“encendido” en la configuración de la figura. Ambos diodos tienen un voltaje de
ruptura en inversa de 3 V y un voltaje de encendido promedio de 2 V.

36
Determine el voltaje de Vo para la red de la figura

37
Determine las corrientes I1, I2 e ID2 para la red de la figura.

APLICACIONES DEL DIODO
• Rectificadores de media onda
• Rectificadores de onda completa
• Filtros y reguladores de la fuente de
alimentación
• Circuitos limitadores y sujetadores con diodos
• Multiplicadores de voltaje
38

Rectificador de media onda
¿Cuál es el valor promedio del voltaje rectificado de
media onda en la figura?
44

Trace los voltajes de salida de cada rectificador
correspondientes a los voltajes de entrada indicados
46

Error
47

El voltaje de pico inverso (PIV) es igual al valor pico del voltaje
de entrada y el diodo debe ser capaz de soportar esta cantidad de
voltaje en inversa repetitivo.
La capacidad de un diodo deberá ser por lo menos 20% más alta
que el PIV.
48

Acoplamiento por transformador
• Permite que la fuente de voltaje se reduzca como sea necesario;
• La fuente de ca se aísla eléctricamente del rectificador, con lo
que se evita el peligro de choques eléctricos en el circuito del
secundario.
49

Determine el valor pico del voltaje de
salida en la figura 2-10 si la relación de
vueltas es de 0.5.
50

RECTIFICADORES DE ONDA COMPLETA
• Permite corriente unidireccional (en un sentido)
a través de la carga durante los 360° del ciclo de
entrada, mientras que un rectificador de media
onda permite corriente a través de la carga sólo
durante la mitad del ciclo.
• El resultado de la rectificación de onda completa
es un voltaje de salida con una frecuencia del
doble de la frecuencia de entrada y que pulsa
cada semiciclo de la entrada.
51

52

Determine el valor del voltaje rectificado
de onda completa mostrado en la figura
53

Rectificador de onda completa con
derivación central
54

derivación central
55

derivación central
56

derivación central
Obtener un voltaje de salida
57

derivación central
Voltaje de pico inverso
58

Muestre las formas de onda de voltaje a través de cada una de las
mitades del devanado secundario y a través de RL cuando se aplique una
onda seno con pico de 100 V al devanado primario en la figura.
¿Qué voltaje de pico inverso nominal debe tener el diodo?
59

60

Rectificador de puente de onda completa
61

Rectificador de puente de onda
completa
62

completa
63

completa
Voltaje de pico inverso
64

Determine el voltaje pico de salida para el rectificador de puente de la figura.
Suponiendo el modelo práctico, ¿qué voltaje de pico inverso nominal se
requiere para los diodos? Se especifica que el transformador tiene un voltaje
rms de 12 V en el secundario para los 120 V estándar a través del primario.
65

alimentación
66

Filtros y reguladores de la fuente de
alimentación
67

alimentación
• Un filtro de fuente de alimentación idealmente elimina los rizos del voltaje
de salida de un rectificador de media onda o de onda completa y produce un
voltaje de cd de nivel constante.
• El filtrado es necesario porque los circuitos electrónicos requieren una fuente
constante de voltaje y corriente continuos para proporcionar alimentación y
polarización para la operación apropiada.
La pequeña
cantidad de
fluctuación en el
voltaje de salida del
filtro se llama rizo.
68

alimentación
La carga inicial del capacitor (el diodo está polarizado en directa)
sucede sólo una vez cuando se conecta la potencia.
69

alimentación
El capacitor se descarga través de RL después del pico de
alternancia positiva cuando el diodo está polarizado en inversa. Esta
descarga ocurre durante la parte del voltaje de entrada indicada por
la curva continua.
70

alimentación
El capacitor se carga otra vez a su valor pico de entrada cuando el
diodo se polariza en directa. Esta carga ocurre durante la parte del
voltaje de entrada indicada por la curva continua.
71

alimentación
Voltaje de rizo Como ya vio, el capacitor se carga con rapidez al
inicio de un ciclo y lentamente se descarga a través de RL después del
pico positivo del voltaje de entrada (cuando el diodo está polarizado
en inversa). La variación del voltaje del capacitor debido a la carga y
descarga se llama voltaje de rizo. En general, el rizo es indeseable;
por lo tanto, mientras más pequeño sea el rizo, mejor será la acción de
filtrado.
72

alimentación
73

alimentación
El periodo de un
voltaje de onda
completa es la mitad
del de un voltaje
rectificado de media
onda. La frecuencia de
salida de un
rectificador de onda
completa es dos veces
la de un rectificador
de media onda.
74

alimentación
Comparación de
voltajes de rizo
correspondientes a
voltajes rectificados
de onda completa y
media onda con el
mismo filtro con
capacitor y carga, y
derivados del mismo
voltaje de entrada
senoidal.
75

alimentación
Factor de rizo El factor de rizo (r) es una indicación de la
efectividad del filtro y se define como
donde Vr(pp) es el voltaje de rizo pico a pico y VCD es el valor de cd
(promedio) del voltaje de salida del filtro.
Mientras más bajo es el factor de rizo, mejor es el filtro. El factor de
rizo puede reducirse incrementando el valor del capacitor del filtro o
incrementando la resistencia de carga.
76

alimentación
77

alimentación
Determine el factor de rizo para el rectificador de puente filtrado con
una carga como se indica en la figura.
78

alimentación
Vp(pri) = 1.414Vrms = 1.414(120 V) = 170 V
Vp(sec) = nVp(pri) = 0.1(170 V) = 17.0 V
Vp(rect) = Vp(sec) - 1.4 V = 17.0 V - 1.4 V = 15.6 V
La frecuencia de un voltaje rectificado de onda completa es de
120 Hz. El voltaje de rizo pico a pico aproximado a la salida es
79

alimentación
El valor de cd aproximado del voltaje de salida se
determina como sigue:
El factor de rizo resultante es
El porcentaje de rizo es de 3.9%
80

alimentación
Determine el voltaje de rizo pico a pico si el capacitor del filtro de
la figura anterior se incrementa a 2200 mF y la resistencia de
carga cambia a 2.2 kW.
81

alimentación
• Los filtros pueden reducir el rizo o fluctuación de las fuentes de
alimentación a un valor bajo, el método más efectivo es una combinación
de un filtro de entrada con capacitor utilizado con un regulador de voltaje.
• Se conecta un regulador de voltaje a la salida de un rectificador filtrado y
mantiene un voltaje (o corriente) de salida constante pese a los cambios de
la entrada, la corriente en la carga o la temperatura.
82

alimentación
83

alimentación
84

Circuitos Limitadores Y Sujetadores
Con Diodos
En ocasiones se utilizan circuitos con diodos, llamados limitadores o
recortadores, para recortar algunas partes de los voltajes de señal por
encima o por debajo de cierto nivel. Se utiliza otro tipo de circuito con
diodos, llamado sujetador o fijadores de nivel, para agregar o restaurar
un nivel de cd a una señal eléctrica.
85

Con Diodos
Limitadores con diodos → Recortador
86
https://www.youtube.com/watch?v=_rztUWIMOu4

Con Diodos
Limitación de la alternancia positiva. El
diodo está polarizado en directa durante
la alternancia positiva (menos de 0.7 V) y
polarizado en inversa durante la
alternancia positiva.
87
https://www.youtube.com/watch?v=_rztUWIMOu4

Con Diodos
Limitación de la alternancia negativa. El
diodo está polarizado en directa durante la
alternancia negativa (por debajo de 7.0 V)
y polarizado en inversa durante la
alternancia positiva.
88

Con Diodos
¿Qué esperaría ver en la pantalla de un osciloscopio
conectado entre las terminales de RL en el limitador
mostrado en la figura.
89

Con Diodos
90

Con Diodos
Describa la forma de onda de salida en la figura si R1 cambia a 1 kW.
91

Con Diodos
Limitadores polarizados
92
1. Observe cuidadosamente dónde actúa el voltaje
de salida.
2. Trate de desarrollar un esquema mental de la
respuesta observando la “presión” establecida por
cada fuente y el efecto que tendrá en la dirección
de la corriente convencional a través del diodo.
3. Determine el voltaje aplicado (voltaje de
transición) que cambie el estado del diodo de
“apagado” a “encendido”.

Con Diodos
93

Con Diodos
94
Determine el voltaje de salida de la red examinada en el ejemplo si la señal
aplicada es la onda cuadrada de la figura.

Con Diodos
Un limitador positivo
95

Con Diodos
Un limitador negativo
96

Con Diodos
97

Con Diodos
98

Con Diodos
99
Determine vo para la red de la figura.

Con Diodos
100
Determine vo para la red de la figura.

Con Diodos
La figura muestra un circuito que combina un limitador positivo con un
limitador negativo. Determine la forma de onda del voltaje de salida.
101

Con Diodos
102

Con Diodos
Determine la forma del voltaje de salida en la
figura si ambas fuentes de cd son de 10 V y el
voltaje de entrada tiene un valor pico de 20 V.
103

Con Diodos
Describa la forma de onda del voltaje de salida para el limitador con diodo de la
figura.
104

Con Diodos
105

Con Diodos
106

Circuitos Multiplicadores de Voltaje
Con Diodos
Los multiplicadores de voltaje utilizan la acción de sujeción para
incrementar voltajes pico rectificados sin la necesidad de incrementar la
capacidad de voltaje del transformador. Son comunes los factores de
multiplicación de dos, tres y cuatro.
Duplicador de voltaje de media onda
Duplicador de voltaje de onda completa
Triplicador de voltaje
Cuadruplicador de voltaje
107

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