EL DIODO 1 INTRODUCCION El diodo ideal es un componente discreto que permite la circulación de corriente entre sus terminales en un determinado sentido, mientras que la bloquea en el sentido contrario. En la Figura 1 se muestran el símbolo y la curva característica tensión-intensidad del tensión-intensidad del funcionamiento del diodo ideal. El sentido permitido para la corriente es de A a K.
Figura 1: Símbolo y curva característica tensión-corriente del diodo ideal. El funcionamiento del diodo ideal es el de un componente que presenta resistencia nula al paso de la corriente en un determinado sentido, y resistencia infinita en el sentido opuesto. La punta de la flecha del símbolo circuital, representada en la figura 1, indica el sentido permitido de la corriente.
•
•
presenta resistencia nula.
presenta resistencia infinita.
Mediante el siguiente ejemplo se pretende mostrar el funcionamiento ideal de un diodo en circuito sencillo.
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Figura 2: Ejemplo de funcionamiento del diodo ideal. Según está colocada la fuente, la corriente debe circular en sentido horario. En el circuito de la izquierda, el diodo permite dicha circulación, ya que la corriente entra por el ánodo, y éste se comporta como u n interruptor cerrado. Debido a esto, se produce una caída de tensión de 10V en la resistencia, y se obtiene una corriente de 5mA. En el circuito de la derecha, el diodo impide el paso de corriente, comportándose como un interruptor abierto, y la caída de tensión en la resistencia es nula: los 10V se aplican al diodo.
2 DIODO DE UNION PN Actualmente los diodos se fabrican a partir de la unión de dos materiales semiconductores de características opuestas, es decir, uno de tipo N y otro de tipo P. A esta estructura se le añaden dos terminales metálicos para la conexión con el resto del circuito. En la Figura 3: se presenta el esquema de los dos tipos de diodos que se fabrican actualmente, el diodo vertical y vertical y el plano el plano..
Figura 3: Esquemas de diodos de unión PN El hecho de que los diodos se fabriquen con estos materiales conlleva algunas desviaciones de comportamiento con respecto al diodo ideal. En este apartado se presenta en primer lugar el proceso de formación de los diodos de semiconductores para pasar después a exponer el comportamiento eléctrico y las desviaciones con respecto al comportamiento ideal.
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2.1 Formación de la unión PN Supongamos que se dispone de un monocristal de silicio puro, dividido en dos zonas con u na frontera nítida, definida por un plano. Una zona se dopa con impurezas de tipo P y la otra de tipo N (Figura 4). La zona P tiene un exceso de huecos, y se obtiene introduciendo átomos del grupo III en la red cristalina (por ejemplo, boro). La zona N dispone de electrones en exceso, procedentes de átomos del grupo V (fósforo). En ambos casos se tienen tam bién portadores de signo contrario, aunque en una concentración varios ó rdenes de magnitud inferior (portadores minoritarios).
Figura 4: Impurificación del silicio para la obtención de diodos PN En cada zona la carga total es neutra: por cada electrón hay un ion positivo, y por cada hueco un ion negativo, es decir, no existen distribuciones de carga neta, ni campos eléctricos internos. En el momento mismo de crear dos zonas de diferente concentración de portadores, entra en juego el mecanismo de la difusión. Como se recordará, este fenómeno tiende a llevar partículas de donde hay más a donde hay menos. menos. El efecto es que los electrones y los huecos cercanos a la unión de las dos zo nas la cruzan y se instalan en la zona contraria, es decir:
• •
Electrones de la zona N pasan a la zona P. Huecos de la zona P pasan a la zona N.
Este movimiento de portadores de carga tiene un doble efecto. Centrémonos en la región de la zona P cercana a la unión: 1. El electrón electrón que que pasa la unión unión se recombi recombina na con un hueco. hueco. Aparece Aparece una una carga carga negativa, ya que antes de que llegara el electrón la carga total era nula. 2. Al pasar pasar el hueco hueco de la zona P a la la zona N, provoca provoca un defect defecto o de carga carga positiva positiva en la zona P, con lo que también aparece una carga negativa. El mismo razonamiento, aunque con signos opuestos puede realizarse para la zona N. En consecuencia, a ambos lados de la unión se va creando una zona de carga, que es positiva en la zona N y negativa en la zona P (Figura 5).
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Figura 5: Formación de la unión PN En el ejemplo del capítulo 5, los gases difunden completamente hasta llenar las dos estancias de la caja y formar una mezcla uniforme. Sin embargo, a diferencia de lo que ocurre con los gases de aquel ejemplo, en este caso están difundiendo partículas cargadas. La distribución de cargas formada en la región de la unión provo ca un campo eléctrico desde la zona N a la zona P. Este campo eléctrico se opone al movimiento de portadores según la difusión, y va creciendo conforme pasan más cargas a la zona opuesta. Al final la fuerza de la difusión y la del campo eléctrico se equilibran y cesa el trasiego de portadores. En ese momento está ya formado el diodo de unión PN, y como resultado del proceso se ha obtenido:
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Zona P , semiconductora, con una resistencia R P.
• •
. Zona N , semiconductora, con una resistencia Zona de agotamiento (deplección): No es conductora, puesto que no posee portadores de carga libres. En ella actúa un campo eléctrico, o bien entre los extremos actúa una barrera de potencial .
Hay que tener en cuenta que este proceso sucede instantáneamente en el momento en el que se ponen en contacto las zonas N y P, y no necesita de ningún aporte de energía, excepto el de la agitación térmica.
2.2 Polarización directa El bloque PN descrito en el apartado anterior (Figura 6) en principio no permite el establecimiento de una corriente eléctrica entre sus terminales puesto que la zona de deplección no es conductora.
Figura 6: Diodo PN durante la aplicación de una tensión inferior a la de barrera Sin embargo, si se aplica una tensión positiva en el ánodo, se generará un campo eléctrico que "empujará" los huecos hacia la unión, provocando un estrechamiento de la zona de deplección (Figura 7). Sin embargo, mientras ésta exista no será posible la conducción.
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Figura 7: Diodo PN bajo la acción de una tensión mayor que la de barrera Si la tensión aplicada supera a la de barrera, desaparece la zona de deplección y el dispositivo conduce. De forma simplificada e ideal, lo que sucede es lo siguiente (Figura 7): 1. Electr Electrones ones y huecos huecos se diri dirige gen n a la unión. unión. 2. En la la unió unión n se reco recomb mbin inan an.. En resumen, polarizar un diodo PNen directa es aplicar tensión positiva a la zona P y negativa a la zona N. Un diodo PN conduce en directa porque se inunda de cargas móviles la zona de deplección. La tensión aplicada se emplea en:
• •
Vencer la barrera de potencial. Mover los portadores de carga.
2.3 Polarización inversa Al contrario que en el apartado anterior, al aplicar una tensión positiva a la zona N y negativa a la zona P, se retiran portadores m ayoritarios próximos a la unión. Estos portadores son atraídos hacia los contactos aumentando la anchura de la zona de deplección. Esto hace que la corriente debido a los portadores mayoritarios sea nula (Figura 8). Ahora bien, en ambas zonas hay portadores minoritarios. Un diodo polarizado en inversa lo está en directa para los minoritarios, que son atraídos hacia la unión. El movimiento de estos portadores minoritarios crea una corriente, aunque muy inferior que la obtenida en polarización directa para los mismos niveles de tensión.
Figura 8: Diodo PN polarizado en inversa
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Al aumentar la tensión inversa, llega un momento en que se produce la ruptura de la zona de deplección, al igual que sucede en un material aislante: el campo eléctrico puede ser tan elevado que arranque electrones que forman los enlaces covalentes entre los átomos de silicio, originando un proceso de rotura por avalancha . (Nota: Sin embargo, ello no conlleva necesariamente la destrucción del diodo, mientras la potencia consumida por el diodo se mantenga en niveles admisibles).
2.4 Característica tensión-corriente La Figura 9 muestra la característica V-I (tensión-corriente) típica de un diodo real.
Figura 9: Característica V-I de un diodo de unión PN. En la gráfica se aprecian claramente diferenciadas las diversas regiones de funcionamiento explicadas en el apartado anterior:
•
Región de conducción en polarización directa (PD). Región de corte en polarización inversa (PI). o Región de conducción en polarización inversa. o
Por encima de 0 Voltios, la corriente que circula es muy pequeña, hasta que no se alcanza la tensión de barrera (V ON). El paso de conducción a corte no es instantáneo: a partir de V ON la resistencia que ofrece el componente al paso de la corriente disminuye progresivamente, hasta quedar limitada sólo por las resistencias internas de las zonas P y N. La intensidad que circula por la unión aumenta rápidamente. En el caso de los diodos de silicio, V ON se sitúa en torno a 0,7 V. Cuando se polariza con tensiones menores de 0 Voltios, la corriente es mu cho menor que la que se obtiene para los mismos niveles de tensión que en directa, hasta llegar a la ruptura, en la que de nuevo aumenta.
2.5 Diferencias entre el diodo de unión PN y el diodo ideal Las principales diferencias entre el comportamiento real y ideal son: 1. La resisten resistencia cia del del diodo diodo en polarizac polarización ión directa directa no no es nula. nula. 2. La tensión para la que comienza la conducción es V ON. 3. En polariz polarización ación inversa inversa aparece aparece una pequeña pequeña corriente. corriente. 4. A partir partir de una tensión tensión en en inversa inversa el disposit dispositivo ivo entra entra en coducción coducción por por avalancha. avalancha. En la Figura 10 vemos representadas más claramente estas diferencias entre los comportamientos del diodo de unión PN e ideal.
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Figura 10: Diferencias entre el comportamiento del diodo de unión PN y del diodo ideal
2.6 Principales características comerciales A la hora de elegir un diodo para una aplicación concreta se debe cuidar que presente unas características apropiadas para dicha aplicación. Para ello, se debe examinar cuidadosamente la hoja de especificaciones que el fabricante provee. Las características comerciales más importantes de los diodos que aparecen en cualquier hoja de especificaciones son: 1.
): Es la corriente Corriente máxima en directa , IFmax o IFM (DC forward current ): continua máxima que puede atravesar el diodo en directa sin que este sufra ningún daño, puesto que una alta corriente puede provocar un calentamiento por efecto Joule excesivo. Los fabricantes suelen distinguir tres límites: o o
o
Corriente máxima continua (IFM) Corriente de pico transitoria (Peak ( Peak forward surge current ), ), en la que se especifica también el tiempo que dura el pico Corriente de pico repetitivo (Recurrent ( Recurrent peak forward current ), ), en la que se especifica la frecuencia máxima del pico
1.
Tensión de ruptura en polarización inversa (Breakdown Voltage, BV; Peak Inverse Voltage, PIV): PIV) : Es la tensión a la que se produce el fenómeno de ruptura por avalancha. 2. Tensión máxima de trabajo en inversa (Maximun Working Inverse Voltage): Voltage): Es la tensión que el fabricante recomienda no sobrepasar para una operación en inversa segura. ): Es habitual que se exprese para 3. Corriente en inversa, IR (Reverse current ): diferentes valores de la tensión inversa 4. Caída de tensión en PD, VF (Forward Voltage): Pese a que se ha señalado anteriormente los 0.7V como valor típico, en muchas ocasiones los fabricantes aportan datos detallados de esta caída de tensión, mediante la gráfica I-V del dispositivo. Además, es frecuente que los fabricantes suministren datos adicionales a cerca del comportamiento del dispositivo para otras temperaturas diferentes a la nominal. En el Anejo A.1 de este documento se incluyen unas hojas de datos de diodos a mo do de ejemplo.
3 MODELOS DEL DIODO DE UNION PN A continuación se van a explicar los diferentes tipos de modelos propuestos para el funcionamiento de un diodo de unión PN.
3.1 Modelos para señales continuas 7
Bajo el término señales continuas se engloban en este apartado tanto las señales constantes en el tiempo como aquellas que varían con u na frecuencia muy baja.
3.1.1 Modelo DC del diodo real El comportamiento del diodo real se corresponde con el indicado por la siguiente expresión:
en donde:
•
n, es el factor de idealidad. El valor n se ubica dentro del rango entre 1 y 2.
•
Depende de las dimensiones del diodo, del material semiconductor, de la magnitud de la corriente directa y del valor de I S. VT, es el potencial térmico del diodo y es función de la constante de Boltzmann (K), la carga del electrón (q) y la temperatura absoluta del diodo T(K). La siguiente expresión permite el cálculo de V T:
con
y
.
El potencial térmico a temperatura ambiente, T=25ºC, es V T=271mV.
•
•
R es la resistencia combinada de las zonas P y N, de manera que V-IR es la tensión que se está aplicando en la unión PN, siendo I la intensidad que circula por el componente y V la tensión entre terminales externos. IS, es la corriente inversa de saturación del diodo. Depende de la estructura, del material, del dopado y fuertemente de la temperatura.
La representación gráfica de este modelo se muestra en la Figura 11:
Figura 11: Representación gráfica del modelo del diodo real. Como puede apreciarse, este modelo no da cuenta de la tensión de ruptura en inversa. El modelo puede completarse mediante la adición de nuevos parámetros que incluyan efectos no contemplados en la teoría básica. Por ejemplo, algunos modelos empleados en los programas simulación por ordenador constan de hasta quince parámetros. Sin embargo, a la
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hora de realizar cálculos sobre el papel resulta poco práctico. Por ello es habitual realizar simplificaciones del modelo para obtener soluciones de modo más simple.
3.1.2 Modelo ideal del diodo de unión PN. El modelo ideal del diodo de unión PN se obtiene asumiendo las siguientes simplificaciones:
• •
Se toma el factor de idealidad como la unidad, n=1. Se supone que la resistencia interna del diodo es muy pequeña y que, por lo tanto, la caída de tensión en las zonas P y N es muy pequeña, frente a la caída de tensión en la unión PN.
Para V<0, el término exponencial es muy pequeño, despreciable frente a la unidad. Entonces la intensidad tiende al valor I S, que como ya se había indicado anteriormente, es la corriente inversa del diodo. Para V>0, la exponencial crece rápidamente por encima de la unidad.
3.1.3 Modelo lineal por tramos Al igual que el modelo real, el modelo ideal sigue siendo poco práctico, dado su carácter no lineal. El modelo lineal por tramos se obtiene como un a aproximación del modelo ideal del diodo de unión PN, considerando las siguientes simplificaciones:
• •
En inversa, la corriente a través de la unión es nula. En directa, la caída de tensión en la unión PN (V ON) es constante e independiente de la intensidad que circule por el diodo.
Para calcular el valor de V ON se considera un diodo de unión PN de silicio con una I S= 85 fA a una temperatura ambiente de T=25 ºC. El potencial térmico a esa temperatura es V T=27 mV. Tomando como variable independiente la intensidad I, la ecuación ideal del diodo queda:
A partir de esta expresión, se puede calcular la caída de tensión en el diodo para las magnitudes de corriente habituales en los circuitos electrónicos. Por ejemplo, para un intervalo de corrientes 1 mA < I < 1 A se tienen tensiones 0.6 V
Estado
Modelo
Condición
Conducción
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Corte La Figura 12 muestra la curva característica V-I del modelo lineal
Figura 12: Modelo lineal por tramos del diodo. En la Figura 12, quedan reflejados los dos posibles estados del diodo el diodo:
• •
Conducción o Polarización Directa "On", donde la tensión es V ON para cualquier valor de la corriente. Corte o Polarización Inversa "Off", donde la corriente es n ula para cualquier valor de tensión menor que V ON.
El uso de este modelo sólo está justificado en aquellas ocasiones en las que no se requiere una gran exactitud en los cálculos.
3.2 Modelo para pequeñas señales de alterna Hay aplicaciones en las que el diodo se polariza en un punto de tensión positiva, y sobre ese punto se superpone una señal alterna de pequeña amplitud.
Figura 13: Diodo polarizado con una señal alterna superpuesta a una continua El funcionamiento del diodo en esta situación queda representada gráficamente en la Figura 14:
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Figura 14: Tensión y corriente en un diodo polarizado con una señal alterna superpuesta a una continua Cuando al diodo se le aplica una tensión dada por la expresión:
la corriente que lo atraviesa puede calcularse aplicando cualquiera de los modelos explicados anteriormente. Si se opta por el modelo exponencial ideal:
Supongamos que conocemos la amplitud de las oscilaciones de la tensión aplicada (V D) y queremos conocer la amplitud de las oscilaciones de la corriente (I D). El método de cálculo sería:
Como puede apreciarse, el cálculo se complica. Si se considera además que el diodo está dentro de un circuito es posible que ni siquiera pueda obtenerse una solución analítica. Para obtener la solución al problema citado de una fo rma más simple se linealiza la curva del diodo en el entorno del punto de operación, es decir, se sustituye dicha curva por la recta que tiene la misma pendiente en el punto de operación, según se aprecia en la Figura 15
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Figura 15: Aproximación de la característica exponencial del diodo por la tangente en el punto de operación Teniendo en cuenta esta aproximación, la relación entre los incrementos de tensión y de corriente pueden relacionarse tal y como se indica:
Obviamente, esta aproximación será tanto más cierta cuanto menores sean los valores de V D e ID. A la derivada de la tensión con respecto a la corriente en el punto de operación se le llama resistencia dinámica del diodo r D, y su expresión puede determinarse a partir del modelo exponencial del diodo, teniendo en cuenta que si V DQ es mayor que VT puede despreciarse la unidad frente al término exponencial:
Como VT 25 mV, la expresión válida para el cálculo de la resistencia dinámica de un diodo en función de la corriente de polarización continua puede escribirse de la siguiente forma, llamada aproximación de Shockley :
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Esta aproximación sólo es válida en la región de conducción en polarización directa del diodo.
4 APLICACION DE LOS MODELOS AL ANALISIS DE CIRCUITOS En este apartado se detallan algunos métodos válidos para el análisis de circuitos con diodos, basándose en los modelos expuestos en el apartado anterior.
4.1 Modelo exponencial Suponiendo que se dispone de un circuito en el que se desconoce la polarización del diodo, los pasos para resolver el problema serían: 1. Sustituir el diodo por una fuente de tensión V D con el signo positivo en el ánodo, y nombrar como ID a la corriente que va de ánodo a cátodo del diodo 2. Resolver el circuito empleando las variables V D e ID como si fueran conocidas 1.
Obtener la expresión que relaciona V D con ID 2. La ecuación del modelo del diodo proporciona otra relación entre V D e ID 3. Se resuelve resuelve el sistema sistema de dos ecuaci ecuaciones ones con dos dos incógnitas incógnitas resultante resultante
4.2 Modelo lineal por tramos Los pasos para calcular las tensiones y corrientes en un circuito con un diodos empleando el modelo lineal por tramos son: 1. Se asume asume la hipótesis hipótesis de de que el diodo diodo está está en uno de los los dos estados estados posibl posibles: es: corte corte o conducción 2. Se sustituye sustituye el el diodo diodo por el modelo modelo correspond correspondiente iente y se se calculan calculan las tension tensiones es y corrientes del circuito 3. Una vez calcul calculado ado el punto punto de polariza polarización ción del del diodo se se comprueba comprueba la validez validez de la hipótesis: los resultados obtenidos han de ser coherentes con la condición de existencia. En el caso de que no lo sean, la hipótesis de partida no es correcta y es necesario rehacer todos los cálculos desde el punto 1 con el modelo para el estado contrario.
4.3 Método gráfico El procedimiento para el cálculo sería ahora: 1. Elimin Eliminar ar el diodo diodo del del circ circuit uito o 2. Calcular Calcular el circuito circuito equivalen equivalente te Thevenin Thevenin entre entre los puntos en en los que se encontrab encontraba a conectado el diodo 3. Dibujar Dibujar la recta recta de carga carga correspond correspondiente iente al al circuito circuito Thevenin Thevenin calcula calculado do 4. Dibujar Dibujar en el el mismo mismo gráfico gráfico la curva curva caracterís característica tica del del diodo diodo 5. Hallar Hallar el punt punto o de inters intersec ección ción de de ambas ambas curvas curvas
4.4 Pequeñas señales de alterna Los circuitos en los cuales las excitaciones son suma de una componente continua y otra alterna de pequeña amplitud se resuelven aplicando el principio de superposición (Figura 16)
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Figura 16: Análisis de circuitos con componentes continuas y pequeñas señales de alterna El método se resume en los siguientes puntos: 1. Análisis Análisis DC del del circuito: circuito: Se cortocirc cortocircuita uita la fuente fuente de AC y se calcula calcula por cualqui cualquiera era de lo métodos anteriores el punto de operación del diodo. 2. Cálculo Cálculo de la resistenc resistencia ia dinámica dinámica del diodo, diodo, basándose basándose en en los resultados resultados del del punto anterior 3. Análisis Análisis AC del del circuito: circuito: Se cortocirc cortocircuitan uitan las fuentes fuentes DC DC y se sustituye sustituye el diodo diodo por su resistencia dinámica. De ese modo se obtiene el circuito equivalente AC, válido para el cálculo de las amplitudes de las oscilaciones de las señales.
5 DIODOS ZENER Algunos diodos se diseñan para aprovechar la tensión inversa de ruptura, con una curva característica brusca o afilada. Esto se consigue básicamente a través del control de los dopados. Con ello se logran tensiones de ruptura de 2V a 200V, y potencias máximas desde 0.5W a 50W. La característica de un diodo zener se muestra en la Figura 17. Teóricamente no se diferencia mucho del diodo ideal, aunque la filosofía de empleo es distinta: el diodo zener se utiliza para trabajar en la zona de ruptura, ya que mantiene constante la tensión entre sus terminales (tensión zener, V Z). Una aplicación muy usual es la estabilización de tensiones.
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Figura 17: Característica V-I de un diodo Zener. Los parámetros comerciales del diodo zener son los mismos que los de un diodo normal, junto con los siguientes:
• •
VZ: Tensión de zener IZM: Corriente máxima en inversa.
NOTA: Hay que tener en cuenta que el fabricante nos da los valores de V Z y IZM en valor absoluto. Al resolver un problema, no hay que olvidar que los valores son negativos con el criterio de signos establecido por el símbolo del componente (Figura 17). El zener es un dispositivo de tres estados operativos:
• • •
Conducción en polarización directa: Como en un diodo normal Corte en polarización inversa: Como en un diodo normal Conducción en polarización inversa: Mantiene constante la V=V Z, con una corriente entre 0 y IZM.
El modelo lineal por tramos para el diodo zener es el siguiente:
Estado
Modelo
Condición
Conducción P.D.
V=V ON
I>0
Corte
I=0
VZ
Conducción P.I.
V=VZ
I<0
DIODOS SEMICONDUCTORES El diodo es el dispositivo no lineal más simple de dos terminales, y que tiene diversas aplicaciones en la electrónica. Cuando usemos estos componentes es importante poder identificarlos en la medida de lo posible, así como conocer una serie de consejos prácticos a la hora de utilizarlos en los circuitos electrónicos.
SIMBOLOGIA GENERAL NOMBRE
SIMBOLO
NOMBRE
Diodo Rectificador
Diodo Zener
Diodo Led
Fotodiodo
Diodo Tunel
Diodo Schottky
SIMBOLO
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DIODOS RECTIFICADORES El funcionamiento de este diodo, a grandes rasgos es la siguiente: En la zona directa se puede considerar como un generador de tensión continua, tensión de codo (0.5-0.7 V para el silicio y 0.2-0.4 V para el germanio). Cuando se polariza en inversa se puede considerar como un circuito abierto. Cuando se alcanza la tensión inversa de disrupción (zona nversa) se produce un aumento drástico de la corriente que puede llegar a destruir al dispositivo. Este diodo tiene un amplio margen de aplicaciones: circuitos rectificadores, limitadores, fijadores de nivel, protección contra cortocircuitos, demoduladores, mezcladores, osciladores, bloqueo y bypass en instalaciones fotovolcaicas, etc..
Cuando usamos un diodo en un circuito se deben tener en cuenta las siguientes consideraciones (a partir de las ho jas de características suministradas por el fabricante): 1. La tensión inversa máxima aplicable al componente, repetitiva o no (V RRR máx o VR máx, respectivamente) ha de ser mayor (del orden de tres veces) que la máxima que este va a soportar. 2. La corriente máxima en sentido directo que puede atravesar al compon ente, repetitiva o no (IFRM máx e IF máx respectivamente), he de ser mayor (del orden del doble) que la máxima que este va a soportar. 3.La potencia máxima que puede soportar el diodo (potencia nominal) h a de ser mayor (del orden del doble) que la máxima que este va a soportar.
DIODOS ZENER El funcionamiento de este diodo, a grandes rasgos es la siguiente: En la zona directa lo podemos considerar como un generador de tensión continua (tensión de codo). En la zona de disrupción, entre la tensión de codo y la tensión zener (V z nom) lo podemos considerar un circuito abierto. Cuando trabaja en la zona de disrupción se puede considerar como un generador de tensión de valor V f = -Vz. El zener se usa principalmente en la estabilidad de tensión trabajando en la zona de disrupción. Podemos distinguir:
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1. Vz nom,Vz: Tensión nominal del zener (tensión en cuyo entorno trabaja adecuadamente el zener). 2. Iz min: Mínima corriente inversa que tiene que atravesar al diodo a partir de la cual se garantiza el adecuado funcionamiento en la zona de disrupción (V z min). 3. Iz max: Máxima corriente inversa inversa que puede atravesar el diodo a partir de la cual el dispositivo se destruye (V z max). 4. Pz: Potencia nominal que no debe sobrepasar el componente. Aproximadamente se corresponde con el producto de V z nom y Iz max.
Cuando usamos un diodo zener en un circuito se deben tener en cuenta las siguientes consideraciones (a partir de las ho jas de características suministradas por el fabricante): 1. Para un correcto funcionamiento, por el zener debe circular una corriente inversa mayor o igual a Iz min. 2. La corriente máxima en sentido inverso ha de ser siempre menor que I z max. 3. La potencia nominal P z que puede disipar el zener ha de ser mayor (del orden del doble) que la máxima que este va a soportar en el circuito.
DIODOS LED
El diodo LED presenta un comportamiento análogo al diodo rectificador (diodo semiconductor p-n), sin embargo, su tensión de codo tiene un valor mayor, normalmente entre 1.2-1.5 V. Segun el material y la tecnología de fabricación estos diodos pueden emitir en el infrarojo (diodos IRED), rojo, azul, amarillo y verde, dependiendo de cual sea la longitud de onda en torno a la cual emita el LED. Entre sus aplicaciones podemos destacar: pilotos de señalización, instrumentación, optoacopladores, etc.. Resulta difícil distinguir, por pura inspección visual, el modelo del LED así como el fabricante: los valores máximos de tensión y corriente que puede soportar y que suministra el fabricante
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serán por lo general desconocidos. Por esto, cuando se utilice un diodo LED en un circuito, se recomienda que la intensidad que lo atraviese no supere los 20 mA, precaución de carácter general que resulta muy válida.
OTROS DIODOS NOMBRE
SIMBOLO
CURVA
DIODO TUNEL
DIODO SCHOTTKY
FOTODIODO
IDENTIFICACIÓN DE DIODOS Los diodos de unión p-n y los zener tienen características constructivas que los diferencian de otros. Su tamaño, en muchos casos, n o supera el de una resistencia de capa o de película de 1/4W y aunque su cuerpo es cilíndrico, es de menor longitud y diámetro que las resistencias. Aunque existen gran variedad de tipos, sólo algunos especiales difieren de su aspecto. No ocurre lo mismo con el tamaño, pues es función de la potencia que pueden disipar. Es característico encontrarse un anillo en el cuerpo que nos indica el cátodo. Para aquellos cuyo tipo concreto viene señalado por una serie de letras y n úmeros, el cátodo es marcado mediante un anillo en el cuerpo, próximo a este terminal . Otros usan códigos de colores, y en ellos el cátodo se corresponde con el terminal más próxim o a la banda de color más gruesa. Existen fabricantes que marcan el cátodo con la letra "K" o el ánodo con la "a".Los diodos de punta de germanio suelen encapsularse en vidrio. En cuanto a los diodos LED, se encuentran encapsulados en resinas de distintos colores, según sea la longitud de onda con la que emita. El ánodo de estos diodos es más largo que el cátodo, y usualmente la
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cara del encapsulamiento próxima al cátodo es plana. Una forma práctica de determinar el cátodo consiste en aplicar un polímetro en modo óhmetro entre sus terminales. Si el terminal de prueba se aplica de ánodo a cátodo, aparecen lecturas del orden de 20-30Ω. Si se invierten los terminales, estas lecturas son del orden de 200-300 KΩ para el Ge, y de varios MΩ para el Si. Si con el polímetro utilizamos el modo de prueba de diodos, obtenemos el valor de la tensión de codo del dispositivo. Con ello conseguimos identificar los dos terminales (ánodo y cátodo), y el material del que esta hecho (0.5-0.7 V para el el Si, 0.2-0 .4 para el germanio y 1.2-1.5 para la mayoría de los LED.
La Curva Característica Del Diodo Analizamos de la misma forma el diodo:
Se le van dando distintos valores a la pila y se miden las tensiones y corrientes por el diodo, tanto en directa como en inversa (variando la polarización de la pila). Y así obtenemos una tabla que al ponerla de forma gráfica sale algo así:
El diodo como dispositivo no lineal Esta es la curva característica del diodo (un diodo se comporta de esa form a). Como no es una línea recta, al diodo se le llama "Elemento No Lineal" ó "Dispositivo No Lineal", y este es el gran problema de los diodos, que es muy difícil trabajar en las mallas con ellos debido a que sus ecuaciones son bastante complicadas. La ecuación matemática de esta curva es:
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' En directa, a partir de 0.7 V la corriente aumenta mucho, conduce mucho el diodo y las corrientes son muy grandes. Debido a estas corrientes grandes el diodo podría romperse, por eso hay que tener cuidado con eso (como m áximo se tomará 0.8 V ó 0.9 V). En inversa tenemos corrientes negativas y pequeñas.
A partir partir de de -1 V se puede despreciar la y queda queda aproximadamente aproximadamente I = -I -I s, que es muy pequeña aunque no se ha tenido en cuenta la corriente de fugas, con ella sería: I = -( I s + If ) A partir de -1 V si no hubiera I f tendríamos una corriente pequeña y horizontal pero como hay fugas que son proporcionales a la tensión inversa, bajando poco a poco.
Si sigo aumentando la tensión inversa puede ocurrir la ruptura a la tensión de ruptura, en este ejemplo a V R = -50 V aparece la avalancha y ya la ecuación no vale, es otra distinta:
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Y aquí el diodo se destruye a no ser que sea uno preparado (un diodo zener). Al punto en el que se vence la barrera de potencial se le llama codo. La "Barrera de Potencial" ó "Tensión Umbral" es el comienzo del codo, a partir de ahí conduce mucho el diodo en directa.
La zona directa En la zona directa tenemos dos características importantes:
• •
Hay que vencer la barrera de potencial (superar la tensión umbral V δ ) para que conduzca bien en polarización directa (zona directa). Aparece una resistencia interna (el diodo se comporta aproximadamente como una resistencia).
Tensión Umbral Como ya se ha dicho antes es el valo r de la tensión a partir del cual el diodo conduce mucho. A partir de la Tensión Umbral ó Barrera de Po tencial la intensidad aumenta mucho variando muy poco el valor de la tensión.
Resistencia Interna A partir de la tensión umbral se puede aproximar, esto es, se puede decir que se comporta como una resistencia.
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La zona n tiene una resistencia y la zon a p otra resistencia diferente:
Ejemplo: 1N4001
rp
rΩ = 0.13
n
= Ω 0.1
La resistencia interna es la suma de la resistencia en la zona n y la resistencia en la zona p.
Y la pendiente de esa recta será el inverso de esta resistencia interna.
Como la resistencia interna es pequeña, la pendiente es muy grande, con lo que es casi una vertical, esto es, conduce mucho. Resumiendo hemos visto que tenemos:
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Máxima corriente continua en polarización directa Es el mayor valor de corriente permitido en la característica del diodo:
Ejemplo: 1N4001
IFmáx = 1 A (F = forward (directa))
Resistencia para limitación de corriente En circuitos como el de la figura, hay que poner una resistencia porque sino el diodo se estropearía fácilmente.
Esto se ve dándole valores a la pila, y viendo las intensidades que salen, que a partir de 0.7 V (suponiendo que el diodo es de silicio) aumentan mucho como se ve claramente en la gráfica de la característica del diodo.
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Entonces se pone una resistencia para limitar esa corriente que pasa por el diodo, como se ve en la figura:
Se calcula la resistencia para limitar la corriente, para que no aumente a partir de 1 A por ejemplo.
Disipación máxima de potencia La máxima corriente y la máxima m áxima potencia están relacionados. Como ocurre con una resistencia, un diodo tiene una limitación de potencia que indica cuanta potencia puede disipar el diodo sin peligro de acortar su vida ni degradar sus propiedades. Con corriente continua, el producto de la tensión en el diodo y la corriente en el diodo es igual a la potencia disipada por éste. Normalmente en diodos rectificadores no se suele emplear la limitación máxima de potencia, ya que toda la información acerca de la destrucción del diodo (por calor) ya esta contenida en el límite máximo de corriente. Ejemplo: 1N4001 En la hoja de características indica una corriente máxima con polarización directa I o de 1 A. Siempre que la corriente máxima con polarización directa sea menor que 1 A, el diodo no se quemará.
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La potencia que se disipa en el diodo en forma de calor.
Como ya se ha dicho no se debe pasar de ese valor de potencia.
La zona inversa En polarización inversa teníamos una corriente que estaba estaba formada por la suma de de los valores de la corriente I s y la corriente de fugas I f :
Hay que tener cuidado, no hay que llegar a V R porque el diodo se rompe por avalancha (excepto si es un Zener).
Modelos equivalentes lineales aproximados del diodo Existen tres aproximaciones muy usadas para los diodos de silicio, y cada una de ellas es útil en ciertas condiciones.
1ª Aproximación (el diodo ideal) La exponencial se aproxima a una vertical y una horizontal que pasan por el origen de coordenadas. Este diodo ideal no existe en la realidad, no se puede fabricar por eso es ideal.
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Polarización directa: Es como sustituir un diodo por un interruptor cerrado.
Polarización inversa: Es como sustituir el diodo por un interruptor abierto.
Como se ha visto, el diodo actúa como un interruptor abriéndose o cerrándose dependiendo si esta en inversa o en directa. Para ver los diferentes errores que cometeremos con las distintas aproximaciones vamos a ir analizando cada aproximación. Ejemplo:
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En polarización directa:
2ª Aproximación La exponencial se aproxima a una vertical y a una horizontal que pasan por 0,7 V (este valor es el valor de la tensión umbral para el silicio, porque suponemos que el diodo diodo es de silicio, si fuera de germanio se tomaría el valor de 0,2 V).
El tramo que hay desde 0 V y 0,7 V es en realidad polarización directa, pero como a efectos prácticos no conduce, se toma como inversa. Con esta segunda aproximación el error es menor que en la aproximación anterior. Polarización directa: La vertical es equivalente a una pila de 0,7 V.
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Polarización inversa: Es un interruptor abierto.
Ejemplo: Resolveremos el mismo circuito de antes pero utilizando la segunda aproximación que se ha visto ahora. Como en el caso anterior lo analizamos en polarización directa:
Como se ve estos valores son distintos a los de la anterior aproximación, esta segunda aproximación es menos ideal que la anterior, por lo tanto es más exacta, esto es, se parece más al valor que tendría en la práctica ese circuito.
3ª Aproximación La curva del diodo se aproxima a una recta que pasa por 0,7 V y tiene una pendiente cuyo valor es la inversa de la resistencia interna.
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El estudio es muy parecido a los casos anteriores, la diferencia es cuando se analiza la polarización directa:
Ejemplo: En el ejemplo anterior usando la 3ª aproximación, interna.Ω tomamos 0,23
como valor de la resistencia resistencia
Esta tercera aproximación no merece la pena usarla porque el erro r que se comete, con respecto a la segunda aproximación, es mínimo. Por ello se usará la segunda aproximación en lugar de la tercera excepto en algún caso especial.
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Como elegir una aproximación Para elegir que aproximación se va a usar se tiene que tener en cuenta, por ejemplo, si son aceptables los errores grandes, ya que si la respuesta es afirmativa se podría usar la primera aproximación. Por el contrario, si el circuito contiene resistencias de precisión de una tolerancia de 1 por 100, puede ser necesario utilizar la tercera aproximación. Pero en la mayoría de los casos la segunda aproximación será la mejor opción. La ecuación que utilizaremos para saber que aproximación se debe utilizar es esta:
Fijándonos en el numerador se ve que se compara la V S con 0.7 V. Si VS es igual a 7 V, al ignorar la barrera de potencial se produce un error en los cálculos del 10 %, si V S es 14 V un error del 5 %, etc...
Si se ve el denominador, si la resistencia de carga es 10 veces la resistencia interna, al ignorar la resistencia interna se produce un error del 10 % en los cálculos. Cuando la resistencia de carga es 20 veces mayor el error baje al 5 %, etc...
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En la mayoría de los diodos rectificadores la resistencia interna , lo que significa que la segunda aproximación produce un error Ω es menor que 1 . Por eso la segundaΩ menor que el 5 % con resistencias resistencias de carga mayores de 20 aproximación es una buena opción opción si hay dudas sobre la aproximación aproximación a utilizar. Ahora veremos una simulación para un ejemplo concreto de uso de estas aproximaciones.
Variables dependientes e independientes Cualquier circuito tiene variables independientes (como tensiones de alimentación y resistencias en las ramas) y variables dependientes (tensiones en las resistencias, corrientes, potencias, etc.). Cuando una variable independiente aumenta, cada una de las variables dependientes responderá, normalmente, aumentando o disminuyendo. Si se entiende cómo funciona el circuito, entonces se será capaz de predecir si una variable aumentará o disminuirá. Ejemplo:
Si se analiza la resistencia R L y la tensión V S y 10 V en esteΩ , se ve que los valores que se desean son de 1 k caso, a estos se les llama "valores nominales", pero los valores reales se rigen por unas tolerancias, que son unos rangos de valores no un valor fijo. El diodo también puede variar su valor de tensión umbral. Pero estas tres variables (R L, VS y V j) dependen de la fabricación, estos es dependen de si mismas, son "variables independientes". Por o tro lado están las "variables dependientes", que dependen de las tres variables anteriores, que son: V L, IL, PD, PL y PT. Estos queda reflejado en la siguiente tabla:
Hoja de características de un diodo La mayor parte de la información que facilita el fabricante en las hojas de características es solamente útil para los que diseñan circuitos, nosotros solamente estudiaremos aquella
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información de la h oja de características que describe parámetros que aparecen en este texto.
Tensión inversa de ruptura Estudiaremos la hoja de características del diodo 1N4001, un diodo rectificador empleado en fuentes de alimentación (circuitos que convierten una tensión alterna en una tensión continua). La serie de diodos del 1N4001 al 1N4007 son siete diodos que tienen las mismas características con polarización directa, pero en polarización inversa sus características son distintas. Primeramente analizaremos las "Limitaciones máximas" que son estas:
Estos tres valores especifican la ruptura en ciertas condiciones de funcionamiento. Lo importante es saber que la tensión de ruptura para el diodo es de 50 V, independientemente de cómo se use el diodo. Esta ruptura se produce por la avalancha y en el 1N4001 esta ruptura es normalmente destructiva.
Corriente máxima con polarización directa Un dato interesante es la corriente media con polarización directa, que aparece así en la hoja de características:
Indica que el 1N4001 puede soportar hasta 1 A con polarización directa cuando se le emplea como rectificador. Esto es, 1 A es el nivel de corriente con polarización directa para el cual el diodo se quema debido a una disipación excesiva de potencia. Un diseño fiable, con factor de seguridad 1, debe garantizar que la corriente con polarización directa sea menor de 0,5 A en cualquier condición de funcionamiento. Los estudios de las averías de los dispositivos muestran que la vida de éstos es tanto más corta cuanto más cerca trabajen de las limitaciones máximas. Por esta razón , algunos diseñadores emplean factores de seguridad hasta de 10:1, para 1N4001 será de 0,1 A o menos.
Caída de tensión con polarización directa Otro dato importante es la caída de tensión con polarización directa:
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Estos valores están medidos en alterna, y por ello aparece la palabra instantáneo en la especificación. El 1N4001 tiene una caída de tensión típica con polarización directa de 0,93 V cuando la corriente es de 1 A y la temperatura de la unión es de 25 ºC.
Corriente inversa máxima En esta tabla esta la corriente con polarización inversa a la tensión continua indicada (50 V para un 1N4001).
Esta corriente inversa incluye la corriente producida térmicamente y la corriente de fugas superficial. De esto deducimos que la temperatura puede ser importante a la hora del diseño, ya que un diseño basado A trabajará muy bien a 25 ºC con un 1N4001 µ en una corriente inversa de 0,05 típico, pero puede fallar fallar si tiene que funcionar en medios donde la la temperatura de la unión alcance los 100 ºC.
Comprobación y detección de averías El óhmetro es la herramienta adecuada para saber el estado de un diodo. Se mide la resistencia en continua del diodo en cualquier dirección y después se invierten los terminales efectuándose la misma medición. La corriente con polarización directa dependerá de la escala en la que se emplee el ohmétro, lo que significa que se obtendrán distintas lecturas en intervalos diferentes. Sin embargo, lo que hay que buscar principalmente es una diferencia de resistencia inversa a directa muy alta. Para los diodos de silicio comúnmente empleados en la electrónica la razón debe ser mayor que 1.000:1. En el uso del óhmetro para probar diodos lo único que se desea saber es si el diodo tiene una resistencia pequeña con polarización directa y grande con polarización inversa. Los problemas que pueden surgir son:
• • •
Resistencia muy pequeña en ambas direcciones: diodo en cortocircuito. Resistencia muy grande en ambas direcciones: diodo en circuito abierto. Resistencia pequeña en inversa: diodo con fugas
Cómo calcular la resistencia interna rB Para analizar con precisión un circuito con diodos se necesita saber la resistencia interna del diodo. Este valor generalmente no viene dado por separado en las hojas de características,
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pero traen información suficiente para calcularla. La formula para calcular la resistencia interna es:
El punto 1 puede ser el punto umbral. Ejemplo:1N4001 De la hoja de características conseguimos los valores de la tensión con polarización directa (0,93 V) para un valor de la corriente de 1 A y la tensión umbral es de 0,7 V para una corriente aproximadamente cero.
Resistencia en continua de un diodo Siempre que se habla de continua, se quiere decir que es estática, que nunca cambia, es una "Resistencia Estática". En la zona de polarización directa se simboliza con R F y en la zona de polarización inversa con R R. Lo estudiaremos para el diodo 1N914:
Resistencia con polarización directa En cada punto tenemos una resistencia distinta, esa resistencia es el equivalente del diodo en polarización directa para esos valores concretos de intensidad y tensión.
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Si comparamos este valor de resistencia con la resistencia interna:
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Como los 3 puntos tiene la misma pendiente quiere decir que para los 3 puntos el modelo es el mismo. Entonces la R F anterior no es útil porque varía, pero la r B no varía y por eso esta es la resistencia que se utiliza.
Resistencia con polarización inversa Exageramos la curva de la gráfica para verlo mejor:
Como en el caso anterior en cada punto tenemos una recta, por lo tanto un R R (R = Reverse, inversa) para cada punto.
Como es un valor muy mu y grande, más o menos se puede considerar infinito (idealmente circuito abierto). Este valor no es útil, no se utiliza para hacer modelos o mallas, pero de forma práctica en el laboratorio puede ser útil (el polímetro marca la resistencia estática y se puede utilizar para detectar averías).
Rectas de carga La recta de carga es una herramienta que se emplea para hallar el valor de la corriente y la tensión del diodo. Las rectas de carga son especialmente útiles para los transistores, por lo que más adelante se dará una explicación más detallada acerca de ellas.
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Estas son las distintas formas de analizar los circuitos con diodos:
Exacta por tanteo: Ecuación del diodo exponencial y ecuación de la malla. Modelos equivalentes aproximados: 1ª aproximación, 2ª aproximación y 3ª aproximación. de forma gráfica: Recta de carga.
Hasta ahora hemos visto las 2 primeras, la tercera forma de analizarlos es de forma gráfica, esto es calculando su recta de carga.
Si de la ecuación de la malla, despejamos la intensidad tenemos la ecuación de una recta, que en forma de gráfica sería:
A esa recta se le llama "recta de carga" y tiene una pendiente negativa. El punto de corte de la recta de carga con la exponencial es la solución, el punto Q, también llamado "punto de trabajo" o "punto de funcionamiento". Este punto Q se controla variando VS y RS. Al punto de corte con el eje X se le llama "Co rte" y al punto de corte con el eje Y se le llama "Saturación".
Problemas Problema 1 . Si la Ω Un diodo está en serie con una resistencia de de 220 tensión en la resistencia es de de 4 V, ¿cuál es la corriente por el diodo? Si hemos aplicado la 2ª aproximación, ¿cuál es la potencia disipada en el diodo? Solución:
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Al tomar la 2ª aproximación el diodo es una pila de 0,7 V.
Problema 2 Calcular la corriente, la tensión y la potencia en la carga, así como la potencia del diodo y la potencia total para el circuito de la figura. Hacerlo utilizando los tres tipos de aproximaciones que existen.
Solución: 1ª aproximación En esta aproximación el diodo es ideal, por lo tanto lo podemos sustituir por un cortocircuito, con lo que obtenemos las siguientes ecuaciones:
2ª aproximación Aquí es diodo se sustituye por una pila de 0,7 V.
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3ª aproximación El diodo se sustituye por una pila de 0,7 V en serie con una . Ω resistencia de 0,23
Hoja de características de un diodo La mayor parte de la información que facilita el fabricante en las hojas de características es solamente útil para los que diseñan circuitos, nosotros solamente estudiaremos aquella información de la h oja de características que describe parámetros que aparecen en este texto.
Tensión inversa de ruptura Estudiaremos la hoja de características del diodo 1N4001, un diodo rectificador empleado en fuentes de alimentación (circuitos que convierten una tensión alterna en una tensión continua). La serie de diodos del 1N4001 al 1N4007 son siete diodos que tienen las mismas características con polarización directa, pero en polarización inversa sus características son distintas. Primeramente analizaremos las "Limitaciones máximas" que son estas:
Estos tres valores especifican la ruptura en ciertas condiciones de funcionamiento. Lo importante es saber que la tensión de ruptura para el diodo es de 50 V, independientemente
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de cómo se use el diodo. Esta ruptura se produce por la avalancha y en el 1N4001 esta ruptura es normalmente destructiva.
Corriente máxima con polarización directa Un dato interesante es la corriente media con polarización directa, que aparece así en la hoja de características:
Indica que el 1N4001 puede soportar hasta 1 A con polarización directa cuando se le emplea como rectificador. Esto es, 1 A es el nivel de corriente con polarización directa para el cual el diodo se quema debido a una disipación excesiva de potencia. Un diseño fiable, con factor de seguridad 1, debe garantizar que la corriente con polarización directa sea menor de 0,5 A en cualquier condición de funcionamiento. Los estudios de las averías de los dispositivos muestran que la vida de éstos es tanto más corta cuanto más cerca trabajen de las limitaciones máximas. Por esta razón , algunos diseñadores emplean factores de seguridad hasta de 10:1, para 1N4001 será de 0,1 A o menos.
Caída de tensión con polarización directa Otro dato importante es la caída de tensión con polarización directa:
Estos valores están medidos en alterna, y por ello aparece la palabra instantáneo en la especificación. El 1N4001 tiene una caída de tensión típica con polarización directa de 0,93 V cuando la corriente es de 1 A y la temperatura de la unión es de 25 ºC.
Corriente inversa máxima En esta tabla esta la corriente con polarización inversa a la tensión continua indicada (50 V para un 1N4001).
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Esta corriente inversa incluye la corriente producida térmicamente y la corriente de fugas superficial. De esto deducimos que la temperatura puede ser importante a la hora del diseño, ya que un diseño basado A trabajará muy bien a 25 ºC con un 1N4001 µ en una corriente inversa de 0,05 típico, pero puede fallar fallar si tiene que funcionar en medios donde la la temperatura de la unión alcance los 100 ºC.
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