TIPOS DE DIODOS DE USO COMÚN
Diodo rectificador: De gran aplicación en circuitos tanto de señal (tratamiento de información) como de potencia. Su función básica es asemejarse a un interruptor ideal unidireccional en corriente, es decir, a un cortocircuito en directa y a un circuito abierto en inversa. Salvo en algunas aplicaciones de baja tensión, en las que el valor de la tensión umbral es crucial, se utilizan los diodos de silicio. El diodo rectificador es el que se ha utiliza utilizado do en los ejemplos ejemplos realizad realizados os al final final del tema “Unión “Unión PN”. Una de sus aplicaciones industriales más importantes es la obtención de una fuente de tensión continua a partir de una fuente de tensión alterna (conversión que recibe el nombre de rectificación y se estudiará al final del semestre).
CARACTERÍSTICAS DE POLARIZACIÓN DIRECTA
Medio ciclo de 50Hz
CARACTERÍSTICAS DE POLARIZACIÓN INVERSA
CARACTERÍSTICAS TÉRMICAS
CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS
Materiales semiconductores y la unión PN Ejercicio 1:
v i +
220Ω
vi
=
24V
El diodo utilizado es el 1N4148. Tomando como valor de partida la curva de valores típicos en conducción, con la temperatura de la unión a 25oC, determina: • Los parámetros del modelo aproximado en conducción, incluyendo la resistencia serie
(se obtiene de aproximar la curva de la figura 3 mostrada en “Características de polarización directa”). • Corriente y tensión de conducción del diodo. • Potencia disipada, en forma de calor, por el diodo. • Rendimiento (=potencia entregada a la resistencia/potencia suministrada por la fuente). • Temperatura estimada en la unión si la temperatura ambiente es de 50 oC.
Tipos de diodos Ejercicio 2:
vi
=
+
24V
El diodo utilizado es es el 1N4148. 1N4148. Tomando como valor de partida la curva de valores típicos en polarización directa con la unión a 25oC, determina: • Corriente y tensión del diodo. • Temperatura estimada en la unión si la temperatura ambiente es de 20 oC.
Tipos de diodos Diodo LED LED (Light (Light Emitting Emitting Diode) Cuando Cuando un diodo diodo está polarizado polarizado en en directa directa (está (está en conducción conducción)) se desplazan muchos electrones libres libres de la zona N a la zona P, dónde rápidamente se recombinan con los huecos y liberan energía. De igual modo, los huecos que se desplazan de la zona P a la zona N también se recombinan y liberan energía. En un diodo rectificador dicha energía se libera principalmente en forma de calor. Sin embargo, utilizando diferentes materiales semiconductores, se puede lograr que la energía liberada por recombinación se emita en forma de radiación (luz) de una longitud de onda (color) dada.
Aplicaciones en señalización e iluminación y optoelectrónica
Tipos de diodos Símbolo Ánodo
Cátodo
La tensión umbral de los diodos LED depende del color que generan, es decir de su naturaleza física, y es muy superior a la de los diodos rectificadores. El rango típico para la tensión umbral de los diodos que proporcionan luz en el espectro visible es del orden de 1.5V a 3V. La gráfica situada en el lado derecho inferior de esta diapositiva no muestra valores reales, sólo se pretende incidir en la relación entre la tensión umbral de conducción y el color. En inversa, los diodos diodos LED no se iluminan iluminan (no (no conducen). conducen). ¡Cuidado! la tensión inversa máxima de un diodo LED suele ser inferior a los 10V. En diodos de baja potencia, como por ejemplo el diodo utilizado para indicar de encendido de una radio, es típico utilizar de 10mA a 20mA de corriente co rriente directa.
Tipos de diodos Ejemplo de hoja de características
Tipos de diodos Utilización y diseño de circuitos con LED La técnica más adecuada para obtener el grado de iluminación deseado en un LED, consiste en alimentarlo con una fuente de corriente de valor controlable.
I
Ejemplo: Incorporar un indicador de “alimentació “alimentación n conectada conectada (ON)” en un circuito. circuito. Si la corriente que deseamos que circule por el diodo es constante, resulta fácil diseñar un montaje para conseguir que el diodo se ilumine con dicha corriente y que, al mismo tiempo, no se interfiera con la alimentación del resto de componentes del circuito.
+
R
5V
La mayor parte de los circuitos se alimentan de una fuente de tensión continua, y es preciso recurrir a diferentes opciones para obtener en el LED el valor deseado de corriente (luminosidad). El caso más sencillo se muestra en el lado derecho de esta diapositiva.
Tomando los datos que se han suministrado en la diapositiva anterior para un diodo rojo, determina el valor que debe tener la resistencia para que cuando
Tipos de diodos Ejercicio 1 (prácticas): Se trata de: • Identificar los tramos, rango de valores de la tensión de entrada, para los que conduce cada
uno de los diodos. • Dibujar la forma de onda de tensión correspondiente a v o (en sincronía con v i ) • Dibujar la onda de corriente (también en sincronía con
v i )
La señal de entrada es una
tensión tensión senoidal senoidal de 1Hz y 10V de pico. pico.
vi
= 10 ⋅ sen
(2π ⋅ t )
+
150Ω
Los diodos utilizados presentan una tensión umbral de 2V, el LED rojo, y 3V, el LED verde. En una primera primera aproximación se despreciará el incremento de tensión tensión directa en en función del valor de corriente.
Tipos de diodos Ejercicio 2: Admitiendo que todos los diodos son prácticamente iguales, y presentan una caída en directa de 2’2V cuando son alimentados con 200mA, se pide: Determinar el valor de resistencia R que se requiere para que todos los LED sean alimentados con 200mA.
R +
vi
= 12V
Tipos de diodos FOTODIODO La radiación proveniente de fuentes externas, que eventualmente incida en un material semiconductor, podría dar lugar a la generación de pares electrón-hueco (e-h) en el seno del mismo. Dicho efecto efecto sucederá o no en función del del tipo de material semiconductor y de la longitud longitud de onda de la radiación incidente. En un semiconductor de Silicio, los nuevos pares e-h generados se recombinan y liberan la energía absorbida en forma de calor. Sin embargo, la historia cambia substancialmente si la radiación externa genera pares e-h en la frontera de una unión PN.
i
P
N
h e
-
La corriente generada es proporcional a la intensidad de radiación incidente. La siguiente gráfica recoge la curva v -i que se obtiene cuando se favorece que la radiación externa alcance la frontera de la unión PN (Fotodiodo):
+
i
E
El campo eléctrico que hay en la zona de la unión PN desplaza los electrones libres y huecos generados por la radiación, dando lugar a una corriente inversa.
v
i ≈
valores crecientes de radiación
0'7V v
Tipos de diodos i v
≈
0'7V v
valores crecientes de radiación
Los fotodiodos en polarización directa, pero con corriente inversa, se utilizan como generadores de energía eléctrica: FOTOVOLTAICA
Los fotodiodos en polarización inversa se utilizan como como sensore sensoress de radiac radiación ión (*en (*en la siguien siguiente te diapositiva se muestran un par de aplicaciones).
i(inversa)
R
Esta zona de funcionamiento carece de interés particular, puesto que ya se obtiene con cualquier diodo rectificador
i
vO
i(inversa) v
Tipos de diodos Detector de humo
Transmisión de información con fibra óptica
Tipos de diodos Diodo Zener Formalmente no se diferencia en nada de un diodo rectificador. La principal diferencia consiste en que se diseña para que pueda operar de forma segura cuando se alcanza la tensión de ruptura inversa, que recibe el nombre de tensión Zener, siempre que no se supere un valor límite de corriente. La denominación de de diodo Zener se mantiene indistintamente si la causa que determina determina la tensión de ruptura ruptura inversa inversa es debida al efecto Zener o al fenómeno de avalancha. En estos diodos se busca que la pendiente tras el codo de ruptura inversa sea lo más pronunciada posible, ya que actúan como limitadores o estabilizadores en inversa. Aunque no es posible encontrar diodos para cualquier valor de tensión zener, la gama de valores mientras los 400V es bastante amplia.
i i v V Z i zcodo (i ZK ) v
Tipos de diodos Modelo (circuito equivalente) equivalente) de un diodo diodo zener cualquiera operando en la región zener: El circuito es similar similar al que ya se se vió para el diodo en la región de conducción. i V V ZO Z
v
∆i
i Z
i v
r Z
v Z
V ZO i zmax ∆v ∆v ∆i
=
r Z
Cuando se idea un circuito con diodos zener, e incluso al realizar un cálculo aproximado de su punto de operación en un circuito dado, es bastante útil considerar que la resistencia zener que presenta presenta el diodo diodo es despreciable. En ese caso, el valor de V ZO se sustituye directamente por V Z. En cualquier caso, los fabricantes proporcionan el valor de V Z y de rZ a un valor de corriente IZT
V Z I ZT
I Z max
=
P d V Z
Tipos de diodos En la práctica, práctica, el diodo diodo zener tiene dos aplicaciones: 1. Protección Protección:: limita limita la la tensión tensión máxima máxima que puede puede haber haber entre entre dos conductores conductores de un circuito. circuito. 2. estab estabililizar izar la tensi tensión ón entre entre dos conduc conductor tores es de de un circuit circuito o PROTECCIÓN PROTECCIÓ N En funcionamiento normal, la tensión v será menor que la tensión tensión de ruptur rupturaa del zener y por tanto, tanto, el diodo zener zener no hace nada. nada. Pero Pero si la tensión v alcanza el valor de la tensión zener, el diodo se activa y “enclava” “enclava” la tensión tensión al al valor valor VZ (si r z es despreciable).
i1 V Z − 0'7 <
v < V Z
componente o circuito
v i Z
Circuito limitador AC:
− (Vz + 0'7) <
v < Vz + 0'7
componente o circuito
Tipos de diodos Ejercicio 2: Los dos diodos zener del circuito de la figura son del tipo 1N4736A. Asumiendo que el valor de r z se puede considerar despreciable, determina: • El valo valorr de de la tensió tensión n en la resi resiste stenci nciaa de 2K2 a lo lo largo largo de un un perio periodo do de de la fuente fuente de tensión vi. • El valo valorr de la corr corrie ient ntee idz . ¿Es adecuado utilizar diodos 1N4736A?
50 Ω idz vi
= 10 ⋅ sen
(2π ⋅ t )
+
2'2 K Ω
vo
Tipos de diodos ESTABILIZADOR DE TENSIÓN EN CIRCUITOS DC En este tipo tipo de aplicaci aplicaciones, ones, el diodo zener zener está permanentem permanentemente ente operando operando en la la zona zener. zener. El objetivo es que un determinado determinado componente o subcircuito permanezca alimentado con un valor de tensión estable, aunque la alimentación general del circuito pueda variar en un determinado rango de valores.
R1 i1 V BAT
i z
i2 v ≈ V Z
componente o subcircuito
s iempre mayor que I ZK i z > 0 A siendo estrictos ha de ser siempre Para poder realizar el diseño de estas aplicaciones, en primer lugar se precisa conocer el consumo máximo de corriente del componente o subcircuito. El valor de i1 ha de ser, como mínimo, igual a dicha corriente máxima más I ZK , con el fin de garantizar que siempre el diodo zener zener estar estaráá acti activad vado. o.
Tipos de diodos Ejercicio 3: Se desea alimentar el subcircuito de la figura con un valor de tensión de aproximadamente aproximadamente 6’8V. La fuente de alimentación V BAT que se dispone no es de muy buena calidad, y su tensión varía entre 9V de tensión mínima mínima y 18V de tensión máxima. Para conseguir alimentar el subcircuito subcircuito adecuadamente se plantea la solución mostrada en la figura.
R1 i1
i z
V BAT
i2 v ≈ 6'8V
subcircuito
Se sabe que el subcircuito tiene un consumo consumo mínimo de 5mA y un consumo máximo máximo de 60mA, 60mA, dependiendo de cómo esté funcionando en un momento momento dado. • Suponiendo el el zen zeneer idea deal (r (r Z despreciable), determina el valor de R 1 para que el subcircuito subcircuito esté correctame correctamente nte alimentado alimentado independien independientement tementee de la tensión tensión de Batería. • ¿Se podría podría utiliz utilizar ar un diod diodo o 1N473 1N4736A 6A??
