Alumno: Uriel García Esquivel
Matrícula: 13480438
Carrera: Ingeniería en Mecatrónica
Materia: Electrónica Analógica
Profesor: Ing. José Valderrama Chairez
Horario: 19:00 – 20:00 20 :00 Hrs Hrs
Monterr Monterrey, ey, Nuevo León, México México..
22/F 22/ F ebrero/201 ebrero/2016 6
Tipos de Diodos Rectificadores
En electrónica, un rectificador es el elemento o circuito que permite convertir la corriente alterna en corriente continua. Esto se realiza utilizando diodos rectificado res, ya sean semiconductores de estado sólido, válvulas al vacío o válvulas gaseosas como las de vapor de mercurio. Dependiendo de las características de la alimentac ión en corriente alterna que emplean, se les clasifica en monofásicos, cuando están alimentados por una fase de la red eléctrica, o trifásicos cuando se alimentan por tres fases. Atendiendo al tipo de rectificación, pueden ser de media onda, cuando sólo se utiliza uno de los semiciclos de la corriente, o de onda completa, donde ambos semiciclos son aprovechados. El tipo más básico de rectificador es el rectificador monofásico de media onda, constituido por un único diodo entre la fuente de alimentación alterna y la carga. Rectificación monofásica no controlada
La rectificación no controlada requiere un estudio previo de las necesidades, ya que el circuito rectificado r tan solo funcionará de la forma correcta si todas las condiciones de contorno con las que se ha realizado el cálculo se cumplen. Es decir, tanto la tensión de entrada como la carga RL han de ser las especificadas. Circuitos rectificadores de onda completa
Un rectificador de onda completa convierte la totalidad de la forma de onda de entrada en una polaridad constante (positiva o negativa) en la salida, mediante la inversión de las porciones (semiciclos) negativas (o positivas) de la forma de onda de entrada. Las porciones positivas (o negativas) se combinan con las inversas de las negativas (positivas) para producir una forma de onda parcialmente positiva (negativa). Rectificador de onda completa tipo puente doble de Graetz
Se trata de un rectificador de onda completa en el que, a diferenc ia del anterior, sólo es necesario utilizar transformador si la tensión de salida debe tener un valor distinto de la tensión de entrada. En la Figura 3 está representado el circuito de un rectificador de este tipo. A fin de facilitar la explicación del funcionamiento de este circuito vamos a denominar D-1 al diodo situado más arriba y D-2, D-3 y D-4 a los siguientes en orden descendente.
Durante el semiciclo en que el punto superior del secundario del transformador es positivo con respecto al inferior de dicho secundario, la corriente circula a través del camino siguiente:
Punto superior del secundario --> Diodo D-1 --> (+)Resistencia de carga R (-) -- > Diodo D4 --> punto inferior del secundario.
En el semiciclo siguiente, cuando el punto superior del secundario es negativo y el inferior positivo lo hará por:
Punto inferior del secundario --> Diodo D-2 --> (+)Resistencia de carga R (-) --> Diodo D3 --> punto superior del secundario. En este caso, vemos como circula corriente por la carga, en el mismo sentido, en los dos semiciclos, con lo que se aprovechan ambos y se obtiene una corriente rectificada más uniforme que en el caso del rectificador de media onda, donde durante un semiciclo se interrumpe la circulación de corriente por la carga. En ambos tipos de rectificadores de onda completa, la forma de onda de la corriente rectificada de salida, será la de una corriente continua pulsatoria, pero con una frecuencia de pulso doble de la corriente alterna de alimentac ión. Rectificación monofásica controlada
Es un tipo de regulación mucho más complicada de implementar, pero proporciona un control total de la carga. El esquema de este tipo de rectificadores seria como el de los anteriormente expuestos, añadiendo entre la carga y la salida rectificada, de forma conceptual, un interruptor. Este 'interruptor' permitiría o cortaría el paso de la señal dentro de unos parámetros establecidos. Cabe añadir que la complejidad reside en el diseño del sistema de control, donde el 'interruptor' conceptual ha de ser sustituido por un circuito tan complicado como requiera el dispositivo. Re ctificador Síncrono (o sincrónico)
Hay aplicaciones en las que la caída de tensión directa en los diodos (VF) causa que tengan una baja eficiencia, como el caso de algunos convertidore s DC-DC. Un rectificador síncrono sustituye los diodos por transistores MOSFET, gobernados por un circuito de control que los corta cuando la tensión entra en su ciclo negativo. Esta técnica tiene tres ventajas frente a los diodos:
No e xiste VF en
un MOSFET. Éste se comporta como una resistencia (R ON) de modo que conduce con cualquier valor de tensión (V>0), mientras que un diodo necesita V>VF, lo que es de suma importancia en circuitos alimentados a muy baja tensión.
D i odos E mi sores de L uz
Los diodos emisores de luz (LEDs) son elementos de estado sólido (semiconductores) que emiten energía luminosa al ser alimentados directamente por una energía eléctrica, los cuales dependiendo de su operación pueden ser de baj a o alta potencia. Los LEDs de alta potencia más utilizados son los de potencias de 1W, aunque actualment e existen avanzados diseños en potencias de 3, 5, 10, 20 y 30 W. El ingeniero Gabriel Torres Aguilar, Consultor Técnico de TAG Iluminación, nos presenta las principales características de los LEDs de alta potencia de 1W y su aplicación en luminarios para iluminación exterior arquitectónica.
Los LEDs de baja potencia son diseños sencillos, que no incluyen ningún tipo de óptica de control del flujo luminoso y son de potencias de hasta 0.12 W; este tipo de LEDs se utilizan principalmente para aplicaciones de señalización o indicación. Los LEDs de alta potencia son diseños más completos que incluyen diversas alternativas de ópticas de control del flujo luminoso y son de potencias de 1 W; este tipo de LEDs se utilizan principalmente para iluminación concentrada en aplicaciones exteriores arquitectónicas, permitiendo generar amplias posibilidades creativas de diseño y efectos de color. Un diodo emisor de luz de alta potencia de 1 W se integra de los siguientes componentes:
Semiconductor emisor del flujo luminoso con terminales exteriores para alimentación del cátodo (+) y ánodo (-). Encapsulado de silicón que cubre al semiconductor emisor. Base con superficie inferior disipadora de temperatura. Óptica primaria integrada por lente semiesférica envolvente de resina termoplástica transparente. Óptica secundaria integrada por diversas opciones en cuanto a tipo de lentes concentradoras del flujo luminoso.
Los diodos emisores de luz (leds) de alta potencia de 1W tienen las siguientes características:
Vida promedio de 50,000 horas. Flujo luminoso de 55 lúmenes. Eficacia de 55 lm/W. Mantenimiento del flujo luminoso de 75%. Voltaje de operación de 3-4 Volts de corriente directa. Corriente de operación de 350 mA. Ángulo de apertura del haz luminoso de 120° sin óptica secundaria Ángulos de apertura del haz luminoso de 5-15 ° (cerrados), 20-40° (medios) y de 40-60° (abiertos) con ópticas secundarias.
Control preciso y direccional del flujo luminoso emitido. Bajas perdidas por disipación de calor. Mínima emisión de radiaciones infrarrojas y ultravioletas. Colores blanco, azul y verde fabricados de Nitruro de Galio e Indio (InGaN). Colores ámbar y rojo fabricados de Fosfuro de Galio, Indio y Aluminio (AllGaP).
Los diodos emisores de luz (leds) de alta potencia se están incorporando en nuevos y modernos diseños de luminarios con tecnología RGB para uso exterior del tipo lineal para 9,15,27,30 ó 36 unidades y del tipo proyector para 18,36,48,72 o 96 unidades. La tecnología RGB considera los tres colores primarios que son el rojo, verde y azul, por lo que la cantidad total de diodos emisores de luz (leds), está en función directa con múltiplos de estos tres colores básicos, lo cual permite generar una infinita cantidad de combinaciones de colores y mediante una memoria DMX se pueden programar efectos de desvanecimiento, intermitencia o secuencializació n. Los luminarios con tecnología RGB para uso exterior del tipo lineal para 9, 15, 27,30 ó 36 unidades y del tipo proyector para 18, 36,48,72 o 96 unidades, tienen las siguientes características:
Carcasa con disipador de temperatura, fabricada en fundición de aluminio inyectada en alta presión. Acabado de la carcasa con pintura poliéster en polvo, aplicada mediante proceso electrostático. Refractor plano de vidrio claro termotemplado. Conjunto óptico totalmente hermético al ingreso de partículas sólidas y liquidas (IP65). Operación a temperatura ambiente de – 40 a + 50°C y humedad relativa 0-95%. Montaje sobrepuesto direccional en luminarios tipo lineal y montaje sobrepuesto articulado en luminarios tipo proyector. Voltaje de entrada de 100 -240 Volts de corriente alterna. Controlador electrónico (driver) para operar conjuntos de unidades de diodos emisores de luz (LEDs) y memoria DMX para crear efectos de color.
Los luminarios con tecnología RGB para uso exterior del tipo lineal para 9, 15, 27, 30 ó 36 unidades y del tipo proyector para 18, 36, 48, 72 o 96 unidades se utilizan para aplicaciones de iluminación concentrada en superficies verticales obteniendo múltiples efectos de ambientación mediante colores saturados con un control preciso de su flujo luminoso, lo cual permite el diseño de conceptos de iluminación arquitectónica más dinámicos y versátiles.
Diodo Zener Efecto Zener
El efecto zener se basa en la aplicación de tensiones inversas que originan, debido a la característica constitución de los mismos, fuertes campos eléctricos que causan la rotura de los enlaces entre los átomos dejando así electrones libres capaces de establecer la conducción. Su característica es tal que una ve z alcanzado el valor de su tensión inversa nominal y superando la corriente a su travé s un dete rminado valor mínimo, la tensión en bornas del diodo se mantiene constante e independiente de la corriente que circula por
él. Funcionamiento del Diodo Zener
El símbolo del diodo zener es:
y su polarización es siempre en inversa, es decir
Tres son las características que diferencian a los diversos diodos Zener entre sí: a.- Tensiones de polarizació n inversa, conocida como tensión zener.- Es la tensión que el zener va a mantener constante. b.- Corriente mínima de funcionamiento. - Si la corriente a través del zener es menor, no hay seguridad en que el Zener mantenga constante la tensión en sus bornas c.- Potencia máxima de disipación. Puesto que la tensión es constante, nos indica el máximo valor de la corriente que puede soportar el Zener. Por tanto, el Zener es un diodo que al polarizarlo inversamente mantiene constante la tensión en sus bornas a un valor llamado tensión de Zener, pudiendo variar la corriente que lo atraviesa entre el margen de valores comprendidos entre el valor mínimo de funcionamiento y el correspondiente a la potencia de zener máxima que puede disipar. Si superamos el valor de esta corriente el zener se destruye. Fotodiodo
Un fotodiodo es un semiconductor construido con una unión PN, sensible a la incidencia de la luz visible o infrarroja. Para que su funcionamiento sea correcto se polariza inversamente, con lo que se producirá una cierta circulación de corriente cuando sea excitado por la luz. Debido a su construcción, los fotodiodos se comportan como células fotovoltaicas, es decir, iluminados en ausencia de una fuente exterior de energía generan una corriente muy pequeña con el positivo en el ánodo y el negativo en elcátodo. Principio de Operación
Un fotodiodo es una unión PN o estructura P-I-N. Cuando un haz de luz de suficiente energía incide en el diodo, excita un electrón dándole movimiento y crea un hueco con carga positiva. Si la absorción ocurre en la zona de agotamiento de la unión, o a una
distancia de difusión de él, estos portadores son retirados de la unión por el campo de la zona de agotamiento, produciendo una fotocorriente. Los diodos tienen un sentido normal de circulación de corriente, que se llama polarización directa. En ese sentido el diodo deja pasar la corriente eléctrica y prácticamente no lo permite en el inverso. En el fotodiodo la corriente (que varía con los cambios de la luz) es la que circula en sentido inverso al permitido por la juntura del diodo. Es decir, para su funcionamiento el fotodiodo es polarizado de manera inversa. Se producirá un aumento de la circulación de corriente cuando el diodo es excitado por la luz. En ausencia de luz la corriente presente es muy pequeña y recibe el nombre de corriente de oscuridad. Tienen una estructura similar, pero trabajan con voltajes inversos mayores. Esto permite a los portadores de carga fotogenerados ser multiplicados en la zona de avalancha del diodo, resultando en una ganancia interna, que incrementa la respuesta del dispositivo. Fotodiodos de avalancha
Uso
A diferencia del LDR , el fotodiodo responde a los cambios de oscuridad a iluminación y viceversa con mucha más velocidad, y puede utilizarse en circuitos con tiempo de respuesta más pequeño. Se usa en los lectores de CD, recuperando la información grabada en el surco del Cd transformando la luz del haz láser reflejada en el mismo en impulsos eléctricos para ser procesados por el sistema y obtener como resultado los datos grabados. Usados en fibra óptica
Diodo Schottky
El diodo Schottky o diodo de barrera Schottky, llamado así en honor del físico alemán Walter H. Schottky, es un dispositivo semiconductor que proporciona conmutaciones muy rápidas entre los estados de conducción directa e inversa (menos de 1ns en dispositivos pequeños de 5 mm de diámetro) y muy bajas tensiones umbral (también conocidas como tensiones de codo, aunque en inglés se refieren a ella como "knee", es decir, rodilla). La tensión de codo es la diferencia de potencial mínima necesaria para que el diodo actúe como conductor en lugar de circuito abierto; esto, dejando de lado la región Zener, que es cuando existe una diferencia de potencial lo suficientemente negativa para que a pesar de estar polarizado en inversa éste opere de forma similar a como lo haría regularmente.
Funcionamiento
A frecuencias bajas un diodo normal puede conmutar fácilmente cuando la polarización cambia de directa a inversa, pero a medida que aumenta la frecuencia el tiempo de conmutación puede llegar a ser muy alto, poniendo en peligro el dispositivo. El diodo Schottky está constituido por una unión metal-semiconductor (barrera Schottky), en lugar de la unión convencional semiconductor P - semiconductor N utilizada por los diodos normales. Así se dice que el diodo Schottky es un dispositivo semiconductor "portador mayoritario". Esto significa que, si el cuerpo semiconductor está dopado con impurezas tipo N, solamente los portadores tipo N (electrones móviles) desempeñarán un papel significativo en la operación del diodo y no se realizará la recombinación aleatoria y lenta de portadores tipo N y P que tiene lugar en los diodos rectificadores normales, con lo que la operación del dispositivo será mucho más rápida. Características
La alta velocidad de conmutación permite rectificar señales de muy alta frecuencia y eliminar excesos de corriente en circuitos de alta intensidad. A diferencia de los diodos convencionales de silicio, que tienen una tensión umbral — valor de la tensión en directa a partir de la cual el diodo conduce — de 0,7 V, los diodos Schottky tienen una tensión umbral de aproximadamente 0,2 V a 0,4 V empleándose, por ejemplo, como protección de descarga de células solares con baterías de plomo ácido. La limitación más evidente del diodo de Schottky es la dificultad de conseguir resistencias inversas relativamente elevadas cuando se trabaja con altos voltajes inversos pero el diodo Schottky encuentra una gran variedad de aplicaciones en circuitos de alta velocidad para computadoras donde se necesiten grandes velocidades de conmutación y mediante su poca caída de voltaje en directo permite su operación con un reducido gasto de energía. Otra aplicación del diodo Schottky es en variadores de frecuencia (inverters) y circuitos controladores de motores paso a paso, cuando el circuito controlador efectua la desconexión de los bobinados del motor estos diodos se encargan de drenar los picos de corriente inductiva que regresan de los bobinados de un motor y devolverlos al bus de continua para que estos no quemen los transistores IGBT del chopper, destruyendo el dispositivo. Cuando el motor se comporta como generador, la corriente circula hacia el bus de continua a través de los diodos y no es absorbida por los IGBTs. El diodo Schottky se emplea en varios circuitos integrados de lógica TTL. Por ejemplo, los tipos ALS y AS permiten que los tiempos de conmutación entre los transistores sean mucho
menores puesto que son más superficiales y de menor tamaño por lo que se da una mejora en la relación velocidad/potencia. El tipo ALS permite mayor potencia y menor velocidad que la LS, mientras que las AL presentan el doble de velocidad que las Schottky TTL con la misma potencia. Diodo Varicap
El diodo Varicap conocido como diodo de capacidad variable o varactor, es un diodo que aprovecha determinadas técnicas constructivas para comportarse, ante variaciones de la tensión aplicada, como un condensador variable. Polarizado en inversa, este dispositivo electrónico presenta características que son de suma utilidad en circuitos sintonizados (L-C), donde son necesarios los cambios de capacidad. Operación
Cuando un diodo Varicap es polarizado en inversa, la barrera de potencial o juntura que forman los materiales N y P a partir del punto de unión de las junturas se produce una capacitancia. Visto en forma metafórica y práctica, es el equivalente a dos placas de un condensador que van separándose a medida que la tensión de alimentac ión se incrementa. Este incremento de tensión provoca una disminución de la capacidad equivalente final en los terminales del diodo (a mayor distancia entre placas, menor capacidad final). Por este motivo queda claro el concepto de que la mayor capacidad que puede brindar un diodo de esta naturaleza se encuentra en un punto de baja tensión de alimentac ión (no cero), mientras que la mínima capacidad final estará determinada por cuánta tensión inversa pueda soportar entre sus terminales. Sin llegar a valores extremos, los más habituales suelen encontrarse entre 3 o 4 picofaradios y 50 picofaradios para ejemplos como el diodo BB148 de NXP. Con una tensión menor a un voltio alcanza su máxima capacidad, llegando al mínimo valor con 12 o 13V, según podemos ver en la gráfica obtenida de su hoja de datos. Para poder medir la capacidad de estos diodos se puede recurrir a la fórmula de MBR:
donde C = capacidad del diodo con polarización inversa (Faradios) Vd= magnitud del voltaje de polarización inversa del diodo (Voltios) como esta entre barras el valor siempre es positivo Cd= C
Diodo Láser
Un diodo láser (DL) es un dispositivo semiconductor similar a un led pero que bajo las condiciones adecuadas emite luz láser. Visión General
Cuando un diodo convencional o led se polariza en directa, los huecos de la zona p se mueven hacia la zona n y los electrones de la zona n hacia la zona p; ambos desplazamientos de cargas constituyen la corriente que circula por el diodo. Si los electrones y huecos están en la misma región, pueden recombinarse cayendo el electrón al hueco y emitiendo un fotón con la energía correspondiente a la banda prohibida (véase semiconductor). Esta emisión espontánea se produce normalmente en los diodos semiconductores, pero sólo es visible en algunos de ellos (como los ledes), que tienen una disposición constructiva especial con el propósito de evitar que la radiación sea reabsorbida por el material circundante, y habitualmente una energía de la banda prohibida coincidente con la correspondiente al espectro visible; en otros diodos, la energía se libera principalmente en forma de calor, radiación infrarroja o radiación ultravioleta. En condiciones apropiadas, el electrón y el hueco pueden coexistir un breve tiempo, del orden de nanosegundos, antes de recombinarse, de forma que, si un fotón con la energía apropiada pasa por casualidad por allí durante ese periodo, se producirá la emisión estimulada (véaseláser), es decir, al producirse la recombinación el fotón emitido tendrá igual frecuencia, polarización y fase que el primer fotón. En los diodos láser, para favorecer la emisión estimulada y generación de luz láser, el cristal semiconductor del diodo puede tener la forma de una lámina delgada con un lado totalmente reflectante y otro sólo reflectante de forma parcial (aunque muy reflectante también), lográndose así una unión PN de grandes dimensiones con las caras exteriores perfectamente paralelas y reflectantes. Es importante aclarar que las dimensiones de la unión PN guardan una estrecha relación con la longitud de onda a emitir. Este conjunto forma una guía de onda similar a un resonador de tipo Fabry-Perot. En ella, los fotones emitidos en la dirección adecuada se reflejarán repetidamente en dichas caras reflectantes (en una totalmente y en la otra sólo parcialmente), lo que ayuda a su vez a la emisión de más fotones estimulados dentro del material semiconductor y consiguientemente a que se amplifique la luz (mientras dure el bombeo derivado de la circulación de corriente por el diodo). Parte de estos fotones saldrán del diodo láser a través de la cara parcialmente transparente (la que es sólo reflectante de forma parcial). Este proceso da lugar a que el diodo emita luz, que al ser coherente en su mayor parte (debido a
la emisión estimulada), posee una gran pureza espectral. Por tanto, como la luz emitida por este tipo de diodos es de tipo láser, a estos diodos se los conoce por el mismo nombre. Características Aplicaciones
Comunicaciones de datos por fibra óptica. Lectores de CD, DVD, Blu-rays, HD DVD, entre otros. Interconexiones ópticas entre circuitos integrados. Impresoras láser. Escáneres o digitalizadores. Sensores. Tratamiento con láser odontológico. Depilación corporal. Pantalla láser Odontología
Ventajas y desventajas Ventajas
Son muy eficientes. Son muy fiables. Tienen tiempos medios de vida muy largos. Son económicos. Permiten la modulación directa de la radiación emitida, pudiéndose modular a décimas de Gigahercio. Su volumen y peso son pequeños. El umbral de corriente que necesitan para funcionar es relativamente bajo. Su consumo de energía es reducido (comparado con otras fuentes de luz) El ancho de banda de su espectro de emisión es angosto (puede llegar a ser de sólo algunos kHz)
Desventajas
Una baja potencia a consecuencia de las bandas de energía ocupadas por los electrones. • Una alta sensibilidad a los cambios de temperatura. • Alto calentamiento al pasar corriente sobre el material diodo. • Poca colimación en el haz obtenido. A pesar de las desventajas, el
láser de semiconductores es el segundo más vendido después del láser He-Ne por sus usos en computadoras, impresoras, medios de comunicación, tratamientos médicos, etc. Diodo PIN
Se llama diodo PIN a una estructura de tres capas, siendo la intermedia semiconductor intrínseco, y las externas, una de tipo P y la otra tipo N (estructura P-I-N que da nombre al diodo). Sin embargo, en la práctica, la capa intrínseca se sustituye bien por una capa tipo P de alta resistividad (π) o bien por una capa n de alta resistividad (ν). El diodo PIN puede ejercer, entre otras cosas, como:
conmutador de RF resistencia variable protector de sobretensiones fotodetector
Fotodiodo PIN
El fotodiodo PIN es uno de los fotodetectores más comunes, debido a que la capa intrínseca se puede modificar para optimizar su eficiencia cuántica y margen de frecuencia, siendo así un material intrínseco semiconductor. Viene dado por tres parámetros característicos:
Eficiencia cuántica. Velocidad de respuesta. Ruido del dispositivo.
Conmutador
El diodo PIN se puede utilizar como conmutador de microondas. Tiene capacidad para manejar alta potencia.
