TEMA 2 CIRCUITOS CON DIODOS

Transcripción

1 TEMA 2 CIRCUITOS CON DIODOS Profesores: Germán Villalba Madrid Miguel A. Zamora Izquierdo 1

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

3 INTRODUCCION El diodo es el dispositivo electrónico más simple. Es un semiconductor de dos terminales (Ánodo y Cátodo) que ofrece una baja resistencia del orden de los mω en una polarización y del orden de los GΩ en la otra. Esto lo convierte en un componente adecuado como rectificador. El diodo exhibe una relación no lineal entre la tensión entre sus terminales y la corriente que circula por él. En el análisis de circuitos con diodos, se pueden realizar algunas aproximaciones que faciliten la resolución del sistema. Se estudian también algunos diodos de uso especial, como son los zener, LED, fotodiodos y Schottky. Los diodos permiten desarrollar circuitos con distintas aplicaciones, destacando la rectificación, en cualquiera de sus variantes. 3

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

5 CONCEPTOS BASICOS DE SEMICONDUCTORES EXTRINSECOS Semiconductor Extrínseco (impurificado) Tipo N: impurezas donantes de electrones. Portadores mayoritarios (electrones); Portadores minoritarios (huecos). n concentración de electrones. p concentración de huecos Nd concentración átomos donantes. n = p + Tipo P: impurezas aceptadoras de electrones (aportan huecos). Portadores mayoritarios (huecos); Minoritarios (electrones). Na concentración átomos aceptadores Ley de acción de masas: en un tipo n, el valor de p se reduce (mayor probabilidad de recombinación). Se cumple que el producto de la concentración de huecos por la de electrones libres es constante a una temperatura dada: N D N A + n = p En el material intrínseco: pn = p n p = n i i i i pn = n 2 i 5

6 UNION pn NO POLARIZADA Una unión pn consiste en un único cristal semiconductor al cual se le han añadido impurezas de manera que se obtiene un zona p y otra n. Si estuviera formado por dos cristales independientes, antes de conformar físicamente la unión, se tendría una distribución de portadores según se indica en la figura. El elevado gradiente de concentración hueco-electrón a lo largo de la unión, inicia un proceso de difusión, creando una zona de carga espacial en la zona de unión. 6

7 DIFUSION PORTADORES EN UNION NO POLARIZADA La zona de carga espacial surge por la difusión de portadores mayoritarios desde las zonas de mayor a menor concentración. El efecto principal del campo eléctrico de la zona de carga espacial es una barrera de potencial que impide la circulación de electrones. 7

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

9 UNION PN EN POLARIZACION DIRECTA La corriente total corresponde a la suma de la corriente debida a los huecos, y la debida a los electrones. A mayor distancia en cada una de las zonas desde la unión, la corriente predominante corresponde a los huecos en la zona p, y a los electrones en la zona n. 9

10 DIODO REAL - CARACTERISTICAS Característica del diodo. Posee dos terminales (Ánodo y Cátodo). Polarización DIRECTA: Si Vd es > 0 voltios. Polarización INVERSA: Si Vd < 0 voltios. En Directa la corriente fluye con facilidad. En Inversa, al alcanzar la región de ruptura o zona de avalancha, el flujo de corriente es elevado siempre y cuando no se exceda la potencia máxima de disipación. Designación características: Vr: tensión inversa. If(av): corriente media directa. If(rms): corriente eficaz directa Vf: caída de tensión directa. 10

11 DIODO REAL ECUACION DEL DIODO v / T = ( D nv I e 1) La ecuación del diodo (ecuación de Shockley) es: D S Donde: La tensión térmica es V T = k T / q Is es la corriente de saturación inversa. n es el coeficiente de emisión entre 1 y 2. En la región de polarización directa, los diodos de Si de pequeña señal conducen muy poca corriente (menos de 1 ma) hasta que se aplica una tensión de 0,6 a 0,7 voltios (a temperatura ambiente). A partir de dicha tensión (Vumbral), la corriente incrementa rápidamente a pequeños aumentos de tensión. La respuesta del diodo de Si a variaciones de temperatura es de aproximadamente -2 mv/ºk. En la región inversa la corriente es aproximadamente de 1 na. Si T aumenta, también aumenta la I. En la zona de ruptura, la corriente aumenta rápidamente. Existen diodos especiales para trabajar en dicha zona (diodos Zener). i 11

12 DIODO REAL RECTA DE CARGA Aplicando la 2ª Ley de Kirchhoff: V = Ri + v SS D Conocido el valor de Vss, R y la curva característica del diodo, se puede obtener el punto de trabajo del circuito. La recta de carga se obtiene a partir de los puntos de corte de la ecuación obtenida con los ejes coordenados: Si id = 0 -> Vd = Vss; (pto A) Si Vd = 0 -> id = Vss / R; (pto B) Uniendo los dos puntos A y B, se obtiene la recta de carga. El punto de trabajo es la intersección entre la característica del diodo y la recta de carga. D Fig..- Polarización diodo. 12

13 RESISTENCIA DINAMICA DEL DIODO En la zona de polarización positiva, antes de Vumbral la pendiente de la recta que se aproxima a la característica tiende a cero (conductancia); por tanto, su resistencia será elevada. Si se sobrepasa la Vu, la pendiente es muy grande, y por tanto, la resistencia reducida. Así, la pendiente de la curva se modifica según sea el punto Q en el que se encuentre el diodo. Suponiendo que la tensión continua de alimentación hace que el diodo trabaje en un punto de reposo, punto Q, y superponiendo una pequeña señal alterna, su comportamiento se aproximará al de una 1 resistencia según: r d di dv di dv di = dv D D D D D D I S = nv T T Q e sustituyendo id + I = nv vd nv S T como T e vd nv y sup oniendo I id nv T S i = I D S << I + 1 D 13

14 DIODO IDEAL Es un modelo útil que permite simplificar el análisis por medio de las siguientes aproximaciones: En polarización directa, el diodo actúa como un cortocircuito. (R = 0 ohmios). En polarización inversa, el diodo se comporta como un circuito abierto. (R = infinito) En la Fig., se representa la característica i - v de un diodo ideal. Obsérvese, que en este modelo no existe una tensión umbral en directa necesaria para el inicio de la conducción de corriente. En el análisis con diodos ideales, primero se supondrá cuales están en corte y en conducción. Posteriormente, si id es positiva en los diodos en conducción, y Vd negativa en los supuestamente en corte, la suposición inicial será correcta. 14

15 MODELO COMPLETO DEL DIODO En este modelo, se sustituye el diodo por un diodo ideal, en serie con una fuente de tensión de valor la tensión umbral, y la resistencia en directa. 15

16 OTROS TIPOS DE DIODOS Diodos LED (Light Emiter Diode Diodo Emisor de Luz) El diodo LED es un tipo especial de diodo, que trabaja como un diodo común, pero que al ser atravesado por una corriente emite luz proporcionalmente a la cantidad de corriente que circula. Existen diodos que emiten luz de diferentes longitud de onda según el material del que están construidos. Existen diodos led Rojos, Amarillos, Verde, Ambar e Infrarrojos. La caída de tensión en directa está en el rango de 1,5 voltios a 2,2 voltios, aproximadamente. Fotodiodos Realiza la función inversa al LED. Si se polariza en inversa, y recibe energía luminosa, la cantidad de corriente inversa será proporcional a la intensidad incidente. (Es debida a los pares hueco-electrón generados por los fotones). Diodo Schottky Se usan en aplicaciones de alta frecuencia y conmutación rápida. Diodo Zener Trabajan en la zona de ruptura inversa. 16

17 CIRCUITOS CON DIODOS Ejemplo análisis de un circuito simple con diodos: 17

18 CIRCUITOS RECTIFICADORES Circuitos Rectificadores: convierten la corriente alterna en corriente continua (unidireccional). También se conoce como convertidor AC-DC Tipos: Rectificadores de media onda Rectificadores de onda completa Con trafo de toma intermedia (dos diodos). Con puente de diodos (cuatro diodos). Conceptos básicos de Transformadores Ideales Trafo Trafo con toma intermedia Relación Vmax & Vef 18

19 RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA 0 ωt π Cuando la tensión es positiva (intervalo ), el diodo se encuentra polarizado en directa, y conducirá la corriente (caída de 0.7 V). Cuando la tensión es negativa, el diodo se polariza inversamente, no dejando pasar corriente. En este intervalo el diodo soporta la tensión inversa impuesta por la entrada. Aplicando la 2ª Ley de Kirchhoff, a los dos casos anteriores, se obtiene: En directa, prácticamente la caída de tensión de la alimentación está en bornes de la carga. En inversa, la caída de tensión la acapara el diodo por no circular corriente. Diodo ideal 0,7 V V m sen (ω t) Diodo real (a) Diagrama del circuito (b) Tensión de la fuente en función del tiempo (c) Tensión de la carga en función del tiempo 19

20 RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA La tensión de entrada es senoidal según: El valor medio de la tensión Vo(dc) se obtiene realizando la integral: 1 π 1 π Vm VO ( DC) = vo d( ωt) = Vm senωt d( ωt) = = 0, 318Vm 2π 0 2π 0 π La corriente media para una carga resistiva R, se obtiene por la Ley de Ohm. El valor de la tensión eficaz (rms) será: 1 = 2 π ω ω π V 2 La frecuencia de salida es igual a la de entrada v S = V 2 2 m VO ( rms) Vm sen t d( t) = = 0, 5 0 m V senωt m 20

21 RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA CON TRAFO DE TOMA INTERMEDIA Consiste en dos rectificadores de media onda con fuentes de tensión desfasadas 180º. El trafo aísla (respecto de tierra) a la carga de la corriente alterna de entrada. Durante el ciclo positivo, conduce el diodo A; durante el ciclo negativo, el diodo B conduce rectificando la señal. Voltaje medio o de continua: V O( DC) = Frecuencia de salida 2V π m fout = 2 f in 21

22 RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA CON PUENTE DE DIODOS Ciclo positivo de la entrada, los diodos A y B conducen. Ciclo negativo de la entrada, los diodos D y C conducen. Valor medio V = 2V O( DC) m /π Frecuencia de salida fout = 2 f in La configuración en Puente ofrece las siguientes ventajas: El valor del condensador para un cierto rizado, es la mitad; con lo cual se reduce el tamaño y el precio del sistema. La corriente soportada por cada diodo es aproximadamente la mitad que para el de media onda, reduciendo así el espacio ocupado por los diodos y el coste del diseño. 22

23 FILTRADO DE LA SEÑAL RECTIFICADA La tensión de salida de un rectificador tiene una componente continua (valor medio), y una parte fluctuante (componentes senoidales de varias frecuencias o armónicos). Se utilizan filtros de continua: L, C y LC. (L y LC en fuentes de alimentación; C en circuitos integrados). Análisis de un filtro L (superposición): En el circuito de continua, el valor de la tensión corresponde a la tensión media. A 0Hz la reactancia inductiva es cero. Al aumentar la frecuencia XL se hace más grande (XL aumenta con el número de armónico) El filtro L produce una tensión de salida continua igual al valor medio de la tensión rectificada. 23

24 FILTRO CON CONDENSADOR A LA ENTRADA El condensador permite el paso de bajas frecuencias hacia la carga, e impide el paso de las altas frecuencias. (Filtro Paso Bajo). El diodo sólo conducirá cuando la tensión de entrada sea superior a la tensión mantenida por el condensador. Mientras la constante de tiempo R load C sea mucho mayor que el periodo, el condensador permanece casi totalmente cargado y la tensión en la carga es aproximadamente Vm Se obtiene una componente continua, y sobre ella, una componente alterna, cuyo valor de rizado máximo depende del filtro, El valor del rizado será: Q = Vr C, Q = I T Vr = I / FC y en valor eficaz, el rizado es: I V r ( ef ) = 2 2 CF siendo F = fin (Hz) en m.o. y 2fin en o.c. y p.d. 24

25 CIRCUITOS RECTIFICADORES. VOLTAJE DE PICO INVERSA v = Vp senωt 2 VPI = 2V p VPI = V p VPI = V p 25

26 CIRCUITOS RECORTADORES Los circuitos recortadores son aquellos que recortan una porción de la señal de entrada. En el ejemplo, si la tensión de entrada es superior a 6v, o inferior a 9v, recorta a dichos valores la señal de salida. 26

27 CIRCUITOS FIJADORES Añaden una componente continua a una señal de entrada de CA. Se obliga a los picos a tener un valor especificado. En el ejemplo, el condensador desacopla la señal de entrada CA de la alimentación DC. Si la señal de entrada intenta forzar un valor de tensión superior a 5V, el diodo entrará en conducción. El condensador se carga con la tensión máxima de la fuente, y en el siguiente ciclo el diodo no conduce y el condensador se encontrará en serie con la fuente. La constante de tiempo RC debe ser unas 10 veces mayor que el periodo de la señal. 27

28 CIRCUITOS LOGICOS CON DIODOS En el ejemplo, se muestra como crear dos puertas lógicas de 3 entradas haciendo uso de diodos. No todas las funciones lógicas se pueden realizar con diodos; por ejemplo, el inversor. 28

29 DIODOS ZENER O DIODOS DE AVALANCHA Trabajan en la zona de ruptura inversa. Dos tipos: Ruptura de avalancha (Aprox. Vz <= 5v). Ruptura zener (Aprox. Vz > 5v). Se usan para mantener constante la tensión en un punto. Características del diodo zener: 1.8 v < Vz < 200 v (comercialmente) Pmax: potencia máxima del diodo zener. Izmin: intensidad mínima que polariza el zener en inversa. Izmax: Pmax / Vz 29

30 MODELO DEL DIODO ZENER CON DIODOS IDEALES En este modelo, se sustituye el zener por dos diodos ideales en paralelo, incluyendo en la rama inversa una fuente de tensión con valor la tensión zener. Se le puede incluir en serie una Rz. 30

31 ESTABILIZACION DE LA TENSION DE SALIDA MEDIANTE ZENER Los reguladores de tensión se utilizan para suministrar una tensión constante a la carga, aunque fluctúe la tensión de alimentación. La regulación de entrada: Re gulación Re gulación V c arg a = V fuente= V V sin carg a V plena c La regulación de carga: arg a carga SS plena carg a 100% 100% 31

32 ESTABILIZACION DE LA TENSION DE SALIDA MEDIANTE ZENER Características Zener: Vz: tensión zener Izk: intensidad zener mínima para superar la rodilla de la característica y mantener así la Vz Izt: intensidad de prueba. Izm: intensidad zener máxima. Polarización y cálculo de R (valor óhmico y potencia). Cálculo de la Rcmin. Cálculo de la Vin máxima y mínima para R dado. 32

33 ESTABILIZACION DE TENSION DE SALIDA MEDIANTE ZENER Si en el circuito anterior, R=1k, y se utiliza un zener con las características del gráfico. Determinar la tensión de salida para Vss = 15 v y para 20 voltios. Determinar el porcentaje de regulación de entrada. VCARGA 0.5 Re gulación de entrada = x100% = x100% = 10% V 5 SS 33

34 CONMUTACION Y COMPORTAMIENTO EN ALTA FRECUENCIA Los dispositivos electrónicos de alta velocidad precisan que el cambio de estados de conducción y no conducción sea rápido. El almacenamiento de carga (capacidad) de la unión pn, afectará negativamente a dicho requisito. La capacidad (no lineal) en una unión pn se puede deber a: Capacidad de transición: está asociada al almacenamiento de carga en la zona de carga espacial, en polarización inversa. Capacidad de difusión: aparece a causa de los portadores minoritarios almacenados en los lados opuestos de la unión con polarización directa. 34

35 CAPACIDAD DEL DIODO - CONMUTACION A medida que la tensión de polarización inversa aumenta, la carga almacenada en la zona de carga espacial también aumenta. La carga en la zona espacial es similar a la carga almacenada en un condensador de placas paralelas. Cj: capacidad de transición. Cdif: capacidad de difusión. 35