TEMA 4 DIODOS Y APLICACIONES

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1 TEMA 4 OOS Y APLCACONES (Guía de Clases) Asignaura: isposiivos Elecrónicos po. Tecnología Elecrónica

2 CONTENO UNÓN P-N EN CCUTO ABETO UNÓN P-N POLAZAA En senido inverso En senido direco CAACTEÍSTCAS TENSÓN-COENTE ESSTENCA ESTÁTCA Y NÁMCA E UN OO MOELOS EL OO iodo ideal iodo real CAPACA E LA ZONA E CAGA ESPACAL O TANSCÓN iodos de capacidad variable (aricaps) CAPACA E FUSÓN TEMPOS E CONMUTACÓN EL OO OOS E AALANCHA O ZENES OOS E EFEENCA E TENSÓN FOTOOOS SEMCONUCTOES OOS EMSOES E LUZ (LE) CCUTO BÁSCO. CONCEPTO E ECTA E CAGA CCUTOS ECOTAOES CCUTOS FJAOES O LMTAOES CCUTOS ECTFCAOES ecificador de media onda ecificador de onda complea ecificador en puene OBLAO E TENSÓN FLTAO CON CONENSAOES Filrado. Explicación cualiaiva Aproximaciones al filrado Ejemplo de cálculo eecor de picos o demoduladora de AM

3 iodos y aplicaciones. Guía de clases pg. 1 UNÓN P-N EN CCUTO ABETO Hueco on acepor Zona de ransición o de carga espacial Unión on donador Elecrón Tipo p Tipo n

4 iodos y aplicaciones. Guía de clases pg. 2 UNÓN P-N POLAZAA a) En senido inverso Aumena la zona de carga espacial. pasa a ser o. Se produce una corriene inversa debido a los poradores minoriarios y a los pares elecrón-hueco creados en la zona de carga espacial. Esa corriene se denomina corriene inversa de sauración ( o ) Tipo p Tipo n

5 iodos y aplicaciones. Guía de clases pg. 3 b) En senido direco isminuye la zona de carga espacial. pasa a ser o -. Si o enonces se produce una corriene debida a los huecos que son empujados por el erminal posiivo de hacia la zona N, y a los elecrones que son empujados por el erminal negaivo de hacia la zona P Tipo p Tipo n

6 iodos y aplicaciones. Guía de clases pg. 4 En corocircuio el poencial de conaco se compensa con los poenciales en los conacos óhmicos de los erminales => =0. 0 P N = 0 = 0 Grandes ensiones direcas -> necesidad de limiar la corriene Símbolo del diodo: ÁNOO CÁTOO P N

7 iodos y aplicaciones. Guía de clases pg. 5 CAACTEÍSTCA TENSÓN-COENTE η Ecuación caracerísica del diodo: = ( e T ) 0 1 se deduce de la ley de la unión 0 : corriene inversa de sauración (consane a T consane) η : consane. Su valor es aproximadamene 1 para el Germanio. En el caso del Silicio su valor es 2 para corrienes pequeñas y 1 para corrienes moderadas o grandes. T : Tensión equivalene de la emperaura T = T/ a emperaura ambiene (T=300 ºK) T = Tensión de rupura (ma) γ => Tensión umbral 0,2 (Ge) 0,6 (Si) Z 0 γ 0,4 (Ge) 0,8 (Si) (vol) (µa) -> Ge (na) -> Si Tensión umbral (γ): ensión direca mínima para que se inicie la conducción. La corriene inversa 0 aumena con la emperaura aproximadamene un 7% por ºC para el Si. La corriene inversa de sauración se duplica aproximadamene por cada 10 ºC de aumeno de emperaura. Si 0 = 01 cuando T = T 1, cuando la emperaura es T 0 viene dado por: ( T) = ( T T1 )/ La Tensión equivalene de la emperaura T ambién aumena con la emperaura. Para manener consane con T => d/dt -2 5 mv/ºc.

8 iodos y aplicaciones. Guía de clases pg. 6 ESSTENCA ESTÁTCA Y NÁMCA E UN OO esisencia esáica () : = / -> parámero muy variable y poco úil esisencia dinámica (r): r = d/d η = ( e T ) 0 1 η T 1 d e 0 0 g = = = = r d η η η η r T = K T T T K es consane a emperaura consane. Para modelos de pequeña señal se puede suponer r consane

9 iodos y aplicaciones. Guía de clases pg. 7 MOELOS EL OO a) iodo ideal A ireca A nversa A K K K γ = 0 γ -> f = 0 < γ -> r = b) iodo real A 1/ f 1 2 1/ r γ f r 1 y 2 son ideales γ -> = γ f < γ -> = γ r K γ Modelos inermedios: f = 0 ó r = ó γ = 0 ó combinaciones.

10 iodos y aplicaciones. Guía de clases pg. 8 CAPACA E LA ZONA E CAGA ESPACAL O TANSCÓN La anchura de la zona de carga espacial y por lo ano la carga aumena con la ensión inversa, lo cual equivale a un efeco de capacidad: C T dq = donde C T es la capacidad de ransición d Supongamos unión abrupa con N A >> N y polarizada inversamene con : q. N A. W p. A = q. N. W n. A => N A. W p = N. W n Si N A >> N => W p << W n W de dx qn. E qn. = = x K ε ε qn E (x=w) = 0 => K =. ε W ensidad de carga p n N -W p 0 W n x => E qn. = ( x W) ε d qn. = ( x W ) dx ε => 2 qn. x = Wx ε 2 K' nensidad de campo E -W p 0 -N A N A >> N W W n x W p << W n W qn. x Wx 2ε 2 (x=0) = 0 => K = 0 => = ( 2 ) x=w -> j = 0 = qn. W. 2ε 2 => W = 2ε qn. j Poencial 0 j x W aumena con la aplicada W W dw 2 2ε 2ε dw ε = qn j 2 = =. d q. N d q. N. W j j Q = q.n.w. A => dq = q.n.a.dw C T dq qn A dw A = =... = ε d d W j Capacidad de condensador plano con placas de superficie A y disancia enre ellas de W. esulado ambién válido para unión gradual.

11 iodos y aplicaciones. Guía de clases pg. 9 iodos de capacidad variable (aricaps: ariable capaciors): C T A ε. A = ε = = W 2ε. j qn. ce j => Si j aumena enonces C T disminuye (rango de pf) Aplicación de los varicaps: Filros variables, sinonizadores LC de radiofrecuencia (HF, UHF) CAPACA E FUSÓN En polarización direca si aumena implica que aumena la concenración de minoriarios en ambos lados, y enonces aumena la carga almacenada Q produciéndose ambién en ese caso un efeco capaciivo: Q = τ Modelo de conrol de la carga de un diodo dq τ. d τ C = = = d d r τ: iempo de vida medio de los poradores r: resisencia dinámica de la unión τ p τ n C = Cp Cn = r r C (orden de µf) es mucho mayor que C T (puede llegar a nf) Concenración P N p no n po x=0 x

12 iodos y aplicaciones. Guía de clases pg. 10 TEMPOS E CONMUTACÓN EL OO C >> C T => Es mucho más imporane el iempo de recuperación al pasar de conducción direca a inversa que al revés. i L i F p n -p no en la unión rr iempo de recuperación en inversa (ns o µs) = rr s Tiempo almacenamieno F F L L s 0 Tiempo ransición -

13 iodos y aplicaciones. Guía de clases pg. 11 OOS E AALANCHA O ZENES Son diodos con suficiene capacidad de disipación para rabajar en la zona de conducción inversa. Se uilizan como esabilizadores de ensión. L Z L Z - Z Zmin Z Si L => Z L => Z => Z consane Zmax Si => Z => Z => Z consane

14 iodos y aplicaciones. Guía de clases pg. 12 Hay dos mecanismos para que se produzca la avalancha del diodo: Muliplicación por avalancha y upura Zener. Muliplicación por avalancha (creación por choque): Ese mecanismo es el uilizado en diodos poco impurificados y que ienen una ensión Zener z mayor a 6 volios. La zona de carga espacial es ancha. Tienen un coeficiene de emperaura posiivo, es decir, con el aumeno de la emperaura aumena la ensión Zener upura Zener: Ese mecanismo es el que se produce en diodos muy impurificados y que ienen una ensión Zener z menor a 6 volios. La zona de carga espacial es esrecha. Tienen un coeficiene de emperaura negaivo, es decir, con el aumeno de la emperaura disminuye la ensión Zener.

15 iodos y aplicaciones. Guía de clases pg. 13 OOS E EFEENCA E TENSÓN a) Tensiones de referencia inferiores a 2. L z < 2 v. - b) Pequeño coeficiene de emperaura L z - Zener (muliplicación por avalancha): coeficiene de emperaura posiivo iodo (en direca): coeficiene de emperaura negaivo c) Tensiones de referencia alas L z - - Menor disipación que con un único zener de z elevada - Menor coeficiene de emperaura combinando los dos ipos de zener - Menor resisencia que con diodos en direca

16 iodos y aplicaciones. Guía de clases pg. 14 FOTOOOS SEMCONUCTOES = 0 S A - L = A L -> reca de carga Si = 0 => = A Si = 0 => = A / L La respuesa especral es la misma que las células fooconducoras: % de pares e - -h creados λ C λ

17 iodos y aplicaciones. Guía de clases pg. 15 OOS EMSOES E LUZ (LE) - Uniones P-N polarizadas en senido direco con elevada impurificación (γ 1 v.) - Maeriales especiales para producir luz en la recombinación, como es el AsGa - Se denominan diodos LE (Ligh Emiing iode) - Tensiones inversas bajas -> desrucción por sobreensión - Corrienes reducidas (ípicas de 10, 20 ma) -> desrucción por sobrecorriene A coninuación se pueden ver dos monajes prácicos de ese ipo de diodos:

18 iodos y aplicaciones. Guía de clases pg. 16 CCUTO BÁSCO. CONCEPTO E ECTA E CAGA v i i L o reca de carga: v = i i L Su inersección con la caracerísica del diodo da el puno de rabajo de ése. i / L Q Q Q i Si i = m sen α ; α = ω ; ω = 2 π f Y uilizando el modelo lineal aproximado del diodo: A A γ 1/ f f r 1/ r γ K > γ K < γ

19 iodos y aplicaciones. Guía de clases pg. 17 Para i γ : Para i < γ : γ r γ f i L i L r >> => 0 (orden µa o na) i γ φ π/2 π - φ π 2π α i = senα m L f γ para α = φ -> m sen φ - γ = 0 φ = arcsen ( γ / m ) -> ángulo de inicio de c onducción

20 iodos y aplicaciones. Guía de clases pg. 18 CCUTOS ECOTAOES Circuio recorador que ransmie la pare de la señal de enrada que es más negaiva que γ p = r r 1 o γ p = f f i γ o i i o

21 iodos y aplicaciones. Guía de clases pg. 19 Circuio recorador que ransmie la pare de la señal de enrada que es más posiiva que - γ p = f f o p = r r 1 o - γ i - γ i i o

22 iodos y aplicaciones. Guía de clases pg. 20 Oros circuios recoradores i o i o o OOS EALES i o i o o OOS EALES

23 iodos y aplicaciones. Guía de clases pg. 21 Circuio recorador a 2 niveles (circuio rebanador) o p = 1 o i 1 ON 2 OFF 1 OFF 2 OFF 1 OFF 2 ON i i 1 2 o 1 2 > 1

24 iodos y aplicaciones. Guía de clases pg. 22 CCUTOS FJAOES O LMTAOES Cambian el nivel de coninua de la señal de enrada. i C m - o Suponiendo el diodo ideal, y cumpliéndose que C >> T y m > m i i = m idc sen ω = 0 - m -2 m o o es senoidal con valor medio no nulo o dc o = m = = i m( senω 1) c i ( ) m = La venaja de los circuios fijadores con respeco a los recoradores es que limian la señal de enrada pero sin deformarla. Ejemplo: ideal, C>>T/2, valor prácico C=5T => en T/2 el condensador no se descarga prácicamene. C i i o -2 Primer semiperíodo C o o Segundo semiperíodo C 2 o -3

25 iodos y aplicaciones. Guía de clases pg. 23 CCUTOS ECTFCAOES ecificador: Circuio que conviere una onda senoidal de enrada en una señal unipolar con componene media no nula. ecificador de media onda i m Enrada c.a. i L 0 π 2π α = ω m dc 0 π 2π α = ω

26 iodos y aplicaciones. Guía de clases pg. 24 egulación: epresena la variación de la ensión coninua de salida en función de la corriene coninua en la carga. % reg. = dcvacio dccarga dccarga 100 dc m m 1 m m = = = dcf dcl = dcf dc dc = π π π π f L dc f El resulado anerior implica que el equivalene Thevenin del recificador de media onda es el siguiene: f dc m /π dc L Si L = ó L >> f enonces dc vacio = dc carga => % reg. = 0 Si L = 0 enonces dc carga = 0 => % reg. = Teorema de Thevenin: os erminales cualesquiera de una red lineal pueden reemplazarse por un generador de fuerza elecromoriz igual a la ensión en circuio abiero enre los erminales, en serie con la impedancia de salida visa desde esos punos.

27 iodos y aplicaciones. Guía de clases pg. 25 ecificador de onda complea m i 0 π 2π α = ω Enrada c.a. i i 1 L 1 m 0 m 1 2 π 2π α = ω π 2π α = ω m dc 0 π 2π α = ω ecificador en puene 1 2 i L 4 C.A. 3

28 iodos y aplicaciones. Guía de clases pg. 26 OBLAO E TENSÓN C1 m C2 2 m

29 iodos y aplicaciones. Guía de clases pg. 27 FLTAO CON CONENSAOES A parir de una señal recificada es posible obener una ensión coninua. El mecanismo para obener la misma es el filrado en baja frecuencia de dicha señal recificada. En ese aparado se aborda el análisis del filrado empleando condensadores. e dicho análisis se obendrá por un lado un conocimieno del funcionamieno del mismo, y por oro un méodo de obención de las caracerísicas de la señal de salida y de las disinas aproximaciones que son habiuales en ese ipo de análisis. Filrado. Explicación cualiaiva A parir de un circuio recificador de media onda, como el de la figura, es posible obener a la salida una señal coninua. Eso se logra con la simple adición a dicho circuio de un condensador que acúe como filro. La misión del condensador es almacenar energía y enregarla a la carga cuando sea preciso. (ideal) i = m *sen α L C o En la siguiene figura se puede ver la salida obenida en el circuio anerior, si se supone que la carga enga un valor o Sin C Con C infinio ( L = ). Como se aprecia, la ensión a la salida queda fijada al valor coninuo m, debido a que el condensador se m carga a dicho valor y, al no ener camino para su descarga, queda con esa ensión indefinidamene. π 2π 3π En el caso en que la resisencia de carga enga un valor finio ( L < ), el condensador de filrado se descargará durane el inervalo de no conducción del diodo. En la siguiene figura podemos observar la onda recificada (), y la señal a la salida () que muesra cómo se descarga el condensador de forma exponencial. En función del valor del condensador usado, y de la resisencia de carga, la descarga será más o menos rápida. El efeco final es una ensión de salida variable enre unos márgenes superpuesa a m o () () una ensión coninua. La ensión variable se denomina rizado, y es un parámero muy imporane a la hoja de comprobar la calidad de un filro. π 2π 3π

30 iodos y aplicaciones. Guía de clases pg. 28 Aproximaciones al rizado El cálculo del rizado producido en un circuio recificador con filro es sencillo pero puede resular laborioso; por ello generalmene se realizan aproximaciones al mismo, con el objeivo de simplificar los cálculos. Si el condensador se descarga poco, dichas aproximaciones proporcionan unos resulados muy similares a los obenidos si se realizasen los cálculos compleos. izado alo Si el rizado del circuio es grande, es decir, la pare variable de la ensión de salida es grande comparada con la pare coninua, no es posible realizar aproximaciones de ningún ipo, y se hace necesario emplear el modelo real. En la figura se aprecia el aspeco de la señal de salida. En ella podemos observar que la ensión de salida coincide con la del recificador hasa un puno, a parir del cual la ensión de salida disminuye exponencialmene. En cuano las ensiones de salida y del recificador vuelven a igualarse, la ensión de salida pasa ora vez a seguir la onda senoidal. Exp. Senoidal izado bajo En los casos de pequeño rizado, se realizan 3 aproximaciones, que nos proporcionan una onda como la de la figura. En primer lugar se supone que la descarga del condensador es lineal, en segundo lugar que dicha descarga comienza juso en el puno de ensión máxima de la señal recificada, y en ercer lugar se supone que el condensador se descarga hasa el insane en que la ensión recificada vuelve a alcanzar su máximo valor. Lineal

31 iodos y aplicaciones. Guía de clases pg. 29 izado medio En el caso de ener un rizado medio, se suele aproximar al y como aparece en la figura, es decir, se considera una descarga exponencial, que dicha descarga comienza cuando la señal recificada pasa por su puno máximo, y que el condensador se descarga hasa que encuenra de nuevo la señal recificada. Exp. Sen. Ejemplo de cálculo Supongamos un recificador de onda complea, en el que se verifica L *C>>T/2 (por lo que suponemos un rizado bajo, y omamos la aproximación lineal comenada aneriormene). El análisis sería el siguiene: o r C descarga próximo a T/2 En la figura anerior podemos ver las disinas ensiones y iempos que se emplearán en el análisis. Hay que ener en cuena que, como se supone un rizado bajo, la señal que consideramos de salida es una onda en diene de sierra como la siguiene: m r T/2

32 iodos y aplicaciones. Guía de clases pg. 30 A parir de esa señal, deducimos que la ensión de coninua a la salida viene dada como: dc = m r / 2, donde m es la ensión de pico de la señal recificada. Se observa de dicha ensión de coninua es la ensión de pico menos el valor medio del rizado, el cual en ese caso sencillo coincide con r /2 T El condensador se descarga linealmene durane T/2, luego la carga perdida se puede expresar como: dc, 2 y nos queda que la ensión de rizado y de coninua vienen dadas por las ecuaciones: r Q cdt cd = = = C 2C 2fC r dc dc = m = m 2 4fC En las fórmulas aneriores podemos observar que el rizado aumena con dc ( cuando L ), y disminuye con C y f. El rizado se puede definir como: rms rms r = : alor eficaz de la componene alerna (roo mean square) dc : Componene coninua dc Obenemos el valor eficaz de la componene alerna aplicando la definición, y nos queda: rms 2 1 r r π π = d r = = π 0 2 π α α α α α π 4 3π 2 2π 0 r 2 3 Ahora subsiuimos el valor rms obenido en la fórmula del rizado: r dc 1 r = = = 2 3 dc 4 3fCdc 4 3fC L e nuevo se deduce que r disminuye con f, C y L

33 iodos y aplicaciones. Guía de clases pg. 31 eecor de picos o demodulador de AM El circuio recificador de media onda con un filro condensador se puede emplear para deecar los valores de pico de las ondas de enrada. Sirve para exraer la señal de información que se modula en ampliud (por ejemplo en ransmisión radiofónica), denominándose a ese proceso demodulación. (ideal) i = m *sen α L C o Para eso el periodo de la poradora iene que ser mucho menor que la consane de carga del condensador y esa mucho menor que el periodo de la señal moduladora: T poradora << C << T moduladora