Resumen APLICACIONES DE LOS DIODOS

Transcripción

1 Resumen FUNDAMENTO DE ELECTRÓNICA El diodo es un elemento semiconductor formado por la unión de dos pastillas semiconductoras, una de tipo P (ánodo) y otra de tipo N (cátodo). Cuando la tensión en el ánodo es más positiva (o menos negativa) que la del cátodo, superándola en al menos 0,6 voltios en diodos de silicio y de 0,3 voltios en los de germanio, el diodo se encuentra polarizado directamente. En esta disposición conducirá el diodo y se comportará prácticamente como un cortocircuito (En su modelo ideal). Si la tensión en el ánodo es menor que la correspondiente al cátodo, el diodo estará polarizado inversamente y no conducirá, siendo equivalente a un circuito abierto (En su modelo ideal). Rectificador Concepto La rectificación consiste en convertir la corriente alterna en continua. Cualquier dispositivo que permita circular la corriente en un solo sentido podemos decir que es un rectificador. Y éste es el caso del diodo, pues únicamente cuando el ánodo esté a una tensión más positiva que el cátodo dejará pasar la corriente a través de él, con el sentido convencional de ánodo a cátodo. Media onda Un circuito rectificador de media onda sólo rectifica la mitad de la tensión alterna presente en su entrada; es decir, cuando el ánodo sea positivo respecto al cátodo. Puede considerarse como un circuito en el que la unidad rectificadora está en serie con la tensión de entrada y la carga. En el circuito, cuando llega el semiciclo positivo presente en el secundario del transformador al ánodo del diodo, éste queda polarizado directamente y consecuentemente conducirá; la tensión en la salida V o será V o = V max -0,6 V. 1

2 T1 + Vi - D1 RL + Vo - Cuando llegue el semiciclo negativo del secundario al ánodo del diodo, éste quedará polarizado inversamente y no conducirá, siendo Vo muy próxima a cero ya que siempre circulará una pequeñísima corriente inversa. Las tensiones características vendrán dadas por las siguientes fórmulas. Vo = Vmáx /2 Vo media = Vmáx/ PI Aplicaciones. Se emplean como alimentación de muchos sistemas de baja tensión y de aparatos universales, así como para proporcionar alta tensión a los osciloscopios. Doble onda: El rectificador de doble onda, también denominado onda completa, está formado por dos rectificadores de media onda que funcionan durante alternancias opuestas de la tensión de entrada. El secundario del transformador tiene en su punto intermedio una toma conectada a tierra, obteniéndose así dos tensiones iguales y desfasadas 180 grados que se aplican alternativamente a los ánodos de cada diodo. 2

3 Cuando llega el semiciclo positivo a un diodo, al otro le llega el semiciclo negativo, con lo cual uno conduce y el otro no, y viceversa. Consecuentemente siempre habrá un diodo conduciendo, obteniéndose en la salida únicamente semiciclos positivos. En este circuito tenemos: V R = V máx /1,41 V R media = 2V máx /PI Aplicaciones. Se usan en sistemas de todos los equipos de comunicación, teniendo un gran rendimiento y posibilidad de proporcionar una gran gama de tensiones con corrientes moderadas. Se utilizan mucho para la carga de baterías porque así se evita el peligro de la saturación del núcleo del transformador. Doble onda en puente 3

4 Son cuatro rectificadores de media onda conectados en la forma indicada en el circuito. La tensión alterna del secundario del transformador se aplica entre las uniones de un ánodo y un cátodo de dos diodos, obteniéndose la salida en el punto de unión de dos cátodos (polo positivo) y de dos ánodos (polo negativo). Durante el semiciclo positivo de la señal de entrada conducen dos diodos, cerrándose el circuito de circulación de la corriente por la resistencia de carga; durante el semiciclo negativo conducirán los otros dos diodos, cerrándose el circuito también por la resistencia de carga. Así se obtiene en la salida únicamente semiciclos positivos tal como ocurría en el circuito rectificador de doble onda anterior. En este rectificador las fórmulas y el tipo de aplicaciones son las mismas que en el anterior, aunque debemos tener en cuenta que la tensión de salida será 0,6 voltios inferior pues al haber dos diodos conduciendo la caída de tensión será ahora de 0,6+0,6. Sin embargo, la ventaja que presenta es que el transformador no necesita toma intermedia y que la tensión inversa se reparte entre dos diodos en cada semiciclo, no sobre uno sólo como en el circuito anterior. Parámetros característicos de un rectificador: Corriente media directa: Es la máxima intensidad media que puede circular en sentido directo. Corriente de pico directa: Máxima intensidad de pico que puede circular en sentido directo en forma de impulsos periódicos 4

5 Máximo impulso de corriente: Es la máxima intensidad que puede circular en sentido directo en forma de impulsos no periódicos. Tensión inversa de pico: Máxima tensión de polarización inversa que puede ser aplicada a la unión PN de los diodos. Filtrado La salida de cualquiera de los rectificadores anteriormente expuestos debe ser modificada para que se aproxime lo más posible a una tensión continua pura. Para ello se utiliza un filtro (tipo paso bajo) para así aplanar los impulsos rectificados. 5

6 Factor de rizado La señal obtenida en la salida de un sistema de alimentación no es totalmente constante como sería de esperar, ya que los filtros no consiguen aplanar totalmente la señal de salida. Esta señal podemos considerarla como el resultado de superponer una corriente alterna a una corriente continua. A la componente alterna de la señal rectificada se le denomina rizado. La cantidad de rizado que aparece a la salida de un filtro se expresa por un coeficiente que recibe el nombre de factor de rizado, el cual es igual a la relación existente entre el valor eficaz de la tensión de rizado y la tensión continua de salida (Vs media). Se suele expresar en tanto por ciento, y podemos considerar óptima (siempre dependiendo de las aplicaciones) una señal de salida con un factor de rizado menor del 10%. Por tanto, el factor de rizado responde a la siguiente fórmula (%): Fr = 100xVr/ Vs media La tensión de rizado Vr dependerá del tipo de rectificador utilizado, media o doble onda, y del filtro empleado. Filtro a condensador en el rectificador de media onda El condensador en los filtros paso bajo va en paralelo con el rectificador y la carga. Su capacidad debe ser grande para que la reactancia que presente sea mucho menor que la resistencia de la carga. D1 T2.. R1 1.0kohm C1 100uF 6

7 En el semiciclo positivo de la señal de salida del transformador el diodo conduce, cerrándose así el circuito y haciendo que el condensador se cargue a una tensión muy próxima a la tensión de pico de salida del secundario del transformador. Debe elegirse con gran cuidado el diodo y el condensador para evitar que cuando el condensador se encuentre totalmente descargado, el primer pico de corriente sea excesivamente grande y dañe al diodo. Durante el semiciclo negativo de la señal de salida del transformador el diodo no conduce, comportándose prácticamente como un circuito abierto. El condensador se descargará sobre la resistencia hasta que empiece un nuevo semiciclo positivo en el secundario del transformador, volviendo a cargarse el condensador en cuanto la tensión de entrada supere a la que conserva entre sus extremos el condensador. En ese momento el condensador volverá a recuperar la carga perdida hasta alcanzar el valor de pico de la tensión de entrada, y así sucesivamente se vuelve a repetir el suceso. La magnitud del segundo pico de corriente, y los sucesivos, son bastante inferiores al primero y dependerán de la carga que aun conserve el condensador y también de la capacidad del mismo. Podemos observar en el osciloscopio que ya no existe vacío en la señal entregada por el rectificador sin filtro, resultando así la señal más plana. Aumentando la 7

8 capacidad del condensador, la inclinación de la descarga sería menor y con ello disminuiría el factor de rizado; sin embargo, tal capacidad no puede aumentarse en exceso porque el impulso de corriente que se produciría en el instante de inicio de la carga alcanzaría una intensidad capaz de dañar al diodo. Filtro a condensador en el rectificador de doble onda En este caso, el efecto producido por el condensador es el mismo, pero el tiempo de descarga se reduce a la mitad y consecuentemente la magnitud de los impulsos de corriente disminuye. La tensión de salida del circuito y la corriente serán idénticas a las obtenidas en el rectificador de media onda; ahora bien, al ser el doble la frecuencia de los semiciclos que llegan al condensador, la tensión de rizado será menor y se obtendrá una tensión más constante. Filtro en PI con resistencia 8

9 La particularidad de este filtro es que lleva dos condensadores de filtro, unidos por una resistencia que también podría ser una bobina. D1 R1 T1 C1 470uF 47ohm C2 470uF RL 330ohm D2 La carga y descarga del primer condensador produce un efecto como en el rectificador de media o doble onda con filtro a condensador. La resistencia entre ambos condensadores hace que se aplane aun más la señal, llegándole al segundo condensador una corriente relativamente constante. Por último, la carga y descarga de este último condensador, debido a la componente alterna, aplana todavía más las fluctuaciones y a la carga llegará una corriente continua relativamente pura. Estos filtros no son buenos porque, debido a la caída de tensión en la resistencia, disminuirá la tensión en la salida del circuito y es muy posible que ésta sea insuficiente. Se emplean únicamente cuando la corriente demandada sea pequeña (consecuentemente la caída de tensión será despreciable en la resistencia entre condensadores). Tal es el caso dado, por ejemplo, en la alimentación de alta tensión en los tubos de rayos catódicos en los que se necesita una alta tensión con una baja corriente. Doblador Un circuito multiplicador de tensión está formado por diversos rectificadores de media onda y condensadores dispuestos especialmente para entregar una tensión múltiplo de la recibida en su entrada. En el caso de un doblador, la tensión en la salida será, en principio, el doble de la tensión máxima de la señal de entrada. 9

10 C1 D2 10V 1kHz 0Deg V1 470uF D1 C2 470uF Cuando llega el semiciclo negativo, el primer diodo conduce pues queda polarizado directamente y se carga el primer condensador a la tensión máxima de entrada; durante este tiempo no conduce el segundo diodo. En el semiciclo positivo no conducirá el primer diodo, pues queda polarizado inversamente y se comportará como un circuito abierto, siendo el segundo diodo el que permitirá la conducción ya que está polarizado directamente y consecuentemente se cargará el segundo condensador (que es donde se toma la tensión de salida). Esta tensión de carga será la suma de la tensión en la entrada más la del primer condensador, siendo así la tensión total en la salida el doble de la señal máxima de entrada. Vsalida = 2xVentrada máxima 10

11 Si seguimos disponiendo diodos y condensadores iremos haciendo que la tensión de salida sea el triple, cuádruplo, etc. de la señal alterna de entrada. Estabilización Estabilizar una fuente de alimentación (como puede ser un rectificador de doble onda con filtro) consiste en conseguir que la tensión de salida sea siempre lo más constante posible, no viéndose afectada por los cambios que puedan producirse en la señal de entrada (tensión de la red), en los componentes de la propia fuente o en la corriente de salida (dependiendo esta última variación por los diversos valores de la carga). Al mismo tiempo, la propia estabilización consigue reducir notablemente el factor de rizado y por tanto proporcionar una señal de valor más constante. Para realizar la estabilización suele recurrirse al uso de diodos zener, transistores o circuitos integrados construidos para tal fin. Diodo zener como estabilizador Como en el caso del diodo rectificador, el diodo zener también es un elemento semiconductor compuesto por dos pastillas tipo P y N (ánodo y cátodo). R1 R3 20V 1kHz 0Deg V1 4 2 D2 1 10ohm C1 C2 220uF 330ohm 220uF D1 1N4737A 3 1G4B42 Si se polariza directamente se comporta como un diodo normal. Sin embargo, si se polariza inversamente presenta la característica de mantener entre sus extremos una determinada tensión, tensión de zener, de forma constante aun cuando aumente la tensión o la corriente en el circuito de aplicación. 11

12 Para que un diodo zener mantenga la tensión constante entre sus extremos es necesario que la diferencia de potencial aplicada al circuito sea superior a dicho valor. Una vez superado el valor zener, la tensión entre el ánodo y el cátodo será constante, y por este motivo puede emplearse para conseguir una determinada tensión fija en la salida de una fuente de alimentación. Si por cualquier circunstancia la tensión de entrada aumenta o disminuye, dicha variación se reflejará en la resistencia limitadora (330 ohmios), permaneciendo constante la tensión en el zener y por tanto en la salida. Cálculo de la resistencia limitadora y de carga mínimas Para mantener la tensión zener Vz constante es necesario que por el zener circule al menos la corriente de zener mínima Izmín. Para no dañar el zener, la corriente máxima que circule a través de él no deberá sobrepasar la corriente máxima de zener Izmáx. Teniendo en cuenta lo anterior, se pueden dar los siguientes casos. ** La resistencia de carga es infinita (circuito abierto o sin carga): R Limitadora V Entrada max I ZMáx V Z min >> Resistencia limitadora mínima << 12

13 Limitador FUNDAMENTO DE ELECTRÓNICA ** La resistencia de carga es muy pequeña (caso límite: cortocircuito): R V I R I Limitadora mín C arg a Máx V R I Entrada mín V Limitadora mín RLimitadora mín I Z C arg amín >>> Resistencia de carga mínima <<< IC arg a Máx Zmín Z Limitadores de tensión o recortadores son circuitos que emplean como elemento fundamental el diodo. Su misión es recortar la señal de entrada en un cierto sentido según se disponga el diodo y una tensión continua auxiliar. Podemos distinguir dos tipos de recortadores: Recortadores a un nivel y recortadores a dos niveles. Limitadores a un nivel Ejemplo a R1 1.0kohm D2 10V 1kHz 0Deg V1 V2 5V >>> Semiciclo positivo de la tensión de entrada: Cuando la tensión de entrada es menor que la tensión de la batería, el diodo queda polarizado inversamente (circuito abierto), con lo cual la tensión de salida es igual a la tensión de entrada (Vs=Ve). Cuando la tensión de entrada es mayor que la tensión de la batería, el diodo queda polarizado directamente (cortocircuito), siendo ahora la tensión de salida igual a la de la batería (Vs=5v). 13

14 >>> Semiciclo negativo de la tensión de entrada: FUNDAMENTO DE ELECTRÓNICA Tanto si la tensión de entrada es mayor o menor que la tensión de la batería, el diodo se encontrará polarizado inversamente (circuito abierto) y la tensión en la salida será igual a la de la entrada (Vs=Ve). Ejemplo b R1 1.0kohm D2 10V 1kHz 0Deg V1 V2 5V >>> Semiciclo positivo de la tensión de entrada: Cuando la tensión de entrada es menor que la tensión de la batería, el diodo se polariza directamente (cortocircuito) y consecuentemente la tensión de salida es igual a la tensión de la batería (Vs=5v). 14

15 Si la tensión de entrada es mayor que la de la batería, el diodo queda polarizado inversamente (circuito abierto) y consecuentemente la tensión en la salida será igual a la de la entrada (Vs=Ve). >>> Semiciclo negativo de la tensión de entrada: Tanto si la tensión de entrada es mayor o menor que la tensión de la batería, el diodo queda polarizado directamente y la tensión en la salida será la misma que la de la batería. Ejemplo c R1 1.0kohm D2 10V 1kHz 0Deg V1 V2 5V >>> Semiciclo positivo de la tensión de entrada: Tanto si la tensión de entrada es mayor o menor que la tensión de la batería, el 15

16 diodo queda polarizado inversamente y la tensión en la salida será la misma que la de la entrada (Vs=Ve). >>> Semiciclo negativo de la tensión de entrada: Cuando la tensión en la entrada es menor que la de la batería, el diodo se polariza inversamente y la tensión de salida será igual a la de la entrada (Vs=Ve). Si la tensión de entrada es mayor que la de la batería, el diodo queda polarizado directamente y en la salida tendremos la tensión de la batería (Vs= -5v). Ejemplo d R1 1.0kohm D2 10V 1kHz 0Deg V1 V2 5V >>> Semiciclo positivo de la tensión de entrada: Independientemente de que la tensión de entrada sea mayor o menor que la de la 16

17 batería, el diodo queda polarizado directamente y la tensión en la salida será la de la batería (Vs= -5v). >>> Semiciclo negativo de la tensión de entrada: Si la tensión de entrada es menor que la de la batería, el diodo queda polarizado directamente y la tensión en la salida será la de la batería (Vs= -5v). Cuando la tensión de entrada sea mayor que la de batería, el diodo será polarizado en inversa y en la salida tendremos la tensión de la entrada (Vs=Ve). Limitadores a dos niveles Ejemplo e R1 Vi 1.0kohm D1 D2 10V 1kHz 0Deg V1 5V V2 5V >>> Semiciclo positivo de la tensión de entrada: Cuando la tensión de entrada es menor que la tensión de las baterías, los diodos quedan polarizados inversamente y la tensión de salida es igual a la tensión de 17

18 entrada (Vs=Ve). FUNDAMENTO DE ELECTRÓNICA Cuando la tensión de entrada sea mayor que la de las baterías, el diodo 1 se polariza inversamente y el diodo 2 directamente, así que la tensión en la salida será la de la batería 2 (Vs=5v). >>> Semiciclo negativo de la tensión de entrada: Si la tensión de entrada es menor que las de las baterías, los diodos 1 y 2 quedarán polarizados inversamente y la tensión en la salida será la de entrada (Vs=Ve). En el caso de que la tensión de entrada sea mayor, el diodo 1 queda polarizado directamente y el diodo 2 inversamente; la tensión en la salida será la de la batería 1 (Vs=5v). Ejemplo f R1 1.0kohm Vz1 Vi 1N4733A 10V 1kHz 0Deg Vz2 1N4733A >>> Semiciclo positivo de la tensión de entrada: 18

19 El diodo zener 1 queda siempre polarizado directamente y el diodo zener 2 en inversa, pero cuando la tensión en la entrada sea menor que la tensión zener este diodo 2 todavía no conducirá como zener, comportándose como un circuito abierto y la tensión en la salida será la misma de la entrada (Vs=Ve). Cuando la tensión de entrada es mayor que la tensión de zener, diodo 2 está en zener y la tensión en la salida será igual a la tensión de zener (Vs=Vz2). Los diodos son de la misma tensión zener Vz=5v. >>> Semiciclo negativo de la tensión de entrada: Ocurre lo mismo que en el semiciclo positivo pero cambia la conducción de los diodos. Vs=Vz1= -5v. Ejemplo g R1 Vi 1.0kohm D1 D2 10V 1kHz 0Deg V1 4V V2 6V >>> Semiciclo positivo de la tensión de entrada: 19

20 Cuando la tensión de entrada es menor que la tensión de las baterías, el diodo 1 queda polarizado en directo y el diodo 2 en inverso; la tensión en la salida será igual a la de la batería 1 (Vs=V1=4V). Cuando la tensión de entrada es mayor que la tensión de la batería 1 (4v) y menor que la de la batería 2 (6v), los diodos estarán polarizados en inverso y la tensión en la salida será igual a la de entrada (Vs=Ve). Cuando la tensión de entrada es mayor que la de las dos baterías, el diodo 1 estará en inverso y el diodo 2 estará en directo, siendo la tensión en la salida igual a la de la batería 2 (Vs=V2=6v). >>> Semiciclo negativo de la tensión de entrada: Siempre el diodo 1 estará polarizado en directo y el diodo 2 en inverso, con lo cual la tensión en la salida será igual a la de la batería 1 (Vs=V1=4v). 20

21 CIRCUITOS DE ENCLAVAMIENTO (CLAMP CIRCUITS) FUNDAMENTO DE ELECTRÓNICA En ciertas aplicaciones se requiere que la señal, sin perder su forma de onda original, se mantenga confinada sobre o bajo un voltaje especificado de umbral; para el propósito se agrega a la señal un nivel continuo tal que impida que sus PICOS excedan el umbral especificado. La función es normalmente realizada en base a diodos. El circuito de la figura enclava los picos positivos de la señal de entrada en -5V (tensión de batería). Considerando el diodo como ideal y el condensador muy grande, las excursiones positivas de Vs(t) cargan el condensador al valor pico, a través de la conducción del diodo. Al disminuir la tensión de entrada el diodo asume estado OFF (circuito abierto) y la salida estará dada por: V O ( t) V ( t) V Las curvas de la figura suponen V S (t)= 10sen(wt) Es posible naturalmente producir el enclavamiento en diferentes combinaciones de pico enclavado (positivo o negativo) y el voltaje al cual se enclava (positivo o S C 21

22 negativo), por medio de diferentes polaridad de la batería y orientación (sentido) del diodo. Como criterio de diseño inicial se elige el producto RC (constante de tiempo) un orden de magnitud mayor que el período de la señal de entrada (T = 2 /w). 22