Tema 6. El diodo. Índice. 1. Introducción Principios de funcionamiento del diodo Estructura y funcionamiento del diodo...

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1 El diodo Tema 6 Índice 1. Introducción Principios de funcionamiento del diodo Estructura y funcionamiento del diodo Modelo de gran señal y características estática Modelos de gran señal linealizados Polarización del diodo Resolución mediante uso del modelo de gran señal Resolución mediante simulación Resolución mediante el uso de modelos linealizados Comportamiento dinámico del diodo Hojas de características Tipos de diodos El diodo rectificador El diodo Zener El diodo Schottky Rectificación de ondas Rectificación de media onda Rectificación de onda completa Rectificación de media onda con condensador Regulación de tensión Rectificador regulado con diodo Zener... 31

2 1. Introducción Los diodos son dispositivos de dos terminales capaces de realizar una función electrónica muy simple. Su estructura está basada en la unión de dos materiales con diferentes propiedades. Ambos materiales pueden ser semiconductores, y en ese caso de habla de diodos de unión pn, o un metal y un semiconductor, teniéndose entonces un diodo Schottky. En este capítulo se analizará la estructura de un diodo, su característica tensión-corriente, así como aspectos relacionados con su utilización, como son sus características de catálogo (datasheet), su efecto en un circuito eléctrico, así como diversas aplicaciones en las que los diodos juegan un papel fundamental. Al finalizar este capítulo, el alumno debe ser capaz de: - Entender las expresiones, curvas y parámetros que describen el funcionamiento del diodo. - Conocer los diferentes modelos usados para describir este funcionamiento. - Identificar la información incluida en las hojas de catálogos. - Utilizar los modelos anteriores y las hojas de catálogo para resolver problemas sencillos donde intervengan diodos. - Analizar un circuito compuesto por componentes eléctricos elementales tales como fuentes, resistencias, y electrónicos como diodos. - Identificar y analizar los circuitos de aplicación básica de un diodo. 2. Principios de funcionamiento del diodo Un diodo se puede considerar como un dispositivo electrónico que deja pasar corriente en un único sentido. Existen dispositivos que cumplen funciones muy similares en otros campos de la técnica, y que pueden servir de ejemplo para entender su funcionamiento. En neumática, las válvulas antirretorno dejan pasar el aire en un sentido, evitando el paso en sentido contrario. De esta forma, introduciendo una de estas válvulas en el tubo por donde se inyecta aire en un estanque lleno de agua, un compresor podrá realizar su trabajo sin miedo a que el agua retorne por el tubo cuando éste deje de impulsar aire. a) b) Figura 1: Válvula antirretorno a) y aplicación en la aireación de un estanque b). A diferencia de una resistencia, donde el paso de corriente puede ser en cualquiera de los dos sentidos, un diodo se comportará como un interruptor cerrado en el caso de que la corriente acceda en el sentido correcto. Sin embargo, su forma de funcionamiento cambiará automáticamente cuando la corriente intente acceder en 2

3 el sentido contrario, pasando a comportarse como un interruptor abierto. Cuando un dispositivo responde a este tipo de comportamiento se dice que tiene carácter rectificador. a) b) Figura 2: Corriente bidireccional de una resistencia a) y unidireccional de un diodo b). 3. Estructura y funcionamiento del diodo Un diodo es un dispositivo de dos terminales en cuya estructura existe una única unión de dos materiales diferentes. La unión más común es la formada por un semiconductor tipo p y otro tipo n, pero no es la única. Uniones metal-semiconductor y otras más complejas, como la unión PIN también son utilizadas para fabricar este dispositivo. a) b) Figura 3: Estructura y símbolo eléctrico de un diodo de unión pn. El diodo de unión pn es el resultado de unir un semiconductor tipo p y otro tipo n, añadirle dos terminales (cátodo y ánodo) y finalmente encapsularlo. En la Figura 3 se muestran la estructura anterior y el símbolo eléctrico del diodo, así como las referencias de tensión (V D) y corriente (I D) utilizadas en el análisis del dispositivo. Dependiendo de la aplicación su apariencia externa puede variar, tal y como muestra la Figura 4. Figura 4: Diversos encapsulados para el diodo. 3

4 3.1. Modelo de gran señal y características estática La relación existente entre la tensión aplicada al diodo y la corriente que circula por él [I D = I D (V D)] es la correspondiente a la de una unión pn. La ecuación exponencial (1) se denomina modelo de gran señal, y en ella v D e I D es la tensión y corriente del diodo, I 0 (o I R o I S) la corriente inversa de saturación y V T = KT/q el potencial equivalente de temperatura (0,025 V a temperatura ambiente). = 1 (1) Al comportamiento exponencial anterior hay que añadirle el efecto de ruptura provocado por los fenómenos de Avalancha y Túnel, que hacen que la corriente inversa aumente bruscamente cuando se alcanza una cierta tensión negativa (V Z o V BR) en los terminales del diodo. Teniendo en cuenta esto último, la representación gráfica del comportamiento del diodo se muestra en la Figura 5. Figura 5: Característica estática del diodo. Esta curva se denomina característica estática del diodo, y en ella se distinguen tres regiones bien diferenciadas; polarización directa, polarización inversa y ruptura. Las dos primeras responden a la relación exponencial entre I D y V D, y le dan el carácter rectificador al diodo, mientras que la región de ruptura es causada por los fenómenos túnel y avalancha comentados anteriormente. En resumen, en la característica estática se pueden distinguir las tres zonas siguientes: Polarización directa > 0 > 0, = Polarización inversa < < 0 < 0, ~0, ~ 1 Ruptura < < 0, ~ 4

5 En la curva de la Figura 5 se definen varios parámetros característicos: - Si se incrementa la tensión del diodo V D partiendo de cero, observaremos como la corriente i D que lo atraviesa es muy pequeña, casi nula, para las primeras décimas de voltios. Debido al carácter exponencial de la curva, llegará un momento en el cual se observará cómo la corriente empieza a aumentar de forma considerable. La tensión a la que comienza a observar corriente se denomina tensión umbral (V T) (por su inicial en inglés, threshold). - Los diodos están diseñados para trabajar en unas condiciones de funcionamiento típicas. Así, la tensión y corriente en directa para las cuales está diseñado un diodo se denotan por V F e I F (por su inicial en inglés, forward). En la práctica las tensiones umbral y directa suelen tomarse iguales. Para un diodo de germanio la tensión en directa se encuentra alrededor de 0,3 V mientras que para uno de silicio asciende hasta los 0,7 V. - Si desde cero vamos aplicando una tensión V D negativa se observa que la corriente i D que atraviesa el diodo también es negativa, pequeña (casi nula) y prácticamente independiente de la tensión aplicada. Esta corriente se denomina corriente de fuga o de saturación inversa (I R) (por su inicial en inglés, reverse) o I 0. - La corriente en polarización inversa continúa siendo prácticamente constante y negativa hasta alcanzar la tensión Zener o de ruptura (V Z o V BR o PIV). A partir de esa tensión el valor de la corriente comienza a aumentar bruscamente, permaneciendo la tensión del diodo aproximadamente constante. - La potencia instantánea que disipa un diodo es P(t) = V D I D, siendo V D e I D la tensión aplicada al diodo y la corriente que lo atraviesa en ese instante. La máxima disipación potencia representa en máximo valor que puede alcanzar el producto tensión por corriente antes de que el diodo pueda ser dañado por el calor. La potencia máxima (P max) se define para una cierta temperatura ambiente y puede variar si la temperatura cambia. Dado que las tensiones en directa (V F) y ruptura (V BR) permanecen casi constante, la limitación en potencia supone, en la práctica, una limitación en la corriente máxima que puede atravesar el diodo. - La corriente máxima en directa (I F max) será aquella determinada por la potencia máxima estando el diodo en conducción (directa). Dependerá del modo de funcionamiento al que esté sometido el diodo (continuo o pulsado). Cuando las corrientes son excesivamente altas, y dependiendo del material semiconductor, se producen desviaciones de los valores reales respecto a los que predice la ecuación (1), por lo que hay que introducir un parámetro para que la ecuación siga siendo válida. De esta forma, la exponencial quedaría como sigue. = 1 (2) Donde es el factor de idealidad, que varía entre 1 y 2 dependiendo del material y la temperatura. En líneas generales =1 para el germanio y el silicio a bajos niveles de corriente, y =2 para el silicio para pequeñas corrientes. 5

6 Ejemplo: Para una unión de silicio se tiene una corriente inversa de saturación = 10, mientras que para una de germanio es de = 0,1. Aplicando una tensión de = 1 a temperatura ambiente (300 K), las corrientes que circulan por ambas uniones son: (), = (0 1) = 10 (), = 0,1 1 0,1 (0 1) = 0,1 En el caso de que la tensión sea de = 0,2 (),, = ,8 (),, = 0,1 1 2,98 Para el silicio, en el caso de que la tensión sea de = 0,6, habría que usar la aproximación =2 (),, = ,6 Mientras que para el germanio sigue siendo válido =1 (),, = 0,1 1 2,6 La corriente resultante en la unión de germanio resulta ser extraordinariamente elevada, lo cual no es admisible. Este valor tan alto se puede entender si tenemos en cuenta el rápido crecimiento de la curva una vez alcanzado el valor umbral, que en el caso del germanio es de aproximadamente 0,3 V. I D (ma) T 2 =100º C Región de polarización directa T 1 =27º C (V) 2 V BR2 V BR ,3 0,5 (V) Región de polarización inversa Región de ruptura IR1 I R2 2 3 (µa) V T2 V T1 V D Figura 6: Dependencia de la característica estática del diodo con la temperatura. La característica estática depende fuertemente de la temperatura (Figura 6). Un incremento de temperatura 6

7 - Aumenta la corriente inversa de saturación I 0. - Disminuye la tensión umbral V T. - Aumenta la tensión de ruptura V BR. - Disminuye la potencia máxima que puede disipar P max, y por tanto la corriente máxima en directa I F max que puede soportar Modelos de gran señal linealizados La característica estática del diodo representa su modelo eléctrico de gran señal, donde el término gran señal se refiere al rango de validez del modelo. Para cualquier valor de tensión aplicada, la corriente que atraviesa el diodo viene determinada por la expresión exponencial que define la curva. Figura 7: Diversos puntos de funcionamiento de un diodo. La expresión exponencial introduce bastante complejidad en el análisis en aquellos circuitos donde aparece algún diodo, por lo que se han desarrollado algunos modelos eléctricos procedentes de la linealización de la característica estática. Figura 8: Modelos linealizados del diodo, con V T > 0, V T = 0 y resistencia en serie. En la Figura 8 A, b y c aparecen tres aproximaciones lineales con diferentes grados de precisión. En el primer caso, las tres zonas de funcionamiento del diodo se pueden expresar matemáticamente de forma sencilla, tal y como aparece en la Tabla 1. La zona de conducción se caracteriza por tener una tensión constante igual a la tensión umbral (V T) o en directa (V F) y una corriente positiva, actuando el diodo como una fuente de tensión 7

8 positiva (V T o V F). Cuando el dispositivo está en ruptura tanto la corriente como la tensión del diodo son negativas, siendo éste equivalente a una fuente de tensión de valor -V Z. La zona de corte se encuentra entre ambos casos, correspondiéndole una corriente nula y una tensión limitada por los valores V D = 0 y V D = -V Z. En la Figura 9 se muestran los circuitos equivalentes al diodo, para esta aproximación, en las tres zonas señaladas. Conducción I D > 0 V D = V T Corte I D = 0 -V Z < V D < V T Ruptura I D < 0 V D = -V Z Tabla 1: Modelo con VT > 0. Figura 9: Modelo equivalente lineal con VT > 0. La utilización del modelo anterior supone introducir un cierto error en el cálculo de las tensiones y corrientes del circuito. En determinadas aplicaciones, como en casos de rectificación de la tensión de red, se puede considerar despreciable la tensión umbral del diodo frente al resto de las tensiones del circuito, lo que supone asumir la tensión V T igual a cero (V T = 0). En la Tabla 2 aparecen las ecuaciones modificadas, y en la Figura 10 se puede observar el cambio del modelo equivalente en conducción. Los errores que resultan de usar este modelo más simple son mayores, aunque pueden no ser importantes siempre que las tensiones involucradas en el circuito sean mucho mayores que la tensión umbral V T. Conducción I D > 0 V D = 0 Corte I D = 0 -V Z < V D < 0 Ruptura I D < 0 V D = -V Z Tabla 2: Modelo con VT = 0. Figura 10: Modelo equivalente lineal con VT = 0. Cuando se quiere obtener mayor precisión en la resolución del problema se puede acudir a un modelo algo más preciso. En la zona de conducción se introduce una resistencia en serie (R S) con la fuente de tensión V T. 8

9 El valor de esta resistencia es de algunos ohmios, lo suficiente para reducir la pendiente infinita de la recta vertical que define esta zona de funcionamiento. La nueva recta, con pendiente muy elevada, recrea de forma más fiel el leve aumento de tensión que experimenta el diodo cuando se incrementa la corriente que circula por él. La Tabla 3 y la Figura 11 recogen las ecuaciones y circuitos eléctricos equivalentes de este modelo. Conducción I D > 0 V D = V T + I D R S Corte I D = 0 -V Z < V D < V T Ruptura I D < 0 V D = -V Z Tabla 3: Modelo con VT > 0 y R serie. Figura 11: Modelo equivalente con VT > 0 y R serie. La dependencia exponencial de la corriente de un diodo con la tensión aplicada hace peligrar su integridad cuando se conecta una fuente de tensión directamente a los terminales del dispositivo. Un pequeño aumento de la tensión de fuente provoca grandes aumentos de corriente y de potencia disipada. La utilización del diodo en un circuito suele implicar la conexión de alguna resistencia en serie que limite su corriente. 4. Polarización del diodo Cuando se aplica una tensión V D a un diodo, la corriente I D viene determinada por la característica exponencial. La pareja de valores (V D, I D) constituirá el punto de funcionamiento del diodo. Cualquier punto de funcionamiento será válido siempre y cuando pertenezca a la característica estática, y no supere los niveles de potencia disipada máxima. Figura 12: Ejemplo de circuito de polarización de un diodo. El proceso consistente en fijar los valores de tensión y corriente deseados para un dispositivo se llama polarización, y los circuitos encargados de hacerlo se llaman circuitos de polarización. En la Figura 12 se tiene un circuito constituido por una fuente de tensión, una resistencia y un diodo rectificador. 9

10 4.1. Resolución mediante uso del modelo de gran señal Tal y como se ha comentado anteriormente, las variables V D e I D del diodo deben cumplir la ecuación exponencial correspondiente a su modelo de gran señal. = 1 Por otro lado, de un análisis del circuito mediante la 2ª ley de Kirchhoff se deduce, + + = 0 = 1 + La expresión anterior corresponde a una recta con pendiente negativa ( 1 ) y término independiente ( ). La recta corta al eje X en V D = V CC y al eje Y en I D =. Suponiendo que la fuente de tensión tiene un valor V CC positivo, la recta de carga cortará a la exponencial, dentro de la zona de polarización directa o conducción, en el punto (V 1, I 1). Figura 13: Polarización directa de un diodo. La Figura 13 muestra el resultado cuando la tensión de la fuente adopta el valor de V CC = 12 V y la resistencia R = 1K. Un aumento de la tensión V CC desplaza la recta de carga hacia arriba, de forma paralela, produciendo un incremento de la corriente del diodo que puede llegar a ser importante. Sin embargo, la tensión de éste no experimenta grandes cambios. Figura 14: Efecto de un aumento de Vcc en el circuito de polarización. De la misma forma, una disminución de la resistencia R provoca un aumento de la pendiente de la recta de carga. El punto de corte en el eje Y asciende y el resultado sobre la corriente y tensión del diodo es similar. 10

11 Figura 15: Efecto de una disminución de R en el circuito de polarización. Por último, si el valor de la fuente de tensión V CC pasa a ser negativo la intersección entre ambas curvas se traslada hacia el tercer cuadrante de la gráfica (I, V). El punto de polarización se interna en la zona de polarización inversa o corte, siendo la corriente del diodo prácticamente nula y cayendo prácticamente toda la tensión de la fuente entre los extremos del diodo (V D = V CC). Particularizando para V CC = -12 V y R = 1K se obtiene el resultado de la Figura 16. Figura 16: Efecto de una Vcc negativa en el circuito de polarización. A pesar de ser un circuito sencillo, el sistema de 2 ecuaciones y 2 incógnitas anterior es difícil de solucionar debido a su carácter exponencial. Para obtener los valores de corriente y tensión del diodo hay que acudir a soluciones numéricas obtenidas en programas de simulación, o bien al uso de aproximaciones lineales que simplifiquen el sistema de ecuaciones introduciendo un error admisible Resolución mediante simulación Existen diferentes programas de simulación de circuitos que nos permiten obtener una solución numérica. El más popular es SPICE (Simulation Program with Intergrated Circuits Emphasis), desarrollado originalmente por la Universidad de California (Berkeley) en SPICE utiliza un lenguaje específico para describir el circuito y los tipos de análisis que se pretenden realizar. Numerosas empresas y organizaciones educativas han desarrollado entornos de programación basados en el programa SPICE. Muchos de ellos incluyen editor de esquemáticos y entornos gráficos de simulación y representación de resultados que facilitan la interacción con el usuario. Además de las versiones con licencias profesionales, se ofrecen versiones de evaluación gratuitas, limitadas en el número de dispositivos que se pueden utilizar, en la potencia de cálculo y, a veces, en el tiempo de utilización de la licencia. 11

12 El esquema de la Figura 17 representa el circuito anterior, y ha sido realizado con la versión de evaluación de uno de estos programas de simulación. El circuito se ha particularizado para una alimentación de V CC = 12 V, una resistencia R = 1K y un diodo rectificador 1N4148. Las características de catálogo del diodo dan una corriente inversa de saturación máxima de 25 na a T = 27 o C y con una tensión inversa de V R = -20 V, así como una tensión umbral máxima V T = 0,72 V para una corriente en directa de 5 ma. Parámetro Condiciones Valor máx. V F I F = 5 ma 0,72 V I R V R V R = 20 V T = 25 o C 25 na 75 V Figura 17: Circuito a simular. El punto de polarización (Operation Point) del circuito se muestra en la Figura 18a. La tensión del diodo es de 0,724 V y la corriente que lo atraviesa I D = 11,276 ma. En la Figura 18b aparece el resultado cuando la fuente de tensión cambia su valor a V CC = -12 V. En este caso la corriente pasa a ser de I D = -10,6 na y prácticamente toda la tensión de la fuente cae en el diodo. Figura 18: Cálculo del punto de operación Resolución mediante el uso de modelos linealizados En el sistema de ecuaciones se puede sustituir la característica exponencial del modelo de gran señal del diodo por alguna de las aproximaciones lineales anteriores. Para el caso de polarización directa que se está considerando (V CC = 12 V y R = 1K) y eligiendo el modelo linealizado con V T = 0,7 V y RS = 0, queda = 0,7 = 12 0,7 1 (%) = (%) = = 11,3 11,3 11, = 0,2% 11,3 0,724 0,7 100 = 0,3% 0,724 12

13 Utilizando este modelo, la tensión del diodo se aproxima a 0,7 V y de aquí se calcula fácilmente la corriente, que resulta ser de 11,3 ma. El error cometido en la corriente, respecto a la solución simulada, es del 0,2% y el de tensión del 0,3% por lo que la aproximación resulta ser aceptable. Si se considera una tensión en directa nula (V T = 0 V) los errores son superiores, y en particular el de la tensión del diodo. = 0 = 12 0 = ,276 (%) = 100 = 6% 12 (%) = 0, = 100% 0,724 El procedimiento anterior supone conocido el estado del diodo. Sin embargo, a la hora de resolver un circuito esto no suele ser lo normal, por lo que hay que realizar una hipótesis sobre el funcionamiento del diodo. Una vez halladas las tensiones y corrientes del circuito se puede comprobar la hipótesis realizada y validar los resultados. El procedimiento se puede resumir así: 1) Fijar las referencias de tensión y corriente para los dispositivos y plantear las ecuaciones del circuito. 2) Suponer un estado para el diodo. Esto supone dar por conocida una de las variables del diodo. Si el estado es conducción la tensión del diodo será V D = V T. Si el estado es corte la corriente del diodo será I D = 0. 3) Sustituir en las ecuaciones del circuito la variable conocida y hallar la desconocida. Si el estado supuesto es conducción, hallar la corriente del diodo I D. Si el estado supuesto es corte, hallar la tensión del diodo V D. 4) Comprobar que el estado supuesto es el correcto. Si el estado supuesto es conducción debe cumplirse que I D > 0. Si el estado supuesto es corte debe cumplirse que V D < V T. 5) En caso de que la suposición no sea correcta, volver a 2 suponiendo el estado contrario. Ejemplo: Hallar los parámetros de funcionamiento del circuito de la Figura 17 si V CC = -12 V, R = 1 K y la tensión en conducción del diodo es V T = 0,7 V. 1) Suponiendo el diodo en conducción entonces V D = V T = 0,7 V. 2) Por la segunda ley de Kirchhoff = 12 0,7 1 = 12,7 3) En este caso I D = -12,7 ma < 0, por lo que no se cumple la condición I D > 0. Luego la hipótesis elegida no es correcta. Nuevamente: 1) Suponiendo el diodo en corte se conoce que I D = 0. 2) La segunda ley de Kirchhoff proporciona la tensión del diodo 13

14 = = 12 0 = 12 3) Como V D = -12 V < V T = 0,7 V nueva hipótesis es correcta y los parámetros del diodo son: = 12 ; = 0 5. Comportamiento dinámico del diodo Cuando las condiciones de funcionamiento no son estáticas hay que añadir los efectos dinámicos provocados por las capacidades de transición y difusión. A efectos prácticos, una unión pn real se puede representar como una unión pn ideal, cuyo comportamiento viene dado exclusivamente por la característica estática, más dos capacidades en paralelo, C D y C T. Figura 19: Diodo ideal en paralelo con las capacidades de difusión y transición. El valor de las capacidades de transición y difusión dependen del estado de polarización de la unión. Aunque el valor de ambas aumenta con la tensión aplicada a la unión, C T lo hace con (V 0 - V D) -1/2 y C D de forma exponencial. Tal y como se muestra en la Figura 20, la capacidad de transición es dominante en polarización inversa, mientras que la capacidad de difusión lo es en polarización directa. Figura 20: Capacidades de difusión y transición en diferentes estados de polarización. Ejemplo: La capacidad de difusión de una unión pn de silicio anterior es C D = 2 nf cuando está polarizada directamente con una tensión de V D = 0,6 V. Calcular las corrientes asociadas a las variaciones de tensión aplicada, si éstas obedecen a la ecuación = 0,1 (250) V. La tensión total aplicada a la unión será 14

15 = + = 0,6 + 0,1 (250) V. La corriente dinámica debido a las capacidades C D y C T será = ( + ) = ( ) 0,1 (250) = ,1 250 (250)/ = 20 (250) Luego una fluctuación senoidal de 0,1 V de amplitud a 50 Hz provoca una corriente, también senoidal, de 20 na de amplitud y la misma frecuencia. La corriente total será la suma de la componente de 50 Hz y la componente continua producida por la tensión = 0,6. = + = 1 + ( + ) = 1, (250 ) En el caso de que la tensión aplicada variase a 5 MHz, = 0,1 (25 10 ) V, la corriente dinámica sería de = 2 0,1 (25 10 ) = , (25 10 )/ = 2 (25 10 ) Es decir, una corriente también senoidal con una amplitud de 2 ma ( veces mayor que en el caso anterior). La corriente total será ahora = + = 1 + ( + ) = 1,6 + 2 (25 10 ) Mientras que a 50 Hz la componente dinámica tiene una amplitud de 20 na, y se puede considerar despreciable frente a la componente continua, a una frecuencia de 5 MHz esa amplitud es 2 ma, del mismo orden que la componente continua. Se puede decir que para ese diodo 50 Hz es un régimen casiestacionario, las capacidades no afectan a su comportamiento y el modelo estático sigue siendo válido. Por otro lado, la frecuencia de 5 MHz se considera alta, las capacidades juegan un papel fundamental en la corriente del diodo, y la característica estática no es válida para predecir el comportamiento del diodo. 15

16 6. Hojas de características La mayoría de los parámetros definidos anteriormente, y otros como tiempo de recuperación inversa y rango de temperatura de operación, aparecen en las hojas de características (datasheet) de los fabricantes, y sirven para seleccionar el dispositivo más adecuado a la aplicación que se esté considerando. La hoja de características de un dispositivo semiconductor suele estar estructurada en varias secciones, que incluyen información general de producto, parámetros de funcionamiento y curvas características. A continuación, se comentan las características de catálogo que ofrece el fabricante NXP Semiconductors para sus diodos de alta velocidad de respuesta 1N4148. Entre la información general que el fabricante suministra sobre el producto suele estar: - Tipo de dispositivo (High-speed diodes). - Número de referencia que identifica el tipo concreto de diodo del que se trata (1N4148 y 1N4448). - Características principales que puedan servirnos para descartar o seleccionarlo en una primera aproximación, tales como tipo de encapsulado (SOD27 o DO-35), algunos valores de tensión, corriente o tiempo de respuesta característico (4 ns de tiempo de conmutación, Tensión y corriente máximas en inversa). 16

17 - Tipo de aplicación a la que suele ir destinado (General o conmutación a altas velocidades). - Descripción del producto mediante un pequeño texto explicativo, una imagen o esquema del dispositivo e información para realizar la compra. Los parámetros de funcionamiento se clasifican en tres tablas diferentes. En la mayoría de estos parámetros se indican las condiciones en las cuales se ha realizado la medida, y se distinguen entre valores máximos, mínimos y típicos. - Valores límites o máximos aplicables al dispositivo. Entre ellos están las máximas tensiones inversas (V R y V RR) y corrientes en directa (I F, I FRM e I FSM), soportadas en diferentes circunstancias (continua, repetitiva o un único pulso), máxima potencia capaz de disipar (P tot), temperaturas máxima y mínima de almacenamiento (T stg), y máxima temperatura soportada por la unión (T j). - Características eléctricas de funcionamiento, tanto en polarización directa como en inversa (corrientes (I R) y tensiones (V F)), así como parámetros típicos que definen el comportamiento del dispositivo en conmutación (capacidades parásitas (C d) y tiempos de recuperación (t r)). 17

18 - Por último, una serie de características térmicas que suelen incluir las resistencias térmicas entre la unión y, el encapsulado o el ambiente exterior. Las resistencias térmicas (R th) permiten calcular la temperatura que experimenta la unión en función de, la potencia que está siendo disipada por el dispositivo y la temperatura ambiente o del encapsulado. Las curvas proporcionadas dependen del fabricante del dispositivo. En este caso se suministran las siguientes. - La máxima corriente admisible en polarización directa en función de la temperatura ambiente (I F de la tabla de valores máximos aplicables). - La zona de polarización directa de la característica estática I D(V D) para varias temperaturas. 18

19 - La variación de la máxima corriente en directa de forma pulsada no repetitiva en función de la duración del pulso (I FSM). - La variación de la corriente de saturación inversa (I R) en función de la temperatura de la unión. - La variación de la capacidad parásita del diodo (C D) en función de la tensión aplicada. 19

20 7. Tipos de diodos Existen varios tipos de diodos, cada uno de ellos con unas características eléctricas adecuadas para uno o varios tipos de aplicación concreta El diodo rectificador Un diodo rectificador está diseñado para ser utilizado en las regiones de polarización directa (conducción) e inversa (corte), pero no en la zona de ruptura. En la Figura 21 se muestra el símbolo eléctrico de este tipo de diodo, así como las referencias de tensión y corriente utilizadas. Figura 21: Símbolo eléctrico del diodo rectificador. Los diodos rectificadores tienen una tensión de ruptura muy alta. Debido a esto, cualquier corriente negativa de valor apreciable que pueda circular por él provocaría una disipación de potencia muy elevada. En definitiva, los diodos rectificadores corren el riesgo de destruirse en cuanto se internan en la zona de ruptura, por lo que en la práctica se considera que ésta es una región de funcionamiento prohibido. Los diodos rectificadores suelen ser de silicio, o germanio y entre sus características de catálogo están: Tensión directa (V F) del orden de 0,7 V para los de silicio y 0,3 V para los de germanio. Corriente inversa (I r). El rango de variación de esta corriente va desde los na para temperaturas de la unión de pocos grados centígrados hasta los A para varios cientos de grados. Para diodos de características similares, los de germanio tienen una corriente inversa mayor que los de silicio. Tensión de ruptura (V BR) superior para los de silicio (1000 V) que para los de germanio (400 V). Temperatura máxima de funcionamiento (T max). Los diodos de silicio pueden usarse en aplicaciones en las cuales se alcancen temperaturas de 200º C mientras que en los de germanio éstas no llegan a los 100º C. Aunque la menor tensión directa del germanio frente al silicio pueda significar una ventaja, las mayores corrientes inversas y las relativamente bajas tensiones de ruptura hacen de los diodos de silicio los más utilizados para aplicaciones como las de rectificación de ondas, donde los diodos alternan continuamente entre las regiones de conducción y corte El diodo Zener A diferencia del diodo rectificador, el diodo Zener está diseñado para trabajar en las tres zonas de funcionamiento de la característica estática. Suele incluirse como limitador de tensión en diferentes aplicaciones electrónicas, como en los reguladores de tensión, haciendo funcionar el diodo en la zona de ruptura. La Figura 22 muestra el símbolo eléctrico del diodo Zener. 20

21 Figura 22: Símbolo eléctrico del diodo Zener. La estructura de un diodo Zener contiene una unión pn fuertemente dopada, lo que provoca que a cierta tensión, debido al efecto Túnel, se eludan los mecanismos de rectificación. Controlando la intensidad del dopado se consigue variar la tensión de ruptura dentro de un rango de 1,2 y 200 voltios con potencias máximas de 0,25 a 50 W. Figura 23: Zona de ruptura de un diodo Zener. Los parámetros característicos que se pueden encontrar en las hojas de catálogo son muy similares a los de los diodos rectificadores, si bien en los diodos Zener aparecen además los siguientes (Figura 23): - Tensión Zener nominal (VZ), tensión típica promedio para la que está diseñado el diodo. - Corriente de prueba (IZT), corriente para la cual el diodo disipa ¼ de la potencia nominal. - Corriente reguladora mínima (IZK), corriente que circula por el diodo en el punto de inflexión entre las zonas de ruptura y corte. - Corriente reguladora máxima (IZM), máxima corriente admisible por el diodo dentro de la zona de ruptura. El fabricante NXP Semiconductors ofrece la serie NZX de diodos zener con tensiones nominales de ruptura entre 2,1 y 18 voltios con unas corrientes de funcionamiento de I Z = 5 ma, y entre 20 y 36 voltios con una corriente de I Z = 2 ma El diodo Schottky Un diodo Schottky es un dispositivo electrónico formado por una unión rectificadora metal-semiconductor. El metal se deposita generalmente en un semiconductor tipo n, ya que la movilidad de los electrones suele ser más grande que la de los huecos, alcanzándose corrientes mayores (Figura 24). 21

22 Figura 24: Estructura de un diodo Schottky. Entre las características eléctricas del diodo Shottky están: - Tensión umbral baja. Del orden de 0,2 V. - Tiempo de conmutación bajo. Puede ser menor de 1 ns. Debido a que las corrientes están formadas prácticamente por portadores mayoritarios, no existen tiempos de almacenamiento ni capacidades de difusión. Sí existirán capacidades de transición. - Corriente inversa mayor que en el diodo de unión pn. - Tensión de ruptura menor que en el diodo de unión pn. El símbolo de un diodo Schottky se muestra en la Figura 25. Debido a su baja tensión de ruptura y alta corriente en inversa, este diodo no es utilizado en funciones rectificadoras. La principal ventaja es su tiempo de conmutación, que lo hace ideal para aplicaciones de alta frecuencia. Figura 25: Símbolo eléctrico del diodo Schottky. 8. Rectificación de ondas La rectificación es la aplicación más conocida donde se utilizan diodos, y su objetivo fundamental es modificar la componente continua de una señal. Una onda periódica es aquella que se repite cada intervalo T, llamado periodo. Matemáticamente se puede expresar diciendo que () = ( + ). Para una onda periódica v(t) se definen el valor medio (V m) o componente continua (V DC), el valor eficaz (V ef), valor pico a pico (V pp) y el factor de rizado (f r) como: = 1 () = 1 () 100 Para una onda senoidal genérica () = (2), con amplitud Vp y frecuencia f, el cálculo de los parámetros anteriores da los siguientes resultados. 22

23 Figura 26: Onda periódica senoidal. = 1 () = = 1 () = = 100 = El valor medio o componente de continua evalúa la cantidad de área neta que encierra la curva en un periodo de onda. Como era de esperar, una onda sinusoidal pura tiene una componente continua nula (V DC = 0 V). En un periodo de onda T, la cantidad de área negativa de la onda es compensada por el área positiva en el cálculo de la integral. Pero, mientras que el valor medio tiene un claro significado, el valor eficaz necesita ser interpretado más detenidamente. Para ello se compararán las potencias disipadas por dos resistencias iguales en dos circuitos diferentes. En el primero se tendrá la resistencia R y la fuente senoidal () = (2). En el segundo se sustituye esta última por una fuente de tensión continua de valor 2 = / 2, que resulta ser el valor eficaz de la onda senoidal anterior. Figura 27: Resistencia alimentada por una fuente de tensión senoidal. Figura 28: Resistencia alimentada por una fuente de tensión continua. La potencia instantánea disipada por las resistencias en ambos circuitos es: Circuito con fuente senoidal Circuito con fuente continua () = = = () () = = = 2 = 2 23

24 Mientras que la potencia media será: Circuito con fuente senoidal Circuito con fuente continua = 1 () = 1 () = = 1 () = = 1 1 () = = = En conclusión, la tensión eficaz de una fuente periódica será aquella que tendría una fuente de continua que cediese la misma potencia media a una resistencia. En el cálculo de la tensión eficaz se eleva la tensión al cuadrado, por lo que tanto las áreas positivas como las negativas contribuyen aumentando el valor de la integral Rectificación de media onda El circuito de la Figura 29, constituido por una fuente senoidal () = (2), una resistencia R y un diodo, realiza las funciones de un rectificador de media onda. Figura 29: Rectificador de media onda. Suponiendo el diodo ideal (V F = 0), para el periodo positivo de la senoidal el diodo estará polarizado directamente, mientras que para el periodo negativo la polarización será inversa. Polarización directa, con (() > 0) Polarización inversa, con (() < 0) = 0 = 0 = () = () = = 0 24

25 Luego sobre la resistencia sólo aparecerá la componente positiva de la onda senoidal (). La onda resultante se llama semirectificada y sus valores medio, eficaz, pico a pico y de factor de rizado serán: = 1 () = = 1 () = = 100 = % Por el hecho de suprimir la parte negativa de la onda aparecerá una componente continua no nula, ya que el valor medio dejará de ser cero. Sin embargo, el valor eficaz será menor que el de la onda original, ya que la cantidad de área, en valor absoluto, disminuye. En el caso de que el diodo no se considere real (V F > 0) los valores hallados resultarían ser menores. Polarización directa, con (() > ) y V F = 0,7 V = 0,7 = () = () 0,7 V 8.2. Rectificación de onda completa Un paso adelante en la rectificación se consigue con el rectificador de onda completa. En la Figura 30 aparece un circuito con la fuente senoidal anterior, un puente de diodos y una resistencia R. 25

26 Figura 30: Rectificador de onda completa. Suponiendo nuevamente diodos ideales (V F = 0), para el periodo positivo de la senoidal los diodos D1 y D3 estarán polarizados directamente, mientras que para el periodo negativo serán los diodos D2 y D4 los que estén polarizados directamente. Polarización directa D1 y D3, con (() > 0) Polarización directa D2 y D4, con (() < 0) (1, 3) = 0 (2, 4) = 0 = () 2 = () = () + 2 = () En este caso, sobre la resistencia aparecerá la componente positiva de la onda senoidal () tal y como es, y la componente negativa cambiada de signo. Para el caso de que la onda resultante se dice completamente rectificada y sus valores medio, eficaz, pico a pico y de factor de rizado serán: = = 1 () = 2 = 1 () = 100 = % La parte negativa de la onda, una vez rectificada, contribuye con otro sumando / en el valor de la componente continua. En cuanto al valor eficaz, se recupera el que tenía la onda original, ya que la cantidad de área, en valor absoluto, es la misma. En el caso de que el diodo no se considere real (V F > 0) los valores hallados resultarían ser menores. Polarización directa, con (() > 0) y V F = 0,7 V 26

27 (1, 3) = 0,7 = () 2 = () 1,4 V 8.3. Rectificación de media onda con condensador La introducción de un condensador en un circuito rectificador supone una mejora en los parámetros de calidad anteriores. Por simplicidad se estudiará su efecto en un circuito semirectificador, siendo sus resultados trasladables a uno de rectificación completa. El circuito de la Figura 31, resulta de añadir un condensador en paralelo a la resistencia de carga R del rectificador de media onda. En este caso se considerará que el diodo tiene una caída en directa de V F = 0,7 V. Figura 31: Rectificador de media onda con condensador. Partiendo del instante t=0, y suponiendo el condensador completamente descargado, se observa que en el primer cuarto de periodo la onda pasa de un valor nulo a una tensión máxima Vp. Durante este intervalo de tiempo el diodo estará polarizado directamente, actuando como una fuente de tensión constante de 0,7 V. El circuito evolucionará de forma similar al mostrado en la siguiente figura, siendo la tensión del condensador (y de la resistencia) la encerrada dentro del recuadro discontinuo. Polarización directa hasta T/4, con (() > 0) = 0,7 = = () = () 0,7 27

28 En el instante T 1 = T/4, la tensión de la fuente, el condensador y la resistencia alcanzan su valor máximo (Vp y Vp 0,7 respectivamente). A partir de entonces la fuente comienza a disminuir su valor, intentando descargar el condensador a través del diodo, por lo que éste se polariza en inversa (la tensión en el cátodo es superior a la del ánodo), abriendo el circuito. La descarga del condensador se realizará, por tanto, por la resistencia R siguiendo una curva de descarga exponencial de la forma () = + ( ) donde es la constante de tiempo de descarga ( = RC), V la tensión a la que tiende el condensador (0 V) y V 0 la tensión inicial de éste. En este caso particular, V 0 = Vp 0,7 V (máxima tensión alcanzada por el condensador en el proceso anterior) y V = 0 V (descarga completa), luego la tensión del condensador evolucionará según la exponencial descendente = ( 0,7) de la figura. Polarización inversa a partir de T 1 = 0 = ( 0,7) La descarga del condensador continuará hasta el instante T 2, en el cual la tensión de éste alcance un valor 0,7 V inferior a la de la fuente. En ese momento, la tensión del cátodo estará 0,7 V por debajo de la tensión del ánodo, y el diodo se polarizará nuevamente en directa. La figura siguiente muestra la nueva configuración del circuito, válida hasta un nuevo instante T 3 en el que la tensión del condensador vuelve a alcanzar la tensión máxima V p 0,7 V. Polarización directa a partir de T 2 = 0,7 = () = () 0,7 El intervalo de tiempo entre t=0 y T 1 representa un régimen transitorio que no es considerado para el cálculo de los parámetros cualitativos de la rectificación. El intervalo de tiempo comprendido entre T 1 y T 3 constituye el periodo de la onda semirectificada con condensador. Resulta obvio deducir que la tensión almacenada en 28

29 el condensador durante el intervalo, aumenta tanto el valor de la componente de continua V DC como la tensión eficaz V ef de la onda resultante, y disminuye el valor pico a pico V pp y el factor de rizado f r. El cálculo exacto de los dos primeros parámetros se plantea en las siguientes expresiones. = 1 () = 1 ( 0,7) + ( (2) 0,7) = 1 () = 1 ( 0,7) + ( (2) 0,7) 8.4. Regulación de tensión El término regulación hace referencia a la capacidad de fijar una tensión entre dos puntos del circuito independientemente del valor de la carga que se ponga en ellos. Los diodos tienen cierta capacidad de regulación cuando son usados en las zonas de polarización directa, o en ruptura en el caso del Zener. El circuito de la Figura 32 incluye un diodo Zener que realiza las labores de regulación de tensión entre los terminales de la resistencia R L. Figura 32: Regulador Zener. Suponiendo que el diodo Zener se encuentra en todo momento funcionando en la zona de ruptura, el circuito equivalente será el siguiente. Figura 33: Circuito equivalente al regulador Zener. El diodo Zener regulará correctamente cuando la corriente que circule por él esté dentro del rango comprendido entre las corrientes mínima I ZK y máxima I ZM. Una variación en la fuente de tensión Vcc afectará a los valores de corriente de los dispositivos. Para que el diodo esté regulando correctamente esta variación de tensión estará limitada dentro de un rango [Vcc min, Vcc max]. Cuando por el diodo esté pasando la corriente mínima I D = -I ZK a la fuente le corresponderá la mínima tensión Vcc min y se cumplirá que, 29

30 = Vz = Vz = Vz = = = ( + ) = + Por lo que se deduce que la tensión mínima de la fuente, admisible para que el diodo regule es de = Vz R + R + Vz Cuando por el diodo esté pasando la corriente máxima I D = -I ZM a la fuente le corresponderá la tensión máxima Vcc max y se tendrá que, = Vz = Vz = Vz = = = ( + ) = + Por lo que se deduce que la tensión mínima de la fuente, admisible para que el diodo regule es de = Vz R + R + Vz Figura 34: Zona de regulación del diodo Zener. Si se considera el caso particular Rs = 0,1 K, R L = 1 K, V Z = 5 V, I ZK = 1 ma, I ZM = 30 ma, el margen de tensión de la fuente Vcc para que el diodo regule correctamente será, = Vz + R R + Vz = ,1 + 5 = 5,6 V 1 = Vz + R R + Vz = ,1 + 5 = 8,6 V 1 - Cuando la fuente Vcc tiene una tensión dentro del intervalo [5,6 V, 8,6 V], la tensión de la resistencia de carga RL será Vz = 5V. 30

31 - Si la tensión de la fuente Vcc es menor que 5,6 V la tensión de la resistencia de carga será menor de 5 V, estando el diodo Zener en corte. - En el caso de que supere los 8,6 V, la tensión de la resistencia de carga seguiría siendo 5V, pero la potencia disipada por el diodo superaría el máximo admisible y se destruiría Rectificador regulado con diodo Zener Una aplicación directa del regulador con diodo Zener aparece en la Figura 35, donde la señal semirectificada procedente del diodo, y filtrada por el condensador, es regulada por el diodo Zener. Figura 35: Rectificador de media onda con condensador. Tal y como se ha analizado anteriormente, para que la tensión en la resistencia de carga RL permanezca constante, y de valor V RL = V Z, se debe cumplir que la tensión en bornas del condensador V C esté dentro del intervalo, = Vz R + R + Vz = Vz R + R + Vz Figura 36: Onda regulada con diodo Zener. 31

32 La Figura 36 muestra las tensiones de la fuente V(V), condensador V(C) y resistencia de carga V(RL) para el caso particular de () = 15 (100), RS = 0,1 K, RL = 1 K, C = 1 F y un diodo Zener de 5,6 V de tensión de ruptura. Se observa como la tensión de la resistencia de carga RL prácticamente permanece constante igual a 5,6 V mientras que la tensión del condensador experimenta un rizado de unos 7 V pico-pico. La ligera oscilación de la tensión de la resistencia de carga, aproximadamente 0,7 V pico-pico, es debido a la pendiente de la zona de ruptura del diodo Zener. Cuando la tensión del condensador es máxima, la corriente que se deriva por el diodo Zener también es máxima y la tensión en sus extremos alcanza el valor más alto en la zona de ruptura. De forma análoga, a la tensión mínima en el condensador le corresponde la mínima corriente derivada por el diodo Zener y por tanto, el valor mínimo en la zona de ruptura. 32