Tema 2: Diodos y circuitos con diodos INDICE

Transcripción

1 INDICE 1. Características del diodo: Corriente de conducción, corriente de saturación corriente zener y corriente de avalancha 2. Análisis de circuitos con diodos: la línea de carga. Ejemplo. 3. Modelos del diodo: diodo ideal, diodo con tensión de codo, diodo con resistencia. Ejemplos. 4. Circuito rectificador de media onda con y sin filtro. 5. Circuito rectificador de onda completa con y sin filtro. 6. Circuitos conformadores de onda: recortadores y limitadores. 7. Circuitos reguladores de tensión: zener. Ejemplo. 8. Circuitos lineales equivalentes en pequeña señal. 9. Repaso de notación de I y V. 10. Tipos de diodos: Schottky, LED, Varicap, Fotodiodo. 1

2 CARACTERISTICAS DEL DIODO Fabricación: se obtiene dopando un cristal de Si con MTN por un extremo y por otro con MTP. Posee dos terminales: ánodo (MTP) y cátodo (MTN), su símbolo es el de la figura: i D Característica I-V A + v D - C 2

3 Corriente de ruptura inversa: se usan para mantener valores fijos de tensión. Efecto avalancha (v D <-6V): debido a portadores minoritarios generados térmicamente, al llegar a la ZD toman energía del E allí existente y chocan contra los átomos rompiendo enlaces covalentes --> Aumenta el número de portadores que siguen rompiendo otros enlaces y por tanto aumenta la corriente. Efecto Zener (0<v D <-6V): el E de la ZD puede dar energía a los e - que forman enlaces y romperse, tiene lugar en materiales muy dopados. 3

4 ANÁLISIS DE LA LÍNEA DE CARGA La curva del diodo no es lineal por ello debemos apoyarnos en métodos gráficos para resolver circuitos que lo incluyan --> Línea de carga v = Ri + ss Necesitamos otra ecuación que relacione las dos incógnitas que tenemos v D e i D. i D D v = I exp( vd S ) 1 nv T que gráficamente es la característica I-V del diodo que acabamos de estudiar D Si representamos ambas ecuaciones obtenemos la solución sin más que tomar como tal el punto de intersección de ambas. 4

5 P1(0,Vss/R) Q(v D,i D ) P2 (V ss,0) 5

6 EJEMPLO DE LÍNEA DE CARGA Tomemos el circuito anterior con los siguientes valores: V ss =2V R=1K Paso1: Localizamos los puntos extremos de la línea de carga. P1 (0V, 2V/1k)=(0, 2mA) P2 (2V, 0mA) Paso2: Trazamos la característica del diodo. Paso3: Calculamos el punto de intersección y ese será el punto de trabajo del diodo en ese circuito. P1 (0V,2mA) Q (0.7V, 1.3mA) P2 (2V,0) 6

7 MODELOS DEL DIODO Simplifica el análisis de circuitos con diodos Ante señales grandes podemos despreciar los valores de R D y v D. 1. Modelo del diodo ideal: despreciamos v D y R D. A C PD v D =0 Circuito cerrado PI i D =0 Circuito abierto A C i D CERRADO ABIERTO v D Análisis Suposición inicial Comprobación Reinicio si no es correcta 7

8 EJEMPLO DEL MODELO 1 Paso1: Supongo D1 OFF y D2 ON A1 C1 C2 A2 Paso 2: Compruebo la suposición i D2 =3V/6K = 0.5mA v AC1 =10V-3V=7V OK NO OK!! Paso3: Repito con una suposición nueva A1 C1 C2 A2 Paso2: Compruebo la nueva suposición 8

9 i D1 =10V/(4+6)K = 1mA v AC2 =3V-6K*1mA=-3V OK OK 2. Modelo de tensión de codo: despreciamos R D pero no v D. A 0.7V C PD i D v D >0.7 (Si) PI i D v D <0.7 (Si) A C i D CERRADO v D ABIERTO 0.7 V EJEMPLO DEL MODELO 2 9

10 Paso1: Supongo D1 OFF y D2 ON Paso2: Compruebo la suposición i D2 = 0.7V / 2K = 0.35mA OK v AC1 =12V-(-0.7)=12.7V NO OK!! Paso3: Nueva suposición y comprobación. i D1 = 0.7V / 5K = 0.14mA OK v AC2 =-12V-(-0.7)=-11.3V OK 10

11 3. Modelo de tensión de codo y resistencia: no despreciamos R D ni v D. PD i D v D >0.7 (Si) A 0.7V R f C PI i D v D <0.7 (Si) A C i D CERRADO v D ABIERTO 0.7 V 11

12 CIRCUITOS RECTIFICADORES Convierten AC en CC F.Alimentación, Demoduladores, etc. Tipos: RMO, ROC, ROC en puente. CIRCUITO RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA v i (t) > 0 PD v o (t) = v i (t) v i (t) < 0 PI v o (t) = 0 12

13 Diodo real: considerar la caida de V t. Valores importantes: Valor medio: valor de continua equivalente, sin el resto de armónicos. T / 2 T VM V 1 = V senω tdt dt = dc M o + 0 T 0 T / 2 π Tensión Inversa de Pico: TIP = -V M Filtro Valor de continua. v i (t) >0 D PD y C se carga a V c =V M v i (t) <V c D PI y C se descarga en la carga v i (t) >V c D PD y C se carga a V c =V M 13

14 La carga-descarga de C da un RIZADO : Q I L T Q=CV C= I L T/V r La tension media de la carga será según la figura V L =V M -V r /2 Al incluir el filtro debemos repasar el valor TIP ahora será TIP = -2V M 14

15 CIRCUITO RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA Con dos diodos Transformador permite reducir la V de entrada v i (t)>0 A Conduce y B está cortado v L (t)= v i (t)=v M sen(ωt) v i (t)<0 A está cortado y B conduce v L (t)= v i (t)=v M sen(ωt) 15

16 Valor medio V dc T 1 = V T 0 M TIP =-2V M senω o tdt = 2V π M C.R.O.C con cuatro diodos v i (t)>0 A y B Conducen v L (t)= v i (t)=v M sen(ωt) v i (t)>0 C y D Conducen v L (t)= v i (t)=v M sen(ωt) 16

17 La representación sería igual que para dos diodos. Valor medio V dc T 1 = V T 0 M TIP =-V M senω o tdt = 2V π M CROC con filtro 17

18 Carga y descarga del C T descarga = T señal entrada / 2 Q=I L * T/2 Q=CV r C=(I L T)/(2V r ) COMPARATIVA RECTIFICADORES RMO RMO 2 RMO 4 1 diodo 2 diodos 4 diodos V dc =V M /π V dc =2V M /π V dc =2V M /π V dc-real =(V M -0.7)/π V dc-real =2(V M -0.7)/π V dc-real = (V M -2x0.7)/π TIP = V M TIP = 2V M TIP = V M TIP( C ) =2 V M TIP( C ) =2 V M TIP( C ) =2 V M v i (t)=v M senωt v i (t)=2v M senωt v i (t)=v M senωt Transformador Trans. Tierra Transformador 18

19 CIRCUITOS CONFORMADORES DE ONDA Convierten una forma de onda en otra Aplicaciones: generador de función, transmisores, radar, etc. Recortadores: recorta una parte de la señal de entrada. v in (t) > 6V ó v in (t)<-9 A ON B OFF v o (t)=6v -9< v in (t) <6V A OFF B OFF v o (t)= v in (t) La R actúa de limitadora caída de tensión debido a I S Grande evita I D alta Pequeña evita 19

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21 Es más adecuado sustituir las Vdc por Zener v in (t) >6V A = ON B = AVALANCHA V O (t)= 6V v in (t) <-9V C = AVALANCHA D = ON V O (t)= -9V En el segundo circuito ninguno conduce si ninguno está en avalancha. v in (t) >6V E = ON F = AVALANCHA V O (t)= 6V v in (t) <-9V E = AVALANCHA F = ON V O (t)= -9V 21

22 Limitadores: limitan los picos positivos o negativos de la señal Introducen DC C grande Descarga lenta Z pequeña en AC v i (t 0 ) = 0 carga de C a 5V v i (t 1 ) 5 el C sigue cargándose V AC = -5 (-5-5) = 5 PD V C = = 9.3V v i (t 2 ) < 5 V AC = -9.3 (-5-4) =-0.3 PI V C = 9.3V v o (t) = -9.3V + v in (t) 22

23 CIRCUITOS REGULADORES DE TENSIÓN Eliminan rizado Regulación de entrada = ( V L / V SS ) * 100 Ideal 0 V V sinc arg a plenac arg a Regulación a Plena Carga = x100 V Regulación con diodo zener: plenacaga Zener Mantiene una V fija en la carga I max viene dada por la P capaz de disipar I min valor necesario para que actúe Absorbe más o menos I para contrarrestar V ss Diseño R limita la I max V z marca el valor de V L Vss min >V L 23

24 Ejemplo Si R=1K y V ss varía entre 15 y 20 hallar el % de regulación de entrada K*i D + v D =0 PTO 1 (0, -15mA) PTO 2 (-15V, 0) K*i D + v D =0 PTO 1 (0, -20mA) PTO 2 (-20V, 0) Usando el método de la recta de carga determino v o v o (15V) = -10V y v o (20V) =-10.5 Reg.Entrada = ( V L / V SS ) * 100 = (0.5/5)*100=10% Si incluimos la carga R L en el circuito podríamos aplicar Thevenin en los extremos del zener para obtener un circuito más simple y una recta de carga. 24

25 Ejemplo (Malik) Hallar los valores máximos y mínimos de R L cuando R s =48.7 y V BB =15V. El zener de 5V tiene una I zmin =10mA y su disipación de potencia es de 1W I s I L 5V R L P max =1W=V z I zmax I zmax =1W/5V =200mA I s =(15-5V)/48.7 = 205mA (L.Ohm) I L = V L /R L = I s =I z +I L =cte (LCK) Si la demanda de I L es grande I z disminuirá para mantener I s cte. I s =I zmin +I Lmax 205mA-10mA= I Lmax I Lmax =195mA Si la demanda de I L baja I z aumentará para mantener I s cte. I s =I zmax +I Lmin 205mA-200mA= I Lmax I Lmin =5mA Ahora podemos determinar el rango en que puede variar R para un correcto funcionamiento del regulador. R min =Vz/I max =5/195=25.6 ohmios R max =Vz/I min =5/5=1 kohm 25

26 CIRCUITOS LINEALES EQUIVALENTE EN PEQUEÑA SEÑAL Dos partes en los circuitos electrónicos: Tensión continua de alimentación Polariza Pequeña señal de alterna Propósito Diodo polarizado en Q. Inyecto señal alterna. La recta es la pendiente de la curva: di dv di D su ecuación es i v, el inverso de esa D D dvd Q pendiente en la resistencia dinámica del diodo y es el modelo lineal equivalente del diodo ante pequeña señal. D d Q 26

27 *Valor de la r d v d Ecuación de Shockley: i = I exp( ) 1 D S derivo nvt para obtener la pendiente en Q. n coeficiente de emision, entre 1 y 2. V T =KT/q tensión térmica K=1.38x10-23 J/K q=1.6x10-19 C V 27ºC V T = 26mV di dv D D Q = I S 1 nv T VDQ exp( nv T ) En P.D V DQ >>V T V DQ I = I exp sustituyendo DQ S nvt di I D DQ = dv nv D Q nvt r = d I DQ T Notación: v D e i D valores instantáneos en D V Q e I DQ I y V de continua en D en el punto Q v d e i d pequeñas señales de corriente alterna. 27

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29 INDICE...1 Análisis De La Línea De Carga...4 Ejemplo De Línea De Carga...6 Modelos Del Diodo...7 Ejemplo Del Modelo Ejemplo Del Modelo Circuitos Rectificadores Circuito Rectificador De Media Onda Circuito Rectificador De Onda Completa Comparativa Rectificadores Circuitos Conformadores De Onda Circuitos Reguladores De Tensión Zener Diseño Circuitos Lineales Equivalente En Pequeña Señal