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Diodos y Circuitos rectificadores

http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/ingenieria/2001771/html/cap03/03_01_01.html

LECCION 1 MATERIALES SEMICONDUCTORES

Son materiales que tienen una resistencia eléctrica intermedia

entre los conductores y los aislantes. Por efectos de temperatura

en estos materiales hay electrones que se desligan de sus

átomos quedando un electrón y un hueco (átomo sin electrón)

que se constituyen en portadores de carga, el movimiento de

estos portadores cuando se aplican voltajes constituye una corriente eléctrica. Es un

material conductor intrínseco.

A mayor temperatura existen más portadores de carga, las corrientes son mayores, por tanto

la resistencia es menor, se usan como elementos para medir temperaturas (termistores).

Los semiconductores más usados son el Silicio y el Germanio. Cuando al semiconductor

intrínseco se adicionan átomos de otros elementos (impurezas) por cada átomo adicionado

se forma un portador de carga.

Al usar materiales del grupo III de la tabla química se forman

huecos quedando un semiconductor con más huecos

(portadores mayoritarios) y se obtiene un semiconductor

extrínseco tipo P.

Al usar impurezas del grupo V quedan electrones libres y el

material va a tener portadores mayoritarios electrones y

portadores minoritarios huecos formando un material

semiconductor extrínseco tipo N. El dopado es una medida de

la cantidad de impurezas por unidad de volumen y determina

fuertemente la conductividad del material. El proceso de dopado se hace en hornos de vacío

a alta temperatura, los semiconductores usados en electrónica son monocristalinos, es decir,

en su estructura no aparecen límites de grano.

LECCION 2 UNION PN

EL DIODO

Un diodo es la unión de dos zonas de material

semiconductor, una de tipo N y la otra de tipo P, entre las

dos se forma una zona llamada de agotamiento (Z.A.) donde

es mínima o nula la presencia de portadores de carga. Tanto

en la zona P como en la zona N existen portadores de carga

minoritarios del signo contrario.

A la zona P se le llama ánodo (A) y a la zona N se le llama cátodo (K).



Diodo en directo: Caida de voltaje = 0.7 V

Diodo en directo: Se comporta como un interruptor cerrado.

Diodo en inverso: Se comporta como un interruptor abierto.



POLARIZACIÓN DE UN DIODO

Un diodo trabaja unido a un circuito eléctrico el cual le aplica un voltaje. Se presentan dos

posibilidades:

POLARIZACIÓN DIRECTA

El voltaje positivo aplicado al ánodo empuja los huecos

hacia la zona de agotamiento, lo mismo hace el voltaje

negativo sobre los electrones del cátodo. Cuando el voltaje

es pequeño y va aumentando la zona de agotamiento se va

estrechando al llegar a un valor llamado voltaje de umbral la

zona de agotamiento desaparece y los huecos y electrones se

recombinan y el circuito externo empieza a aportar huecos a

la zona P y electrones a la zona N apareciendo una corriente

eléctrica a través del diodo, se dice que el diodo está en

conducción.

El voltaje umbral es 0.2 voltios para germanio y 0.6 voltios

para silicio. La corriente del diodo en conducción crece



fuertemente con un crecimiento pequeño del voltaje (décimas de voltio). Se considera

entonces para un diodo de silicio siempre que esté en conducción su voltaje es de 0.7

voltios.

Si los voltajes en el circuito son mucho mayores a 0.7v, el voltaje del diodo se considera

0 y se asimila a un interruptor cerrado.

POLARIZACIÓN INVERSA

El voltaje negativo aplicado al ánodo atrae los huecos y el

voltaje positivo aplicado al cátodo atrae los electrones por lo

que la zona de agotamiento se ensancha, sobre los

portadores minoritarios ocurre el fenómeno contrario, éstos

hacen recombinación y forman una corriente muy pequeña

(nA a µA) que en el caso práctico se considera nula. Se dice

entonces que el diodo se comporta como un interruptor

abierto.

El voltaje en el diodo será el que el circuito aplique y puede llegar a cualquier valor, en la

práctica cientos de voltios para diodos

rectificadores.

Cuando el voltaje inverso aplicado llega

a cierto valor la atracción entre huecos y

electrones crece tanto que rompen la

resistencia de la estructura del

semiconductor y viajan a gran velocidad



recombinándose y formando una corriente que crece rápidamente, se llama fenómeno de

avalancha y a ese voltaje se llama Zener o de avalancha. En diodos rectificadores este

voltaje es de cientos de voltios y si el diodo llega a ese voltaje normalmente se daña por una

elevación muy rápida de temperatura.

Los diodos Zener tienen un voltaje de avalancha menor a 100v y se pueden

trabajar haciéndolos conducir en esa condición hasta cierto valor límite de

corriente. Un diodo se puede asimilar a una válvula de flujo unidireccional

(flapper o cheque), con una diferencia de presión positiva se abre y deja

pasar flujo, con una diferencia de presión negativa se cierra y el flujo es

cero.

La gráfica muestra

la variación de la

corriente en

función del voltaje

aplicado al diodo

indicando el

comportamiento

tanto en

polarización directa

como en inversa.



PRUEBA DE UN DIODO

Con un multímetro análogo un diodo se prueba en la escala de resistencia, colocando la

punta roja (+) al ánodo y la punta negra (-) al cátodo debe marcar un valor pequeño de

resistencia (<200) y al conectar al contrario debe marcar un valor grande (>1M) en la

escala más alta (R*1k). Con un multímetro digital en directo debe marcar el voltaje de

umbral (0.5 a 0.7v para silicio) y en inverso debe marcar circuito abierto indicado en la

mayoría de multímetros con una "1" a la izquierda del display.

POTENCIA DE UN DIODO

Cuando un diodo conduce igual que una resistencia disipa potencia que se convierte en

calor y eleva la temperatura del diodo, si la temperatura sube por encima de unos 300ºC la

estructura del semiconductor se agrieta y el diodo se daña ("quema"). La disipación de

potencia: PD = VD*ID se debe mantener por debajo de un límite que depende del tamaño

del diodo y su estado de disipación de calor.

En directo entonces se tiene un valor máximo de corriente:

Para diodos rectificadores en inverso el límite está dado por el voltaje avalancha que se

llama entonces voltaje pico reverso VRP , por ser normalmente mayor a 100v la corriente

de avalancha para llegar al límite de potencia es tan pequeña que se puede decir que

instantáneamente sube la temperatura y el diodo se quema.

Para diodos Zener en zona de avalancha se tendrá un máximo de corriente:

ELECCIÓN DE UN DIODO



Los diodos vienen identificados por referencias que cambian de un fabricante a otro, pero

una referencia de un fabricante es equivalente a una referencia en cada uno de los otros

fabricantes. Los fabricantes editan manuales con diferentes niveles de información sobre

cada una de las referencias producidas y se tienen se tienen las guías maestras de reemplazo

que sirven para conocer las referencias equivalentes. En Colombia el mercado se guía

principalmente por Master Replacement Guide de ECG Semiconductors.

Para seleccionar un diodo se deben conocer mínimo los siguientes datos:

Corriente que va a conducir (pico o promedio), voltaje inverso a que va a estar sometido,

frecuencia de las señales; con estos valores usando las tablas del manual ECG se podrá

escoger una referencia adecuada que soporte las condiciones de trabajo. En altas

frecuencias se deben escoger diodos Fast SW y en casos donde se requiere que un diodo

pase muy rápido de corte a conducción se deben usar diodos Fast Recovery.

LECCION 3 DIODOS RECTIFICADORES

APLICACIONES DE LOS DIODOS

Los diodos rectificadores se usan principalmente en: circuitos rectificadores, circuitos

fijadores, circuitos recortadores, diodos volantes.

Los diodos Zener se usan en circuitos recortadores, reguladores de voltaje, referencias de

voltaje.

CIRCUITOS RECTIFICADORES

Son circuitos que convierten señales alternas en señales de una sola polaridad (positiva o

negativa)

Según su configuración son de media onda o de onda completa y según la fuente AC usada

son monofásicos o polifásicos.

Para mirar los voltajes y corrientes en el diodo examinamos dos circuitos básicos a

continuación.

Como se aplica la polaridad positiva de la fuente

al ánodo y negativa a través de la resistencia al



cátodo, el diodo es polarizado en directo, entonces: VD = 0.7v

VR = VF - VD = VF - 0.7 VF I VF/R

Si VF = 100v ; R = 200VR 100v VD = 0.7

ID = I = 0.5A

Como la fuente aplica polaridad negativa al

ánodo y positiva a través de la resistencia hacia

el cátodo el diodo es polarizado en inverso,

entonces:

I = ID = 0 si I = 0 VR = R·I = 0

VD = VF - VR = VF - 0 = VF (en inverso)

Al aplicar una fuente AC el diodo conduce en el ciclo positivo (1er circuito) y se abre en el

semiciclo negativo (2do circuito).

En la carga (R) aparece voltaje de una sola

polaridad positiva, es una señal llamada

rectificada media onda.

El voltaje pico en el diodo corresponde al valor

pico negativo de la fuente:

VDP = VFP

La corriente pico en el diodo se produce

cuando la fuente llega a su pico positivo y es:

Por la forma de onda la corriente promedio es:

Ejemplo: Sea VFef = 220 VRMS y R = 500

VDP = 2* VFef = 2*220v = 310VP



IM = 0.18A

Del manual ECG se puede tomar el diodo ECG 116 que soporta VPR = 600v y IMmax = 1A.

Para obtener una onda rectificada negativa se coloca el diodo en sentido contrario.

LECCION 4 CIRCUITOS RECTIFICADORES MONOFASICOS

RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA



Para este caso VDP = VFD y en la resistencia: VRP = VFP:

Para una fuente de 60Hz en la resistencia la señal de voltaje tiene una frecuencia de 120Hz.

Estos circuitos se aplican en alimentación de motores DC, pero no dan señales adecuadas

para alimentación de circuitos electrónicos, se añade un condensador como filtro.

La señal obtenida es la siguiente:

Rectificador media onda Rectificador onda completa



El circuito como filtro se llama fuente DC o adaptador AC-DC.

CIRCUITOS CON VARIOS DIODOS

En electrónica se usan circuitos con varios diodos para realizar operaciones lógicas y para

conmutar el flujo de corriente entre varios circuitos. El análisis se basa en determinar cual

diodo o diodos conducen en cada instante de tiempo y de ahí determinar las corrientes y

voltajes del circuito. Se van a analizar dos casos elementales:



En este circuito conduce el diodo que

recibe el voltaje más positivo; si VF2 >

VF1 conduce D2.

VR mayor entre VF1 y VF2.

Ejemplo: Si VF1 = 8v y VF2 = 5v, R =

100

Conduce el diodo D1 y VR = 7.3v 8v

Para el diodo D2: VD2 = VB - VC = 5v - 7.3v = -2.3v indica que el diodo D2 está en inverso

y no conduce.

El análisis se puede aplicar para más de 2 diodos con el resultado conduce el que reciba

mayor voltaje y todos los demás quedan en inverso.

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