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Tema 1.Diodos Semiconductores
�1-Introducción
�2-Comportamiento en régimen estático.Recta de carga.�3- Tipos especiales de diodos
�Zener�Schottky�Emisor de luz (LED)
�4- Circuitos con diodos� Recortadores ó limitadores� Rectificadores� Filtrado� Aplicaciones digitales
Introducción � La unión P-N conduce másfácilmente en el sentido directo queen sentido inverso (rectificación)
� Nombre del dispositivo: DIODO
� Dispositivo NO LINEAL
)1( ç −= T
DV
V
SD eII
Material tipop
Material tipon
Anodo(A)
Cátodo(K)
-Is VγγγγVD
ID
Curva característica del diodo
Vγ : Tensión umbral del diodoSilicio: 0.6 a 0.7VGermanio: 0.1 a 0.2V
Recta de carga IDVS
RS
VD
•Es un método de análisis gráfico, empleadocuando existen dispositivos no lineales,como es el caso del diodo.•La recta de carga y la ecuación no lineal deldiodo deben satisfacerse mutuamente.(Gráficamente será el punto de intersecciónde la recta con la curva característica deldiodo)•La recta de carga no depende de lacaracterística del dispositivo. Sólo dependede la tensión de alimentación y del valor dela resistencia serie.
carga) de (Recta
0
S
D
S
SD
DSDS
R
V
R
VI
VRIV
−=
=−−
•En el circuito mostrado, aplicando la2ª ley de Kirchoff, se tendrá:
-Is VDQ
VD
ID
Q(IDQ ,VDQ )IDQ
VS /RS
VS
Aproximaciones del Diodo: 1� DIODO IDEAL
� Comportamiento como interruptor:✦ Polarización directa: CERRADO (ON)
• VD=0 para toda ID>0
✦ Polarización Inversa: ABIERTO( OFF)• ID=0 para toda VD <0
ID ID
D. real D. idealVD
ID
� Diodo Ideal con tensión Umbral Vγ
Es un interruptor serie con una pila
de Vγ = 0.7V aprox. para el silicio.
ID ID
D. real D. Ideal+ Pila Vγ
VD
ID
VγA K A K
Vγγγγ
Aproximaciones del diodo: 2
� Diodo ideal con tensión umbral y resistenciadirecta
ID ID
D. real D. Ideal+ Pila Vγ + Resistencia serie Rd
VγA K A KRd
VD
ID
Vγγγγ
DDAK RIVV += γ
Ecuación durante la conducción:
(RD≅ entre 5 y 50 ohms, tipicamente)
1/RD
Aproximaciones del diodo: 3
Aproximaciones del Diodo: 4� Diodo ideal con tensión umbral, resistencia
directa Rd y resistencia inversa Ri.
ID
ID
D. real
VγA K A K
Rd
RdIVV DAK += γ
Ecuación en conducción directa:(ID>0)
D. Ideal+ Pila Vγ + Rd + R. Inversa Ri
VAK
ID
Vγγγγ
RiIV DAK =Ecuación en conducción inversa:(ID<0)
Ri
1/Rd
1/RiNormalmente, Rd ≈ 0 y Ri ≈ ∞, con lo que esaceptable el segundo modelo.
(Zona de funcionamiento seguro)
Tipos especiales de diodos� Diodo Zener
� Diseñados específicamentepara trabajar en la zona deruptura
� Utilizados como dispositivos dereferencia de tensión.
� Símbolos:
IzMIN
VD
ID
IzMAX
-VzA
A
A
K
K
K
� Curva Característica:� Semejante a la de los diodos
normales, pero la zona de rupturaestá especialmente diseñada
Zona
de ru
ptura
Tipos especiales de diodos
Modelo ideal del diodo Zener� Semejante al diodo normal, pero se añade la
rama de conducción inversa, simulándolamediante una pila de voltaje igual a la tensiónzener.
A K
Vz+-
VAK
IAK
-Vz
Modelo ideal del diodo Zener
Regulador de tensión con diodoZener
� La tensión de salida será igual a VZ, sólo si las variaciones de VE y/o RLproducen cambios en IZ que estén comprendidas entre IZMIN e IZMAX , quees la zona de funcionamiento del diodo.
� Esta restricción impone los valores máximos y mínimos de RL y VE paraconseguir una correcta regulación.
RS
RLVE VZ
VSALIDA
ILIZIS
L
Z
S
ZELSZ R
V
R
VVIII −−=−=
� El valor de la IZ será:
Diodo Schottky� Son diodos de alta velocidad de
conmutación
� Características:
� Unión Metal-Semiconductor
� Tensión umbral reducida (aprox.0.3 a 0.4 V).
� Tiempo de conmutación on/off yoff/on muy pequeños(picosegundos).
✦ Frecuencias de trabajo superioresa 300MHz.
� Aplicaciones: Circuitos digitales dealta velocidad.
A K
0.3 0.6
Silicio
SchottkyID
VD
Diodo Emisor de Luz (L.E.D.)� Al polarizar en directo la unión P-N, se inyectan portadores
mayoritarios, para restablecer el equilibrio, se recombinan losportadores, desprendiendo energía en forma de calor ó de luz.
� Este último caso (emisión de luz) se produce eligiendo materialessemiconductores adecuados:
� GaAs, GaAsP, SiC, ...
ID
VD
Vγγγγ ≈≈≈≈ 1.5V
A
K
Símbolo
Curvacaracterística
Características de los LED:� Vγ entre 1.5 y 1.8 voltios.
� La luminancia emitida esproporcional a la corriente endirecto
� (para una buena visibilidad serequieren típicamente de 15 a20 mA)
� La radiación es casi monocroma(de un sólo color). Existen diodosde:
✦ Infrarrojos (muchasaplicaciones)
✦ Color Amarillo
✦ Color Verde
✦ Color Rojo (el más típico)
✦ Color Azul (el más raro)
5 35
20
4
Lum
inan
cia (l
umen
)
Corriente directa (mA)
Circuitos con LEDs:
A
K
+Vcc=5V
A
K
Encendido con salida a nivel bajo Encendido con salida a nivel alto
NECESARIA
OL
I
VVVccR
γ−−=NECESARIA
OH
I
VVR
γ−=
R
R
Visualizadores de 7 segmentos
cb
ag
d
fe
Juego de caracteres
(Juego opcional)
Configuración de cátodo común Configuración de ánodo común
a b c d e f g
a b c d e f g
Circuitos con diodos. Recortadores a unnivel.
R
VIN VOUT
R
VIN VOUT
R
VINVOUT
V
RVINVOUT
V
0V
0V
Diodo serie, negativo Diodo serie, positivo
Diodo serie, con fuente de tensión
Diodo paralelo, confuente de tensión
Circuitos con diodos. Recortadores a dosniveles.
� Con diodos Zener.
Ve VsR
Vz1
Vz2
Ve
Vs
t
tVz1-
Vz2
Ve VsR
Vz1
Vz2
D1D2
D3D4
-
+
+
-
Ve
Vs
Vz1
Vz2
Vz 2
Vz1-
-
Curva de transferencia
entrada
salida
Circuitoequivalente
Circuitos con diodos. Recortadores a dosniveles.(1)
� Con diodos normales (Caso 1).
Ve VsR
1V R 2V R
Ve
Vs
1VR
1VR
2VR
V 2R
VR 2 > 1VR
Curva de transferencia
Ve
t
entrada
Vs
t
VR2
salidaVR1
Circuitos con diodos. Recortadores a dosniveles.(2)
� Con diodos normales (Caso 2).
Ve VsR
1V R2V R
Ve
Vs
-VR1
-VR1
-VR2
-VR2
1VR 2VR>
Curva de transferencia
Ve
t
entrada
Vstsalida
-VR2-VR1
Rectificador de media onda
RLn2n1
V1V2 VS
t
VS
V2
•Convierte una señal alterna en unaseñal unipolar
si V2 > 0 ⇒⇒⇒⇒ VS=V2si V2<= 0 ⇒⇒⇒⇒ VS= 0
•El valor medio de la salida es:
)()(
)( 318.0 PICOSPICOS
MEDIOS VV
V ⋅==π
•El transformador ajusta el nivel de tensiónalterna V2 mediante la relación de espiras(relación del transformador)
V2= V1 . (n2/n1)
Rectificador de onda completa en puente.
+
•La tensión en la salida ‘+’ es siemprepositiva, ya que la corriente en lacarga circula siempre en el mismosentido.
•Los diodos 1-4 y 2-3 conducensiempre alternativamente por pares,luego hay el doble de caida de tensiónque en el rectificador de media onda.
•El valor medio de la salida es el dobledel rectificador en media onda
)()(
)( 636.02
PICOSPICOS
MEDIOS VV
V ⋅=⋅
=π
VsVe
Ve
Vs
t
t
D1
D4
D2
D3
D1-D4 OND2-D3 ON
D1-D4 ON
Filtrado de la señal rectificada.
VMAX
VMED
VMin
Descarga exponencial delcondensador Conducen los diodos
+
Filtro típico:
Condensador en paralelocon la carga
Para reducir el rizado, seaumenta el valor de C, pero eldiodo soporta mayores picos
de corriente y puededestruirse.
Fuentes de alimentación
R LVz
C
R1 R2
PUENTE
RECTIFICADOR
FILTRO REGULADOR
•Esquema básico de una fuente de alimentación no regulada simplificada.
Puertas lógicas elementales con diodos.
A
B Vs
R
Vcc
A B S
0 0 0
0 0
00
1
1
1 1 1
A B S
0 0 0
0
0
A
B Vs
R
1 1
1
11
1
1
Puerta AND (Y)
Puerta OR (O)