Tema2. Diodos y circuitos con diodos

Tema 2: Diodos y circuitos con diodos
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
recortadores y limitadores.
7. Circuitos
Ejemplo.
reguladores
de
de
tensión:
onda:
zener.
8. Circuitos lineales equivalentes en pequeña
señal.
9. Repaso de notación de I y V.
10.
Tipos de diodos: Schottky, LED, Varicap,
Fotodiodo.
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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:
iD
A +v - C
D
• Característica I-V
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•Corriente de ruptura inversa: se usan para
mantener valores fijos de tensión.
Efecto avalancha (vD<-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<vD<-6V): el E de la ZD
puede dar energía a los e- que forman enlaces
y romperse, tiene lugar en materiales muy
dopados.
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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 + v
ss
D
D
•Necesitamos otra ecuación que relacione las
dos incógnitas que tenemos vD e iD.

iD = I S exp(v D
)−
nVT


1

que gráficamente es la característica I-V del
diodo que acabamos de estudiar
•Si
representamos
ambas
ecuaciones
obtenemos la solución sin más que tomar
como tal el punto de intersección de ambas.
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P1(0,Vss/R)
Q(vD,iD)
P2 (Vss,0)
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EJEMPLO DE LÍNEA DE CARGA
Tomemos el circuito anterior con los siguientes
valores:
Vss=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)
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MODELOS DEL DIODO
•Simplifica el análisis de circuitos con diodos
•Ante señales grandes podemos despreciar los
valores de RD y vD.
1. Modelo del diodo ideal: despreciamos vD y
RD.
A C
PD à vD=0 à Circuito cerradoà
A C
PI à iD=0 à Circuito abierto à
iD
CERRADO
vD
ABIERTO
Análisis
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à Suposición inicial
à Comprobación
à Reinicio si no es correcta
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EJEMPLO DEL MODELO 1
Paso1: Supongo D1 OFF y D2 ON
A1
C1
C2
A2
Paso 2: Compruebo la suposición
iD2=3V/6K = 0.5mA
vAC1=10V-3V=7V
OK
NO OK!!
Paso3: Repito con una suposición nueva
A1 C1 C2 A2
Paso2: Compruebo la nueva suposición
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iD1=10V/(4+6)K = 1mA
vAC2=3V-6K*1mA=-3V
OK
OK
2. Modelo de tensión de codo: despreciamos
RD pero no vD.
A 0.7V C
PDà iD >0 @ vD>0.7 (Si) à
PIà iD =0 @ vD<0.7 (Si) à
A
C
iD
CERRADO
vD
ABIERTO
0.7 V
EJEMPLO DEL MODELO 2
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Paso1: Supongo D1 OFF y D2 ON
Paso2: Compruebo la suposición
iD2= 0.7V / 2K = 0.35mA
vAC1=12V-(-0.7)=12.7V
OK
NO OK!!
Paso3: Nueva suposición y comprobación.
iD1= 0.7V / 5K = 0.14mA
vAC2=-12V-(-0.7)=-11.3V
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OK
OK
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3. Modelo de tensión de codo y resistencia:
no despreciamos RD ni vD.
A 0.7V Rf C
PDà iD >0 @ vD>0.7 (Si) à
PIà iD =0 @ vD<0.7 (Si) à
A
C
iD
CERRADO
vD
ABIERTO
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0.7 V
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CIRCUITOS RECTIFICADORES
•Convierten AC en CC à F.Alimentación,
Demoduladores, etc.
•Tipos: RMO, ROC, ROC en puente.
CIRCUITO RECTIFICADOR DE MEDIA
ONDA
•vi(t) > 0
à PD à vo(t) = vi(t)
•vi(t) < 0
à PI à vo(t) = 0
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•Diodo real: considerar la caida de Vt.
•Valores importantes:
Valor medio:
valor
de
continua
equivalente, sin el resto de armónicos.
V
1
V =  ∫V senω tdt + ∫0dt  =


T
 π
T /2
T
M
dc
M
o
T /2
0
Tensión Inversa de Pico:
TIP = -VM
• Filtro à Valor de continua.
vi(t) >0 à D PD y C se carga a Vc=VM
vi(t) <Vc à D PI y C se descarga en la carga
vi(t) >Vc à D PD y C se carga a Vc=VM
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La carga-descarga de C da un RIZADO :
Q≅ILT
Q=CV
C= ILT/Vr
La tension media de la carga será según la
figura
VL=VM-Vr/2
Al incluir el filtro debemos repasar el valor TIP
ahora será TIP = -2VM
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CIRCUITO RECTIFICADOR DE ONDA
COMPLETA
•Con dos diodos
Transformador à permite reducir la V de entrada
vi(t)>0 à A Conduce y B está cortado à
vL(t)= vi(t)=VM sen(ωt)
vi(t)<0 à A está cortado y B conduce à
vL(t)= vi(t)=VM sen(ωt)
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1
 2V
Valor medio V =  ∫V sen ω tdt  =
T
 π
TIP =-2VM
T
M
dc
M
o
0
•C.R.O.C con cuatro diodos
vi(t)>0 à A y B Conducen à
vL(t)= vi(t)=VM sen(ωt)
vi(t)>0 à C y D Conducen à
vL(t)= vi(t)=VM sen(ωt)
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La representación sería igual que para dos
diodos.
1
 2V
Valor medio V =  ∫V sen ω tdt  =
T
 π
TIP =-VM
T
M
dc
M
o
0
•CROC con filtro
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Carga y descarga del C
Tdescarga = Tseñal entrada / 2
Q=IL* T/2
Q=CVr
C=(ILT)/(2Vr)
COMPARATIVA RECTIFICADORES
RMO
RMO 2
RMO 4
1 diodo
Vdc=VM/π
2 diodos
Vdc=2VM/π
Vdc-real=(VM-0.7)/π Vdc-real=2(VM-0.7)/π
TIP = VM
TIP( C ) =2 VM
vi(t)=vMsenωt
Transformador
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TIP = 2VM
TIP( C ) =2 VM
vi(t)=2vMsenωt
Trans. Tierra
4 diodos
Vdc=2VM/π
Vdc-real=
(VM-2x0.7)/π
TIP = VM
TIP( C ) =2 VM
vi(t)=vMsenωt
Transformador
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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.
•vin(t) > 6V ó vin(t)<-9 à A ON
B OFF à vo(t)=6V
•-9< vin(t) <6V à
A OFF
B OFF à vo(t)= vin(t)
La R actúa de limitadora
à Grande evita ID alta
à
Pequeña
evita
caída de tensión debido a IS
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Es más adecuado sustituir las Vdc por Zener
vin(t) >6V à
vin(t) <-9V à
A = ON
B = AVALANCHA à VO(t)= 6V
C = AVALANCHA
D = ON
à VO(t)= -9V
En el segundo circuito ninguno
ninguno está en avalancha.
vin(t) >6V à
vin(t) <-9V à
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conduce
si
E = ON
F = AVALANCHA à VO(t)= 6V
E = AVALANCHA
F = ON
à VO(t)= -9V
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•Limitadores: limitan los picos positivos o
negativos de la señal à Introducen DC
C grande
à Descarga lenta
à Z pequeña en AC
•vi(t0) = 0 à carga de C a 5V
•vi(t1) ≤ 5 à el C sigue cargándose
VAC = -5 –(-5-5) = 5 PD
VC = 5 + 5 - 0.7 = 9.3V
•vi(t2) < 5 à VAC = -9.3 –(-5-4) =-0.3 PI
VC = 9.3V
vo (t) = -9.3V + vin (t)
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CIRCUITOS REGULADORES DE TENSIÓN
•Eliminan rizado
•Regulación de entrada = (∆VL / ∆VSS) * 100
Ideal 0
V
−V
x100
•Regulación a Plena Carga =
V
sinc arg a
plenac arg a
plenacaga
•Regulación con diodo zener:
Zener
à Mantiene una V fija en la carga
à Imax viene dada por la P capaz de disipar
à Imin valor necesario para que actúe
à Absorbe más o menos I para contrarrestar Vss
Diseño
à R limita la Imax
à Vz marca el valor de VL
à Vssmin >VL
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Ejemplo
Si R=1K y Vss varía entre 15 y 20 hallar el % de
regulación de entrada.
15 + 1K*iD + vD =0
PTO 1 (0, -15mA) PTO 2 (-15V, 0)
20 + 1K*iD + vD =0
PTO 1 (0, -20mA) PTO 2 (-20V, 0)
Usando el método de la recta de carga determino
vo
vo(15V) = -10V y vo(20V) =-10.5
Reg.Entrada = (∆VL / ∆VSS) * 100 =
(0.5/5)*100=10%
Si incluimos la carga RL en el circuito podríamos
aplicar Thevenin en los extremos del zener para
obtener un circuito más simple y una recta de
carga.
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Ejemplo 3.10. (Malik)
Hallar los valores máximos y mínimos de RL
cuando Rs=48.7 y VBB=15V. El zener de 5V tiene
una Izmin=10mA y su disipación de potencia es de
1W.
48.7
Is
IL
5V
RL
•Pmax=1W=VzIzmax
Izmax=1W/5V =200mA
•Is=(15-5V)/48.7 = 205mA
(L.Ohm)
•IL = VL/RL=
•Is=Iz+IL=cte
(LCK)
•Si la demanda de IL es grande Iz disminuirá
para mantener Is cte.
Is=Izmin+ILmax à 205mA-10mA= ILmaxà
ILmax=195mA
•Si la demanda de IL baja Iz aumentará para
mantener Is cte.
Is=Izmax+ILmin à 205mA-200mA= ILmaxà
ILmin=5mA
•Ahora podemos determinar el rango en que
puede variar R para un correcto funcionamiento
del regulador.
Rmin=Vz/Imax=5/195=25.6 ohmios
Rmax=Vz/Imin=5/5=1 kohm
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CIRCUITOS LINEALES EQUIVALENTE EN
PEQUEÑA SEÑAL
Dos partes en los circuitos electrónicos:
•Tensión continua de alimentaciónà Polariza
•Pequeña señal de alternaà Propósito
Diodo polarizado en Q. Inyecto señal alterna.
 di 
La “recta”es la pendiente de la curva: 
dv 

 
 di 
su ecuación es ∆i ≅ 
dv 
 ∆v , el inverso de esa


D
d
Q
D
D
D
D
Q
pendiente en la resistencia dinámica del diodo
y es el modelo lineal equivalente del diodo ante
pequeña señal.
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*Valor de la rd

v
Ecuación de Shockley: i = I exp(
)−
nV

para obtener la pendiente en Q.
d
D
S
T

1à derivo

nà coeficiente de emision, entre 1 y 2.
VT=KT/q à tensión térmica
K=1.38x10-23 J/K
q=1.6x10-19 C
VT @ 27ºC
di
dv
D
VT = 26mV
=I
DQ
S
D Q
En P.D VDQ>>VT à I
V
1
exp(
)
nV
nV
T
T
V 
= I exp
nV 
 sustituyendo


I
di
=
dv
nV
nV
r =
I
DQ
DQ
S
T
DQ
D
T
D Q
T
d
DQ
Notación:
•vD e iD à valores instantáneos en D
•VQ e IDQ à I y V de continua en D en el punto Q
•vd e id à pequeñas señales de corriente alterna.
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INDICE ......................................................... 1
Análisis De La Línea De Carga.......................... 4
Ejemplo De Línea De Carga ............................. 6
Modelos Del Diodo.......................................... 7
Ejemplo Del Modelo 1 ..................................... 8
Ejemplo Del Modelo 2 ..................................... 9
Circuitos Rectificadores ................................. 12
Circuito Rectificador De Media Onda ............... 12
Circuito Rectificador De Onda Completa .......... 15
Comparativa Rectificadores ........................... 18
Circuitos Conformadores De Onda .................. 19
Circuitos Reguladores De Tensión................... 23
Zener ...................................................... 23
Diseño ..................................................... 23
Circuitos Lineales Equivalente En Pequeña Señal
................................................................. 26
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