Diode Circuits

ELEN 3311
Electrónica I
Capítulo 2
Diode Circuits
Caroline González
Neamen
Microelectronics
Chapter 2-1
En este capítulo vamos a:
Determinar la operación y las características de los
circuitos rectificadores, los cuales son la primera etapa en
el proceso de convertir una señal ac en una señal dc
(“power supply”).
Aplicar las características del diodo Zener a un circuito
regulador de voltaje.
Aplicar las características no-lineales de los diodos para
crear “waveshaping circuits” conocidos como “clippers” y
“clampers”.
Examinar las técnicas usadas para analizar circuitos que
contienen más de un diodo.
Examinar circuitos lógicos que usan diodos.
Diseñar suplidores de potencia (power supplies).
Caroline González
Neamen
Microelectronics
Chapter 2-2
Diagrama de Bloque de un Convertidor de
ac a dc (Power Supply)
El rectificador y regulador de voltaje usan diodos.
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Chapter 2-3
Transformador
Cambia el nivel de voltaje (normalmente
“step-down”).
vI es el voltaje del primario
vs es el voltaje del secundario.
N1 y N2 son el número de vueltas del
primario y secundario respectivamente.
Los voltajes y el número de vueltas se
relacionan entre sí con la siguiente
ecuación:
v I N1
=
vS N 2
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Neamen
Microelectronics
Chapter 2-4
Rectificador
Cambia voltaje ac a pulsos dc
Hay dos tipos de rectificadores:
Rectificador de media onda
Rectificador de onda completa
• Bridge rectifier
• Center-tapped
Filtro
Selecciona ciertos componentes de
frecuencia. Usa un capacitor.
Regulador
Mantiene un voltaje constante (dc).
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Chapter 2-5
Técnicas para Resolver Problemas:
Circuitos con diodos
1. Determinar la condición de voltaje de entrada
tal que el diodo está conduciendo (on).
a. Determine la señal de salida para esta
condición.
2. Determinar el voltaje de entrada tal que el
diodo no está conduciendo (off).
a. Determine la señal de salida para esta
condición.
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Chapter 2-6
Rectificador de media
onda
Voltage Transfer
Characteristics
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Chapter 2-7
Señales del
Rectificador de Media Onda
voltaje entrada
voltaje salida
PIV ≥ Vmax
voltaje diodo
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Chapter 2-8
Rectificador de Media Onda
1. Diodo Ideal
a. Si vs = VM sin (ωT) y el voltaje promedio o dc
es:
1 T
Vdc = ∫ vo (t )dt
T 0
demuestre que
Vdc =
VM
π
2. Diodo Real (Modelo Piecewise)
Vdc (real ) < Vdc (ideal )
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Chapter 2-9
Rectificador de Onda
Completa (Center-Tapped)
Voltage transfer characteristics
Señales de entrada y salida
Caroline González
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Chapter 2-10
Rectificador de Onda
Completa (Bridge)
Cuando vS es positivo, D1 y D2 están encendidos (a). Cuando vS es negativo, D3
y D4 están encendidos (b).
En ambos casos, la corriente fluye a través de R en la misma dirección,
resultando en el voltaje de salida, vO, mostrado en (c).
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Neamen
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Chapter 2-11
Rectificador de Onda Completa
(Bridge)
Vdc =
Caroline González
Neamen
2VM
π
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Chapter 2-12
Voltaje de Salida del Rectificador de
Onda Completa con Filtro RC
VM
1
donde f =
El rizo (ripple) en la salida ‘dc’ es Vr =
2 fRC
2TP
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Chapter 2-13
Voltaje de Rizos (Vr)
de los Rectificadores
Tp es el tiempo entre los picos en el voltaje de salida.
 Tp 

Vr ≅ VM 
RC


Rectificador de onda completa
VM
Vr =
2 fRC
Tseñal
Tp =
2
Rectificador de media onda
T p = Tseñal
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Neamen
VM
Vr =
fRC
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Chapter 2-14
Voltaje de Salida de un Rectificador
de Onda Completa con Filtro RC
Duty cycle:
∆t 1
=
T π
2Vr
VM
Diodo conduce corriente en solo una pequeña porción del
periodo.
Caroline González
Neamen
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Chapter 2-15
Despreciando Vr, la corriente a través de la carga es:
iL ≅
VM
R
La corriente pico durante el tiempo de conducción del
diodo es:
iD , peak
VM
≅
R

2
V
M
1 + π

Vr





La corriente promedio a través del diodo durante el ciclo
completo es:
iD (avg) =
Caroline González
Neamen
1
π
2Vr VM  π
1+

VM R  2
Microelectronics
2VM
Vr




Chapter 2-16
Porciento de Rizos
El voltaje de rizos debe ser lo más pequeño posible.
Para minimizar el voltaje de rizos se escoge un capacitor
grande.
El % de rizos es:
Vr
% rizos =
×100%
VM
Para un buen suplidor de potencia, el % de rizos no debe
de ser mayor del 6.5%.
El voltaje promedio suplido a la carga es:
Vr
Vload (avg ) ≅ VM −
2
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Chapter 2-17
Demodulación de
Señales AM
Señal de entrada modulada
Circuito detector
Señal de salida demodulada
Caroline González
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Chapter 2-18
Regulador Voltaje
VZ
IL =
RL
VPS − VZ
II =
Ri
IZ = II − IL
Las características del diodo Zener determinan VL.
Caroline González
Neamen
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Chapter 2-19
Regulador Voltaje
La resistencia Ri limita la corriente a través del
Zener.
VPS − VZ VPS − VZ
Ri =
=
II
IZ + IL
La corriente en el diodo es un mínimo cuando la
corriente en la carga es un máximo y el voltaje en
la fuente en un mínimo.
La corriente en el diodo es un máximo cuando la
corriente en la carga es un mínimo y el voltaje en
la fuente en un máximo.
Generalmente, IZ(min) = 0.1IZ(max)
Caroline González
Neamen
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Chapter 2-20
Design Example 2.5
La corriente en el radio varía de 0 (off) a 100 mA (full volume).
Determine la corriente mínima y máxima del diodo zener y Ri.
Caroline González
Neamen
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Chapter 2-21
Rectificador de Voltaje
con resistencia Zener
El voltaje de salida fluctuará con cambios en el voltaje de
entrada y fluctuará con cambios en la resistencia de la carga ya
que el diodo tiene una resistencia interna (cambia su corriente).
Caroline González
Neamen
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Chapter 2-22
Porciento de Regulación
Source regulation
medida del cambio en el voltaje de salida con cambios en el
voltaje de entrada.
Source regulation =
Load regulation
∆vL
×100%
∆vPS
medida del cambio en el voltaje de salida con un cambio en la
corriente de salida.
Load regulation =
vL , no load − vL , full load
vL , full load
×100%
donde vL, no load es el voltaje de salida para “zero load current” y
vL, full load es el voltaje de salida para “maximum rated output
current”.
Caroline González
Neamen
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Chapter 2-23
Circuitos Clipper o Limitadores
Eliminan porciones de una señal que están
sobre o debajo de un nivel en específico.
Ej. Rectificador de media onda
Aplicación: limitar el voltaje en la entrada de
un circuito electrónico para prevenir ruptura
de los transistores.
Caroline González
Neamen
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Chapter 2-24
Función de Transferencia de Voltaje
de un Circuito Limitador
Doble Limitador ya que recorta los valores
positivos y negativos de la entrada.
Caroline González
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Chapter 2-25
“Single Diode Clipper”
El diodo estará apagado hasta que vI > VB +Vγ.
Caroline González
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Chapter 2-26
Circuitos
“Clipper”
Adicionales
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Chapter 2-27
Limitador Doble o
Parallel-Based Diode
Clipper Circuit
Utiliza dos diodos y dos fuentes de voltaje en direcciones opuestas
para recortar tanto los picos positivos como los negativos.
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Chapter 2-28
Series-Based
Diode Clipper
Circuits
Caroline González
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Chapter 2-29
Circuitos “Parallel-Based Clipper”
usando Diodos Zener
Ya que las baterías hay que reemplazarlas periódicamente, es
preferible reemplazar las mismas por diodos Zener.
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Chapter 2-30
“Clampers”
Mueve la señal de entrada por completo por
un nivel dc.
La salida es una réplica exacta de la entrada
pero con un nivel dc distinto.
Ajusta el nivel dc sin la necesidad de conocer
la entrada.
Caroline González
Neamen
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Chapter 2-31
Circuito ‘Clamper’
La salida estará
“clamped” a 0 V,
o sea, vo ≤ 0.
El diodo estará ‘ON’ y el capacitor se estará cargando hasta T/4.
Para t > T/4, el diodo estará ‘OFF’ y vo = VM (sin ωt − 1)
Caroline González
Neamen
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Chapter 2-32
Circuito ‘Clamper’ con
Fuente de Voltage
El capacitor se cargará a Vmax – VB.
La salida estará ‘clamped’ a VB.
Vo = VS − VC
Caroline González
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Chapter 2-33
Técnicas para Resolver Problemas:
Circuitos con Múltiples Diodos
1. Asumir el estado del diodo.
a. Si asumimos “ON”, VD = Vγ
b. Si asumimos “OFF”, ID = 0.
2. Analizar el circuito ‘linear’ con los estados de
los diodos asumidos.
3. Evaluar el estado resultante de cada diodo.
4. Si la presunción inicial es incorrecta, hacer
una nueva presunción y regresar al paso 2.
Caroline González
Neamen
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Chapter 2-34
Circuitos lógicos usando diodos
Se conectan dos o más diodos.
Procedimiento:
Se aproxima el voltaje de los ánodos:
Vánodo − Vcátodo
El diodo que produzca este voltaje más alto estará en
“forward” y el resto estará en reverse.
Si dos diodos producen el voltaje más alto, ambos
estarán en “forward”.
Caroline González
Neamen
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Chapter 2-35
Circuitos Lógicos con Diodos :
AND Gate de 2-Entradas
V
1 V
2 V
O
( V ) ( V ) ( V )
0
0
0
5
0
0
0
5
0
5
5
5.7
Vγ = 0.7V
Caroline González
Neamen
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Chapter 2-36
Circuitos Lógicos con Diodos :
OR Gate de 2-Entradas
V1 (V) V 2 (V) VO (V)
0
0
0
5
0
4.3
0
5
4.3
5
5
4.3
Vγ = 0.7V
Caroline González
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Chapter 2-37
Fotodiodos
Fotodiodo
Convierte una señal óptica en una corriente
eléctrica.
Los fotones al chocar con el diodo crean una
cantidad bien alta de electrones libres y
huecos y por ende una corriente.
Caroline González
Neamen
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Chapter 2-38
Photodiode Circuit
Caroline González
Neamen
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Chapter 2-39
LED
LED – light-emitting diode
Una corriente es convertida en señal óptica.
El diodo en “forward” creará que haya una
recombinación en el material p y n y esto
producirá la emisión de un fotón.
Son construídos de gallium arsenide.
Ejemplo: Seven segment LED display.
Caroline González
Neamen
Microelectronics
Chapter 2-40
Design Problem 2.6
Circuito “Power Supply”
Caroline González
Neamen
Microelectronics
Chapter 2-41