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Asignatura: ELECTRONICA INDUSTRIAL
Titulación: Ingeniería Técnica Industria
Curso 2006/2007
Índice
2.1.2.2.2.3.2.4.2.5.2.6.-
Introducción
Curva V-I del diodo
Características eléctricas del diodo
Recta de carga y punto de trabajo
Linealización de la curva del diodo
Circuitos con diodos
2.6.1.- Rectificadores
2.6.2.- Limitadores
2.6.3.- Otros circuitos
2.7.- Tipos de diodos
2.7.1.- Diodo Zener
2.7.2.- LED
2.7.3.- Fotodiodo
2.8.- Aplicaciones
2.8.1.- Fuentes de alimentación
2.8.2.- Barreras fotoeléctricas
Bibliografía básica: P. Malvino, Principios de Electróncica, McGraw-Hill.
Bibliografía complementaría: Millman y A. Grabel, Microelectrónica. Ed. Hispano-Europea.
J. Floyd, Electronic Devices, Prentice-Hall.
1
2.1.- INTRODUCCIÓN
Diodo:
Diodo Dispositivo electrónico que deja circular la corriente en un sentido,
pero no en el otro (Dispositivo no lineal)
Símbolo eléctrico
Diodo = Semiconductor + Otros Elementos
(Dispositivo Electrónico )
Ejemplos:
2.2.- CURVA V-I DEL DIODO
2.2.1. -Característica ideal del diodo
Idealmente, permite corriente directa
(se comporta como cortocircuito) y
bloquea o no permite la corriente
inversa (se comporta como un circuito
abierto)
Nota recordatoria:
Aplicando tensión inversa no hay
conducción de corriente
Al aplicar tensión directa en la
unión es posible la circulación de
corriente eléctrica
2
2.2.- CURVA V-I DEL DIODO
2.2.2.- Característica real del diodo
¾ Tensión de codo
¾ Tensión inversa máxima
¾ Corriente de saturación
Zona directa:
⎛ VD ⋅q ⎞
I D = IS ⋅ ⎜⎜ e K⋅T − 1⎟⎟
⎝
⎠
IS = Corriente Saturación Inversa
K = Cte. Boltzman
VD = Tensión diodo
q = carga del electrón
T = temperatura (ºK)
ID = Corriente diodo
2.3.- CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DE UN DIODO
Tensión de codo: Diferencia de potencial mínima
necesaria para que el diodo actúe como conductor
en lugar de circuito abierto (VF)
Id
IOmax
Corriente de saturación: Es la pequeña corriente
que se establece al polarizar inversamente el diodo
Corriente máxima: Máxima corriente que soporta
el diodo sin romperse por Efecto Joule (IOmax)
Tensión inversa máxima: Diferencia de potencial
a partir de la cual se produce la ruptura de la Unión
por avalancha (VR)
600 V/6000 A
200 V /60 A
VR
IR
VF
Vd
1000 V /1 A
3
2.3.- CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DE UN DIODO
Ejemplos:
(Parámetros facilitados por fabricantes)
Id
IOmax
VR =
IOMAX =
VF =
IR =
1000V
1A
1V
50 nA
Tensión inversa máxima
Corriente directa máxima
Caída de Tensión directa
Corriente inversa
VR
IR
VF
Vd
VR =
IOMAX=
VF =
IR =
100V
150mA
1V
25 nA
Tensión inversa máxima
Corriente directa máxima
Caída de Tensión directa
Corriente inversa
2.3.- CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DE UN DIODO
Hoja de
características
4
2.4.- RECTA DE CARGA Y PUNTO DE TRABAJO
Objetivo: Calcular la tensión y corriente del diodo para un determinado circuito
mediante un método gráfico, sin usar la ecuación del diodo
Curva VI del diodo
ID
ID
+
(Dato fabricante)
VD
RTH
ID
-
VTH/RTH
+
VTH
IDQ
VD
VD
RTH
-
ID
ID
VTH/RTH
+
VDQ VTH
VD
VTH
Recta de carga
VTH
VD
-
VTH = RTH I D+VD
Punto de
Trabajo
I D=
VTH − VD
RTH
2.5.- LINEALIZACIÓN DE LA CURVA DE UN DIODO
Objetivo: Calcular la tensión y corriente del diodo para un determinado circuito
mediante un método simple, sin usar la ecuación ni gráficas del diodo
NOTA: Curvas V-I de diferentes componentes eléctricos
I
V
I
I
+
V
V
-
V
I
+
V
V
I
+
V
-
Corto
(R = 0)
I
I
+
-
Abierto
(R = ∞)
I
I
Resistencia
(R)
I
I
I
+
+
V
V
Fuente
Corriente
V
Fuente
Tensión
V
Fuente y
Resistencia
5
2.5.- LINEALIZACIÓN DE LA CURVA DE UN DIODO
1ª Aproximación
Interruptor ideal
2ª Aproximación
3ª Aproximación
Interruptor ideal
+
Tensión de codo
Interruptor ideal
+
Tensión de codo
+
Resistencia directa
2.6.- CIRCUITOS CON DIODOS
2.6.1.- RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA
VE
VENTRADA
VSALIDA
VS
VSALIDA
Con Diodo Ideal
Con Diodo Real
6
2.6.- CIRCUITOS CON DIODOS
VG
2.6.1.- RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA
1
2
1
OFF
ON
Vmax
(Diodo ideal)
VD
Entrada
I
+
Salida
R V
L
VG
VL = VG VD
1 Diodo en pol. directa (ON):
VL = VG
VD = 0
I =0
VL = 0
I = VL / R
2.6.1.- RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA
+
I
- Vmax
Salida
R V
L
VG
VL = VG VD
VL = VG - 0,7
0,7
- Vmax
VL
I = VL / R
I
2 Diodo en pol. inversa (OFF):
VL = 0
VD
Vmax- 0,7
1 Diodo en pol. directa (ON):
VD = 0,7
VG
Vmax
0,7
(Diodo No ideal)
Entrada
I
VD = VG
2.6.- CIRCUITOS CON DIODOS
VD
VL
Cortocircuito
2 Diodo en pol. inversa (OFF): Cto.Abierto
I =0
VD ON
VD = VG
7
2.6.- CIRCUITOS CON DIODOS
2.6.1.- RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA
VE
VENTRADA
VSALIDA
VS
VSALIDA
Con Diodo Ideal
Con Diodo Real
2.6.- CIRCUITOS CON DIODOS
RECTIFICADOR ONDA COMPLETA
1
VG
1
2
1
Diodo D2 y D4 en pol. directa (ON): Cortocircuito
Diodo D1 y D3 en pol. inversa (OFF): Cto.Abierto
+
VG
D2
D1
D4
D4
I = VL / R
VD2,D4
ON
VD1,D3
OFF
VL
I
+
+
VD2,4 = 0
+
R
D3
D2
VG
I
R
VL = VG
VL
VL
VD1,3 = - VG
8
2.6.- CIRCUITOS CON DIODOS
RECTIFICADOR ONDA COMPLETA
1
2
1
VD2,D4
ON
OFF
ON
VD1,D3
OFF
ON
VG
2
Diodo D1 y D3 en pol. directa (ON): Cortocircuito
Diodo D2 y D4 en pol. inversa (OFF): Cto.Abierto
+
VG
D2
D1
D4
+
R
D3
VL
I
D1
+
VG
I
R
D3
OFF
VL
+
VL
VL = -VG
VD1,3 = 0
VD2,4 = VG
I = VL / R
2.6.- CIRCUITOS CON DIODOS
PARAMETROS DE LOS RECTIFICADOR
Media Onda
T
Tensión media en la
Carga (o Salida):
Tensión eficaz en la
Carga (o Salida):
V=
1
v O (t ) ⋅ dt
T ∫0
T
Vef =
1
2
v O (t ) ⋅ dt
T ∫0
Potencia d.c. en la carga:
Pdc =
Potencia a.c. en la carga:
Pac =
Rendimiento:
η=
Pdc
Pac
2
π
2
V pico
π
V pico
V pico
2
2
2
4 ·V pico
2
V
RL
Vef2
V pico
2
V pico
RL
2 2 RL
2 RL
⎛
⎞
⎜η = V ⎟
⎜
Vef2 ⎟⎠
⎝
2
ó
V pico
Onda Completa
V pico
π 2 RL
4
π
2
≈ 40%
π 2 RL
8
π2
2
≈ 80%
9
2.6.- CIRCUITOS CON DIODOS
2.6.2.- LIMITADORES
• Según forma de obtener la salida:
• Limitador Serie (Vo en serie con diodo)
• Limitador Paralelo (Vo en paralelo con diodo)
• Según donde se realice la limitación:
• Limitador positivo (Elimina el semiciclo positivo completo)
• Limitador negativo (Elimina el semiciclo negativo completo)
• Limitador polarizado positivo (Elimina parte del semiciclo positivo)
• Limitador polarizado negativo (Elimina parte del semiciclo negativo)
• Limitador polarizado doble (Elimina parte de los dos semiciclos)
Ejemplos:
Limitador
Serie
Negativo
Limitador Polarizado Doble
Limitador
Paralelo
Positivo
2.6.- CIRCUITOS CON DIODOS
2.6.3.-OTROS CIRCUITOS: CAMBIADORES DE NIVEL
Son circuitos que no modifican la forma de onda de
la señal, sino que le añaden una componente de
continua (OFFSET)
Se basan en el uso de diodos y condensadores
2.6.3.-OTROS CIRCUITOS: MULTIPLICADORES DE TENSION
Son circuitos que producen una tensió
tensión continua igual a un múltiplo de valor de pico de la
tensión de entrada (2Vp – 3Vp – 4Vp – etc.)
Se usan para fuentes de alimentación de alta tensión y pequeña corriente
10
2.7.- DIODOS ESPECIALES
2.7.1.- DIODO ZENER
Símbolo
Curva V- I
Diseñados para trabajar en
Zona de ruptura.
Circuito
equivalente
Parte esencial de los reguladores
de carga
Según el dopaje presentan
tensiones zener desde 0,4 V
hasta 200 V
Ejemplo: Circuito regulador de carga basado en Zener
2.7.- DIODOS ESPECIALES
2.7.2.- DIODO LED
Diodo emisor de Luz = Light Emitter Diode
Con la unión PN polarizada directamente y circulando por el una
corriente, emite fotones (luz) de una cierta longitud de onda.
El funcionamiento físico consiste en que, un electrón pasa de la
banda de conducción a la de valencia, perdiendo energía. Esta
energía se manifiesta en forma de un fotón emitido.
El voltaje de operación del Diodo LED va desde 1,5 hasta 2,2
voltios aproximadamente, y la gama de intensidades que debe
circular por él va desde 10 hasta 40 mA aprox.
El color depende del material semiconductor empleado en la
construcción del diodo, pudiendo variar desde el ultravioleta,
pasando por el espectro de luz visible, hasta el infrarrojo,
recibiendo éstos últimos la denominación de IRED (Infra-Red
Emitting Diode).
11
2.7.- DIODOS ESPECIALES
2.7.3.- FOTODIODOS
Presentan una corriente de fugas proporcional a la luz incidente
(siendo sensibles a una determinada longitud de onda)
Aplicaciones principales: Sensores de luz (fotómetros) y comunicaciones
Estos fotodiodos se usan en el tercer cuadrante, como fuente de corriente
IRD
I = f(luz)
IRL
Polarizado en directa,
directa igual que un diodo normal
Polarizació
Polarización inversa y en oscuridad:
oscuridad igual que un diodo normal, presenta una
corriente inversa Ir de pequeño valor (IRD).
Polarizació
Polarización inversa y en iluminació
iluminación: Al ponerlo a radiaciones luminosas, la
energía aportada por éstas provoca la ruptura de enlaces covalentes y libera
portadores, permitiendo la circulación de corriente generada por la fuente de
polarización exterior (IRL).
2.8.1. - APLICACIONES: FUENTES DE ALIMENTACIÓN LINEALES
Fuente de alimentació
alimentación: Transforma la energía de una fuente alterna (Red eléctrica)
a a los valores de energía continua que demanda el equipo (Carga)
Red
Eléctrica
Margen Europeo:
230V± 20%, 50Hz±3Hz
185VRMS÷275VRMS
Margen Americano:
110V±20%, 60Hz±3Hz
85VRMS÷135VRMS
Fuente de
Alimentación
Carga
Continua
hasta 48 V
hasta 10 W
Aplicaciones no
muy exigentes
Margen Universal:
85VRMS÷275VRMS
47Hz÷63Hz
12
2.8.1.- FUENTES DE ALIMENTACIÓN LINEALES
Diagrama de bloques
Red
Eléctrica
Transformador
Rectificador
Filtro
Regulador
Carga
2.8.1.- FUENTES DE ALIMENTACIÓN LINEALES
Transformador
Red
Eléctrica
V1
Tensión MENOR
(transformador reductor)
Transformador
i1
V2
i2
V1
V2
N1:N2
V2 =
N2
V1
N1
13
2.8.1.- FUENTES DE ALIMENTACIÓN LINEALES
Rectificador
VS
D
iR
VS
VE
n1:n2
Transformador
Rectificador
Carga
VS
iR
VE
VS
n1:n2
2.8.1.- FUENTES DE ALIMENTACIÓN LINEALES
Filtro
Una vez obtenida la tensión
transformada y rectificada el
objetivo es obtener de la misma
un valor de continuaÆ Su valor
medio
V
V=
2·V
π
Ejemplo de Filtro Capacitivo:
14
2.8.1.- FUENTES DE ALIMENTACIÓN LINEALES
Regulador
Tras el filtro, VE depende de: Carga, Tensión de entrada, Frecuencia, Temperatura, etc.
REGULADOR
VE
VE
iR
VS
R
VS
Regulador mediante zener
RS
VE
VS depende algo de la corriente
que pasa por el zener.
iR
VZ
R
VS
Válido para poco consumo de
corriente.
Si VE es muy grande → iZ muy
grande.
2.8.1.- FUENTES DE ALIMENTACIÓN LINEALES
Reguladores comerciales: LM78XX
15
2.8.1.- FUENTES DE ALIMENTACIÓN LINEALES
Ejemplo práctico:
Componentes:
S1: conmutador
T1: Transformador 24 V 5 Amp
BR1: Puente rectificador 10 Amp 50 PIV
C1: Condensador electrolítico de 1000uF 25V
C2: Condensador electrolítico de 10uF 25V
C3: Condensador electrolítico de 1uF 15V
C4: Condensador electrolítico de 0.1uF 15V
T1: Transformador de 30V máx.
U1: Depende de la tensión de salida que queramos obtener
Tensión
------24V
18V
15V
12V
8V
6V
5V
U1
-LM7824C
LM7818C
LM7815C
LM7812C
LM7808C
LM7806C
LM7805C
2.8.2.- APLICACIONES: BARRERAS FOTOELECTRICAS
Son sistemas destinados a detectar el paso de un objeto por una zona determinada.
Constan de un emisor de luz infrarroja (Diodo IRED) y un receptor (Fotodiodo) que recibe la luz
o detecta la ausencia de la misma.
Barreras fotoelé
fotoeléctricas directas
Barreras fotoelé
fotoeléctricas por reflexió
reflexión
El emisor y el receptor está situados en el mismo
equipo, así la luz al chocar sobre un objeto cualquiera,
rebota y es captado de nuevo por el sensor
Contador por barrera directa
Contador con barrera por reflexión
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Asignatura: ELECTRONICA INDUSTRIAL
Titulación: Ingeniería Técnica Industrial
Curso 2006/2007
Ejercicio:
Calcular el punto de trabajo del diodo
100 Ω
ID
VTH − VD
RTH
I D=
2 − VD
100
+
2V
VD
-
⎛ VKD⋅T⋅q ⎞
I D = IS ⋅ ⎜⎜ e
− 1⎟⎟
⎝
⎠
I D = 2·10
I D=
VTH = RTH I D+VD
−15
⎛ VD
⎞
⋅ ⎜ e 0,025 − 1⎟
⎜
⎟
⎝
⎠
⎛ VKD⋅T⋅q ⎞ 2 − VD
IS ⋅ ⎜⎜ e
− 1⎟⎟ =
100
⎝
⎠
VD
2·10-15 e 0,025 +
-13
VD
2
=
− 2·10-15
100 100
2·10 e
VD
0,025
+ VD ≈ 2
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Ejemplo:
Solución:
Calcular el punto de trabajo del diodo 1.- Cálculo de la recta de carga
VTH − VD
100 Ω
I
D
+
2V
VD
-
VTH = RTH I D+VD
I D=
I D=
2 − VD
100
RTH
2
⎧
⎪Si VD = 0 ⇒ I D =
A = 20mA
⎨
100
⎪⎩ Si I D = 0 ⇒ VD = VTH = 2V
2.- Dibujar sobre la curva del diodo
Curva del diodo (Datos del fabricante)
Punto de trabajo Q = ( 0,75V; 12,5mA)
Ejemplo:
Solución:
Calcular el punto de trabajo del diodo 1.- Cálculo de la recta de carga
100 Ω
2V
ID
VTH = RTH I D+VD
+
I D=
VTH − VD
RTH
I D=
2 − VD
100
VD
2.- Suponemos 2ª aproximación (Vd=0,7)
I D=
2 − 0,7
= 1,3 mA
100
Punto de trabajo Q = ( 0,7 V; 13 mA )
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