Manual De Electronic A - 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
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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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Tema 2: Diodos y circuitos con diodos

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 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) Electrónica Analógica

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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. Electrónica Analógica

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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 Electrónica Analógica

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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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