Diodo t
- 1. Visita DIODO en el Internet algunas compañías que vendan dispositivos electrónicos. Busca información de la ficha técnica de cinco diodos diferentes. Elabora una presentación en power point donde muestres la característica de cada diodo. Algunas páginas que puedes visitar: http://www.circuitosimpresos.org/2008/06/02/diodos/ http://www.microelectronicash.com/ http://www.ifent.org/lecciones/zener/default.asp http://www.neoteo.com/midiendo-diodos-y-transistores-15335 Publica tu presentación en: www.slideshare.net Luego, envía la dirección de tu publicación a tu tutor. ALUMNO: Rafael Castellanos Chavez
- 2. EL DIODO 1 INTRODUCCION El diodo ideal es un componente discreto que permite la circulación de corriente entre sus terminales en un determinado sentido, mientras que la bloquea en el sentido contrario. En la Figura 1 se muestran el símbolo y la curva característica tensión-intensidad del funcionamiento del diodo ideal. El sentido permitido para la corriente es de A a K.
- 3. Figura 1: Símbolo y curva característica tensión-corriente del diodo ideal. El funcionamiento del diodo ideal es el de un componente que presenta resistencia nula al paso de la corriente en un determinado sentido, y resistencia infinita en el sentido opuesto. La punta de la flecha del símbolo circuital, representada en la figura 1, indica el sentido permitido de la corriente. presenta resistencia nula. presenta resistencia infinita. Mediante el siguiente ejemplo se pretende mostrar el funcionamiento ideal de un diodo en circuito sencillo.
- 4. Figura 2: Ejemplo de funcionamiento del diodo ideal. Según está colocada la fuente, la corriente debe circular en sentido horario. En el circuito de la izquierda, el diodo permite dicha circulación, ya que la corriente entra por el ánodo, y éste se comporta como un interruptor cerrado. Debido a esto, se produce una caída de tensión de 10V en la resistencia, y se obtiene una corriente de 5mA. En el circuito de la derecha, el diodo impide el paso de corriente, comportándose como un interruptor abierto, y la caída de tensión en la resistencia es nula: los 10V se aplican al diodo. 2 DIODO DE UNION PN Actualmente los diodos se fabrican a partir de la unión de dos materiales semiconductores de características opuestas, es decir, uno de tipo N y otro de tipo P. A esta estructura se le añaden dos terminales metálicos para la conexión con el resto del circuito. En la Figura 3: se presenta el esquema de los dos tipos de diodos que se fabrican actualmente, el diodo vertical y el plano. Figura 3: Esquemas de diodos de unión PN El hecho de que los diodos se fabriquen con estos materiales conlleva algunas desviaciones de comportamiento con respecto al diodo ideal. En este apartado se presenta en primer lugar el proceso de formación de los diodos de semiconductores para pasar después a exponer el comportamiento eléctrico y las desviaciones con respecto al comportamiento ideal. 2.1 Formación de la unión PN Supongamos que se dispone de un monocristal de silicio puro, dividido en dos zonas con una frontera nítida, definida por un plano. Una zona se dopa con impurezas de tipo P y la otra de tipo N (Figura 4). La zona P tiene un exceso de huecos, y se obtiene introduciendo átomos del grupo III en la red cristalina (por ejemplo, boro). La zona N dispone de electrones en exceso, procedentes de átomos del grupo V (fósforo). En ambos casos se tienen también
- 5. portadores de signo contrario, aunque en una concentración varios órdenes de magnitud inferior (portadores minoritarios). Figura 4: Impurificación del silicio para la obtención de diodos PN En cada zona la carga total es neutra: por cada electrón hay un ion positivo, y por cada hueco un ion negativo, es decir, no existen distribuciones de carga neta, ni campos eléctricos internos. En el momento mismo de crear dos zonas de diferente concentración de portadores, entra en juego el mecanismo de la difusión. Como se recordará, este fenómeno tiende a llevar partículas de donde hay más a donde hay menos. El efecto es que los electrones y los huecos cercanos a la unión de las dos zonas la cruzan y se instalan en la zona contraria, es decir: Electrones de la zona N pasan a la zona P. Huecos de la zona P pasan a la zona N. Este movimiento de portadores de carga tiene un doble efecto. Centrémonos en la región de la zona P cercana a la unión: 1. El electrón que pasa la unión se recombina con un hueco. Aparece una carga negativa, ya que antes de que llegara el electrón la carga total era nula. 2. Al pasar el hueco de la zona P a la zona N, provoca un defecto de carga positiva en la zona P, con lo que también aparece una carga negativa. El mismo razonamiento, aunque con signos opuestos puede realizarse para la zona N. En consecuencia, a ambos lados de la unión se va creando una zona de carga, que es positiva en la zona N y negativa en la zona P (Figura 5).
- 6. Figura 5: Formación de la unión PN En el ejemplo del capítulo 5, los gases difunden completamente hasta llenar las dos estancias de la caja y formar una mezcla uniforme. Sin embargo, a diferencia de lo que ocurre con los gases de aquel ejemplo, en este caso están difundiendo partículas cargadas. La distribución de cargas formada en la región de la unión provoca un campo eléctrico desde la zona N a la zona P. Este campo eléctrico se opone al movimiento de portadores según la difusión, y va creciendo conforme pasan más cargas a la zona opuesta. Al final la fuerza de la difusión y la del campo eléctrico se equilibran y cesa el trasiego de portadores. En ese momento está ya formado el diodo de unión PN, y como resultado del proceso se ha obtenido: Zona P, semiconductora, con una resistencia RP. Zona N, semiconductora, con una resistencia . Zona de agotamiento (deplección): No es conductora, puesto que no posee portadores de carga libres. En ella actúa un campo eléctrico, o bien entre los extremos actúa una barrera de potencial. Hay que tener en cuenta que este proceso sucede instantáneamente en el momento en el que se ponen en contacto las zonas N y P, y no necesita de ningún aporte de energía, excepto el de la agitación térmica. 2.2 Polarización directa El bloque PN descrito en el apartado anterior (Figura 6) en principio no permite el establecimiento de una corriente eléctrica entre sus terminales puesto que la zona de deplección no es conductora.
- 7. Figura 6: Diodo PN durante la aplicación de una tensión inferior a la de barrera Sin embargo, si se aplica una tensión positiva en el ánodo, se generará un campo eléctrico que "empujará" los huecos hacia la unión, provocando un estrechamiento de la zona de deplección (Figura 7). Sin embargo, mientras ésta exista no será posible la conducción. Figura 7: Diodo PN bajo la acción de una tensión mayor que la de barrera Si la tensión aplicada supera a la de barrera, desaparece la zona de deplección y el dispositivo conduce. De forma simplificada e ideal, lo que sucede es lo siguiente (Figura 7): 1. Electrones y huecos se dirigen a la unión. 2. En la unión se recombinan. En resumen, polarizar un diodo PNen directa es aplicar tensión positiva a la zona P y negativa a la zona N. Un diodo PN conduce en directa porque se inunda de cargas móviles la zona de deplección. La tensión aplicada se emplea en: Vencer la barrera de potencial. Mover los portadores de carga.
- 8. 2.3 Polarización inversa Al contrario que en el apartado anterior, al aplicar una tensión positiva a la zona N y negativa a la zona P, se retiran portadores mayoritarios próximos a la unión. Estos portadores son atraídos hacia los contactos aumentando la anchura de la zona de deplección. Esto hace que la corriente debido a los portadores mayoritarios sea nula (Figura 8). Ahora bien, en ambas zonas hay portadores minoritarios. Un diodo polarizado en inversa lo está en directa para los minoritarios, que son atraídos hacia la unión. El movimiento de estos portadores minoritarios crea una corriente, aunque muy inferior que la obtenida en polarización directa para los mismos niveles de tensión. Figura 8: Diodo PN polarizado en inversa Al aumentar la tensión inversa, llega un momento en que se produce la ruptura de la zona de deplección, al igual que sucede en un material aislante: el campo eléctrico puede ser tan elevado que arranque electrones que forman los enlaces covalentes entre los átomos de silicio, originando un proceso de rotura por avalancha. (Nota: Sin embargo, ello no conlleva necesariamente la destrucción del diodo, mientras la potencia consumida por el diodo se mantenga en niveles admisibles). 2.4 Característica tensión-corriente La Figura 9 muestra la característica V-I (tensión-corriente) típica de un diodo real.
- 9. Figura 9: Característica V-I de un diodo de unión PN. En la gráfica se aprecian claramente diferenciadas las diversas regiones de funcionamiento explicadas en el apartado anterior: Región de conducción en polarización directa (PD). o Región de corte en polarización inversa (PI). o Región de conducción en polarización inversa. Por encima de 0 Voltios, la corriente que circula es muy pequeña, hasta que no se alcanza la tensión de barrera (VON). El paso de conducción a corte no es instantáneo: a partir de VON la resistencia que ofrece el componente al paso de la corriente disminuye progresivamente, hasta quedar limitada sólo por las resistencias internas de las zonas P y N. La intensidad que circula por la unión aumenta rápidamente. En el caso de los diodos de silicio, VON se sitúa en torno a 0,7 V. Cuando se polariza con tensiones menores de 0 Voltios, la corriente es mucho menor que la que se obtiene para los mismos niveles de tensión que en directa, hasta llegar a la ruptura, en la que de nuevo aumenta. 2.5 Diferencias entre el diodo de unión PN y el diodo ideal Las principales diferencias entre el comportamiento real y ideal son: 1. 2. 3. 4. La resistencia del diodo en polarización directa no es nula. La tensión para la que comienza la conducción es VON. En polarización inversa aparece una pequeña corriente. A partir de una tensión en inversa el dispositivo entra en coducción por avalancha. En la Figura 10 vemos representadas más claramente estas diferencias entre los comportamientos del diodo de unión PN e ideal.
- 10. Figura 10: Diferencias entre el comportamiento del diodo de unión PN y del diodo ideal 2.6 Principales características comerciales A la hora de elegir un diodo para una aplicación concreta se debe cuidar que presente unas características apropiadas para dicha aplicación. Para ello, se debe examinar cuidadosamente la hoja de especificaciones que el fabricante provee. Las características comerciales más importantes de los diodos que aparecen en cualquier hoja de especificaciones son: 1. Corriente máxima en directa, IFmax o IFM (DC forward current): Es la corriente continua máxima que puede atravesar el diodo en directa sin que este sufra ningún daño, puesto que una alta corriente puede provocar un calentamiento por efecto Joule excesivo. Los fabricantes suelen distinguir tres límites: o o o Corriente máxima continua (IFM) Corriente de pico transitoria (Peak forward surge current), en la que se especifica también el tiempo que dura el pico Corriente de pico repetitivo (Recurrent peak forward current), en la que se especifica la frecuencia máxima del pico 1. Tensión de ruptura en polarización inversa (Breakdown Voltage, BV; Peak Inverse Voltage, PIV): Es la tensión a la que se produce el fenómeno de ruptura por avalancha. 2. Tensión máxima de trabajo en inversa (Maximun Working Inverse Voltage): Es la tensión que el fabricante recomienda no sobrepasar para una operación en inversa segura. 3. Corriente en inversa, IR (Reverse current): Es habitual que se exprese para diferentes valores de la tensión inversa 4. Caída de tensión en PD, VF (Forward Voltage): Pese a que se ha señalado anteriormente los 0.7V como valor típico, en muchas ocasiones los fabricantes aportan datos detallados de esta caída de tensión, mediante la gráfica I-V del dispositivo.
- 11. Además, es frecuente que los fabricantes suministren datos adicionales a cerca del comportamiento del dispositivo para otras temperaturas diferentes a la nominal. En el Anejo A.1 de este documento se incluyen unas hojas de datos de diodos a modo de ejemplo. 3 MODELOS DEL DIODO DE UNION PN A continuación se van a explicar los diferentes tipos de modelos propuestos para el funcionamiento de un diodo de unión PN. 3.1 Modelos para señales continuas Bajo el término señales continuas se engloban en este apartado tanto las señales constantes en el tiempo como aquellas que varían con una frecuencia muy baja. 3.1.1 Modelo DC del diodo real El comportamiento del diodo real se corresponde con el indicado por la siguiente expresión: en donde: n, es el factor de idealidad. El valor n se ubica dentro del rango entre 1 y 2. Depende de las dimensiones del diodo, del material semiconductor, de la magnitud de la corriente directa y del valor de IS. VT, es el potencial térmico del diodo y es función de la constante de Boltzmann (K), la carga del electrón (q) y la temperatura absoluta del diodo T(K). La siguiente expresión permite el cálculo de VT: con y . El potencial térmico a temperatura ambiente, T=25ºC, es VT=271mV. R es la resistencia combinada de las zonas P y N, de manera que V-IR es la tensión que se está aplicando en la unión PN, siendo I la intensidad que circula por el componente y V la tensión entre terminales externos. IS, es la corriente inversa de saturación del diodo. Depende de la estructura, del material, del dopado y fuertemente de la temperatura. La representación gráfica de este modelo se muestra en la Figura 11:
- 12. Figura 11: Representación gráfica del modelo del diodo real. Como puede apreciarse, este modelo no da cuenta de la tensión de ruptura en inversa. El modelo puede completarse mediante la adición de nuevos parámetros que incluyan efectos no contemplados en la teoría básica. Por ejemplo, algunos modelos empleados en los programas simulación por ordenador constan de hasta quince parámetros. Sin embargo, a la hora de realizar cálculos sobre el papel resulta poco práctico. Por ello es habitual realizar simplificaciones del modelo para obtener soluciones de modo más simple. 3.1.2 Modelo ideal del diodo de unión PN. El modelo ideal del diodo de unión PN se obtiene asumiendo las siguientes simplificaciones: Se toma el factor de idealidad como la unidad, n=1. Se supone que la resistencia interna del diodo es muy pequeña y que, por lo tanto, la caída de tensión en las zonas P y N es muy pequeña, frente a la caída de tensión en la unión PN. Para V<0, el término exponencial es muy pequeño, despreciable frente a la unidad. Entonces la intensidad tiende al valor IS, que como ya se había indicado anteriormente, es la corriente inversa del diodo. Para V>0, la exponencial crece rápidamente por encima de la unidad. 3.1.3 Modelo lineal por tramos Al igual que el modelo real, el modelo ideal sigue siendo poco práctico, dado su carácter no lineal. El modelo lineal por tramos se obtiene como una aproximación del modelo ideal del diodo de unión PN, considerando las siguientes simplificaciones: En inversa, la corriente a través de la unión es nula.
- 13. Estado Modelo Condición Conducción Corte En directa, la caída de tensión en la unión PN (VON) es constante e independiente de la intensidad que circule por el diodo. Para calcular el valor de VON se considera un diodo de unión PN de silicio con una I S= 85 fA a una temperatura ambiente de T=25 ºC. El potencial térmico a esa temperatura es VT=27 mV. Tomando como variable independiente la intensidad I, la ecuación ideal del diodo queda: A partir de esta expresión, se puede calcular la caída de tensión en el diodo para las magnitudes de corriente habituales en los circuitos electrónicos. Por ejemplo, para un intervalo de corrientes 1 mA < I < 1 A se tienen tensiones 0.6 V <VDIODO< 0.77 V. Como se puede apreciar, mientras que la corriente ha variado 3 órdenes de magnitud, la tensión apenas ha experimentado un cambio de 200 mV, por lo que es posible aproximar la caída de tensión en la unión PN a un valor constante de 0.7 V. Con estas simplificaciones se consigue evitar las expresiones exponenciales que complican los cálculos en la resolución del circuito. Sin embargo, se divide el modelo en dos tramos lineales denominados inversa y directa (o corte y conducción), cada uno de los cuales obedece a ecuaciones diferentes: el diodo queda convertido en un componente biestado. El modelo lineal por tramos queda sintetizado en la siguiente tabla: La Figura 12 muestra la curva característica V-I del modelo lineal
- 14. Figura 12: Modelo lineal por tramos del diodo. En la Figura 12, quedan reflejados los dos posibles estados del diodo el diodo: Conducción o Polarización Directa "On", donde la tensión es VON para cualquier valor de la corriente. Corte o Polarización Inversa "Off", donde la corriente es nula para cualquier valor de tensión menor que VON. El uso de este modelo sólo está justificado en aquellas ocasiones en las que no se requiere una gran exactitud en los cálculos. 3.2 Modelo para pequeñas señales de alterna Hay aplicaciones en las que el diodo se polariza en un punto de tensión positiva, y sobre ese punto se superpone una señal alterna de pequeña amplitud. Figura 13: Diodo polarizado con una señal alterna superpuesta a una continua El funcionamiento del diodo en esta situación queda representada gráficamente en la Figura 14:
- 15. Figura 14: Tensión y corriente en un diodo polarizado con una señal alterna superpuesta a una continua Cuando al diodo se le aplica una tensión dada por la expresión: la corriente que lo atraviesa puede calcularse aplicando cualquiera de los modelos explicados anteriormente. Si se opta por el modelo exponencial ideal: Supongamos que conocemos la amplitud de las oscilaciones de la tensión aplicada (VD) y queremos conocer la amplitud de las oscilaciones de la corriente (ID). El método de cálculo sería: Como puede apreciarse, el cálculo se complica. Si se considera además que el diodo está dentro de un circuito es posible que ni siquiera pueda obtenerse una solución analítica.
- 16. Para obtener la solución al problema citado de una forma más simple se linealiza la curva del diodo en el entorno del punto de operación, es decir, se sustituye dicha curva por la recta que tiene la misma pendiente en el punto de operación, según se aprecia en la Figura 15 Figura 15: Aproximación de la característica exponencial del diodo por la tangente en el punto de operación Teniendo en cuenta esta aproximación, la relación entre los incrementos de tensión y de corriente pueden relacionarse tal y como se indica: Obviamente, esta aproximación será tanto más cierta cuanto menores sean los valores de VD e ID. A la derivada de la tensión con respecto a la corriente en el punto de operación se le llama resistencia dinámica del diodo rD, y su expresión puede determinarse a partir del modelo exponencial del diodo, teniendo en cuenta que si VDQ es mayor que VT puede despreciarse la unidad frente al término exponencial:
- 17. Como VT 25 mV, la expresión válida para el cálculo de la resistencia dinámica de un diodo en función de la corriente de polarización continua puede escribirse de la siguiente forma, llamada aproximación de Shockley: Esta aproximación sólo es válida en la región de conducción en polarización directa del diodo. 4 APLICACION DE LOS MODELOS AL ANALISIS DE CIRCUITOS En este apartado se detallan algunos métodos válidos para el análisis de circuitos con diodos, basándose en los modelos expuestos en el apartado anterior. 4.1 Modelo exponencial Suponiendo que se dispone de un circuito en el que se desconoce la polarización del diodo, los pasos para resolver el problema serían: 1. Sustituir el diodo por una fuente de tensión VD con el signo positivo en el ánodo, y nombrar como ID a la corriente que va de ánodo a cátodo del diodo 2. Resolver el circuito empleando las variables VD e ID como si fueran conocidas 1. Obtener la expresión que relaciona VD con ID 2. La ecuación del modelo del diodo proporciona otra relación entre VD e ID 3. Se resuelve el sistema de dos ecuaciones con dos incógnitas resultante 4.2 Modelo lineal por tramos Los pasos para calcular las tensiones y corrientes en un circuito con un diodos empleando el modelo lineal por tramos son: 1. Se asume la hipótesis de que el diodo está en uno de los dos estados posibles: corte o conducción 2. Se sustituye el diodo por el modelo correspondiente y se calculan las tensiones y corrientes del circuito 3. Una vez calculado el punto de polarización del diodo se comprueba la validez de la hipótesis: los resultados obtenidos han de ser coherentes con la condición de existencia. En el caso de que no lo sean, la hipótesis de
- 18. partida no es correcta y es necesario rehacer todos los cálculos desde el punto 1 con el modelo para el estado contrario. 4.3 Método gráfico El procedimiento para el cálculo sería ahora: 1. Eliminar el diodo del circuito 2. Calcular el circuito equivalente Thevenin entre los puntos en los que se encontraba conectado el diodo 3. Dibujar la recta de carga correspondiente al circuito Thevenin calculado 4. Dibujar en el mismo gráfico la curva característica del diodo 5. Hallar el punto de intersección de ambas curvas 4.4 Pequeñas señales de alterna Los circuitos en los cuales las excitaciones son suma de una componente continua y otra alterna de pequeña amplitud se resuelven aplicando el principio de superposición (Figura 16) Figura 16: Análisis de circuitos con componentes continuas y pequeñas señales de alterna El método se resume en los siguientes puntos: 1. Análisis DC del circuito: Se cortocircuita la fuente de AC y se calcula por cualquiera de lo métodos anteriores el punto de operación del diodo. 2. Cálculo de la resistencia dinámica del diodo, basándose en los resultados del punto anterior 3. Análisis AC del circuito: Se cortocircuitan las fuentes DC y se sustituye el diodo por su resistencia dinámica. De ese modo se obtiene el circuito
- 19. equivalente AC, válido para el cálculo de las amplitudes de las oscilaciones de las señales. 5 DIODOS ZENER Algunos diodos se diseñan para aprovechar la tensión inversa de ruptura, con una curva característica brusca o afilada. Esto se consigue básicamente a través del control de los dopados. Con ello se logran tensiones de ruptura de 2V a 200V, y potencias máximas desde 0.5W a 50W. La característica de un diodo zener se muestra en la Figura 17. Teóricamente no se diferencia mucho del diodo ideal, aunque la filosofía de empleo es distinta: el diodo zener se utiliza para trabajar en la zona de ruptura, ya que mantiene constante la tensión entre sus terminales (tensión zener, VZ). Una aplicación muy usual es la estabilización de tensiones. Figura 17: Característica V-I de un diodo Zener. Los parámetros comerciales del diodo zener son los mismos que los de un diodo normal, junto con los siguientes: VZ: Tensión de zener IZM: Corriente máxima en inversa. NOTA: Hay que tener en cuenta que el fabricante nos da los valores de VZ y IZM en valor absoluto. Al resolver un problema, no hay que olvidar que los valores son negativos con el criterio de signos establecido por el símbolo del componente (Figura 17). El zener es un dispositivo de tres estados operativos: Conducción en polarización directa: Como en un diodo normal Corte en polarización inversa: Como en un diodo normal Conducción en polarización inversa: Mantiene constante la V=VZ, con una corriente entre 0 y IZM.
- 20. Estado Modelo Condición ConducciónP.D. V=VON I>0 Corte I=0 VZ<V<VON ConducciónP.I. V=VZ I<0 El modelo lineal por tramos para el diodo zener es el siguiente: 6 EJEMPLO DE APLICACION DEL DIODO: RECTIFICACION La energía eléctrica generada en las centrales de potencia es de tipo alterna sinusoidal. Esta energía se transmite hasta los centros de consumo mediante las redes de distribución. Sin embargo, en muchas ocasiones, se requiere una tensión de alimentación continua. Un rectificador es, básicamente, un dispositivo que transforma la tensión alterna en continua. Figura 18: Esquema general de la rectificación. El rectificador es un aparato muy empleado en la vida diaria. Una gran parte de los electrodomésticos utilizados en el hogar llevan incorporado un dispositivo de este tipo. En general, estos aparatos necesitan menos tensión de alimentación que la suministrada por la red, por ello llevan incorporado en primer lugar un transformador de tensión. El transformador reduce la tensión de la red (220V eficaces es una tensión generalmente demasiado alta para pequeños electrodomésticos) a la tensión deseada. Una vez reducida la tensión, el rectificador convierte la tensión alterna en continua. En este apartado se van a presentar los esquemas rectificadores más comúnmente empleados, partiendo para ello de un circuito básico, e introduciendo en él los componentes necesarios para mejorar su comportamiento. 6.1 Notaciones Las notaciones empleadas en este apartado se detallan en la Figura 19.
- 21. Figura 19: Notaciones. vi: tensión de entrada, vi=VM·sen(wt). VO: tensión de salida. RL: resistencia asociada al aparato o "carga" que se conecta al rectificador. En el caso más general, según la notación de la figura, la tensión vi sería la tensión de la red , la VO sería la tensión deseada en continua y la RL simbolizaría al aparato musical, video,… que por ser un elemento pasivo, puede reducirse a una simple resistencia de carga mediante su circuito equivalente Thevenin. Un rectificador funciona en vacío cuando no se le conecta ningún aparato, es decir, cuando la RL no está unida al circuito. En caso de que sí esté conectada se dice que funciona en carga. 6.2 Esquema básico. Rizado de la onda de salida El esquema de la Figura 20 es el más sencillo de los rectificadores: el diodo. A continuación se estudia este circuito, para después discutir la validez del mismo. Figura 20: Esquema de un sencillo rectificador. Cuando el valor de la tensión de entrada es superior a la de conducción del diodo se crea una corriente, y se cumple que: VO= vi-VON. Como se puede apreciar, la tensión de salida VO se parece muy poco a lo que se entiende por tensión continua, es decir, un valor constante en el tiempo. Sin embargo, esta onda no es tan
- 22. mala como parece. Aunque no es constante, siempre es mayor que cero. Además, su valor medio es diferente de cero. Con los esquemas más complejos, se intenta que esta onda de salida se parezca lo más posible a una línea horizontal, pero siempre tendremos una desviación de la ideal, que se cuantifica por el rizado de la onda de salida: En este caso, el rizado es del 100%. El problema con el que nos encontramos es que cuando el diodo está en corte no se alimenta a la carga. Para disminuir el rizado, es preciso suministrar energía a la carga durante los semiciclos en los que la fuente no actúa. Figura 21: Tensiones en el circuito de la Figura 20. 6.3 El condensador en los rectificadores Como se recordará, el condensador es un componente que almacena energía. Cuando se somete a una diferencia de potencial, esta obliga a las cargas a situarse entre sus placas. En el momento en el que cesa el potencial, las cargas pueden retornar a un circuito y comportarse como un generador de tensión.
- 23. En la Figura 22 se presenta el esquema eléctrico que aplica este principio a la rectificación. Lo que se pretende es que sea el condensador el que alimente a la carga cuando no pueda hacerlo la fuente de alimentación. Figura 22: Esquema de rectificador con condensador. 6.3.1 Funcionamiento en vacío: Se estudiará en primer lugar el esquema en vacío, es decir, sin carga aplicada. , vi Figura 23: Funcionamiento en vacío. Sea vI= VM·sen(wt), y la caída de tensión en el diodo en conducción despreciable. En el instante inicial el condensador se encuentra descargado. En un punto entre es mayor que cero, por lo tanto, el diodo D está polarizado en directa. Por él circula una corriente que carga al condensador. Se considera que el condensador se carga instantáneamente (VC= vi). La carga del condensador es posible porque hay un camino en el circuito que se lo permite. En el instante , la tensión de entrada es máxima, vi= VM, así como la tensión del condensador. Cuando la tensión de entrada empieza a decrecer el condensador, cargado con una diferencia de potencial VC= VM, intenta seguir el ritmo que le marque la fuente de
- 24. tensión, disminuyendo VC. Evidentemente, para que el valor de VC disminuya, es necesario que el condensador pierda parte de su carga ( ). Para ello, la corriente de descarga ha de seguir un camino contrario al de la corriente que lo cargó, ya que el circuito se encuentra funcionando en vacío, sin ninguna carga RL conectada. La corriente no puede circular dado que el diodo está en inversa para ese sentido de circulación, con lo que C no puede descargarse y mantiene fija la tensión VM. La siguiente figura refleja la carga y descarga del condensador: Figura 24: Funcionamiento del condensador. Se puede deducir fácilmente, aplicando la ley de las mallas que cuando el diodo está en corte , o sea, VD siempre es menor o igual que cero, el diodo nunca conducirá y el condensador nunca se descargará.
- 25. Figura 25: Tensiones en el circuito de la Figura 22. Por lo tanto el condensador mantiene la diferencia de potencial entre sus terminales. La Figura 25 resume todo lo visto en este subapartado. La onda de salida es perfecta para nuestros propósitos, ya que salvo entre 0 y es totalmente horizontal; pero vamos a ver qué pasa cuando el dispositivo funciona en carga. 6.3.2 Funcionamiento en carga: Según se ha definido previamente, el funcionamiento en carga es el que se obtiene al conectar una carga RL al dispositivo objeto de estudio. Figura 26: Dispositivo en carga.
- 26. Dado un valor de vi entre 0<wt<p/2. Al ser un valor positivo, el diodo está en conducción. Hay dos caminos posibles para la intensidad que salga del generador. Por un lado, hay una corriente que carga el condensador, y por otro, una corriente que circule por RL. Si suponemos que estamos en bajas frecuencias, el valor de la intensidad que absorbe el condensador es despreciable frente a la que circula por RL, y se puede determinar el valor de la corriente que atraviesa la carga como: Cuando wt>p/2 como en el caso anterior el diodo entra en corte al intentar descargarse el condensador por él. Sin embargo, ahora el condensador tiene un camino para descargarse a través de RL. Mientras el diodo esté en corte, la parte derecha del circuito se comporta independientemente con respecto al generador. Figura 27: Descarga de C a través de RL. El condensador va perdiendo su carga al poder cerrarse una corriente a través de RL. De este modo, se cumple el objetivo de este diseño: C alimenta a la carga. Volviendo al circuito original. D estará en corte mientras VB sea menor que VA. Por lo tanto hay un punto en el que D vuelve a conducir (VB=VA), repitiéndose a partir de aquí toda la secuencia. Dicho funcionamiento se muestra en la Figura 28.
- 27. Figura 28: Tensiones en el circuito de la Figura 26. Tal como se aprecia en la figura Figura 28, el rizado obtenido es menor que el del esquema anterior. Su valor depende de la rapidez con que se descargue C a través de la resistencia. Como se recordará, cuanto mayor sea el valor de C, mayor será el tiempo que necesita para descargarse, y menor el rizado. Como contrapartida, si C es muy grande es posible que no tenga tiempo suficiente para cargarse durante el tiempo de conducción de D. 6.3.3 Selección de los componentes Una vez finalizado el análisis del esquema eléctrico de la Figura 22, se aborda seguidamente la tarea de la selección de los componentes adecuados para una aplicación concreta. 6.3.3.1 Diodo A la vista de las gráficas de la Figura 28, se pueden calcular las características comerciales exigibles al diodo del esquema. Corriente máxima en polarización directa, IFmax: Mientras esté en conducción y, despreciando su caída de tensión (V(ON)):
- 28. También se desprecia la corriente que absorbe C para cargarse. Tensión máxima en inversa, PIV: Cuando esté en corte, VD=vi-VC. VC es siempre mayor que cero, tal y como se aprecia en la figura, y su valor máximo es VM. En este aspecto es más exigente el funcionamiento en llega a ser -VM, VC sigue siendo VM, yvacío que en carga, ya que cuando se tiene VD=vi-VC=-VM-VM=-2VM. Los parámetros comerciales del diodo serán, por lo tanto: PIV=2VM 6.3.3.2 Condensador El valor de la capacidad del condensador se ha de calcular teniendo en cuenta el rizado máximo exigido al aparato. Para la frecuencia de la red eléctrica doméstica, es posible emplear la siguiente expresión: en la que: I0: cociente entre la tensión máxima, VM, y la resistencia de carga, RL. tc: tiempo de descarga del condensador. VRIZADO: Diferencia entre la tensión máxima y mínima admisible. La deducción de esta fórmula ha sido discutida ya en el capítulo segundo de estos apuntes. 6.4 Rectificador de onda completa el esquema anterior produce una onda de salida bastante aceptable, cuando el condensador es lo suficientemente grande como para alimentar la carga durante un semiciclo aproximadamente. Sin embargo, se desaprovecha medio ciclo de la red, con lo que la potencia transmitida a la carga se limita. En el siguiente circuito, el puente de diodos consigue que durante el semiciclo negativo también alimente la red a la carga.
- 29. Figura 29: Rectificador de onda completa. Dado un valor positivo de la tensión de entrada, vi=V>0. El punto A está sometido al mayor potencial del circuito, V, mientras que D se encuentra a potencial nulo, el menor en ese instante. Por lo tanto, los puntos B y C se encontrarán a un potencial intermedio entre 0 y V voltios. Un circuito que está alimentado entre 0 y 10V, por ejemplo, no tiene sentido que haya un punto del mismo que tenga un potencial mayor que 10V con respecto a la referencia, ya que la tensión sólo puede disminuir entre los nodos de los componentes del circuito (esto es válido sólo para el régimen permanente). Suponiendo que hay una corriente intentando circular. Como VA es mayor que VC el diodo D2 esta en condiciones de conducir, mientras que D1 está en corte. La corriente circular de a C. D4 está en corte, puesto que VDC=VD-VC<0, por lo tanto la intensidad atraviesa RL de arriba a abajo. El retorno de corriente será por D3, puesto que VB<VA y VB>VD. Así pues, D1 y D4 no conducen en el semiciclo positivo de vi. El esquema equivalente sería: Figura 30: Rectificador de onda completa durante los semiciclos positivos.
- 30. Mediante un razonamiento análogo se consigue determinar el esquema equivalente mostrado en la Figura 31. Figura 31: Rectificador de onda completa durante los semiciclos negativos. Figura 32: Tensiones en el rectificador de onda completa.
- 31. En ambos casos, la corriente que circula por RL circula en el mismo sentido, luego la caída de tensión en RL siempre es del mismo signo: Si ahora se filtrase esta señal mediante un condensador, mejoraría su rizado. El condensador necesario es de menor capacidad que en el esquema anterior, puesto que debe alimentar durante menos tiempo a la carga.