Dioodos aplicaciones

TEMA 4
DIODOS Y APLICACIONES
(Guía de Clases)

Asignatura: Dispositivos Electrónicos I
Dpto. Tecnología Electrónica

CONTENIDO

UNIÓN P-N EN CIRCUITO ABIERTO

UNIÓN P-N POLARIZADA
En sentido inverso
En sentido directo

CARACTERÍSTICAS TENSIÓN-CORRIENTE

RESISTENCIA ESTÁTICA Y DINÁMICA DE UN DIODO

MODELOS DEL DIODO
Diodo ideal
Diodo real

CAPACIDAD DE LA ZONA DE CARGA ESPACIAL O TRANSICIÓN
Diodos de capacidad variable (Varicaps)

CAPACIDAD DE DIFUSIÓN

TIEMPOS DE CONMUTACIÓN DEL DIODO

DIODOS DE AVALANCHA O ZENERS

DIODOS DE REFERENCIA DE TENSIÓN

FOTODIODOS SEMICONDUCTORES

DIODOS EMISORES DE LUZ (LED)

CIRCUITO BÁSICO. CONCEPTO DE RECTA DE CARGA

CIRCUITOS RECORTADORES

CIRCUITOS FIJADORES O LIMITADORES

CIRCUITOS RECTIFICADORES
Rectificador de media onda
Rectificador de onda completa
Rectificador en puente

DOBLADOR DE TENSIÓN

FILTRADO CON CONDENSADORES
Filtrado. Explicación cualitativa
Aproximaciones al filtrado
Ejemplo de cálculo
Detector de picos o demoduladora de AM

Diodos y aplicaciones. Guía de clases pg. 1

UNIÓN P-N EN CIRCUITO ABIERTO

Zona de transición
o de carga espacial
Ion aceptor Ion donador
Unión

Hueco
- - - - + + + +
Electrón

- - - - + + + +
- - - - + + + +
Tipo p Tipo n

ANOTACIONES


UNIÓN P-N POLARIZADA

a) En sentido inverso
Aumenta la zona de carga espacial. V pasa a ser Vo + VI. Se produce una corriente inversa debido a los
portadores minoritarios y a los pares electrón-hueco creados en la zona de carga espacial. Esta corriente se
denomina corriente inversa de saturación (Io).

VI
_ +

I0
- - - - + + + +
- - - - + + + +
- - - - + + + +
Tipo p Tipo n

ANOTACIONES


b) En sentido directo
Disminuye la zona de carga espacial. V pasa a ser Vo - VD. Si VD ≥ Vo entonces se produce una corriente
debida a los huecos que son “empujados” por el terminal positivo de VD hacia la zona N, y a los electrones
que son “empujados” por el terminal negativo de VD hacia la zona P.

VD

+ _

- - - - + + + + I

- - - - + + + +
- - - - + + + +
Tipo p Tipo n

ANOTACIONES


En cortocircuito el potencial de contacto se compensa con los potenciales en los contactos óhmicos de los
terminales => I=0.

+ _
P N
V0’_ V 0” V0 - V0’ - V0” = 0
_ V + +
0
I=0

Grandes tensiones directas -> necesidad de limitar la corriente

Símbolo del diodo:

ÁNODO CÁTODO

P N

ANOTACIONES


CARACTERÍSTICA TENSIÓN-CORRIENTE

V
η ∗VT
Ecuación característica del diodo: I = I 0 (e − 1) se deduce de la ley de la unión

I0 : corriente inversa de saturación (constante a T constante)
η : constante. Su valor es aproximadamente 1 para el Germanio. En el caso del Silicio su valor es 2 para
corrientes pequeñas y 1 para corrientes moderadas o grandes.
VT : Tensión equivalente de la temperatura VT = T/11.600
a temperatura ambiente (T=300 ºK) VT = 0’026 V

I (mA) Vγ => Tensión umbral
0,2 V (Ge)
Tensión de ruptura 0,6 V (Si)

VZ
I0 0,4 (Ge) V (volt)
Vγ
0,8 (Si)

(µA) -> Ge
(nA) -> Si

Tensión umbral (Vγ): tensión directa mínima para que se inicie la conducción.
La corriente inversa I0 aumenta con la temperatura aproximadamente un 7% por ºC para el Si. La corriente
inversa de saturación se duplica aproximadamente por cada 10 ºC de aumento de temperatura. Si I0 = I01
cuando T = T1, cuando la temperatura es T I0 viene dado por:
I 0 (T ) = I 01∗ 2 ( T − T1 )/10

La Tensión equivalente de la temperatura VT también aumenta con la temperatura.
Para mantener constante I con T => dV/dT ≈ -2’5 mv/ºC.

ANOTACIONES


RESISTENCIA ESTÁTICA Y DINÁMICA DE UN DIODO

Resistencia estática (R) : R = V/I -> parámetro muy variable y poco útil

Resistencia dinámica (r): r = dV/dI
V
η ∗VT
I = I 0 (e − 1)
V
η ∗VT
1 dI Ie I +I I
g= = = 0 = 0 ≈
r dV η ∗ VT η ∗ VT η ∗ VT
η ∗ VT K
r≈ = K es constante a temperatura constante.
I I

Para modelos de pequeña señal se puede suponer r constante

ANOTACIONES


MODELOS DEL DIODO

a) Diodo ideal

I Directa Inversa
A A A

I
+
V
_
V
K K K

Vγ = 0
V ≥ Vγ -> Rf = 0
V < Vγ -> Rr = ∞

b) Diodo real

+ A
I
I

1/Rf D1 D2

V
V Rf Rr
1/Rr Vγ

D1 y D2 son ideales Vγ
V ≥ Vγ -> V = Vγ + I Rf
_
V < Vγ -> V = Vγ + I Rr K

Modelos intermedios: Rf = 0 ó Rr = ∞ ó Vγ = 0 ó combinaciones.

ANOTACIONES


CAPACIDAD DE LA ZONA DE CARGA ESPACIAL O TRANSICIÓN

La anchura de la zona de carga espacial y por lo tanto la carga aumenta con la tensión inversa, lo cual
equivale a un efecto de capacidad:

dQ
CT = donde CT es la capacidad de transición
dVI
Supongamos unión abrupta con NA >> ND y polarizada inversamente con VI :
q . NA . Wp . A = q . ND . Wn . A => NA . Wp = ND . Wn VI
Si NA >> ND => Wp << Wn ≈ W

p n
dE q. N D q. N D
= ⇒ E= x+ K
dx ε ε ND

q. N D Densidad de carga -Wp 0 Wn x
E (x=W) = 0 => K = − W
ε NA >> ND
-NA
q. N D
=> E = ( x − W)
ε Intensidad de campo W
E -Wp 0 Wn x
dV q. N D q. N D ⎛ x 2 ⎞
− = ( x − W ) => V = − ⎜ − Wx⎟ + K ' Wp << Wn ≈ W
dx ε ε ⎝ 2 ⎠

( x − 2Wx)
q. N D 2
V(x=0) = 0 => K’ = 0 => V = −
2ε Potencial
V Vj
q. N D .W 2
2ε 0
x=W -> Vj = V0 + VI = => W = V x
2ε q. N D j
W aumenta con la VI aplicada

2ε dW 2ε dW ε
W2 = V j ⇒ 2W = ⇒ =
q. N D dV j q. N D dV j q. N D .W
Q = q.ND .W. A => dQ = q.ND.A.dW

dQ dW A
CT = = q. N D . A. =ε
dVI dV j W

Capacidad de condensador plano con placas de superficie A y distancia entre ellas de W. Resultado también
válido para unión gradual.

ANOTACIONES


Diodos de capacidad variable (Varicaps: Variable capacitors):

A ε.A cte
CT = ε = = => Si Vj aumenta entonces CT disminuye (rango de pF)
W 2ε Vj
. Vj
q. N D

Aplicación de los varicaps: Filtros variables, sintonizadores LC de radiofrecuencia (VHF, UHF)

CAPACIDAD DE DIFUSIÓN

En polarización directa si VD aumenta implica que aumenta la concentración de minoritarios en ambos lados,
y entonces aumenta la carga almacenada Q produciéndose también en este caso un efecto capacitivo:

Q
I= ≡ Modelo de control de la carga de un diodo
τ Concentración
dQ τ . dI τ
CD = = =
dV dV r
τ: tiempo de vida medio de los portadores
P N
r: resistencia dinámica de la unión
τ p τn
CD = CDp + CDn = + pno
r r
npo
CD (orden de µF) es mucho mayor que CT (puede llegar a nF)
x=0 x

ANOTACIONES


TIEMPOS DE CONMUTACIÓN DEL DIODO

CD >> CT => Es mucho más importante el tiempo de recuperación al pasar de conducción directa a inversa
que al revés.

Vi
VD _
+ VF
+
I
Vi RL t1 t2 t3 t
_
-VR
pn - pno
en la unión

trr ≡ tiempo de recuperación t
en inversa (ns o µs) ts
I
V
Tiempo IF ≈ F
almacenamiento RL

trr = ts + tt
t
I0
− VR
− IR ≈
RL
VD tt
Tiempo
transición t

-VR

ANOTACIONES


DIODOS DE AVALANCHA O ZENERS

Son diodos con suficiente capacidad de disipación para trabajar en la zona de conducción inversa. Se utilizan
como estabilizadores de tensión.

R IL
ID +
I IZ
R L VZ
V
-VZ
_
IZmin
VD
RL ↑ => IZ ↑
IZ Si => VZ ≈ constante
RL ↓ => IZ ↓

IZmax V ↑ => IZ ↑
Si => VZ ≈ constante
V ↓ => IZ ↓

ANOTACIONES


Hay dos mecanismos para que se produzca la avalancha del diodo: Multiplicación por avalancha y Ruptura
Zener.

Multiplicación por avalancha (creación por choque):
Este mecanismo es el utilizado en diodos poco impurificados y que tienen una tensión Zener Vz mayor a 6
voltios. La zona de carga espacial es ancha. Tienen un coeficiente de temperatura positivo, es decir, con el
aumento de la temperatura aumenta la tensión Zener

Ruptura Zener:
Este mecanismo es el que se produce en diodos muy impurificados y que tienen una tensión Zener Vz menor
a 6 voltios. La zona de carga espacial es estrecha. Tienen un coeficiente de temperatura negativo, es decir,
con el aumento de la temperatura disminuye la tensión Zener.

ANOTACIONES


DIODOS DE REFERENCIA DE TENSIÓN
a) Tensiones de referencia inferiores a 2 V.
R
+

V RL Vz < 2 v.

-

b) Pequeño coeficiente de temperatura
R
+

V RL Vz

-

Zener (multiplicación por avalancha): coeficiente de temperatura positivo
Diodo (en directa): coeficiente de temperatura negativo

c) Tensiones de referencia altas
R
+

V RL Vz

-

- Menor disipación que con un único zener de Vz elevada
- Menor coeficiente de temperatura combinando los dos tipos de zener
- Menor resistencia que con diodos en directa

ANOTACIONES


FOTODIODOS SEMICONDUCTORES

I = I0 + IS

I

V

ID
RL
+
VA
-

VD = VA – ID RL -> recta de carga
Si ID = 0 => VD = VA
Si VD = 0 => ID = VA/RL

La respuesta espectral es la misma que las células fotoconductoras:

% de pares e--h+ creados

λC λ

ANOTACIONES


DIODOS EMISORES DE LUZ (LED)

- Uniones P-N polarizadas en sentido directo con elevada impurificación (Vγ ≈ 1 v.)
- Materiales especiales para producir luz en la recombinación, como es el AsGa
- Se denominan diodos LED (Light Emitting Diode)
- Tensiones inversas bajas -> destrucción por sobretensión
- Corrientes reducidas (típicas de 10, 20 mA) -> destrucción por sobrecorriente

A continuación se pueden ver dos montajes prácticos de este tipo de diodos:

R

R
V V

ANOTACIONES


CIRCUITO BÁSICO. CONCEPTO DE RECTA DE CARGA

+ v _

+ +
i
Vi RL Vo

_ _

recta de carga: v = Vi – i RL
Su intersección con la característica del diodo da el punto de trabajo de éste.

ID
Vi/RL

IQ Q

VQ Vi VD
Si Vi = Vm sen α ; α = ω t ; ω = 2 π f
Y utilizando el modelo lineal aproximado del diodo:
A A
I

Vγ
1/Rf
Rf Rr

V K K
1/Rr Vγ
V > Vγ V < Vγ

ANOTACIONES


Para Vi ≥ Vγ : Para Vi < Vγ :
Vγ Rr
Vγ
Rf

I
RL
I RL Vi
Vi

Rr >> => I ≈ 0 (orden µA o nA)

Vi

Vγ
I
π 2π
φ π/2 π-φ α

Vm senα − Vγ
i=
RL + R f

para α = φ -> Vm sen φ - Vγ = 0
φ = arcsen (Vγ/Vm) -> ángulo de inicio de c onducción

ANOTACIONES


CIRCUITOS RECORTADORES

Circuito recortador que transmite la parte de la señal de entrada que es más negativa que VR + Vγ

Vo Rf Vo
p=
Rf + R
Rr
p= ≈1
Rr + R VR+Vγ
Vi t
VR+Vγ

Vi
+ R +
D
Vi Vo
VR
_ _

t

ANOTACIONES


Circuito recortador que transmite la parte de la señal de entrada que es más positiva que VR - Vγ

Rr
Rf Vo p= ≈1 Vo
p= Rr + R
Rf + R

VR-Vγ
Vi t
VR-Vγ

Vi
+ R +
D
Vi Vo
VR
_ _

t

ANOTACIONES


Otros circuitos recortadores

+ R + + +
D R
D
Vi Vo Vi Vo
VR VR
_ _ _ _

Vo

DIODOS VR
IDEALES
t

+ R + + +
D R
D
Vi Vo Vi Vo
VR VR
_ _ _ _

Vo
DIODOS
IDEALES VR
t

ANOTACIONES


Circuito recortador a 2 niveles (circuito rebanador)

Vo Vo
p=1
VR2
VR1

VR1 VR2 Vi t
D1 ON D1 OFF
D2 OFF D2 ON
D1 OFF
D2 OFF
Vi
+ R +
D1 D2 Vo
Vi
VR1 VR2 > VR1
_ _

t

ANOTACIONES


CIRCUITOS FIJADORES O LIMITADORES
Cambian el nivel de continua de la señal de entrada.

C
_
+ +
+ Vm - VR
R D
Vi Vo
_
VR _

Suponiendo el diodo D ideal, y cumpliéndose que R⋅C >> T y Vm > VR

Vm Vi Vi = Vm ⋅ sen ωt → Vidc = 0
VR Vo es senoidal con valor medio no nulo

VR - V m
t Vodc = VR − Vm
Vo = Vi − Vc = Vi − (Vm − VR ) =
Vo

VR - 2Vm
Vm (sen ωt − 1) + VR

La ventaja de los circuitos fijadores con respecto a los recortadores es que limitan la señal de entrada pero sin
deformarla.
Ejemplo: D ideal, RC>>T/2, valor práctico RC=5T => en T/2 el condensador no se descarga prácticamente.

C Vi

V
+
+ t
R D
Vi Vo
_ -2V
_

Primer semiperíodo
C

+ _ +
V
V R D
Vo Vo
_

Segundo semiperíodo
C t

+ _ +
V
2V D -3V
R
Vo
_

ANOTACIONES


CIRCUITOS RECTIFICADORES
Rectificador: Circuito que convierte una onda senoidal de entrada en una señal unipolar con componente
media no nula.

Rectificador de media onda

Vi
VD _ Vm
+
+ I 0
Entrada π 2π α = ωt
Vi RL
c.a.
_
I
Im
Idc
0
π 2π α = ωt

ANOTACIONES


Regulación: Representa la variación de la tensión continua de salida en función de la corriente continua en la
carga.

Vdc vacio − Vdc c arg a
% reg. = 100
Vdc c arg a

Im Vm 1 V V
I dc = = ⇒ m = I dc R f + I dc RL = I dc R f + Vdc ⇒ Vdc = m − I dc R f
π R f + RL π π π

El resultado anterior implica que el equivalente Thevenin del rectificador de media onda es el siguiente:

Rf
+
Idc
Vdc RL
Vm/π
_

Si RL = ∞ ó RL >> Rf entonces Vdc vacio = Vdc carga => % reg. = 0
Si RL = 0 entonces Vdc carga = 0 => % reg. = ∞

Teorema de Thevenin:
Dos terminales cualesquiera de una red lineal pueden reemplazarse por un generador de fuerza electromotriz
igual a la tensión en circuito abierto entre los terminales, en serie con la impedancia de salida vista desde
estos puntos.

ANOTACIONES


Rectificador de onda completa

Vi
Vm

0
π 2π α = ωt
I1 D1
I1
+ Im
Vi RL I
Entrada _
0
c.a. + π 2π α = ωt
Vi I2
_ Im
I2 D2
0
π 2π α = ωt
I
Im
Idc
0
π 2π α = ωt

Rectificador en puente

D1 D2 I

Vi _
+ RL

C.A.
D3
D4

ANOTACIONES


DOBLADOR DE TENSIÓN

C1

_ + +
Vm
C2 2Vm

_

ANOTACIONES


FILTRADO CON CONDENSADORES
A partir de una señal rectificada es posible obtener una tensión continua. El mecanismo para obtener la
misma es el filtrado en baja frecuencia de dicha señal rectificada. En este apartado se aborda el análisis del
filtrado empleando condensadores. De dicho análisis se obtendrá por un lado un conocimiento del
funcionamiento del mismo, y por otro un método de obtención de las características de la señal de salida y de
las distintas aproximaciones que son habituales en este tipo de análisis.

Filtrado. Explicación cualitativa
A partir de un circuito rectificador de media onda, como el de la figura, es posible obtener a la salida una
señal continua. Esto se logra con la simple adición a dicho circuito de un condensador que actúe como filtro.
La misión del condensador es almacenar energía y entregarla a la carga cuando sea preciso.

D (ideal)

C
Vi = Vm*sen α RL Vo

En la siguiente figura se puede ver la salida obtenida en el
Vo
circuito anterior, si se supone que la carga tenga un valor Sin C
Con C
infinito (RL = ∞). Como se aprecia, la tensión a la salida queda V
m
fijada al valor continuo Vm, debido a que el condensador se
carga a dicho valor y, al no tener camino para su descarga,
queda con esa tensión indefinidamente. π 2π 3π

En el caso en que la resistencia de carga tenga un valor finito (RL<∞), el condensador de filtrado se
descargará durante el intervalo de no conducción del diodo. En la siguiente figura podemos observar la onda
rectificada (I), y la señal a la salida (II) que muestra cómo se descarga el condensador de forma exponencial.

En función del valor del condensador usado, y de la resistencia
Vo
de carga, la descarga será más o menos rápida. El efecto final es (I) (II)
una tensión de salida variable entre unos márgenes superpuesta a Vm
una tensión continua. La tensión variable se denomina rizado, y
es un parámetro muy importante a la hoja de comprobar la π 2π 3π
calidad de un filtro.

ANOTACIONES


Aproximaciones al rizado
El cálculo del rizado producido en un circuito rectificador con filtro es sencillo pero puede resultar laborioso;
por ello generalmente se realizan aproximaciones al mismo, con el objetivo de simplificar los cálculos. Si el
condensador se descarga poco, dichas aproximaciones proporcionan unos resultados muy similares a los
obtenidos si se realizasen los cálculos completos.

Rizado alto
Si el rizado del circuito es grande, es decir, la parte variable de la tensión de salida es grande comparada con
la parte continua, no es posible realizar aproximaciones de ningún tipo, y se hace necesario emplear el
modelo real. En la figura se aprecia el aspecto de la señal de salida. En ella podemos observar que la tensión
de salida coincide con la del rectificador hasta un punto, a partir del cual la tensión de salida disminuye
exponencialmente. En cuanto las tensiones de salida y del rectificador vuelven a igualarse, la tensión de
salida pasa otra vez a seguir la onda senoidal.

Exp. Senoidal

Rizado bajo
En los casos de pequeño rizado, se realizan 3 aproximaciones, que nos proporcionan una onda como la de la
figura. En primer lugar se supone que la descarga del condensador es lineal, en segundo lugar que dicha
descarga comienza justo en el punto de tensión máxima de la señal rectificada, y en tercer lugar se supone
que el condensador se descarga hasta el instante en que la tensión rectificada vuelve a alcanzar su máximo
valor.

Lineal

ANOTACIONES


Rizado medio
En el caso de tener un rizado medio, se suele aproximar tal y como aparece en la figura, es decir, se
considera una descarga exponencial, que dicha descarga comienza cuando la señal rectificada pasa por su
punto máximo, y que el condensador se descarga hasta que encuentra de nuevo la señal rectificada.

Exp. Sen.

Ejemplo de cálculo
Supongamos un rectificador de onda completa, en el que se verifica RL*C>>T/2 (por lo que suponemos un
rizado bajo, y tomamos la aproximación lineal comentada anteriormente). El análisis sería el siguiente:

Vo
VDC
Vr

t
tdescarga → próximo a T/2

En la figura anterior podemos ver las distintas tensiones y tiempos que se emplearán en el análisis. Hay que
tener en cuenta que, como se supone un rizado bajo, la señal que consideramos de salida es una onda en
diente de sierra como la siguiente:

Vm
Vr

T/2

ANOTACIONES


A partir de esta señal, deducimos que la tensión de continua a la salida viene dada como: Vdc = Vm − Vr / 2 ,
donde Vm es la tensión de pico de la señal rectificada. Se observa de dicha tensión de continua es la tensión
de pico menos el valor medio del rizado, el cual en este caso sencillo coincide con Vr/2

T
El condensador se descarga linealmente durante T/2, luego la carga perdida se puede expresar como: Idc ,
2
y nos queda que la tensión de rizado y de continua vienen dadas por las ecuaciones:
Q IcdT Icd
Vr = = =
C 2C 2 fC
Vr Idc
⇒ Vdc = Vm − = Vm −
2 4 fC
En las fórmulas anteriores podemos observar que el rizado aumenta con Idc (↑ cuando RL↓), y disminuye con
C y f.

El rizado se puede definir como:

Vrms ⎧Vrms : Valor eficaz de la componente alterna (root mean square)
r= →⎨
Vdc ⎩Vdc : Componente continua

Obtenemos el valor eficaz de la componente alterna aplicando la definición, y nos queda:

⎡ ⎤π
1 ⎢α α 3 α 2 ⎥
2
1 π ⎡Vr Vr ⎤ Vr
Vrms =
π ∫
0 ⎢ 2 − π α ⎥ dα = Vr π ⎢ 4 + 2 − 2π ⎥ = 2 3
⎣ ⎦
⎢
⎢
3π
⎥
⎥
⎢
⎣ ⎥
⎦0

Ahora substituimos el valor Vrms obtenido en la fórmula del rizado:

Vr Idc 1
⇒ r= = =
2 3Vdc 4 3 fCVdc 4 3 fCRL

De nuevo se deduce que r disminuye con f, C y RL

ANOTACIONES


Detector de picos o demodulador de AM
El circuito rectificador de media onda con un filtro condensador se puede emplear para detectar los valores
de pico de las ondas de entrada. Sirve para extraer la señal de información que se modula en amplitud (por
ejemplo en transmisión radiofónica), denominándose a este proceso demodulación.

D (ideal)

C
Vi = Vm*sen α RL Vo

Para esto el periodo de la portadora tiene que ser mucho menor que la constante de carga del condensador y
esta mucho menor que el periodo de la señal moduladora:
T portadora << RC << T moduladora

ANOTACIONES

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