Diodo semiconductor

TEHUACÁN – EMEC 309 – MANEJO DE COMPONENTES ELECTRÓNICOS
Diodo semiconductor
El diodo semiconductor es el dispositivo semiconductor más sencillo y se puede
encontrar, prácticamente en cualquier circuito electrónico.
Los diodos se fabrican en versiones de silicio (la más utilizada) y de germanio.
Los diodos constan de dos partes, una llamada N y la otra llamada P, separados por
una juntura llamada barrera o unión. Esta barrera o unión es de 0.3 voltios en el
diodo de germanio y de 0.6 voltios aproximadamente en el diodo de silicio.
Principio de operación de un diodo
El semiconductor tipo N tiene electrones libres (exceso de electrones) y el
semiconductor tipo P tiene huecos libres (ausencia o falta de electrones)
Cuando una tensión positiva se aplica al lado P y una negativa al lado N, los electrones
en el lado N son empujados al lado P y los electrones fluyen a través del material P
más allá de los límites del semiconductor.
De igual manera los huecos en el material P son empujados con una tensión negativa
al lado del material N y los huecos fluyen a través del material N.
En el caso opuesto, cuando una tensión positiva se aplica al lado N y una negativa al
lado P, los electrones en el lado N son empujados al lado N y los huecos del lado P son
empujados al lado P. En este caso los electrones en el semiconductor no se mueven
y en consecuencia no hay corriente
El diodo se puede hacer trabajar de 2 maneras diferentes:
Polarización directa
Es cuando la corriente que circula por el diodo sigue la ruta de la flecha (la del diodo),
o sea del ánodo al cátodo. En este caso la corriente atraviesa el diodo con mucha
facilidad comportándose prácticamente como un corto circuito.
Polarización inversa
Es cuando la corriente en el diodo desea circular en sentido opuesto a la flecha (la
flecha del diodo), o se del cátodo al ánodo. En este caso la corriente no atraviesa el
diodo, y se comporta prácticamente como un circuito abierto.
Nota: El funcionamiento antes mencionado se refiere al diodo ideal, esto quiere decir
que el diodo se toma como un elemento perfecto (como se hace en casi todos los casos),
tanto en polarización directa como en polarización inversa.
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Aplicaciones del diodo
Los diodos tienen muchas aplicaciones, pero una de las más comunes es el proceso de
conversión de corriente alterna (C.A.) a corriente continua (C.C.). En este caso se utiliza
el diodo como rectificador.
Rectificador de media onda. Fuente no regulada
La corriente y voltaje que las compañías distribuyen a nuestras casas, comercios u otros es
corriente alterna.
Para que los artefactos electrónicos que allí tenemos puedan funcionar adecuadamente, la
corriente alterna debe de convertirse en corriente continua.
Para realizar esta operación se utilizan diodos semiconductores que conforman circuitos
rectificadores. Inicialmente se reduce el voltaje de la red (110 / 220 voltios AC u otro) a uno
más bajo como 12 o 15 Voltios AC con ayuda de un transformador. A la salida
del transformador se pone el circuito rectificador.
La tensión en el secundario del transformador es alterna, y tendrá un semiciclo positivo y uno
negativo
Polarización del diodo en sentido directo
Durante el semiciclo positivo el diodo queda polarizado en directo, permitiendo el paso de la
corriente a través de él. Ver gráfico.
Si el diodo es considerado como ideal, este se comporta como un cortocircuito, (ver gráfico),
entonces toda la tensión del secundario aparecerá en la resistencia de carga.
Polarización del diodo en sentido inverso
Durante el semiciclo negativo, la corriente entregada por el transformador querrá circular en
sentido opuesto a la flecha del diodo. Si el diodo es considerado ideal entonces este actúa como
un circuito abierto y no habrá flujo de corriente.
La forma de onda de salida de un rectificador de 1/2 onda será como se muestra en la
siguiente figura.
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Rectificador de media onda. Filtro y rizado
La tensión de salida del rectificador de 1/2 onda anterior (una onda pulsante) muestra con
claridad un voltaje en corriente continua que se pueda aprovechar (no es constante).
Pero si incluimos a la salida de este y antes de la carga un condensador (capacitor), este
ayudará a aplanar la salida.
Cuando el diodo conduce (semiciclo positivo) el capacitor se carga al valor pico del voltaje
de entrada.
En el siguiente semiciclo, cuando el diodo está polarizado en inversa y no hay flujo
de corriente hacia la carga, es el condensador el que entrega corriente a la carga (el
condensador se descarga a través de la resistencia de carga).
El condensador al entregar corriente a la carga se descarga (disminuye el voltaje en sus
terminales). Ver la figura anterior y la siguiente, donde se puede ver con claridad la carga del
condensador y descarga del condensador. (La línea roja)
La tensión de rizado
A la variación del voltaje (∆v) en los terminales del condensador (capacitor)debido a
la descarga de este en la resistencia de carga se le llama tensión de rizado. La magnitud de
este rizado dependerá del valor de la resistencia de carga y al valor del capacitor.
En el semiciclo positivo el transformador entrega corriente (a través del diodo) al condensador C
y a la resistencia RL, en el semiciclo negativo es el capacitor el que entrega corriente a
la resistencia (se descarga).
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Si el capacitor es grande significa menos rizado, pero aun cumpliéndose esta condición, el
rizado podría ser grande si la resistencia de carga es muy pequeña (corriente en la carga es
grande).
Rectificador de onda completa con transformador
de derivación central
Fuente de alimentación no regulada, rizado
Este tipo de rectificador necesita un transformador con derivación central. La derivación central
es una conexión adicional en el bobinado secundario del transformador, que divide la tensión
(voltaje) en este bobinado en dos voltajes iguales.
Esta conexión adicional se pone a tierra. Ver gráfico
Durante el semiciclo positivo de la tensión en corriente alterna (ver Vin color rojo) el diodo D1
conduce.
La corriente pasa por la parte superior del secundario del transformador, por el diodo D1 por RL
y termina en tierra. El diodo D2 no conduce pues está polarizado en inversa
Durante el semiciclo negativo (ver Vin color azul) el diodo D2 conduce. La corriente pasa por la
parte inferior del secundario del transformador, por el diodo D2 por RL y termina en tierra. El
diodo D1 no conduce pues está polarizador en inversa.
Ambos ciclos del voltaje de entrada son aprovechados y el voltaje de salida se verá como en el
siguiente gráfico:
Tensión de rizado
Si a RL se le pone en paralelo un condensador, el voltaje de salida se verá como en la
siguiente figura (línea negra).
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A la variación del voltaje (∆v) en los terminales del condensador / capacitor debido a
la descarga de este en la resistencia de carga se le llama tensión de rizado. La magnitud de este
rizado dependerá del valor de la resistencia descarga y al valor del capacitor.
Si se comparar este diagrama con su correspondiente de rectificación de 1/2 onda, se puede ver
que este circuito tiene un rizado de mayor frecuencia (el doble), pero es menor. Ver ∆V en el
rectificador de 1/2 onda
En cada semiciclo el transformador entrega corriente (a través de los diodos D1 y D2) al
condensador C y a la resistencia RL, Esto sucede mientras las ondas aumentan su valor hasta
llegar a su valor pico (valor máximo), pero cuando este valor desciende es el condensador el que
entrega la corriente a la carga (se descarga).
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Si se compara este diagrama con su correspondiente de rectificación de 1/2 onda, se puede ver
que este circuito tiene un rizado de mayor frecuencia (el doble), pero es menor. Ver ∆V en el
rectificador de 1/2 onda
En cada semiciclo el transformador entrega corriente (a través de los diodos D1 y D2) al
condensador C y a la resistencia RL, Esto sucede mientras las ondas aumentan su valor hasta
llegar a su valor pico (valor máximo), pero cuando este valor desciende es el condensador el que
entrega la corriente a la carga (se descarga).
Si el capacitor es grande significa menos rizado, pero aun cumpliéndose esta condición, el rizado
podría ser grande si la resistencia de carga es muy pequeña (corriente en la carga es grande)
Nota: Hay que tomar en cuenta que el voltaje máximo que se podrá obtener dependerá del
voltaje que haya entre uno de los terminales del secundario del transformador y el terminal de la
derivación central.
Rectificador de onda completa con puente de
diodos
Fuente de alimentación no regulada
El circuito rectificador de onda completa de la primera figura más abajo, es el que se utiliza
si lo que se desea es utilizar todo el voltaje del secundario del transformador (en el caso de
un transformador con derivación central).
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Cuando se utiliza la derivación puesta a tierra, en el circuito con transformador de derivación
central, la tensión de salida depende de la mitad de la tensión del secundario.
En este circuito el transformador es alimentado por una tensión en corriente alterna. Los
diodos D1 y D3 son polarizados en directo en el semiciclo positivo, los diodos D2 y D4 son
polarizados en sentido inverso. Ver que la corriente atraviesa la resistencia de carga RL.
En el semiciclo negativo, la polaridad del transformador es el inverso al caso anterior y los
diodos D1 y D3 son polarizados en sentido inverso y D2 y D4 en sentido directo.
La corriente como en el caso anterior también pasa por la carga RL en el mismo sentido que en
el semiciclo positivo.
La salida tiene la forma de una onda rectificada completa.
Esta salida es pulsante y para "aplanarla" se pone un condensador (capacitor) en paralelo con
la carga.
Este capacitor se carga a la tensión máxima y se descargará por RL mientras que la tensión
de salida del secundario del transformador disminuye a cero ("0") voltios, y el ciclo se repite. Ver
las figuras.
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