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Diodos y Circuitos rectificadores
LECCION 1 MATERIALES SEMICONDUCTORES
Son materiales que tienen una resistencia eléctrica intermedia
entre los conductores y los aislantes. Por efectos de temperatura
en estos materiales hay electrones que se desligan de sus
átomos quedando un electrón y un hueco (átomo sin electrón)
que se constituyen en portadores de carga, el movimiento de
estos portadores cuando se aplican voltajes constituye una corriente eléctrica. Es un
material conductor intrínseco.
A mayor temperatura existen más portadores de carga, las corrientes son mayores, por tanto
la resistencia es menor, se usan como elementos para medir temperaturas (termistores).
Los semiconductores más usados son el Silicio y el Germanio. Cuando al semiconductor
intrínseco se adicionan átomos de otros elementos (impurezas) por cada átomo adicionado
se forma un portador de carga.
Al usar materiales del grupo III de la tabla química se forman
huecos quedando un semiconductor con más huecos
(portadores mayoritarios) y se obtiene un semiconductor
extrínseco tipo P.
Al usar impurezas del grupo V quedan electrones libres y el
material va a tener portadores mayoritarios electrones y
portadores minoritarios huecos formando un material
semiconductor extrínseco tipo N. El dopado es una medida de
la cantidad de impurezas por unidad de volumen y determina
fuertemente la conductividad del material. El proceso de dopado se hace en hornos de vacío
a alta temperatura, los semiconductores usados en electrónica son monocristalinos, es decir,
en su estructura no aparecen límites de grano.
LECCION 2 UNION PN
EL DIODO
Un diodo es la unión de dos zonas de material
semiconductor, una de tipo N y la otra de tipo P, entre las
dos se forma una zona llamada de agotamiento (Z.A.) donde
es mínima o nula la presencia de portadores de carga. Tanto
en la zona P como en la zona N existen portadores de carga
minoritarios del signo contrario.
A la zona P se le llama ánodo (A) y a la zona N se le llama cátodo (K).
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Diodo en directo: Caida de voltaje = 0.7 V
Diodo en directo: Se comporta como un interruptor cerrado.
Diodo en inverso: Se comporta como un interruptor abierto.
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POLARIZACIÓN DE UN DIODO
Un diodo trabaja unido a un circuito eléctrico el cual le aplica un voltaje. Se presentan dos
posibilidades:
POLARIZACIÓN DIRECTA
El voltaje positivo aplicado al ánodo empuja los huecos
hacia la zona de agotamiento, lo mismo hace el voltaje
negativo sobre los electrones del cátodo. Cuando el voltaje
es pequeño y va aumentando la zona de agotamiento se va
estrechando al llegar a un valor llamado voltaje de umbral la
zona de agotamiento desaparece y los huecos y electrones se
recombinan y el circuito externo empieza a aportar huecos a
la zona P y electrones a la zona N apareciendo una corriente
eléctrica a través del diodo, se dice que el diodo está en
conducción.
El voltaje umbral es 0.2 voltios para germanio y 0.6 voltios
para silicio. La corriente del diodo en conducción crece
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fuertemente con un crecimiento pequeño del voltaje (décimas de voltio). Se considera
entonces para un diodo de silicio siempre que esté en conducción su voltaje es de 0.7
voltios.
Si los voltajes en el circuito son mucho mayores a 0.7v, el voltaje del diodo se considera
0 y se asimila a un interruptor cerrado.
POLARIZACIÓN INVERSA
El voltaje negativo aplicado al ánodo atrae los huecos y el
voltaje positivo aplicado al cátodo atrae los electrones por lo
que la zona de agotamiento se ensancha, sobre los
portadores minoritarios ocurre el fenómeno contrario, éstos
hacen recombinación y forman una corriente muy pequeña
(nA a µA) que en el caso práctico se considera nula. Se dice
entonces que el diodo se comporta como un interruptor
abierto.
El voltaje en el diodo será el que el circuito aplique y puede llegar a cualquier valor, en la
práctica cientos de voltios para diodos
rectificadores.
Cuando el voltaje inverso aplicado llega
a cierto valor la atracción entre huecos y
electrones crece tanto que rompen la
resistencia de la estructura del
semiconductor y viajan a gran velocidad
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recombinándose y formando una corriente que crece rápidamente, se llama fenómeno de
avalancha y a ese voltaje se llama Zener o de avalancha. En diodos rectificadores este
voltaje es de cientos de voltios y si el diodo llega a ese voltaje normalmente se daña por una
elevación muy rápida de temperatura.
Los diodos Zener tienen un voltaje de avalancha menor a 100v y se pueden
trabajar haciéndolos conducir en esa condición hasta cierto valor límite de
corriente. Un diodo se puede asimilar a una válvula de flujo unidireccional
(flapper o cheque), con una diferencia de presión positiva se abre y deja
pasar flujo, con una diferencia de presión negativa se cierra y el flujo es
cero.
La gráfica muestra
la variación de la
corriente en
función del voltaje
aplicado al diodo
indicando el
comportamiento
tanto en
polarización directa
como en inversa.
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PRUEBA DE UN DIODO
Con un multímetro análogo un diodo se prueba en la escala de resistencia, colocando la
punta roja (+) al ánodo y la punta negra (-) al cátodo debe marcar un valor pequeño de
resistencia (<200) y al conectar al contrario debe marcar un valor grande (>1M) en la
escala más alta (R*1k). Con un multímetro digital en directo debe marcar el voltaje de
umbral (0.5 a 0.7v para silicio) y en inverso debe marcar circuito abierto indicado en la
mayoría de multímetros con una "1" a la izquierda del display.
POTENCIA DE UN DIODO
Cuando un diodo conduce igual que una resistencia disipa potencia que se convierte en
calor y eleva la temperatura del diodo, si la temperatura sube por encima de unos 300ºC la
estructura del semiconductor se agrieta y el diodo se daña ("quema"). La disipación de
potencia: PD = VD*ID se debe mantener por debajo de un límite que depende del tamaño
del diodo y su estado de disipación de calor.
En directo entonces se tiene un valor máximo de corriente:
Para diodos rectificadores en inverso el límite está dado por el voltaje avalancha que se
llama entonces voltaje pico reverso VRP , por ser normalmente mayor a 100v la corriente
de avalancha para llegar al límite de potencia es tan pequeña que se puede decir que
instantáneamente sube la temperatura y el diodo se quema.
Para diodos Zener en zona de avalancha se tendrá un máximo de corriente:
ELECCIÓN DE UN DIODO
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Los diodos vienen identificados por referencias que cambian de un fabricante a otro, pero
una referencia de un fabricante es equivalente a una referencia en cada uno de los otros
fabricantes. Los fabricantes editan manuales con diferentes niveles de información sobre
cada una de las referencias producidas y se tienen se tienen las guías maestras de reemplazo
que sirven para conocer las referencias equivalentes. En Colombia el mercado se guía
principalmente por Master Replacement Guide de ECG Semiconductors.
Para seleccionar un diodo se deben conocer mínimo los siguientes datos:
Corriente que va a conducir (pico o promedio), voltaje inverso a que va a estar sometido,
frecuencia de las señales; con estos valores usando las tablas del manual ECG se podrá
escoger una referencia adecuada que soporte las condiciones de trabajo. En altas
frecuencias se deben escoger diodos Fast SW y en casos donde se requiere que un diodo
pase muy rápido de corte a conducción se deben usar diodos Fast Recovery.
LECCION 3 DIODOS RECTIFICADORES
APLICACIONES DE LOS DIODOS
Los diodos rectificadores se usan principalmente en: circuitos rectificadores, circuitos
fijadores, circuitos recortadores, diodos volantes.
Los diodos Zener se usan en circuitos recortadores, reguladores de voltaje, referencias de
voltaje.
CIRCUITOS RECTIFICADORES
Son circuitos que convierten señales alternas en señales de una sola polaridad (positiva o
negativa)
Según su configuración son de media onda o de onda completa y según la fuente AC usada
son monofásicos o polifásicos.
Para mirar los voltajes y corrientes en el diodo examinamos dos circuitos básicos a
continuación.
Como se aplica la polaridad positiva de la fuente
al ánodo y negativa a través de la resistencia al
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cátodo, el diodo es polarizado en directo, entonces: VD = 0.7v
VR = VF - VD = VF - 0.7  VF I  VF/R
Si VF = 100v ; R = 200VR  100v VD = 0.7
ID = I = 0.5A
Como la fuente aplica polaridad negativa al
ánodo y positiva a través de la resistencia hacia
el cátodo el diodo es polarizado en inverso,
entonces:
I = ID = 0 si I = 0  VR = R·I = 0
VD = VF - VR = VF - 0 = VF (en inverso)
Al aplicar una fuente AC el diodo conduce en el ciclo positivo (1er circuito) y se abre en el
semiciclo negativo (2do circuito).
En la carga (R) aparece voltaje de una sola
polaridad positiva, es una señal llamada
rectificada media onda.
El voltaje pico en el diodo corresponde al valor
pico negativo de la fuente:
VDP = VFP
La corriente pico en el diodo se produce
cuando la fuente llega a su pico positivo y es:
Por la forma de onda la corriente promedio es:
Ejemplo: Sea VFef = 220 VRMS y R = 500
VDP = 2* VFef = 2*220v = 310VP
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Diodos y Circuitos rectificadores
IM = 0.18A
Del manual ECG se puede tomar el diodo ECG 116 que soporta VPR = 600v y IMmax = 1A.
Para obtener una onda rectificada negativa se coloca el diodo en sentido contrario.
LECCION 4 CIRCUITOS RECTIFICADORES MONOFASICOS
RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA
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Para este caso VDP = VFD y en la resistencia: VRP = VFP:
Para una fuente de 60Hz en la resistencia la señal de voltaje tiene una frecuencia de 120Hz.
Estos circuitos se aplican en alimentación de motores DC, pero no dan señales adecuadas
para alimentación de circuitos electrónicos, se añade un condensador como filtro.
La señal obtenida es la siguiente:
Rectificador media onda
Rectificador onda completa
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Diodos y Circuitos rectificadores
El circuito como filtro se llama fuente DC o adaptador AC-DC.
CIRCUITOS CON VARIOS DIODOS
En electrónica se usan circuitos con varios diodos para realizar operaciones lógicas y para
conmutar el flujo de corriente entre varios circuitos. El análisis se basa en determinar cual
diodo o diodos conducen en cada instante de tiempo y de ahí determinar las corrientes y
voltajes del circuito. Se van a analizar dos casos elementales:
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Diodos y Circuitos rectificadores
En este circuito conduce el diodo que
recibe el voltaje más positivo; si VF2 >
VF1 conduce D2.
VR  mayor entre VF1 y VF2.
Ejemplo: Si VF1 = 8v y VF2 = 5v, R =
100
Conduce el diodo D1 y VR = 7.3v  8v
Para el diodo D2: VD2 = VB - VC = 5v - 7.3v = -2.3v indica que el diodo D2 está en inverso
y no conduce.
El análisis se puede aplicar para más de 2 diodos con el resultado conduce el que reciba
mayor voltaje y todos los demás quedan en inverso.
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Diodos y Circuitos rectificadores
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