CURSO TALLER ACTIVIDAD 17 I. DIODO EMISOR DE LUZ – LED Un diodo emisor de luz, también conocido como LED (acrónimo del inglés de Light-Emitting Diode) es un dispositivo semiconductor (diodo) que emite luz coherente de espectro reducido cuando se polariza de forma directa la unión PN del mismo y circula por él una corriente eléctrica. Este fenómeno es una forma de electroluminiscencia. El color (longitud de onda), depende del material semiconductor empleado en la construcción del diodo y puede variar desde el ultravioleta, pasando por el visible, hasta el infrarrojo. Los diodos emisores de luz que emiten luz ultravioleta también reciben el nombre de UV LED (UltraV'iolet Light-Emitting Diode) y los que emiten luz infrarroja suelen recibir la denominación de IRED (Infra-Red Emitting Diode). Las ventajas del LED son: 1. Velocidades extremadamente altas (pocos nanosegundos). 2. Ancho de banda espectral estrecho, centrado próximo al pico de respuesta de muchos detectores de Si. 3. Bajo costo. 4. Larga vida comparada con las lámparas. 5. Linealidad en un amplio margen en Psalida en función de Ientrada. 6. Adaptable a funcionar con láser coherente. 7. Funcionamiento a baja tensión, lo cual los hace compatibles con circuitos integrados. 8. Variedad de colores. Las desventajas del LED son: 1. La potencia de salida radiante y la situación del centro de longitud de onda dependen de la temperatura. 2. Fácil destrucción por sobretensión o sobrecorriente. 3. Teóricamente no se consigue buen rendimiento excepto con enfriamiento especial o trabajo intermitente. 4. Ancho de banda óptico grande, comparado al láser. DIODO ZENER REGULADORES DE VOLTAJE DIODO ZENER Existe otro tipo de diodo, el llamado diodo zener, cuyas características en polarización directa son semejantes a las del diodo rectificador, pero que en polarización inversa se comporta de manera diferente, lo que le permite tener una serie de aplicaciones que no posee el diodo rectificador. Un diodo zener tiene un voltaje de avalancha relativamente bajo, menor de 100v. Aunque puede funcionar como rectificador la mayoría de aplicaciones se basan en hacerlo funcionar en la zona de avalancha, allí el diodo conduce y mantiene un voltaje entre sus terminales que es el voltaje Zener ( V Z ) o de avalancha. La máxima corriente que puede conducir es I MAX P DMAX VZ Por ejemplo, para un diodo zener de 1.5 voltios de 1 vatio, la máxima corriente en avalancha es I MAX P DMAX 1W VZ 1 . 5V 66 mA En la figura 1 se muestra el símbolo de un diodo zener. Figura 1. Símbolo de diodo zener. Cuando el diodo zener esta polarizado inversamente, una pequeña corriente circula por él, llamada corriente de saturación I SAT , esta corriente permanece relativamente constante mientras se aumenta la tensión inversa hasta que el valor de ésta alcanza V Z , llamada tensión Zener (que no es la tensión de ruptura zener), para la cual el diodo entra en la región de avalancha. La corriente empieza a incrementarse rápidamente por el efecto avalancha, como se muestra en la figura 2. En esta región pequeños cambios de tensión producen grandes cambios de corriente. El diodo zener mantiene la tensión prácticamente constante entre sus extremos para un amplio rango de corriente inversa. Si ahora se va disminuyendo la tensión inversa se volverá a restaurar la corriente de saturación I SAT cuando la tensión inversa sea menor que la tensión zener. El diodo podrá cambiar de una zona a la otra en ambos sentidos sin que para ello el diodo resulte dañado, esto es lo que lo diferencia de un diodo rectificador y es lo que le da al diodo zener su característica especial. El progresivo aumento de la polarización inversa hace crecer el nivel de corriente y no debe sobrepasarse un determinado nivel de tensión especificado por el fabricante pues en caso contrario se dañaría el diodo, además siempre debemos tener en cuenta la máxima potencia que puede disipar el diodo y trabajar siempre en la región de seguridad. 2 Figura 2. Característica I-V de un diodo zener. Caracteristicas del diodo zener El diodo zener viene caracterizado por: 1. Tensión Zener V Z . 2. Rango de tolerancia de V Z . (Tolerancia: C: ±5%) 3. Máxima corriente Zener en polarización inversa I MAX . 4. Máxima potencia disipada P DMAX . 5. Máxima temperatura de operación del zener. 1. REGULADOR SIMPLE CON UN DIODO ZENER El caso más simple es el regulador con un diodo zener, indicado en la figura 3. Si bien el circuito parece muy sencillo, su diseño requiere cierto cuidado para lograr las mejores condiciones de operación para el zener y el mejor rendimiento. La corriente i S entregada por el generador está dada por iS iZ iL vG vL RS 3 Figura 3. Circuito simple con diodo zener. Suponiendo por el momento que v G es constante, vemos que las corrientes por el zener y por la carga responden a un principio de bascularidad, es decir que la corriente entregada por la fuente bascula entre el zener y la carga según sea lo requerido por esta última. Normalmente i L es una variable aleatoria que depende de la carga y de sus condiciones de operación. Por ejemplo, si la carga fuera un amplificador de audio, la corriente variaría alrededor de un punto de trabajo conforme va variando la señal. Nos interesa ver cómo varía la corriente por el zener: iZ vG vL iL RS Si se supone que por especificaciones se debe cumplir que i L max iL i L max iZ i L min Se debe verificar que: vG vL RS vG vL RS i L min Para garantizar el funcionamiento del zener es necesario que en la peor condición circule por él al menos la corriente i Z m in que asegura que la regulación. Esta condición se da para iL i L max de donde resulta i S min i L max i Z min Para esto hace falta que RS vG vL i L max iZ min Si ahora se permite que la tensión del generador varíe vG m in vG v G m a x , la resistencia deberá satisfacer la condición anterior aun para el mínimo valor de v G , es decir RS v G min i L max vL iZ min 4 Figura 4. Encapsulado de un diodo zener real. En el medio se consiguen diodos zener con voltaje zener de los siguientes valores: 3.3 – 3.6 – 3.9 – 4.3 – 4.7 – 5.1 – 5.6 – 6.2 – 6.8 – 7.5 – 8.2 – 9.1 – 10 – 11- 12 – 15 – 16 – 18 - 20 – 22 – 24 – 27 – 30 y 33 voltios a unas potencias de 0.4 – 1 – 5 – 10 y 50 vatios. REGULADORES INTEGRADOS DE VOLTAJE Los circuitos electrónicos deben funcionar, en su gran mayoría, con voltajes DC, y por ello es primordial que posean una etapa electrónica llamada fuente de alimentación o fuente de poder, la cual transforma el voltaje de 220 AC de la red eléctrica domiciliaria en voltaje DC. La fuente de poder o Power Supply es diseñada de muchas formas según el requerimiento específico del equipo, su uso o complejidad. Es por esto que a la hora de realizar cualquier circuito electrónico práctico, el diseñador debe necesariamente realizar una fuente de alimentación acorde a las necesidades del circuito. Una tecnología muy común en es el uso de Reguladores de Voltaje Integrados Estos dispositivos de gran utilidad aúnan todas las ventajas de una fuente de alimentación en un solo encapsulado, reduciendo el problema de diseños discretos con zener y transistores u otros componentes. En la figura 5 se muestra la función de un regualdor de voltaje Figura 5. Función de un regualdor de voltaje. En esta tecnología encontramos Reguladores Integrados Fijos y variables, y según su conexión con la salida, se pueden conectar en serie y/o paralelo. REGULADORES FIJOS DE LA FAMILIA 78XX Y 79XX 5 En la mayoría de las aplicaciones se requiere una tensión fija y estable de un determinado valor. Una de las familias de reguladores ideales para este tipo de necesidades es la 78xx, de salida positiva, y ground o common a negativo, y 79xx, de salida negativa y ground positivo. El fabricante utiliza los códigos que se muestran en la figura 6, relacionados con estos integrados IC (Integrated Circuit): Figura 6. Reguladores de voltaje fijos de +5v y -5v. Las primeras letras (LM) corresponden al código que indica el fabricante y los dos número finales (05) corresponden al voltaje de salida. Puede haber una última letra (T) que indica un código adicional referido al tipo de cápsula o case (package de aluminio, epoxy o acero) que tiene relación con la potencia y corrientes del integrado. Los voltajes de salida se encuentran en forma escalonada, como se muestra en la figura 7, aún cuando existen fabricantes que construyen modelos con otros rangos de voltajes. Figura 7. Reguladores de voltaje fijos existentes. La conexión típica de un regulador de esta familia se muestra en la figura 8: 6 Figura 7. Conexión típica de reguladores de voltaje fijos. Como se observa, sólo fueron agregados dos capacitores al circuito integrado, C1, que se halla a la entrada del regulador, filtra la tensión de posibles transitorios y ruidos de RF (radiofrecuencia), mientras que C2, que se encuentra a la salida, disminuye la posible tensión de rizado que pudiera haber reforzando además la acción de C1. En cuanto a la tensión de entrada, se puede mencionar que puede ser de un rango muy amplio, como se aprecia. Por ejemplo, si el regulador elegido es uno de nueve volts (LM7809), la tensión de entrada podrá ser de entre 12 y 39 voltios. En la figura 8 se muestra el tipo de encapsulado típico en los reguladores de voltaje fijos. Figura 8. Encapsulado de reguladores de voltaje fijos. Un ejemplo de la aplicación de un regulador en una fuente de voltaje de 12 volts, es el siguiente circuito. Figura 9. Fuente de 12 voltios regulada. REGULADORES VARIABLES LA FAMILIA LM317 Y LM337 7 Existen algunos reguladores en los que se puede ajustar la tensión de salida (Vs) mediante una resistencia variable, como el LM317 que se muestra en la figura 10. Figura 10. Regulador variable LM 317. Los reguladores de la familia LM317 – LM338 y LM350 son de voltaje positivo y los de la familia LM337 son de voltajes negativos. Figura 11. Distribución de pines del Regulador variable LM 317. Documento editado por: docente Ing. Iván Mora Documento revisado por: docente Ing. Álvaro Ospina 8