ELECTRÓNICA XABIER PÉREZ TEMA 03

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3 DIODOS. 3.1 INTRODUCCIÓN. Un diodo es un elemento polarizado de dos terminales (ánodo y cátodo) que deja pasar corriente en un sentido (comportamiento como circuito cerrado) y la bloquea en el otro (comportamiento como circuito abierto). Cuando hay paso de corriente, ésta va en sentido ánodo cátodo

Al no ser lineal no permite aplicar métodos de análisis de

circuitos de superposición (ni Thevenin ni Norton). Para asimilar el comportamiento del diodo se usan una serie de modelos que representan los diferentes estados del diodo: cuado está ON (polarización en directa, comportamiento como cortocircuito, da paso) o bien cuando está OFF (polarización inversa, comportamiento como circuito abierto, no da paso)

3.2 EL DIODO IDEAL. Cuando la tensión que cae sobre el diodo es superior a cero, la corriente puede dispararse hasta el infinito, mientras que en sentido contrario se producirá un bloqueo total de corriente. En la figura se observa el esquema del diodo y su comportamiento como circuito cerrado o abierto según haya paso de corriente o no. La gráfica muestra la relación Tensión-Corriente en el diodo. Se resume en la siguiente tabla:

DIODO

+ -Ánodo Cátodo

Id

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Tensión Corriente Polarización Estado Vd < 0 Id = 0 En inversa Circuito abierto Vd ≥ 0 Id ≠ 0 En directa Cortocircuito

El concepto de polarización en directa e inversa se define así:

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.

Diodo en polarización directa Diodo en polarización inversa

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.

Ejemplo 1. Dibuje la señal Vo, que se obtiene a la salida del circuito.

Para el análisis de este circuito, es recomendable estudiar los dos estados posibles del diodo (ON i OFF). Es decir, para qué valores de la entrada Vi se consigue que el circuito esté ON y para qué valores se consigue que esté OFF. Después se dibujará el modelo de circuito para cada caso y se realizará su análisis.

Vi(t)

t 0 T/2 T

Vi(t)

+

Vo(t)

-

R1

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Diodo ON Vi ≥ 0 Polarizado en directa pasa corriente cortocircuito

Vi ≥ 0 Vo = Vi

En este caso, la entrada es igual a la salida.

Diodo OFF Vi < 0 Polarizado en inversa no pasa corriente circuito abierto

Vi < 0 Vo = 0

En este caso, la entrada es nula.

A partir del análisis, se obtiene a la salida del circuito:

Este ejemplo ha permitido comprobar la función como rectificador del diodo, ya que permite el paso en los semiciclos positivos de la entrada, mientras que anula los negativos.

Ejercicio 1. Analizar el circuito de la figura y verificar que se obtiene la salida según la entrada dada.

Vi(t)

+

Vo(t)

-

R1

Vi(t)

+

Vo(t)

-

R1

Vo(t)

t 0 T/2 T

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Vr = A / 2

R1 = 10 Ω

3.3 EL DIODO IDEAL CON CAIDA DE TENSIÓN.

Este modelo es como el ideal, pero se le supone una caída de tensión umbral entre los bornes del diodo. Para que se produzca el paso de corriente, la tensión de entrada ha de ser superior a este valor umbral (valor habitual de 0.7 V). El modo de análisis es totalmente análogo al anterior, con la salvedad de que se han de superar 0.7 V en vez de cero.

Ejercicio 2. Dibuje la señal Vo que se obtiene a la salida del circuito del Ejemplo 1, suponiendo que caen 0.7 V en bornes del diodo. Solución:

Vi(t)

+

Vo(t)

-

R1

Vr

Vi(t)

t 0 T/2 T

A

Vr = A/2

-A

Vo(t)

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Ejemplo 2. Dibuje la señal Vc(t), que se obtiene a la salida del circuito rectificador siguiente. El interruptor se abre y se cierra cada diez milisegundos, estando abierto inicialmente. Se supone que el condensador inicialmente está totalmente descargado.

R1 = R2 = 1KΩ C = 1µH

Vd = 0.7 V

ζ , tc

Se calcula la constante de tiempo y el tiempo de carga del condensador:

ζ = RC = 1mseg tc = 4mseg

Diodo ON queda un circuito de carga. El condensador se cargará en 4 mseg y alcanzará los 5.3V (6V de la fuente menos los 0.7 que se queda el diodo). Desde los 4 hasta los

Vi(t)

0 T/2 T

5

0.7

-5

Vo(t)

4.3

Vi(t)

20100 30

6

-6

Vi(t)

+

Vc(t)

-

R1

CR2

t = n * 10 mseg

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10mseg, que se produce la nueva transición, se quedará cargado.

Diodo OFF queda un circuito de descarga. El condensador se descarga en 4mseg y se mantiene así hasta que se produzca la nueva transición, iniciando el proceso de carga otra vez.

Gráficamente, la evolución de la tensión en el condensador quedaría de la siguiente forma:

6 V

+

Vo(t)

-

R1

CR2

0.7 V

-6

+

Vc(t)

-

R1

CR2

Vi(t)

t (mseg)20100 30

6 V

-6 V

Vc(t)

5.3V

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Ejercicio 3. Dibuje la señal Vc(t) que se obtiene en el circuito del Ejemplo 2, suponiendo que R2 = 20KΩ.

3.4 MODELO POR TRAMOS LINEALES. En el modelo por tramos lineales, el diodo se substituye por un diodo ideal sobre el que cae cierta tensión y se le añade una resistencia en serie. El procedimiento a seguir para su análisis es el siguiente:

1. sustituir los diodos del circuito por sus modelos por tramos lineales.

2. Desglosar el circuito anterior en un conjunto de circuitos

lineales, sustituyendo los diodos ideales por cortocircuitos o circuitos abiertos, considerando todas las condiciones de operación posibles.

3. Detallar los márgenes de tensiones para los cuáles es válido

cada uno de los circuitos lineales del punto anterior. 4. Analizar cada uno de los circuitos lineales del apartado 2. 5. Obtener la solución del circuito combinando las soluciones de

cada circuito lineal.

Ejemplo 4. Dibuje la señal Vo, que se obtiene a la salida del circuito, suponiendo modelo por tramos lineales.

Rs = 1Ω R1 = 4Ω Vd = 0.7 V

Solución: Resuelto en clase.

0.7VRs

Vi(t)

t 0 T/2 T

5Vi(t)

+

Vo(t)

-

R1

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3.5 DIODOS ZéNER

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.

La característica de un diodo Zéner se muestra en la figura. Teóricamente no se diferencia mucho del diodo ideal, aunque la filosofía de empleo es distinta: el diodo Zéner 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 (regulador).

El Zéner 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.

El modelo lineal por tramos para el diodo Zéner es el siguiente:

Estado Modelo Condición

Conducción P.D. V=VON I>0 Corte I=0 VZ<V<VON

Conducción P.I. V=VZ I<0