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Introduccion de electronicaTRANSCRIPT
INSTITUTO DE EDUCACION SUPERIOR TECNOLOGICO PÚBLICO
“CARLOS CUETO FERNANDINI”
REVALIDADO: RD-0016-2007-ED
Área académica de Electrónica Industrial
OSCAR CHUPA MAMANI ELECTRONICA INDUSTRIAL CARLOS HUAYA CONDE
Ley de Ohm
George Ohm, creador de la ley de Ohm.
La ley de Ohm establece que la intensidad eléctrica
que circula entre dos puntos de un circuito eléctrico es
directamente proporcional a la tensión eléctrica entre
dichos puntos, existiendo una constante de
proporcionalidad entre estas dos magnitudes. Dicha
constante de proporcionalidad es la conductancia
eléctrica, que es inversa a la resistencia eléctrica.
La ecuación matemática que describe esta relación es:
donde, I es la corriente que pasa a través del objeto en amperios, V es la diferencia de potencial de
las terminales del objeto en voltios, G es la conductancia
en siemens y R es la resistencia en ohmios (Ω).
Específicamente, la ley de Ohm dice que la R en esta
relación es constante, independientemente de la
corriente.1
Esta ley tiene el nombre del físico alemán Georg Ohm,
que en un tratado publicado en 1827, halló valores de
tensión y corriente que pasaba a través de unos circuitos
eléctricos simples que contenían una gran cantidad de
cables. Él presentó una ecuación un poco más compleja
que la mencionada anteriormente para explicar sus
resultados experimentales. La ecuación de arriba es la
forma moderna de la ley de Ohm. Esta ley se cumple
para circuitos y tramos de circuitos pasivos que, o bien
no tienen cargas inductivas ni capacitivas (únicamente
tiene cargas resistivas), o bien han alcanzado un régimen
permanente (véase también «Circuito RLC» y «Régimen
transitorio (electrónica)»). También debe tenerse en cuenta que el valor de la resistencia de un
conductor puede ser influido por la temperatura
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Historia
En enero de 1781, antes del trabajo de George Ohm, Henry Cavendish experimentó con botellas de
Leyden y tubos de vidrio de diferente diámetro y longitud llenados con una solución salina. no
contaba con los instrumentos adecuados, Cavendish calculaba la corriente de forma directa: se
sometía a ella y calculaba su intensidad por el dolor. Cavendish escribió que la "velocidad"
(corriente) variaba directamente por el "grado de electrificación" (tensión). Él no publicó sus
resultados a otros científicos a tiempo, y sus resultados fueron desconocidos hasta que Maxwell los
publicó en 1879.
En 1825 y 1826, Ohm hizo su trabajo sobre las resistencias, y publicó sus resultados en 1827 en el
libro Die galvanische Kette, mathematisch bearbeitet (Trabajos matemáticos sobre los circuitos
eléctricos). Su inspiración la obtuvo del trabajo de la explicación teórica de Fourier sobre la
conducción del calor.
En sus experimentos, inicialmente usó pilas voltaicas, pero posteriormente usó un termopar ya que
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este proveía una fuente de tensión con una resistencia interna y diferencia de potencial casi
constante. Usó un galvanómetro para medir la corriente, y se dio cuenta de que la tensión de las
terminales del termopar era proporcional a su temperatura. Entonces agregó cables de prueba de
diferente largo, diámetro y material para completar el circuito. El encontró que los resultados
obtenidos podían modelarse a través de la ecuación:
Donde x era la lectura obtenida del galvanómetro, l era el largo del conductor a prueba, a dependía
solamente de la temperatura del termopar, y b era una constante de cada material. A partir de esto,
Ohm determinó su ley de proporcionalidad y publicó sus resultados.
La ley de Ohm todavía se sigue considerando como una de las descripciones cuantitativas más
importante de la física de la electricidad, aunque cuando Ohm publicó por primera vez su trabajo las
críticas lo rechazaron. Fue denominado "una red de fantasías desnudas", y el ministro alemán de
educación afirmó que un profesor que predicaba tales herejías no era digno de enseñar ciencia. El
rechazo al trabajo de Ohm se debía a la filosofía científica que prevalecía en Alemania en esa
época, la cual era liderada por Hegel, que afirmaba que no era necesario que los experimentos se
adecuaran a la comprensión de la naturaleza, porque la naturaleza esta tan bien ordenada, y que
además la veracidad científica puede deducirse al razonar solamente. También, el hermano de Ohm,
Martín Ohm, estaba luchando en contra del sistema de educación alemán. Todos estos factores
dificultaron la aceptación del trabajo de Ohm, el cual no fue completamente aceptado hasta la
década de los años 1840. Afortunadamente, Ohm recibió el reconocimiento de sus contribuciones a
la ciencia antes de que muriera.
En los años 1850, la ley de Ohm fue conocida como tal, y fue ampliamente probada, y leyes
alternativas desacreditadas, para las aplicaciones reales para el diseño del sistema del telégrafo,
discutido por Morse en 1855.
En los años 1920, se descubrió que la corriente que fluye a través de un resistor ideal tiene
fluctuaciones estadísticas, que dependen de la temperatura, incluso cuando la tensión y la
resistencia son exactamente constantes. Esta fluctuación, conocida como ruido de Johnson-Nyquist,
es debida a la naturaleza discreta de la carga. Este efecto térmico implica que las medidas de la
corriente y la tensión que son tomadas por pequeños períodos de tiempo tendrá una relación V/I que
fluirá del valor de R implicado por el tiempo promedio de la corriente medida. La ley de Ohm se
mantiene correcta para la corriente promedio, para materiales resistivos.
El trabajo de Ohm precedió a las ecuaciones de Maxwell y también a cualquier comprensión de los
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circuitos de corriente alterna. El desarrollo moderno en la teoría electromagnética y el análisis de
circuitos no contradicen la ley de Ohm cuando estás son evaluadas dentro de los límites apropiados.
La Ley de Ohm, postulada por el físico y matemático alemán Georg Simón Ohm, es una de las
leyes fundamentales de la electrodinámica, estrechamente vinculada a los valores de las unidades
básicas presentes en cualquier circuito eléctrico como son:
DONDE:
1. Tensión o voltaje "E", en volt (V).
2. Intensidad de la corriente " I ", en ampere (A).
3. Resistencia "R" en ohm ( ) de la carga o consumidor conectado al circuito.
Circuito eléctrico cerrado compuesto por una pila de 1,5 volt, una resistencia o carga
eléctrica "R" y la. circulación de una intensidad o flujo de corriente eléctrica " I "
suministrado por la propia pila.
Debido a la existencia de materiales que dificultan más que otros el paso de la corriente
eléctrica a través de los mismos, cuando el valor de su resistencia varía, el valor de la intensidad
de corriente en ampere también varía de forma inversamente proporcional. Es decir, a medida
que la resistencia aumenta la corriente disminuye y, viceversa, cuando la resistencia al paso de
la corriente disminuye la corriente aumenta, siempre que para ambos casos el valor de la
tensión o voltaje se mantenga constante. Por otro lado y de acuerdo con la propia Ley, el valor
de la tensión o voltaje es directamente proporcional a la intensidad de la corriente; por tanto, si
el voltaje aumenta o disminuye, el amperaje de la corriente que circula por el circuito
aumentará o disminuirá en la misma proporción, siempre y cuando el valor de la resistencia
conectada al circuito se mantenga constante.
Postulado general de la Ley de Ohm
El flujo de corriente en ampere que circula por un circuito eléctrico cerrado, es
directamente proporcional a la tensión o voltaje aplicado, e inversamente
proporcional a la resistencia en ohm de la carga que tiene conectada.
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FÓRMULA MATEMÁTICA GENERAL DE REPRESENTACIÓN DE LA LEY
DE OHM Desde el punto de vista matemático el postulado anterior se puede representar por
medio de la siguiente Fórmula General de la Ley de Ohm:
VARIANTE PRÁCTICA:
Aquellas personas menos relacionadas con el despeje de fórmulas matemáticas pueden realizar
también los cálculos de tensión, corriente y resistencia correspondientes a la Ley de Ohm, de
una forma más fácil utilizando el siguiente recurso práctico:
Con esta variante sólo será necesario tapar con un dedo la letra que representa el valor de la
incógnita que queremos conocer y de inmediato quedará indicada con las otras dos letras cuál
es la operación matemática que será necesario realizar.
Esta ley se usa para un circuito eléctrico o electrodinámico
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Ejemplos
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Corriente alterna
Corriente alterna (abreviada CA en
español y AC en inglés, de alternating current) a la corriente eléctrica en la que
la magnitud y el sentido varían
cíclicamente. La forma de oscilación de
la corriente alterna más comúnmente
utilizada es la de una oscilación
sinusoidal, puesto que se consigue una
transmisión más eficiente de la energía.
Sin embargo, en ciertas aplicaciones se utilizan otras formas de oscilaciónperiódicas,
tales como la triangular o la cuadrada.
Utilizada genéricamente, la CA se refiere a la forma en la cual la electricidad llega a los
hogares y a las empresas. Sin embargo, las señales de audio y canal
Además de la existencia de fuentes de FEM de corriente directa o continua (C.D.) (como la que
suministran las pilas o las baterías, cuya tensión o voltaje mantiene siempre su polaridad fija),
se genera también otro tipo de corriente denominada alterna (C.A.), que se diferencia de la
directa por el cambio constante de polaridad que efectúa por cada ciclo de tiempo.
Una pila o batería constituye una fuente
de suministro de corriente directa, porque
su polaridad se mantiene siempre fija.
La característica principal de una corriente alterna es que durante un instante de tiempo un polo es
negativo y el otro positivo, mientras que en el instante siguiente las polaridades se invierten tantas
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veces como ciclos por segundo o hertz posea esa corriente. No obstante, aunque se produzca un
constante cambio de polaridad, la corriente siempre fluirá del polo negativo al positivo, tal como
ocurre en las fuentes de FEM que suministran corriente directa.
Veamos un ejemplo práctico que ayudará a comprender mejor el concepto de corriente alterna:
Corriente alterna pulsante de un ciclo por segundo o hertz (Hz)
.
Si hacemos que la pila del ejemplo anterior gire a una determinada velocidad, se producirá un
cambio constante de polaridad en los bornes donde hacen contacto los dos polos de dicha pila.
Esta acción hará que se genere una corriente alterna tipo pulsante, cuya frecuencia dependerá de
la cantidad de veces que se haga girar la manivela a la que está sujeta la pila para completar una
o varias vueltas completas durante un segundo.
En este caso si hacemos una representación gráfica utilizando un eje de coordenadas para la
tensión o voltaje y otro eje para el tiempo en segundos, se obtendrá una corriente alterna de
forma rectangular o pulsante, que parte primero de cero volt, se eleva a 1,5 volt, pasa por “0”
volt, desciende para volver a 1,5 volt y comienza a subir de nuevo para completar un ciclo al
pasar otra vez por cero volt.
Si la velocidad a la que hacemos girar la pila es de una vuelta completa cada segundo, la
frecuencia de la corriente alterna que se obtiene será de un ciclo por segundo o hertz (1 Hz). Si
aumentamos ahora la velocidad de giro a 5 vueltas por segundo, la frecuencia será de 5 ciclos
por segundo o hertzio (5 Hz). Mientras más rápido hagamos girar la manivela a la que está
sujeta la pila, mayor será la frecuencia de la corriente alterna pulsante que se obtiene.
Seguramente sabrás que la corriente eléctrica que llega a nuestras casas para hacer funcionar las
luces, los equipos electrodomésticos, electrónicos, etc. es, precisamente, alterna, pero en lugar
de pulsante es del tipo sinusoidal o senoidal
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En Europa la corriente alterna que llega a los hogares es de 220 volt y tiene una frecuencia de
50 Hz, mientras que en la mayoría de los países de América la tensión de la corriente es de 110
ó 120 volt, con una frecuencia de 60 Hz. La forma más común de generar corriente alterna es
empleando grandes generadores o alternadores ubicados en plantas termoeléctricas,
hidroeléctricas o centrales atómicas.
Historia
En el año 1882 el físico, matemático, inventor e ingeniero Nikola Tesla, diseñó y
construyó el primer motor de inducción de CA .luego el físico William Stanley,
reutilizó, en 1885, el principio de inducción para transferir la CA entre dos circuitos
eléctricamente aislados. La idea central fue la de enrollar un par de bobinas en una base
de hierro común, denominada bobina de inducción. De este modo se obtuvo lo que sería
el precursor del actual transformador. El sistema usado hoy en día fue ideado
fundamentalmente por Nikola Tesla; la distribución de la corriente alterna fue
comercializada por George Westinghouse. Otros que contribuyeron en el desarrollo y
mejora de este sistema fueron LucienGaulard, John Gibbs y Oliver Shallenger entre los
años 1881 y 1889. La corriente alterna superó las limitaciones que aparecían al emplear
la corriente continua (CC), el cual es un sistema ineficiente para la distribución de
energía a gran escala debido a problemas en la transmisión de potencia, comercializado
en su día con gran agresividad por Thomas Edison.
La primera transmisión interurbana de la corriente alterna ocurrió en 1891, cerca de
Telluride, Colorado, a la que siguió algunos meses más tarde otra en Alemania. A pesar
de las notorias ventajas de la CA frente a la CC, Thomas Edison siguió abogando
fuertemente por el uso de la corriente continua, de la que poseía numerosas patentes
(véase la guerra de las corrientes). De hecho, atacó duramente a Nikola Tesla y a
George Westinghouse, promotores de la corriente alterna, a pesar de lo cual ésta se
acabó por imponer. Así, utilizando corriente alterna, Charles ProteusSteinmetz, de
General Electric, pudo solucionar muchos de los problemas asociados a la producción y
transmisión eléctrica, lo cual provocó al fin la derrota de Edison en la batalla de las
corrientes, siendo su vencedor Nikola Tesla y su financiador George Westinghouse.
Corriente alterna frente a corriente continua
La razón del amplio uso de la corriente alterna viene determinada por su facilidad de
transformación, cualidad de la que carece la corriente continua. En el caso de la
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corriente continua la elevación de la tensión se logra conectando dínamos en serie, lo
cual no es muy práctico, al contrario en corriente alterna se cuenta con un dispositivo: el
transformador, que permite elevar la tensión de una forma eficiente.
La energía eléctrica viene dada por el producto de la tensión, la intensidad y el tiempo.
Dado que la sección de los conductores de las líneas de transporte de energía eléctrica
depende de la intensidad, podemos, mediante un transformador, elevar el voltaje hasta
altos valores (alta tensión), disminuyendo en igual proporción la intensidad de corriente.
Con esto la misma energía puede ser distribuida a largas distancias con bajas
intensidades de corriente y, por tanto, con bajas pérdidas por causa del efecto Joule y
otros efectos asociados al paso de corriente tales como la histéresis o las corrientes de
Foucault. Una vez en el punto de consumo o en sus cercanías, el voltaje puede ser de
nuevo reducido para su uso industrial o doméstico y comercial de forma cómoda y
segura.
Oscilación senoidal
Una señal sinusoidal, tensión o corriente, se puede expresar matemáticamente según sus
parámetros característicos, como una función del tiempo por medio de la siguiente
ecuación:
Donde
Es la amplitud en voltios o
amperios (también llamado valor
máximo o de pico),
La pulsación en radianes/segundo,
El tiempo en segundos, y
El ángulo de fase inicial en
radianes.
Dado que la velocidad angular es más interesante para matemáticos que para ingenieros,
la fórmula anterior se suele expresar como:
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Donde f es la frecuencia en hercios (Hz) y equivale a la inversa del período .
Los valores más empleados en la distribución son 50 Hz y 60 Hz
Imágenes de cómo nace una corriente alterna y donde
acaba o usa
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Diodo
Un diodo es un componente electrónico de dos terminales que permite la circulación de
la corriente eléctrica a través de él en un solo sentido. Este término generalmente se usa
para referirse al diodo semiconductor, el más común en la actualidad; consta de una
pieza de cristal semiconductor conectada a dos terminales eléctricos. El diodo de vacío
(que actualmente ya no
se usa, excepto para tecnologías de alta potencia) es
un tubo de vacío con dos electrodos: una lámina
como ánodo, y un cátodo.
De forma simplificada, la curva característica de un
diodo (I-V) consta de dos regiones: por debajo de
cierta diferencia de potencial, se comporta como un
circuito abierto (no conduce), y por encima de ella
como un circuito cerrado con una resistencia eléctrica
muy pequeña. Debido a este comportamiento, se les
suele denominar rectificadores, ya que son
dispositivos capaces de suprimir la parte negativa de
cualquier señal, como paso inicial para convertir una
corriente alterna en corriente continua. Su principio
de funcionamiento está basado en los experimentos
de Lee De Forest.
Los primeros diodos eran válvulas o tubos de vacío,
también llamados válvulas termoiónicas constituidos
por dos electrodos rodeados de vacío en un tubo de
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cristal, con un aspecto similar al de las lámparas incandescentes. El invento fue
desarrollado en 1904 por John Ambrose Fleming, empleado de la empresa Marconi,
basándose en observaciones realizadas por Thomas Alva Edison.
Al igual que las lámparas incandescentes, los tubos de vacío tienen un filamento (el
cátodo) a través del cual circula la corriente, calentándolo por efecto Joule. El filamento
está tratado con óxido de bario, de modo que al calentarse emite electrones al vacío
circundante los cuales son conducidos electrostáticamente hacia una placa, curvada por
un muelle doble, cargada positivamente (el ánodo), produciéndose así la conducción.
Evidentemente, si el cátodo no se calienta, no podrá ceder electrones. Por esa razón, los
circuitos que utilizaban válvulas de vacío requerían un tiempo para que las válvulas se
calentaran antes de poder funcionar y las válvulas se quemaban con mucha facilidad.
Historia
Diodo de vacío, usado comúnmente hasta la invención del
diodo semiconductor, este último también llamado diodo
sólido.
Aunque el diodo semiconductor de estado sólido se
popularizó antes del diodo termoiónico, ambos se
desarrollaron al mismo tiempo.
En 1873 Frederick Guthrie descubrió el principio de
operación de los diodos térmicos. Guhtrie descubrió que un
electroscopio cargado positivamente podría descargarse al
acercarse una pieza de metal caliente, sin necesidad de que
éste lo tocara. No sucedía lo mismo con un electroscopio cargado negativamente,
reflejando esto que el flujo de corriente era posible solamente en una dirección.
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Independientemente, el 13 de febrero de 1880 Thomas Edison re-descubre el principio.
A su vez, Edison investigaba por qué los filamentos de carbón de las bombillas se
quemaban al final del terminal positivo. Él había construido una bombilla con un
filamento adicional y una con una lámina metálica dentro de la lámpara, eléctricamente
aislada del filamento. Cuando usó este dispositivo, él confirmó que una corriente fluia
del filamento incandescente a través del vació a la lámina metálica, pero esto sólo
sucedía cuando la lámina estaba conectada positivamente.
Edison diseñó un circuito que reemplaza la bombilla por un resistor con un voltímetro
de DC. Edison obtuvo una patente para este invento en 1884. Aparentemente no tenía
uso práctico para esa época. Por lo cual, la patente era probablemente para precaución,
en caso de que alguien encontrara un uso al llamado Efecto Edison.
Aproximadamente 20 años después, John Ambrose Fleming (científico asesor de
Marconi Company y antiguo empleado de Edison) se dio cuenta que el efecto Edison
podría usarse como un radio detector de precisión. Fleming patentó el primer diodo
termoiónico en Gran Bretaña el 16 de noviembre de 1904.
En 1874 el científico alemán Karl Ferdinand Braun descubrió la naturaleza de conducir
por una sola dirección de los cristales semiconductores. Braun patentó el rectificador de
cristal en 1899. Los rectificadores de óxido de cobre y selenio fueron desarrollados para
aplicaciones de alta potencia en la década de los 1930.
El científico indio Jagdish Chandra Bose fue el primero en usar un cristal
semiconductor para detectar ondas de radio en 1894. El detector de cristal
semiconductor fue desarrollado en un dispositivo práctico para la recepción de señales
inalámbricas por Greenleaf
Whittier Pickard, quién inventó
un detector de cristal de silicio
en 1903 y recibió una patente
de ello el 20 de noviembre de
1906. Otros experimentos
probaron con gran variedad de
sustancias, de las cuales se usó
ampliamente el mineral galena.
Otras sustancias ofrecieron un
rendimiento ligeramente
mayor, pero el galena fue el
que más se usó porque tenía la
ventaja de ser barato y fácil de
obtener. Al principio de la era
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del radio, el detector de cristal semiconductor consistía de un cable ajustable (el muy
nombrado bigote de gato) el cual se podía mover manualmente a través del cristal para
así obtener una señal óptima. Este dispositivo problemático fue rápidamente superado
por los diodos termoiónicos, aunque el detector de cristal semiconductor volvió a usarse
frecuentemente con la llegada de los económicos diodos de germanio en la década de
1950.
En la época de su invención, estos dispositivos fueron conocidos como rectificadores.
En 1919, William Henry Eccles acuñó el término diodo del griego dia, que significa
separado, y ode), que significa camino.
Diodos termoiónicos y de estado gaseoso
Símbolo de un diodo de vacío o gaseoso. De arriba a abajo, sus componentes son, el
ánodo, el cátodo, y el filamento.
Los diodos termoiónicos son dispositivos de válvula termoiónica (también conocida
como tubo de vacío), que consisten en un arreglo de electrodos empacados en un vidrio
al vacío. Los primeros modelos eran muy parecidos a la lámpara incandescente.
Diodo semiconductor
Formación de la región de agotamiento, en la gráfica z.c.e.
Un diodo semiconductor moderno está hecho de cristal semiconductor como el silicio
con impurezas en él para crear una región que contiene portadores de carga negativos
(electrones), llamado semiconductor de tipo n, y una región en el otro lado que contiene
portadores de carga positiva (huecos), llamado semiconductor tipo p. Las terminales del
diodo se unen a cada región. El límite dentro del cristal de estas dos regiones, llamado
una unión PN, es donde la importancia del diodo toma su lugar. El cristal conduce una
corriente de electrones del lado n (llamado cátodo), pero no en la dirección opuesta; es
decir, cuando una corriente convencional fluye del ánodo al cátodo (opuesto al flujo de
los electrones).
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Al unir ambos cristales, se manifiesta una difusión de electrones del cristal n al p (Je).
Al establecerse una corriente de difusión, estas corrientes aparecen cargas fijas en una
zona a ambos lados de la unión, zona que recibe el nombre de región de agotamiento.
A medida que progresa el proceso de difusión, la región de agotamiento va
incrementando su anchura profundizando en los cristales a ambos lados de la unión. Sin
embargo, la acumulación de iones positivos en la zona n y de iones negativos en la zona
p, crea un campo eléctrico (E) que actuará sobre los electrones libres de la zona n con
una determinada fuerza de desplazamiento, que se opondrá a la corriente de electrones
y terminará deteniéndolos.
Este campo eléctrico es equivalente a decir que aparece una diferencia de tensión entre
las zonas p y n. Esta diferencia de potencial (VD) es de 0,7 V en el caso del silicio y 0,3
V para los cristales de germanio.
La anchura de la región de agotamiento una vez alcanzado el equilibrio, suele ser del
orden de 0,5 micras pero
cuando uno de los cristales
está mucho más dopado que el
otro, la zona de carga espacial
es mucho mayor.
Cuando se somete al diodo a
una diferencia de tensión
externa, se dice que el diodo
está polarizado, pudiendo ser
la polarización directa o
inversa.
Polarización directa de
un diodo
Polarización directa del diodo pn.
En este caso, la batería disminuye la barrera de potencial de la zona de carga espacial,
permitiendo el paso de la corriente de electrones a través de la unión; es decir, el diodo
polarizado directamente conduce la electricidad.
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Para que un diodo esté polarizado directamente, se debe conectar el polo positivo de la
batería al ánodo del diodo y el polo negativo al cátodo. En estas condiciones podemos
observar que:
El polo negativo de la batería repele los electrones libres del cristal n, con lo que
estos electrones se dirigen hacia la unión p-n.
El polo positivo de la batería atrae a los electrones de valencia del cristal p, esto
es equivalente a decir que empuja a los huecos hacia la unión p-n.
Cuando la diferencia de potencial entre los bornes de la batería es mayor que la
diferencia de potencial en la zona de carga espacial, los electrones libres del
cristal n, adquieren la energía suficiente para saltar a los huecos del cristal p, los
cuales previamente se han desplazado hacia la unión p-n.
Una vez que un electrón libre de la zona n salta a la zona p atravesando la zona
de carga espacial, cae en uno de los múltiples huecos de la zona p convirtiéndose
en electrón de valencia. Una vez ocurrido esto el electrón es atraído por el polo
positivo de la batería y se desplaza de átomo en átomo hasta llegar al final del
cristal p, desde el cual se introduce en el hilo conductor y llega hasta la batería.
De este modo, con la batería cediendo electrones libres a la zona n y atrayendo
electrones de valencia de la zona p, aparece a través del diodo una corriente eléctrica
constante hasta el final.
Polarización inversa de un
diodo
En este caso, el polo negativo de la
batería se conecta a la zona p y el
polo positivo a la zona n, lo que hace
aumentar la zona de carga espacial, y
la tensión en dicha zona hasta que se
alcanza el valor de la tensión de la
batería, tal y como se explica a
continuación:
El polo positivo de la batería
atrae a los electrones libres de
la zona n, los cuales salen del
cristal n y se introducen en el
conductor dentro del cual se
desplazan hasta llegar a la batería. A medida que los electrones libres abandonan
la zona n, los átomos pentavalentes que antes eran neutros, al verse desprendidos
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de su electrón en el orbital de conducción, adquieren estabilidad (8 electrones en
la capa de valencia, ver semiconductor y átomo) y una carga eléctrica neta de
+1, con lo que se convierten en iones positivos.
El polo negativo de la batería cede electrones libres a los átomos trivalentes de la
zona p. Recordemos que estos átomos sólo tienen 3 electrones de valencia, con
lo que una vez que han formado los enlaces covalentes con los átomos de silicio,
tienen solamente 7 electrones de valencia, siendo el electrón que falta el
denominado hueco. El caso es que cuando los electrones libres cedidos por la
batería entran en la zona p, caen dentro de estos huecos con lo que los átomos
trivalentes adquieren estabilidad (8 electrones en su orbital de valencia) y una
carga eléctrica neta de -1, convirtiéndose así en iones negativos.
Este proceso se repite una y otra vez hasta que la zona de carga espacial
adquiere el mismo potencial eléctrico que la batería.
En esta situación, el diodo no debería conducir la corriente; sin embargo, debido al
efecto de la temperatura se formarán pares electrón-hueco (ver semiconductor) a ambos
lados de la unión produciendo una pequeña corriente (del orden de 1 μA) denominada
corriente inversa de saturación. Además, existe también una denominada corriente
superficial de fugas la cual, como su propio nombre indica, conduce una pequeña
corriente por la superficie del diodo; ya que en la superficie, los átomos de silicio no
están rodeados de suficientes átomos para realizar los cuatro enlaces covalentes
necesarios para obtener estabilidad. Esto hace que los átomos de la superficie del diodo,
tanto de la zona n como de la p, tengan huecos en su orbital de valencia con lo que los
electrones circulan sin dificultad a través de ellos. No obstante, al igual que la corriente
inversa de saturación, la corriente superficial de fuga es despreciable.
Curva característica del diodo
Curva característica del diodo.
Tensión umbral, de codo o de partida
(Vγ ).
La tensión umbral (también llamada
barrera de potencial) de polarización
directa coincide en valor con la tensión
de la zona de carga espacial del diodo
no polarizado. Al polarizar directamente
el diodo, la barrera de potencial inicial
se va reduciendo, incrementando la
corriente ligeramente, alrededor del 1%
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de la nominal. Sin embargo, cuando la tensión externa supera la tensión umbral,
la barrera de potencial desaparece, de forma que para pequeños incrementos de
tensión se producen grandes variaciones de la intensidad de corriente.
Corriente máxima (Imax ).
Es la intensidad de corriente máxima que puede conducir el diodo sin fundirse
por el efecto Joule. Dado que es función de la cantidad de calor que puede
disipar el diodo, depende sobre todo del diseño del mismo.
Corriente inversa de saturación (Is ).
Es la pequeña corriente que se establece al polarizar inversamente el diodo por
la formación de pares electrón-hueco debido a la temperatura, admitiéndose que
se duplica por cada incremento de 10º en la temperatura.
Corriente superficial de fugas.
Es la pequeña corriente que circula por la superficie del diodo (ver polarización
inversa), esta corriente es función de la tensión aplicada al diodo, con lo que al
aumentar la tensión, aumenta la corriente superficial de fugas.
Tensión de ruptura (Vr ).
Es la tensión inversa máxima que el diodo puede soportar antes de darse el
efecto avalancha.
Teóricamente, al polarizar inversamente el diodo, este conducirá la corriente inversa de
saturación; en la realidad, a partir de un determinado valor de la tensión, en el diodo
normal o de unión abrupta la ruptura se debe al efecto avalancha; no obstante hay otro
tipo de diodos, como los Zener, en los que la ruptura puede deberse a dos efectos:
Efecto avalancha (diodos poco dopados). En polarización inversa se generan
pares electrón-hueco que provocan la corriente inversa de saturación; si la
tensión inversa es elevada los electrones se aceleran incrementando su energía
cinética de forma que al chocar con electrones de valencia pueden provocar su
salto a la banda de conducción. Estos electrones liberados, a su vez, se aceleran
por efecto de la tensión, chocando con más electrones de valencia y liberándolos
a su vez. El resultado es una avalancha de electrones que provoca una corriente
grande. Este fenómeno se produce para valores de la tensión superiores a 6 V.
Efecto Zener (diodos muy dopados). Cuanto más dopado está el material,
menor es la anchura de la zona de carga. Puesto que el campo eléctrico E puede
expresarse como cociente de la tensión V entre la distancia d; cuando el diodo
esté muy dopado, y por tanto d sea pequeño, el campo eléctrico será grande, del
orden de 3·105 V/cm. En estas condiciones, el propio campo puede ser capaz de
arrancar electrones de valencia incrementándose la corriente. Este efecto se
produce para tensiones de 4 V o menores.
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Para tensiones inversas entre 4 y 6 V la ruptura de estos diodos especiales, como los
Zener, se puede producir por ambos efectos.
Modelos matemáticos
El modelo matemático más empleado es el de Shockley (en honor a William Bradford
Shockley) que permite aproximar el comportamiento del diodo en la mayoría de las
aplicaciones. La ecuación que liga la intensidad de corriente y la diferencia de potencial
es:
Dónde:
I es la intensidad de la corriente que atraviesa el diodo
VD es la diferencia de tensión entre sus extremos.
IS es la corriente de saturación (aproximadamente )
n es el coeficiente de emisión, dependiente del proceso de fabricación del diodo
y que suele adoptar valores entre 1 (para el germanio) y del orden de 2 (para el
silicio).
El Voltaje térmico VT es aproximadamente 25.85mV en 300K, una temperatura cercana
a la temperatura ambiente, muy usada en los programas de simulación de circuitos. Para
cada temperatura existe una constante conocida definida por:
Donde k es la constante de Boltzmann, T es la temperatura absoluta de la unión pn, y q
es la magnitud de la carga de un electrón (la carga elemental).
La ecuación de diodo ideal de Schockley o la ley de diodo se deriva de asumir que solo
los procesos que le dan corriente al diodo son por el flujo (debido al campo eléctrico),
difusión, y la recombinación térmica. También asume que la corriente de recombinación
en la región de agotamiento es insignificante. Esto significa que la ecuación de
Schockley no tiene en cuenta los procesos relacionados con la región de ruptura e
inducción por fotones. Adicionalmente, no describe la estabilización de la curva I-V en
polarización activa debido a la resistencia interna.
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Bajo voltajes negativos, la exponencial en la ecuación del diodo es insignificante. y la
corriente es una constante negativa del valor de Is. La región de ruptura no está
modelada en la ecuación de diodo de Schockley.
Para voltajes pequeños en la región de polarización directa, se puede eliminar el 1 de la
ecuación, quedando como resultado:
Con objeto de evitar el uso de exponenciales, en ocasiones se emplean modelos más
simples aún, que modelan las zonas de funcionamiento del diodo por tramos rectos; son
los llamados modelos de continua o de Ram-señal. El más simple de todos es el diodo
ideal.
Tipos de diodo semiconductor
Varios diodos semiconductores.
Abajo: Un puente rectificador. En la
mayoría de los diodos, el terminal
cátodo se indica pintando una franja
blanca o negra.
Existen varios tipos de diodos, que
pueden diferir en su aspecto físico,
impurezas, uso de electrodos, que
tienen características eléctricas
particulares usados para una
aplicación especial en un circuito.
El funcionamiento de estos diodos
es fundamentado por principios de
la mecánica cuántica y teoría de
bandas.
Los diodos normales, los cuales
operan como se describía más arriba, se hacen generalmente de silicio dopado o
germanio. Antes del desarrollo de estos diodos rectificadores de silicio, se usaba el
óxido cuproso y el selenio: su baja eficiencia le dio una caída de tensión muy alta (desde
1,4 a 1,7V) y requerían de una gran disipación de calor mucho más grande que un diodo
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de silicio. La gran mayoría de los diodos pn se encuentran en circuitos integrados
CMOS, que incluyen dos diodos por pin y muchos otros diodos internos.
Diodo avalancha:
Diodo de Silicio
Diodo de cristal
Diodo de corriente constante
Diodo túnel o Esaki: Diodo Gunn.
Diodo emisor de luz Diodo láser:
Diodo térmico Fotodiodos:
Diodo con puntas de contacto
Diodo PIN Diodo Schottky: Stabistor
diodos zener
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diodos zener
diodos rectificadores
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Partes de un diodo
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RESPONSABLES DE ESTE TRABAJO:
EN LA INVESTIGACION Y EDICION :
CHUPA MAMANI; Óscar Marino
EN LA PUBLICACION Y ACABADOS
HUAYA CONDE; Carlos
EN LA SUPERVISION y ASESORAMIENTO
Mg. MINAYA CAÑARI; Ricardo
“Este trabajo fue creado en el instituto superior tecnológico Carlos Cueto Fernandini “
ELECTRONICA INDUSTRIAL……………. CAMINANDO HACIA EL FUTURO.