modulo 6

1

ELECTRONICA I MODULO VI

Tema 6: Diodos para aplicaciones especiales Contenidos acadmicos Diodos: algo ms que rectificadores. El diodo Zener: su caracterstica. Resistencia Zener. Aproximaciones para el diodo Zener: Zener ideal y segunda aproximacin. Regulador Zener: resistencia de proteccin y corriente Zener. El regulador Zener con carga. Funcionamiento en la zona de ruptura. Corriente en serie. Corriente por la carga. Corriente Zener. Rizado en la resistencia de carga. Punto lmite de funcionamiento en la zona Zener. Coeficiente de temperatura. El limitador Zener. La hoja de caractersticas de los Zener y sus parmetros ms importantes: potencia mxima, corriente mxima, tolerancia, resistencia Zener y factor de ajuste. Tiempo de recuperacin inverso. Dispositivos optoelectrnicos. Diodo emisor de luz. El fotodiodo. Tensin y corriente en un LED. Display de siete segmentos. Optoacopladorores. Sugerencias para el diseo con LED. El diodo Schottky. El diodo de sintona o varicap. Algunos parmetros caractersticos de los varicaps. El varistor. Otros diodos. Diodos de corriente constante. Diodos de recuperacin en escaln. Diodos invertidos. Diodos tnel. Actividades para el Alumno Este mdulo acadmico presenta las siguientes actividades para el alumno:

Actividades de Repaso: Cuestionario con preguntas claves al final del mdulo. Las preguntas claves orientan el estudio y dirigen el aprendizaje hacia los contenidos ms relevantes y significativos de la materia.

Actividades de Integracin: Ejercitacin en resolucin de

problemas numricos y grficos (al final del mdulo), con integracin de contenidos en Trabajos Prcticos de Laboratorio (en Carpeta de Laboratorios). La ejercitacin propuesta est directamente relacionada con el objetivo general de la materia: que el alumno se haga poseedor de conocimientos tericos y prcticos bsicos sobre teora y aplicaciones de componentes electrnicos semiconductores (diodos y transistores).

2


Bibliografa y lecturas recomendadas

El material acadmico de esta materia utiliza distintas fuentes bibliogrficas, siendo el principal texto Principios de Electrnica, de Albert Paul Malvino; McGraw Hill (1994).

Otras fuentes bibliogrficas de referencia se mencionan al final del mdulo.

Nota: Este material contiene ecuaciones editadas.

3


Diodos: algo ms que rectificadores Ya hemos visto que los diodos ms utilizados son los rectificadores, debido a su utilizacin en fuentes de alimentacin para convertir tensin alterna en tensin continua. Pero la rectificacin no es lo nico que puede hacer un diodo. En esta unidad se discutirn otras aplicaciones de los diodos, comenzando por el diodo Zener, cuyas propiedades ms tiles son las de zona de ruptura y son la clave para la regulacin de tensin. Se estudiarn tambin los diodos optoelectrnicos, los diodos Schottky, varicap, varistor y otros (de corriente constante, de recuperacin escalonada, invertidos y tnel) y sus principales aplicaciones. El diodo Zener: su caracterstica El diodo Zener o diodo de avalancha es un diodo de silicio que se ha diseado para que funcione, a diferencia de los rectificadores, en la zona de ruptura.

Fig.1 y 2 : Fotografa, smbolo y caracterstica del Zener

Variando el nivel de dopado de los diodos de silicio, el fabricante puede producir diodos Zener con tensiones de ruptura VZ que van desde - 2 hasta - 200 V. Estos diodos pueden funcionar en cualquiera de las tres zonas: directa (1), inversa (2) y de ruptura (3), segn se aprecia en la figura 2. En la zona de polarizacin directa (1), el Zener comienza a conducir aproximadamente a los 0,7 V, igual que un diodo normal de silicio. En la zona de polarizacin inversa (2) circula solamente una pequea corriente inversa. La ruptura, que se presenta en la zona Zener (3) tiene un codo muy pronunciado, seguido de un aumento casi vertical en la corriente para una tensin casi constante, aproximadamente igual a la tensin de ruptura VZ. Un diodo Zener recibe a veces el nombre de diodo regulador de tensin porque mantiene la tensin entre sus terminales constante, incluso cuando la corriente sufra cambios. De ah surge la aplicacin de los Zener como elementos esenciales en los circuitos electrnicos

4


reguladores de tensin; stos son circuitos que mantienen la tensin casi constante con independencia de que se presenten grandes variaciones de la tensin de red y de la resistencia de carga. Resistencia Zener Como cualquier diodo, el Zener presenta una cierta resistencia interna en sus zonas P y N que, al circular una corriente a travs de l en la zona Zener, produce una pequea cada de tensin (de unas dcimas de voltio) adems de la tensin de ruptura VZ. En la mayora de los casos (anlisis de circuitos, deteccin de fallas, etc.) esta resistencia Zener se desprecia, no as en los problemas de diseo de circuitos. Aproximaciones para el diodo Zener Considerando o no la resistencia interna de la unin P-N, el diodo Zener se puede tratar por las siguientes aproximaciones segn sea el problema:

Fig. 3: Aproximaciones para el Zener

1. Diodo Zener ideal: El diodo Zener ideal no presenta resistencia

Zener y ello, al funcionar en la zona de ruptura, se comporta tericamente como una batera cuya tensin es constante an si la corriente cambia. Esto significa que el Zener se puede considerar como una fuente de tensin de valor igual a VZ cuando funciona en la zona de ruptura.

2. Segunda aproximacin: En la segunda aproximacin se

considera la resistencia Zener (relativamente pequea) en serie con una batera ideal. La resistencia produce una cada de tensin igual al producto de la corriente por la resistencia.

Regulador Zener: resistencia de proteccin y corriente Zener

5


En condiciones normales, el Zener debe tener polarizacin inversa, como se ve en la figura 4. Adems, para trabajar en la zona Zener, la tensin de la fuente VE (voltaje de entrada) debe ser mayor que la tensin de ruptura VZ.

Fig. 4: Regulador Zener

Un circuito como ste recibe el nombre de regulador Zener de tensin, estabilizador Zener o regulador Zener, ya que la tensin de salida es menor que la de entrada y esa disminucin est regulada por el diodo. Para proteger al Zener, siempre se emplea una resistencia en serie RS para limitar la corriente a un valor menor de su limitacin mxima de corriente y para evitar una disipacin excesiva potencia (evitar que el diodo Zener se queme). Para determinar el valor de esta resistencia se aplica la ley de Ohm al circuito:

S

ZES R

VVI = o bien

S

ZES I

VVR =

Estas ecuaciones nos indican el valor de la corriente Is que circula por la serie resistencia y diodo. Pero como en un circuito en serie, la corriente es la misma para cada

componente, el valor de la corriente Is es igual al valor de la corriente Zener Iz. Por otro lado, conociendo ese valor de corriente o bien el lmite de la corriente mxima permitida, determino la resistencia o su valor mnimo.

Fig. 5: Circuitos equivalentes

En la figura 5 se presentan circuitos reguladores con diodo Zener equivalentes: el segundo es igual al primero pero incluye las masas. El tercero toma la salida de una fuente de alimentacin y, por regulacin Zener, entrega una salida en continua menor que la de la fuente.

6


El regulador Zener con carga En la prctica, el regulador Zener tendr que trabajar con carga, por ejemplo una resistencia Rl (figura 6).

Fig. 6: Regulador Zener con carga

Mientras el diodo Zener funcione en la zona de ruptura, ste mantiene constante la tensin en la carga (o tensin de salida Vs). Incluso cuando la tensin en la fuente cambie o la resistencia de carga vare, la tensin en la carga sigue estando fija e igual a la tensin Zener:

ZS VV = Funcionamiento en la zona de ruptura Para saber si el diodo Zener del circuito anterior est trabajando en la zona de ruptura debemos realizar el siguiente anlisis: 1. Cuando el diodo Zener est desconectado del circuito, se observa

un divisor de tensin formado por Rs en serie con Rl. Por aplicacin de la ley de Ohm, la corriente en ese divisor de tensin es:

ls

E

RRVI+

=

2. La tensin en la carga (o tensin de salida) sin el diodo Zener es igual a la corriente anterior multiplicada por la resistencia de carga:

THlS

ElllS VRR

VRRIVV =

+===

..

3. Recordando el Teorema de Thvenin (Electrotecnia 1), la tensin anterior representa la tensin de Thvenin VTH para el circuito desde los terminales del diodo Zener que ha sido desconectado (ya que el diodo se encuentra en paralelo con la resistencia de carga).

7


4. Una vez conectado el diodo Zener y para que ste se encuentre polarizado en la zona de ruptura, la tensin de Thvenin VTH tiene que ser mayor a la tensin Zener VZ:

VTH > VZ As, concluimos que la condicin de polarizacin en zona de ruptura o zona Zener es que la tensin en la carga sin el diodo debe ser mayor que la tensin Zener.

Corriente en serie Considerando siempre que el diodo Zener est funcionando en la zona de ruptura, la corriente IS que circula por la resistencia limitadora de corriente en serie est dada por la ecuacin:

S

ZES R

VVI = Su valor es el mismo, haya o no una resistencia de carga. Corriente por la carga En condiciones Ideales, la tensin en la carga es igual a la tensin Zener, ya que la resistencia de carga est en paralelo con el diodo Zener. De ah que la corriente por la carga sea:

l

Zl R

VI =

Corriente Zener Por otro lado, aplicando la ley de Kirchhoff de las corrientes o ley de nudos, la corriente por el diodo Zener ser:

lSZ III = Esta ecuacin indica que la corriente Zener ya no es igual a la corriente en serie, como sucede en el regulador Zener sin carga. Debido a la resistencia de carga en paralelo con el diodo, la corriente Zener en este caso es igual a la corriente en serie menos la corriente de carga. Rizado en la resistencia de carga El ltimo circuito de la figura 5 nos permite realizar el siguiente anlisis con respecto a la disminucin del rizado que se produce

8


cuando la tensin de salida de una fuente de alimentacin excita un regulador Zener. Como vimos en el tema anterior cuando analizamos las salidas de los circuitos rectificadores, una fuente de alimentacin produce una tensin continua con rizado. En condiciones ideales, un regulador Zener anula el rizado ya que la tensin en la carga es constante e igual a la tensin Zener. Como ejemplo, supngase que la fuente de alimentacin produce una tensin continua de 20 V con un rizado de 2 V. Entonces, la tensin de la fuente est oscilando entre un mnimo de 19 V y un mximo de 21 V. Las variaciones de tensin en la fuente harn que cambie la corriente Zener, pero apenas tendrn efecto sobre la tensin en la carga. En segunda aproximacin, es decir si se tiene en cuenta la pequea resistencia Zener, se presenta un pequeo rizado sobre la resistencia de carga. Sin embargo este rizado es mucho menor que el rizado original que sale de la fuente de alimentacin y se puede calcular mediante la siguiente ecuacin:

)()( entRZS

ZsalR VRR

RV+

=

Esta es una aproximacin precisa de la tensin pico a pico del rizado

que sale VR(sal) cuando ingresa una tensin de rizado VR(ent). Punto lmite de funcionamiento en la zona Zener Para que un circuito regulador Zener (figura 6) pueda mantener constante la tensin de salida, el diodo Zener debe permanecer en la zona de ruptura en todas las condiciones de funcionamiento; es decir que debe haber corriente por el Zener para todas las tensiones de fuente y todas las corrientes por la carga. El peor caso se da cuando la tensin de fuente es mnima y la corriente por la carga es mxima, ya que la corriente Zener cae al mnimo. El punto crtico de funcionamiento del regulador Zener tiene lugar cuando la corriente por la carga mxima es igual a la corriente en serie mnima. En este punto, la corriente Zener se reduce hasta cero y se pierde la regulacin.

9


Esto ocurre cuando la resistencia en serie RS toma el valor:

(max)

(min)(max)

L

ZES I

VVR

=

La resistencia crtica RS(max), es la mxima resistencia en serie permisible. Esto significa que la resistencia en serie RS que coloquemos para proteger al diodo debe ser siempre menor que el valor crtico que provoca la prdida de regulacin del Zener; de otra manera, el diodo no funcionara en la zona Zener y el circuito regulador dejara de trabajar como tal. Coeficiente de temperatura Otro aspecto a tener en cuenta es el cambio de la tensin Zener frente a variaciones de la temperatura ambiente o circundante. Si bien se trata este tema en las hojas de caractersticas, brindando un coeficiente de temperatura o cambio porcentual por cada grado que vara la temperatura; podemos adelantar en este momento que para diodos Zener con tensiones de ruptura menores de 5 V, el coeficiente de temperatura es negativo. Para diodos Zener con VZ mayores de 6 V, el coeficiente de temperatura cambia de negativo a positivo, lo que significa que es posible hallar un punto de funcionamiento para el diodo Zener en el cual el coeficiente de temperatura sea cero. Este dato es importante en algunas aplicaciones en que se requiere una tensin Zener constante, en un intervalo grande de temperaturas. El limitador Zener En la mayor parte de las aplicaciones, los diodos Zener se usan en reguladores de tensin donde se mantienen en la zona Zener. Pero hay excepciones. A veces, los diodos Zener se emplean en circuitos para conformacin de ondas, como el de la figura 7:

Fig. 7: Limitador Zener

10


El circuito presenta la conexin de dos diodos Zener opuestos (enfrentados). Durante el semiciclo positivo, el diodo Z1 conduce y el Z2 est en la zona Zener; por tanto, la salida queda recortada. El nivel de recorte es igual a la tensin Zener (diodo en ruptura) ms 0,7 V (diodo con polarizacin directa). Durante el semiciclo negativo, la accin se invierte. El diodo Z2 conduce, y el diodo Z1 entra en zona Zener. De esta manera, la salida es casi una onda cuadrada. Cuanto mayor sea la onda sinusoidal se entrada, ms perfecta ser la onda cuadrada de salida. La hoja de caractersticas de los Zener y sus parmetros ms importantes: En la figura 8 se muestra una hoja de caractersticas para la serie 1N746 de diodos Zener. Esta cartilla tambin sirve para la series 1N957 y 1N4370. Las hojas de caractersticas contiene una gran cantidad de informacin sobre el comportamiento elctrico de los dispositivos electrnicos y ciertas referencias que indican cmo fueron medidas las caractersticas. Analizaremos a continuacin algunos de los parmetros ms importantes que se presentan en dichas publicaciones.

Fig. 8 y 9: Hoja de caractersticas (anverso y reverso) para diodos Zener1

1. Potencia mxima: La disipacin de potencia de un diodo Zener

es igual al producto de su tensin por su corriente:

ZZZ IVP .= 1 Del Apndice de Principios de Electrnica, Malvino, A., Pg. 1017 y 1018.

11


Por ejemplo, si la tensin Zener es de 12 V y la corriente es de 10 mA, entonces la potencia ser igual a 120 mW. Siempre que dicha potencia sea menor que la limitacin de potencia PZM, el diodo podr funcionar en la zona Zener sin que se destruya. Los diodos Zener disponibles comercialmente tienen limitaciones de potencia desde 1/4 hasta ms de 50 W. Por ejemplo, la serie 1N746 se indica una potencia mxima PZM de 400 mW. Esto significa que, por seguridad, la potencia PZ en el diodo siempre debe ser menor a dicho valor.

2. Corriente mxima: Otro parmetro importante es la corriente

mxima que puede circular por un diodo Zener sin exceder su lmite de potencia. Esta corriente mxima es igual al cociente de la potencia mxima sobre la tensin Zener:

Z

ZMZM V

PI =

Por ejemplo, el 1N759 tiene VZ igual a 12 V. Por tanto, su corriente mxima ser igual a 33,3 mA. Usualmente, la hoja de caractersticas proporciona dos limitaciones de corriente mxima: 30 y 35 mA, debido a la tolerancia en la tensin Zener. Vemos que si se satisface la limitacin de corriente, automticamente se satisface la limitacin de potencia. Por ejemplo, si la corriente de 33,3 mA, la disipacin de potencia se mantiene al mismo tiempo menor de 400 mW.

3. Tolerancia: En el reverso de la hoja de caracterstica (figura 9) se

indican las siguientes tolerancias respecto de la tensin Zener VZ:

Serie 1N4370: 10 %, sufijo A para 5 % Serie 1N746: 10 %, sufijo A para 5 %

Serie 1N957: 20 %, sufijo A: 10 %, sufijo B: 5 %

Por ejemplo, un 1N758 (de la Serie 1N4370) tiene una VZ de 10 V con una tolerancia de 10 %, mientras que el 1N758A tiene la misma VZ con una tolerancia de 5 %.

4. Resistencia Zener: La resistencia o impedancia Zener RZT o ZZT,

tambin se publica en el reverso de la hoja. Por ejemplo, el 1N961 tiene una ZZT de 8,5 medida con una corriente de prueba de 12,5 mA. Mientras la corriente Zener se mantenga encima del codo de la curva (figura 2), puede tomarse

12


este valor como el ms aproximado. Sin embargo, en el codo de la curva la resistencia Zener aumenta notablemente (hasta 700 ). Esto nos indica que localizando el codo de funcionamiento cerca de la corriente de prueba, la resistencia Zener es relativamente pequea.

5. Factor de ajuste: El factor de ajuste indica cunto hay que

reducir la limitacin de potencia de un dispositivo por el efecto de la temperatura cuando sta supera los 50 C. La serie 1N746, por ejemplo, tiene una limitacin de potencia de 400 mW para una temperatura de 50 C. El factor de ajuste que se da es de 3,2 mW / C. Este dato significa que se deben restar 3,2 mW por cada grado que supere los 50 C.

Tiempo de recuperacin inverso En la unidad 3 habamos definido el tiempo de vida de los portadores de carga en la zona de transicin de las caractersticas P y N de un diodo de unin como:

el breve tiempo que transcurre entre la creacin y la desaparicin de un electrn libre

Este concepto relacionado con el proceso de recombinacin de electrones y huecos guarda tambin relacin con el proceso de conmutacin de polarizacin de un diodo. Cuando un diodo se encuentra con polarizacin directa y, debido al tiempo de vida de los portadores minoritarios (que vara desde unos cuantos ns a varios s), las cargas se almacenan temporalmente cerca de la unin. A mayor corriente con polarizacin directa corresponde un mayor nmero de cargas almacenadas. Este efecto se conoce como almacenamiento de carga. El almacenamiento de carga es el responsable de que, al conmutar repentinamente la polarizacin de un diodo de directa a inversa, las cargas almacenadas contribuyan a la corriente inversa durante un breve lapso de tiempo. Ese breve tiempo que tarda un diodo con polarizacin directa en cortar esa corriente inversa originada por el proceso de almacenamiento temporario de carga se llama tiempo de recuperacin inversa tri. El tiempo de recuperacin inversa es un factor importante cuando se trabaja a altas frecuencias, por encima de los 10 MHz.

13


Dispositivos optoelectrnicos La optoelectrnica es la tecnologa que combina la ptica con la electrnica. Este sugestivo campo incluye muchos dispositivos basados en la accin de una unin P-N. Ejemplos de dispositivos optoelectrnicos son los diodos emisores de luz (LED), los fotodiodos, los optoacopladores, etctera. Nuestro estudio comienza por los LED.

14


Diodo emisor de luz Un LED (del ingls: light emiting diode) es un diodo emisor de luz (visible y no visible) cuando trabaja en polarizacin directa.

Fig. 10 y 11: LED y simbologa

Los diodos comunes se construyen con materiales opacos que obstruye el paso de la luz. Los LED, en cambio, se construyen con materiales que permiten el paso de la luz que se irradia desde la zona donde se recombinan los electrones libres con los huecos. Esta energa radiante aparece cada vez que un electrn es excitado a un nivel energtico superior (pasa a otro nivel energtico ms elevado) y regresa a su estado energtico normal. Al regresar debe devolver la energa que le fue entregada en la excitacin. Los diodos comunes lo hacen en forma de calor, mientras que los LED lo hacen a travs de la emisin de ondas electromagnticas (luz visible de todos los colores, infrarroja y ultravioleta). La simbologa del LED (figura 11) se corresponde con la simbologa usual de los diodos (con o sin crculo), con la diferencia de dos o ms rayos o flechas que se proyectan del diodo hacia fuera, indicando la emisin de luz. Los LED se utilizan como elementos de sealizacin, reemplazando a las lmparas incandescentes por su baja tensin, su baja disipacin de calor, su larga vida y su gran rapidez de conmutacin. Tambin como conectores luminosos, en sistemas de alarmas y controles remotos. El fotodiodo Un fotodiodo o LDD (del ingls: Light Depending Diode) es un diodo cuyo comportamiento depende de la luz que incida sobre l. En cierto sentido, es lo contrario del LED. Cuando la energa luminosa se proyecta sobre una unin PN, puede desligar electrones de valencia. Cuanta ms luz incida sobre la unin, mayor ser la corriente inversa en el diodo. Un fotodiodo es un diodo cuya sensibilidad a la luz es mxima. En este tipo de diodos, una ventana permite que la luz pase por el encapsulado hasta la unin PN. La luz incidente produce electrones libres y huecos.

15


La simbologa del LDD (figura 11)es similar a la del LED, con la inversin consecuente de las flechas o rayos que representan la radiacin luminosa incidente y el cambio de polaridad, ya que este diodo trabaja en polarizacin inversa (con valores de corriente inversa del orden de decenas de A). Los LDD se utilizan principalmente como sensores luminosos, generalmente en parejas LED LDD. Tensin y corriente en un LED Considerando un circuito compuesto por una batera VE como fuente de energa, una resistencia en serie RS de proteccin y un diodo LED en polarizacin directa, tal como lo presenta la figura 12:

Fig. 12: LED en polarizacin directa

Sobre el LED en polarizacin directa se produce una cada de tensin VD, cuyo valor generalmente se encuentra entre 1,5 y 2,5 V (valores que dependen de la corriente en el diodo, el color, la tolerancia, entre otros parmetros). La resistencia en serie RS acta como limitadora de la corriente que circular por del diodo. Aplicando la ley de Ohm, obtenemos la corriente en serie IS (que es la corriente en el LED):

S

DES R

VVI =

16


Display de siete segmentos Un display de siete segmentos es una agrupacin de 7 diodos LED rectangulares (A a G). Cada LED recibe el nombre de segmento.

Fig. 13: Display de 7 elementos

Usualmente (ver figura 13) se incluyen resistencias externas en serie para limitar la corriente a niveles de seguridad. Llevando a masa una o ms resistencias, se encienden los correspondientes segmentos. Por ejemplo, llevando a masa A, B y C se obtiene un 7. Con un display de siete segmentos puede formarse cualquier dgito del 0 al 9, como as tambin las letras A, b, C, c, d, E, F, G, H, h, I, J, L, n, , O, o, P, r, S y U. Su utilidad surge de inmediato: sealizador o pantalla de salida. Optoacopladorores Un optoacoplador, optoaislador o aislador acoplado ptimamente es un componente electrnico conformado por una pareja LED-LDD en un slo encapsulado.

Fig. 14: Circuito optoacoplador

El circuito de la figura 14 nos muestra como se puede enlazar dos circuitos mediante la pareja LED-LDD. La tensin de la fuente V1 y la resistencia en serie R1 establecen una corriente en el LED. La luz proveniente ste incide sobre el LDD, generando una corriente inversa en el circuito de salida que produce una tensin en la

resistencia de salida R2. La tensin de salida Vsal es igual a la tensin de la fuente V2 menos la cada de tensin en R2.

17


Si la tensin de entrada vara, la cantidad de luz tambin lo har. Esto significa que la tensin de salida cambia de acuerdo con la tensin de entrada. Por ello, la combinacin LED-LDD recibe el nombre de optoacoplador, ya que puede acoplar ptimamente una seal de entrada con el circuito de salida. La ventaja fundamental de un optoacoplador es el aislamiento electrnico entre los circuitos de entrada y salida, ya que el nico contacto que hay entre la entrada y la salida es un haz de luz. Por ello, es posible tener una resistencia de aislamiento entre los dos circuitos del orden de miles de M. Los aislamientos como ste son tiles en aplicaciones de alta tensin en las que los potenciales de los dos circuitos pueden diferir en varios miles de voltios. El diodo Schottky A frecuencias bajas, un diodo normal puede conmutar fcilmente cuando la polarizacin cambia de directa a inversa. Pero a medida que aumenta la frecuencia, por efecto del almacenamiento de carga y tiempo de recuperacin inverso, llega un punto en el que el diodo ya no puede conmutar lo suficientemente rpido como para evitar una corriente considerable durante parte del semiciclo inverso. Se establece as un lmite sobre la frecuencia til de los diodos rectificados normales. Surge as como solucin a este problema el diodo Schottky. Este tipo de diodo no tiene zona de deplexin, con lo cual no existen las cargas almacenadas en la unin. En un diodo Schottky se emplea un metal (oro, plata o platino) en un lado de la unin y silicio dopado (generalmente tipo N) en el otro lado. Como el metal no tiene huecos, no hay almacenamiento y, por tanto, tampoco hay tiempo de recuperacin inverso. As, un diodo Schottky puede cambiar, conmutar o cortarse ms rpidamente que un diodo normal. De hecho, un diodo Shottky puede rectificar con facilidad frecuencias superiores a 300 MHz. La aplicacin ms importante de los diodos Shottky se halla en las computadoras digitales, donde la velocidad de las mismas depende de la rapidez con que se puedan activar y desconectar sus diodos y sus transistores. Por otro lado, un diodo Schottky tiene una barrera de potencial de slo 0,25 V en polarizacin directa. Esto permite aplicarlos en

18


puentes rectificadores de baja tensin, ya que solamente hay que restar 0,25 V en vez de los 0,7 V usuales por cada diodo rectificador. El diodo de sintona o varicap El efecto capacitivo del almacenamiento temporario de carga en la zona de deplexin tiene utilidad prctica en el diodo varicap (tambin llamado capacidad controlada por tensin, epicap y diodo de sintona). Las regiones P y N de un diodo se pueden considerar como placas de un condensador, siendo la zona de deplexin el dielctrico. En tales condiciones, cuando un diodo se polariza en inversa, la anchura de la zona de deplexin aumenta con la tensin inversa y la capacidad disminuye ya que el efecto es idntico que al separar las placas de un condensador convencional. El resultado es una capacidad variable que es controlada por la tensin. Un varicap es un diodo de silicio diseado para aprovechar su capacidad variable. El varicap se usa mucho en receptores de radio, televisin, controles remotos y otros circuitos de comunicaciones (un varicap en paralelo con una inductancia para obtener un circuito resonante para sintona). Algunos parmetros caractersticos de los varicaps En las hojas de caractersticas para diodos varicaps se incluye un valor de referencia de capacidad medido a una tensin inversa especfica. Por ejemplo, para un 1N5142 se indica una capacidad de referencia de 15 pF a -4 V. Adems de ese valor de referencia en la capacidad, se indican un intervalo de sintonizacin (que depende del nivel de dopado) y un intervalo de tensiones (por ejemplo si la tensin flucta entre -4 y -60 V). Segn el nivel de dopado, encontramos:

Varicaps de unin abrupta: el dopado es uniforme en ambos lados de la unin PN, lo que significa que el nmero de huecos y de electrones libres est igualmente distribuido (esto se da en la mayora de los diodos). El intervalo de sintona de un diodo de unin abrupta oscila entre 3:1 y 4:1.

19


Varicaps de unin hiperabrupta: cuyo perfil de dopado se ha aumentado en las proximidades de la unin PN a fin de obtener intervalos de sintona ms extensos. En ellos, la densidad de carga aumenta a medida que nos acercamos a la unin. Esta mayor concentracin lleva a una zona de deplexin ms estrecha y a una mayor capacidad. Adems, los cambios en la tensin inversa tienen efectos ms pronunciados sobre la capacidad. El varicap hiperabrupto tiene un intervalo de sintona de aproximadamente 10:1, suficiente para sintonizar todo el intervalo de frecuencias de radio AM (de 535 a 1.605 kHz).

20


El varistor El varistor o diodo supresor de transitorios es un dispositivo semiconductor equivalente a dos diodos Zener opuestos con una gran tensin de ruptura en ambas direcciones. Esto lo convierte en un componente perfecto para realizar una limitacin zener que acte de filtro de lnea o en la entrada (primario) de un transformador. Los relmpagos, los fallos en la red de energa y otras causas, pueden afectar a la tensin de red superponiendo valles, picos y otros transitorios a los 220 V normales. Los valles son cadas de tensin bruscas que duran s o menos. Los picos son sobretensiones de duracin muy corta, desde 500 hasta ms de 2.000 V. En algunos equipos se usan filtros entre la lnea y el primario del transformador para eliminar los problemas ocasionados por los transitorios de la lnea. Conectando un varistor en el arrollamiento primario no habr por qu preocuparse acerca de los picos ya que. El varistor recortar todos los picos al nivel de su tensin de ruptura y proteger el equipo. Por ejemplo, el V130LA2 es un varistor con una tensin de ruptura de 184 V y una limitacin de corriente de pico de 4000A. Otros diodos Adems de los diodos destinados a aplicaciones especiales que hemos analizado, completaremos el tema con menciones sobre otros tipos de diodos. Diodos de corriente constante Estos diodos funcionan de forma exactamente opuestas a los diodos Zener. En vez de mantener constante la tensin, estos diodos mantienen constante la corriente. Conocidos como diodos de corriente constante (y tambin como diodos reguladores de corriente), estos dispositivos mantienen la corriente que circula a travs de ellos en un valor fijo, incluso cuando vare la tensin aplicada. Por ejemplo, el 1N5305 es un diodo de corriente constante con una corriente tpica de 2 mA en un intervalo de tensin de 2 a 100 V. Diodos de recuperacin en escaln El diodo de recuperacin en escaln tiene un perfil de dopado especial, ya que la densidad de portadores disminuye cerca de la

21


unin. Esta distribucin poco comn de portadores es el origen de un fenmeno llamado desplome en inverso. Durante el semiciclo positivo, el diodo conduce igual que un diodo de silicio. Pero durante el semiciclo negativo, la corriente inversa existe slo durante un tiempo muy corto, reducindose repentinamente hasta cero. La corriente de desplome de un diodo de recuperacin en escaln es rica en armnicos y se puede filtrar para producir una onda sinusoidal de frecuencia ms alta. Debido a esto, los diodos de recuperacin en escaln son tiles en multiplicadores de frecuencia, circuitos cuya frecuencia de salida es un mltiplo de la frecuencia de entrada. Diodos invertidos Los diodos Zener normalmente tienen tensiones de ruptura mayores de -2 V. Incrementando el nivel de dopado, puede lograrse que el efecto Zener se d prximo a la tensin cero. La conduccin en polarizacin directa todava tiene lugar aproximadamente a los 0,7 V, pero la conduccin inversa (ruptura) comienza ms o menos a los -0,1 V. Un diodo como este recibe el nombre de diodo invertido porque conduce mejor en la direccin inversa que en la directa. Los diodos invertidos se emplean ocasionalmente para rectificar seales dbiles cuyas amplitudes de pico se hallan entre 0,1 y 0,7 V. Diodos tnel Aumentando el nivel de dopado de un diodo invertido, se puede hacer que la ruptura se d a los 0 V. Diodos como stos reciben el nombre de diodos tnel. En este tipo de diodos se presenta un fenmeno conocido cono resistencia negativa. Esto significa que un aumento de la tensin de polarizacin directa produce una disminucin en la corriente, por lo menos en un parte de la curva de polarizacin directa. La resistencia negativa de los diodos es til en determinados circuitos de alta frecuencia llamados osciladores. stos pueden generar un seal sinusoidal a partir de la potencia entregada por la fuente de alimentacin.

modulo 6

Documents