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DIODOS SEMICONDUCTORES

La resistencia como dispositivo lineal

Antes de ver el diodo vamos a repasar las características de la resistencia.

La resistencia de carbón típica está formada por polvo de carbón machacado. Son importantes las dimensiones del carbón.

Para analizar el comportamiento de esa resistencia la polarizaremos primero en directa y luego en inversa. Se toman los valores con un Amperímetro y un Voltímetro y se representa la I en función de V, con lo que tendremos el comportamiento de la resistencia.

Si polarizo al revés las ecuaciones son las mismas, pero las corrientes y las tensiones son negativas.

Entonces al final nos quedará de la siguiente forma:

A esta representación se le llama "Curva Característica" y es una recta, por ello se dice que la resistencia es un "Elemento Lineal". Es más fácil trabajar con los elementos lineales porque sus ecuaciones son muy simples.

La Curva Característica Del Diodo

Analizamos de la misma forma el diodo:

Se le van dando distintos valores a la pila y se miden las tensiones y corrientes por el diodo, tanto en directa como en inversa (variando la polarización de la pila). Y así obtenemos una tabla que al ponerla de forma gráfica sale algo así:

El diodo como dispositivo no lineal

Esta es la curva característica del diodo (un diodo se comporta de esa forma). Como no es una línea recta, al diodo se le llama "Elemento No Lineal" ó "Dispositivo No Lineal", y este es el gran problema de los diodos, que es muy difícil trabajar en las mallas con ellos debido a que sus ecuaciones son bastante complicadas.

La ecuación matemática de esta curva es:

'

En directa, a partir de 0.7 V la corriente aumenta mucho, conduce mucho el diodo y las corrientes son muy grandes. Debido a estas corrientes grandes el diodo podría romperse, por eso hay que tener cuidado con eso (como máximo se tomará 0.8 V ó 0.9 V).

En inversa tenemos corrientes negativas y pequeñas.

A partir de -1 V se puede despreciar la y queda aproximadamente I = -Is, que es muy pequeña aunque no se ha tenido en cuenta la corriente de fugas, con ella sería:

 I = -( Is + If )

A partir de -1 V si no hubiera If tendríamos una corriente pequeña y horizontal pero como hay fugas que son proporcionales a la tensión inversa, bajando poco a poco.

Si sigo aumentando la tensión inversa puede ocurrir la ruptura a la tensión de ruptura, en este ejemplo a  VR = -50 V aparece la avalancha y ya la ecuación no vale, es otra distinta:

Y aquí el diodo se destruye a no ser que sea uno preparado (un diodo zener).

Al punto en el que se vence la barrera de potencial se le llama codo. La "Barrera de Potencial" ó "Tensión Umbral" es el comienzo del codo, a partir de ahí conduce mucho el diodo en directa.

La zona directa

En la zona directa tenemos dos características importantes:

Tensión Umbral

Como ya se ha dicho antes es el valor de la tensión a partir del cual el diodo conduce mucho. A partir de la Tensión Umbral ó Barrera de Potencial la intensidad aumenta mucho variando muy poco el valor de la tensión.

Resistencia Interna

A partir de la tensión umbral se puede aproximar, esto es, se puede decir que se comporta como una resistencia.

La zona n tiene una resistencia y la zona p otra resistencia diferente:

Ejemplo:  1N4001    rp= 0.13       rn = 0.1 

La resistencia interna es la suma de la resistencia en la zona n y la resistencia en la zona p.

Y la pendiente de esa recta será el inverso de esta resistencia interna.

Como la resistencia interna es pequeña, la pendiente es muy grande, con lo que es casi una vertical, esto es, conduce mucho.

Resumiendo hemos visto que tenemos:

Máxima corriente continua en polarización directa

Es el mayor valor de corriente permitido en la característica del diodo:

Ejemplo:  1N4001    IFmáx = 1 A (F = forward (directa))

Resistencia para limitación de corriente

En circuitos como el de la figura, hay que poner una resistencia porque sino el diodo se estropearía fácilmente.

Esto se ve dándole valores a la pila, y viendo las intensidades que salen, que a partir de 0.7 V (suponiendo que el diodo es de silicio) aumentan mucho como se ve claramente en la gráfica de la característica del diodo.

Entonces se pone una resistencia para limitar esa corriente que pasa por el diodo, como se ve en la figura:

Se calcula la resistencia para limitar la corriente, para que no aumente a partir de 1 A por ejemplo.

Disipación máxima de potencia

La máxima corriente y la máxima potencia están relacionados. Como ocurre con una resistencia, un diodo tiene una limitación de potencia que indica cuanta potencia puede disipar el diodo sin peligro de acortar su vida ni degradar sus propiedades. Con corriente continua, el producto de la tensión en el diodo y la corriente en el diodo es igual a la potencia disipada por éste.

Normalmente en diodos rectificadores no se suele emplear la limitación máxima de potencia, ya que toda la información acerca de la destrucción del diodo (por calor) ya esta contenida en el límite máximo de corriente.

Ejemplo: 1N4001 

En la hoja de características indica una corriente máxima con polarización directa Io de 1 A. Siempre que la corriente máxima con polarización directa sea menor que 1 A, el diodo no se quemará.

La potencia que se disipa en el diodo en forma de calor.

Como ya se ha dicho no se debe pasar de ese valor de potencia.

La zona inversa

En polarización inversa teníamos una  corriente que estaba formada por la suma de los valores de la corriente Is y la corriente de fugas If:

Hay que tener cuidado, no hay que llegar a VR porque el diodo se rompe por avalancha (excepto si es un Zener).

Modelos equivalentes lineales aproximados del diodo

Existen tres aproximaciones muy usadas para los diodos de silicio, y cada una de ellas es útil en ciertas condiciones.

1ª Aproximación (el diodo ideal)

La exponencial se aproxima a una vertical y una horizontal que pasan por el origen de coordenadas. Este diodo ideal no existe en la realidad, no se puede fabricar por eso es ideal.

Polarización directa: Es como sustituir un diodo por un interruptor cerrado.

Polarización inversa: Es como sustituir el diodo por un interruptor abierto.

Como se ha visto, el diodo actúa como un interruptor abriéndose o cerrándose dependiendo si esta en inversa o en directa. Para ver los diferentes errores que cometeremos con las distintas aproximaciones vamos a ir analizando cada aproximación.

Ejemplo:

En polarización directa:

2ª Aproximación

La exponencial se aproxima a una vertical y a una horizontal que pasan por 0,7 V (este valor es el valor de la tensión umbral  para el silicio, porque suponemos que el diodo es de silicio, si fuera de germanio se tomaría el valor de 0,2 V).

El tramo que hay desde 0 V y 0,7 V es en realidad polarización directa, pero como a efectos prácticos no conduce, se toma como inversa. Con esta segunda aproximación el error es menor que en la aproximación anterior.

Polarización directa: La vertical es equivalente a una pila de 0,7 V.

Polarización inversa: Es un interruptor abierto.

Ejemplo: Resolveremos el mismo circuito de antes pero utilizando la segunda aproximación que se ha visto ahora. Como en el caso anterior lo analizamos en polarización directa:

Como se ve estos valores son distintos a los de la anterior aproximación, esta segunda aproximación es menos ideal que la anterior, por lo tanto es más exacta, esto es, se parece más al valor que tendría en la práctica ese circuito.

3ª Aproximación

La curva del diodo se aproxima a una recta que pasa por 0,7 V y tiene una pendiente cuyo valor es la inversa de la resistencia interna.

El estudio es muy parecido a los casos anteriores, la diferencia es cuando se analiza la polarización directa:

Ejemplo: En el ejemplo anterior usando la 3ª aproximación, tomamos 0,23   como valor de la resistencia interna.

Esta tercera aproximación no merece la pena usarla porque el error que se comete, con respecto a la segunda aproximación, es mínimo. Por ello se usará la segunda aproximación en lugar de la tercera excepto en algún caso especial.

Como elegir una aproximación

Para elegir que aproximación se va a usar se tiene que tener en cuenta, por ejemplo, si son aceptables los errores grandes, ya que si la respuesta es afirmativa se podría usar la primera aproximación. Por el contrario, si el circuito contiene resistencias de precisión de una tolerancia de 1 por 100, puede ser necesario utilizar la tercera aproximación. Pero en la mayoría de los casos la segunda aproximación será la mejor opción.

La ecuación que utilizaremos para saber que aproximación se debe utilizar es esta:

Fijándonos en el numerador se ve que se compara la VS con 0.7 V. Si VS es igual a 7 V, al ignorar la barrera de potencial se produce un error en los cálculos del 10 %, si VS es 14 V un error del 5 %, etc...

Si se ve el denominador, si la resistencia de carga es 10 veces la resistencia interna, al ignorar la resistencia interna se produce un error del 10 % en los cálculos. Cuando la resistencia de carga es 20 veces mayor el error baje al 5 %, etc...

En la mayoría de los diodos rectificadores la resistencia interna es menor que 1 , lo que significa que la segunda aproximación produce un error menor que el 5 % con resistencias de carga mayores de 20 . Por eso la segunda aproximación es una buena opción si hay dudas sobre la aproximación a utilizar. Ahora veremos una simulación  para un ejemplo concreto de uso de estas aproximaciones.

Variables dependientes e independientes

Cualquier circuito tiene variables independientes (como tensiones de alimentación y resistencias en las ramas) y variables dependientes (tensiones en las resistencias, corrientes, potencias, etc.). Cuando una variable independiente aumenta, cada una de las variables dependientes responderá, normalmente, aumentando o disminuyendo. Si se entiende cómo funciona el circuito, entonces se será capaz de predecir si una variable aumentará o disminuirá.

Ejemplo:

Si se analiza la resistencia RL y la tensión VS, se ve que los valores que se desean son de 1 k  y 10 V en este caso, a estos se les llama "valores nominales", pero los valores reales se rigen por unas tolerancias, que son unos rangos de valores no un valor fijo. El diodo también puede variar su valor de tensión umbral.

Pero estas tres variables (RL, VS y Vj) dependen de la fabricación, estos es dependen de si mismas, son "variables independientes". Por otro lado están las "variables dependientes", que dependen de las tres variables anteriores, que son: VL, IL, PD, PL y PT. Estos queda reflejado en la siguiente tabla:

Hoja de características de un diodo

La mayor parte de la información que facilita el fabricante en las hojas de características es solamente útil para los que diseñan circuitos, nosotros solamente estudiaremos aquella información de la hoja de características que describe parámetros que aparecen en este texto.

Tensión inversa de ruptura

Estudiaremos la hoja de características del diodo 1N4001, un diodo rectificador empleado en fuentes de alimentación (circuitos que convierten una tensión alterna en una tensión continua).

La serie de diodos del 1N4001 al 1N4007 son siete diodos que tienen las mismas características con polarización directa, pero en polarización inversa sus características son distintas.

Primeramente analizaremos las "Limitaciones máximas" que son estas:

Estos tres valores especifican la ruptura en ciertas condiciones de funcionamiento. Lo importante es saber que la tensión de ruptura para el diodo es de 50 V, independientemente de cómo se use el diodo. Esta ruptura se produce por la avalancha y en el 1N4001 esta ruptura es normalmente destructiva.

Corriente máxima con polarización directa

Un dato interesante es la corriente media con polarización directa, que aparece así en la hoja de características:

Indica que el 1N4001 puede soportar hasta 1 A con polarización directa cuando se le emplea como rectificador. Esto es, 1 A es el nivel de corriente con polarización directa para el cual el diodo se quema debido a una disipación excesiva de potencia. Un diseño fiable, con factor de seguridad 1, debe garantizar que la corriente con polarización directa sea menor de 0,5 A en cualquier condición de funcionamiento.

Los estudios de las averías de los dispositivos muestran que la vida de éstos es tanto más corta cuanto más cerca trabajen de las limitaciones máximas. Por esta razón, algunos diseñadores emplean factores de seguridad hasta de 10:1, para 1N4001 será de 0,1 A o menos.

Caída de tensión con polarización directa

Otro dato importante es la caída de tensión con polarización directa:

Estos valores están medidos en alterna, y por ello aparece la palabra instantáneo en la especificación. El 1N4001 tiene una caída de tensión típica con polarización directa de 0,93 V cuando la corriente es de 1 A y la temperatura de la unión es de 25 ºC.

Corriente inversa máxima

En esta tabla esta la corriente con polarización inversa a la tensión continua indicada (50 V para un 1N4001).

Esta corriente inversa incluye la corriente producida térmicamente y la corriente de fugas superficial. De esto deducimos que la temperatura puede ser importante a la hora del diseño, ya que un diseño basado en una corriente inversa de 0,05 A trabajará muy bien a 25 ºC con un 1N4001 típico, pero puede fallar si tiene que funcionar en medios donde la temperatura de la unión alcance los 100 ºC.

Comprobación y detección de averías

El óhmetro es la herramienta adecuada para saber el estado de un diodo. Se mide la resistencia en continua del diodo en cualquier dirección y después se invierten los terminales efectuándose la misma medición. La corriente con polarización directa dependerá de la escala en la que se emplee el ohmétro, lo que significa que se obtendrán distintas lecturas en intervalos diferentes. Sin embargo, lo que hay que buscar principalmente es una diferencia de resistencia inversa a directa muy alta. Para los diodos de silicio comúnmente empleados en la electrónica la razón debe ser mayor que 1.000:1.

En el uso del óhmetro para probar diodos lo único que se desea saber es si el diodo tiene una resistencia pequeña con polarización directa y grande con polarización inversa. Los problemas que pueden surgir son:

Cómo calcular la resistencia interna rB

Para analizar con precisión un circuito con diodos se necesita saber la resistencia interna del diodo. Este valor generalmente no viene dado por separado en las hojas de características, pero traen información suficiente para calcularla. La formula para calcular la resistencia interna es:

El punto 1 puede ser el punto umbral.

Ejemplo:1N4001

De la hoja de características conseguimos los valores de la tensión con polarización directa (0,93 V) para un valor de la corriente de 1 A y la tensión umbral es de 0,7 V para una corriente aproximadamente cero.

Resistencia en continua de un diodo

Siempre que se habla de continua, se quiere decir que es estática, que nunca cambia, es una "Resistencia Estática". En la zona de polarización directa se simboliza con RF y en la zona de polarización inversa con RR.

Lo estudiaremos para el diodo 1N914:

Resistencia con polarización directa

En cada punto tenemos una resistencia distinta, esa resistencia es el equivalente del diodo en polarización directa para esos valores concretos de intensidad y tensión.


Si comparamos este valor de resistencia con la resistencia interna:

Como los 3 puntos tiene la misma pendiente quiere decir que para los 3 puntos el modelo es el mismo. Entonces la RF anterior no es útil porque varía, pero la rB no varía y por eso esta es la resistencia que se utiliza.

Resistencia con polarización inversa

Exageramos la curva de la gráfica para verlo mejor:

Como en el caso anterior en cada punto tenemos una recta, por lo tanto un RR (R = Reverse, inversa)  para cada punto.

Como es un valor muy grande, más o menos se puede considerar infinito (idealmente circuito abierto).

Este valor no es útil, no se utiliza para hacer modelos o mallas, pero de forma práctica en el laboratorio puede ser útil (el polímetro marca la resistencia estática y se puede utilizar para detectar averías).

Rectas de carga

La recta de carga es una herramienta que se emplea para hallar el valor de la corriente y la tensión del diodo. Las rectas de carga son especialmente útiles para los transistores, por lo que más adelante se dará una explicación más detallada acerca de ellas.

Estas son las distintas formas de analizar los circuitos con diodos:

Hasta ahora hemos visto las 2 primeras, la tercera forma de analizarlos es de forma gráfica, esto es calculando su recta de carga.

Si de la ecuación de la malla, despejamos la intensidad tenemos la ecuación de una recta, que en forma de gráfica sería:

A esa recta se le llama "recta de carga" y tiene una pendiente negativa.

El punto de corte de la recta de carga con la exponencial es la solución, el punto Q, también llamado "punto de trabajo" o "punto de funcionamiento". Este punto Q se controla variando VS y RS.

Al punto de corte con el eje X se le llama "Corte" y al punto de corte con el eje Y se le llama "Saturación".

Problemas

Problema 1

Un diodo está en serie con una resistencia de 220 . Si la tensión en la resistencia es de 4 V, ¿cuál es la corriente por el diodo? Si hemos aplicado la 2ª aproximación, ¿cuál es la potencia disipada en el diodo?

Solución:

Al tomar la 2ª aproximación el diodo es una pila de 0,7 V.

Problema 2

Calcular la corriente, la tensión y la potencia en la carga, así como la potencia del diodo y la potencia total para el circuito de la figura. Hacerlo utilizando los tres tipos de aproximaciones que existen.

Solución:

1ª aproximación

En esta aproximación el diodo es ideal, por lo tanto lo podemos sustituir por un cortocircuito, con lo que obtenemos las siguientes ecuaciones:

2ª aproximación

Aquí es diodo se sustituye por una pila de 0,7 V.

3ª aproximación

El diodo se sustituye por una pila de 0,7 V en serie con una resistencia de 0,23 .

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