EL DIODO

1 INTRODUCCION

El diodo ideal es un componente discreto que permite la circulacin de corriente entre sus terminales en undeterminado sentido, mientras que la bloquea en el sentido contrario.

En la Figura 1 se muestran el smbolo y la curva caracterstica tensin-corriente del funcionamiento del diodo ideal. Elsentido permitido para la corriente es de A a K.

Figura 1: Smbolo y curva caracterstica tensin-corriente del diodo ideal.

El funcionamiento del diodo ideal es el de un componente que presenta resistencia nula al paso de la corriente en undeterminado sentido, y resistencia infinita en el sentido opuesto. La punta de la flecha del smbolo circuital,representada en la figura 1, indica el sentido permitido de la corriente.

presenta resistencia nula.

presenta resistencia infinita.

Mediante el siguiente ejemplo se pretende mostrar el funcionamiento ideal de un diodo en circuito sencillo.

MATERIAL RECOPILADO DE INTERNET CON OBJETIVO EDUCATIVO. SE HA ADAPTADO A LAS NECESIDADES DE LOS ALUMNOS DE LA CARRERA DE TCNICO EN ELECTRNICA. Prof: DJB.

Figura 2: Ejemplo de funcionamiento del diodo ideal.

Segn est colocada la fuente, la corriente debe circular en sentido horario.

En el circuito de la izquierda, el diodo permite dicha circulacin, ya que la corriente entra por el nodo, y ste secomporta como un interruptor cerrado. Debido a esto, se produce una cada de tensin de 10V en la resistencia, y seobtiene una corriente de 5mA.

En el circuito de la derecha, el diodo impide el paso de corriente, comportndose como un interruptor abierto, y lacada de tensin en la resistencia es nula: los 10V se aplican al diodo.

2 DIODO DE UNION PN

Actualmente los diodos se fabrican a partir de la unin de dos materiales semiconductores de caractersticasopuestas, es decir, uno de tipo N y otro de tipo P. A esta estructura se le aaden dos terminales metlicos para laconexin con el resto del circuito. En la Figura 3: se presenta el esquema de los dos tipos de diodos que se fabricanactualmente, el diodo vertical y el plano.

Figura 3: Esquemas de diodos de unin PN

El hecho de que los diodos se fabriquen con estos materiales conlleva algunas desviaciones de comportamiento conrespecto al diodo ideal.

En este apartado se presenta en primer lugar el proceso de formacin de los diodos de semiconductores para pasardespus a exponer el comportamiento elctrico y las desviaciones con respecto al comportamiento ideal.

2.1 Formacin de la unin PN

Supongamos que se dispone de un monocristal de silicio puro, dividido en dos zonas con una frontera ntida, definidapor un plano. Una zona se dopa con impurezas de tipo P y la otra de tipo N (Figura 4). La zona P tiene un exceso dehuecos, y se obtiene introduciendo tomos del grupo III en la red cristalina (por ejemplo, boro). La zona N dispone deelectrones en exceso, procedentes de tomos del grupo V (fsforo). En ambos casos se tienen tambin portadores designo contrario, aunque en una concentracin varios rdenes de magnitud inferior (portadores minoritarios).

Figura 4: Impurificacin del silicio para la obtencin de diodos PN

En cada zona la carga total es neutra: por cada electrn hay un ion positivo, y por cada hueco un ion negativo, esdecir, no existen distribuciones de carga neta, ni campos elctricos internos. En el momento mismo de crear dos zonasde diferente concentracin de portadores, entra en juego el mecanismo de la difusin. Como se recordar, estefenmeno tiende a llevar partculas de donde hay ms a donde hay menos. El efecto es que los electrones y los huecoscercanos a la unin de las dos zonas la cruzan y se instalan en la zona contraria, es decir:

Electrones de la zona N pasan a la zona P.Huecos de la zona P pasan a la zona N.

Este movimiento de portadores de carga tiene un doble efecto. Centrmonos en la regin de la zona P cercana a launin:

1. El electrn que pasa la unin se recombina con un hueco. Aparece una carga negativa, ya que antes de quellegara el electrn la carga total era nula.

2. Al pasar el hueco de la zona P a la zona N, provoca un defecto de carga positiva en la zona P, con lo quetambin aparece una carga negativa.

El mismo razonamiento, aunque con signos opuestos puede realizarse para la zona N. En consecuencia, a amboslados de la unin se va creando una zona de carga, que es positiva en la zona N y negativa en la zona P (Figura 5).

Figura 5: Formacin de la unin PN

En el ejemplo del captulo 5, los gases difunden completamente hasta llenar las dos estancias de la caja y formar unamezcla uniforme. Sin embargo, a diferencia de lo que ocurre con los gases de aquel ejemplo, en este caso estn di-fundiendo partculas cargadas. La distribucin de cargas formada en la regin de la unin provoca un campo elctrico desde la zona N a la zona P. Este campo elctrico se opone al movimiento de portadores segn la difusin, y va creciendo conforme pasan ms cargas a la zona opuesta. Al final la fuerza de la difusin y la del campo elctrico seequilibran y cesa el movimiento de portadores. En ese momento est ya formado el diodo de unin PN, y como resultado del proceso se ha obtenido:

Zona P, semiconductora, con una resistencia RP.

Zona N, semiconductora, con una resistencia .Zona de agotamiento (desierta): No es conductora, puesto que no posee portadores de carga libres. Enella acta un campo elctrico, o bien entre los extremos acta una barrera de potencial.

Hay que tener en cuenta que este proceso sucede instantneamente en el momento en el que se ponen en contactolas zonas N y P, y no necesita de ningn aporte de energa, excepto el de la agitacin trmica.

2.2 Polarizacin directa

El bloque PN descrito en el apartado anterior (Figura 6) en principio no permite el establecimiento de una corrienteelctrica entre sus terminales puesto que la zona desierta no es conductora.

Figura 6: Diodo PN durante la aplicacin de una tensin inferior a la de barrera

Sin embargo, si se aplica una tensin positiva en el nodo, se generar un campo elctrico que "empujar" los huecoshacia la unin, provocando un estrechamiento de la zona de depleccin (Figura 7). Sin embargo, mientras sta exista

no ser posible la conduccin.

Figura 7: Diodo PN bajo la accin de una tensin mayor que la de barrera

Si la tensin aplicada supera a la de barrera, desaparece la zona desierta y el dispositivo conduce. De formasimplificada e ideal, lo que sucede es lo siguiente (Figura 7):

1. Electrones y huecos se dirigen a la unin.2. En la unin se recombinan.

En resumen, polarizar un diodo PNen directa es aplicar tensin positiva a la zona P y negativa a la zona N. Un diodoPN conduce en directa porque se inunda de cargas mviles la zona desierta.

La tensin aplicada se emplea en:

Vencer la barrera de potencial.Mover los portadores de carga.

2.3 Polarizacin inversa

Al contrario que en el apartado anterior, al aplicar una tensin positiva a la zona N y negativa a la zona P, se retiranportadores mayoritarios prximos a la unin. Estos portadores son atrados hacia los contactos aumentando laanchura de la zona desierta. Esto hace que la corriente debido a los portadores mayoritarios sea nula (Figura 8).

Ahora bien, en ambas zonas hay portadores minoritarios. Un diodo polarizado en inversa lo est en directa para losminoritarios, que son atrados hacia la unin. El movimiento de estos portadores minoritarios crea una corriente,aunque muy inferior que la obtenida en polarizacin directa para los mismos niveles de tensin.

Figura 8: Diodo PN polarizado en inversa

Al aumentar la tensin inversa, llega un momento en que se produce la ruptura de la zona desierta, al igual quesucede en un material aislante: el campo elctrico puede ser tan elevado que arranque electrones que forman losenlaces covalentes entre los tomos de silicio, originando un proceso de rotura por avalancha. (Nota: Sin embargo,ello no conlleva necesariamente la destruccin del diodo, mientras la potencia consumida por el diodo se mantenga enniveles admisibles).

2.4 Caracterstica tensin-corriente

La Figura 9 muestra la caracterstica V-I (tensin-corriente) tpica de un diodo real.

Figura 9: Caracterstica V-I de un diodo de unin PN.

En la grfica se aprecian claramente diferenciadas las diversas regiones de funcionamiento explicadas en el apartadoanterior:

Regin de conduccin en polarizacin directa (PD).Regin de corte en polarizacin inversa (PI).Regin de conduccin en polarizacin inversa.

Por encima de 0 Voltios, la corriente que circula es muy pequea, hasta que no se alcanza la tensin de barrera (VON).

El paso de conduccin a corte no es instantneo: a partir de VON la resistencia que ofrece el componente al paso de la

corriente disminuye progresivamente, hasta quedar limitada slo por las resistencias internas de las zonas P y N. Laintensidad que circula por la unin aumenta rpidamente. En el caso de los diodos de silicio, VON se sita en torno a

0,7 V.

Cuando se polariza con tensiones menores de 0 Voltios, la corriente es mucho menor que la que se obtiene para losmismos niveles de tensin que en directa, hasta llegar a la ruptura, en la que de nuevo aumenta.

2.5 Diferencias entre el diodo de unin PN y el diodo ideal

Las principales diferencias entre el comportamiento real y ideal son:

1. La resistencia del diodo en polarizacin directa no es nula.2. La tensin para la que comienza la conduccin es VON.

3. En polarizacin inversa aparece una pequea corriente.4. A partir de una tensin en inversa el dispositivo entra en coduccin por avalancha.

En la Figura 10 vemos representadas ms claramente estas diferencias entre los comportamientos del diodo de uninPN e ideal.

Figura 10: Diferencias entre el comportamiento del diodo de unin PN y del diodo ideal

2.6 Principales caractersticas comerciales

A la hora de elegir un diodo para una aplicacin concreta se debe cuidar que presente unas caractersticas apropiadaspara dicha aplicacin. Para ello, se debe examinar cuidadosamente la hoja de especificaciones que el fabricanteprovee. Las caractersticas comerciales ms importantes de los diodos que aparecen en cualquier hoja deespecificaciones son:

DIRECTA

INVERSA

1. Corriente mxima en directa, IFmax o IFM (DC forward current): Es la corriente continua mxima que puede

atravesar el diodo en directa sin que este sufra ningn dao, puesto que una alta corriente puede provocar uncalentamiento por efecto Joule excesivo. Los fabricantes suelen distinguir tres lmites:

Corriente mxima continua (IFM)

Corriente de pico transitoria (Peak forward surge current), en la que se especifica tambin el tiempo quedura el picoCorriente de pico repetitivo (Recurrent peak forward current), en la que se especifica la frecuencia mximadel pico

1. Tensin de ruptura en polarizacin inversa (Breakdown Voltage, BV; Peak Inverse Voltage, PIV): Es latensin a la que se produce el fenmeno de ruptura por avalancha.

2. Tensin mxima de trabajo en inversa (Maximun Working Inverse Voltage): Es la tensin que elfabricante recomienda no sobrepasar para una operacin en inversa segura.

3. Corriente en inversa, IR (Reverse current): Es habitual que se exprese para diferentes valores de la

tensin inversa4. Cada de tensin en PD, VF (Forward Voltage): Pese a que se ha sealado anteriormente los 0.7V como

valor tpico, en muchas ocasiones los fabricantes aportan datos detallados de esta cada de tensin,mediante la grfica I-V del dispositivo.

Adems, es frecuente que los fabricantes suministren datos adicionales a cerca del comportamiento del dispositivopara otras temperaturas diferentes a la nominal. En el Anejo A.1 de este documento se incluyen unas hojas de datosde diodos a modo de ejemplo.

3 MODELOS DEL DIODO DE UNION PN

A continuacin se van a explicar los diferentes tipos de modelos propuestos para el funcionamiento de un diodo deunin PN.

3.1 Modelos para seales continuas

Bajo el trmino seales continuas se engloban en este apartado tanto las seales constantes en el tiempo comoaquellas que varan con una frecuencia muy baja.

3.1.1 Modelo DC del diodo real

El comportamiento del diodo real se corresponde con el indicado por la siguiente expresin:

en donde:

n, es el factor de idealidad. El valor n se ubica dentro del rango entre 1 y 2. Depende de las dimensiones deldiodo, del material semiconductor, de la magnitud de la corriente directa y del valor de IS.

VT, es el potencial trmico del diodo y es funcin de la constante de Boltzmann (K), la carga del electrn (q) y

la temperatura absoluta del diodo T(K). La siguiente expresin permite el clculo de VT:

con y .

El potencial trmico a temperatura ambiente, T=25C, es VT=271mV.

R es la resistencia combinada de las zonas P y N, de manera que V-IR es la tensin que se est aplicando en launin PN, siendo I la intensidad que circula por el componente y V la tensin entre terminales externos.IS, es la corriente inversa de saturacin del diodo. Depende de la estructura, del material, del dopado y

fuertemente de la temperatura.

La representacin grfica de este modelo se muestra en la Figura 11:

Figura 11: Representacin grfica del modelo del diodo real.

Como puede apreciarse, este modelo no da cuenta de la tensin de ruptura en inversa.

El modelo puede completarse mediante la adicin de nuevos parmetros que incluyan efectos no contemplados en lateora bsica. Por ejemplo, algunos modelos empleados en los programas simulacin por ordenador constan de hastaquince parmetros. Sin embargo, a la hora de realizar clculos sobre el papel resulta poco prctico. Por ello eshabitual realizar simplificaciones del modelo para obtener soluciones de modo ms simple.

3.1.2 Modelo ideal del diodo de unin PN.

El modelo ideal del diodo de unin PN se obtiene asumiendo las siguientes simplificaciones:

Se toma el factor de idealidad como la unidad, n=1.Se supone que la resistencia interna del diodo es muy pequea y que, por lo tanto, la cada de tensin en laszonas P y N es muy pequea, frente a la cada de tensin en la unin PN.

Para V0, la exponencial

crece rpidamente por encima de la unidad.

3.1.3 Modelo lineal por tramos

Al igual que el modelo real, el modelo ideal sigue siendo poco prctico, dado su carcter no lineal. El modelo lineal portramos se obtiene como una aproximacin del modelo ideal del diodo de unin PN, considerando las siguientessimplificaciones:

En inversa, la corriente a travs de la unin es nula.En directa, la cada de tensin en la unin PN (VON) es constante e independiente de la intensidad que circule

por el diodo.

Para calcular el valor de VON se considera un diodo de unin PN de silicio con una I S= 85 fA a una temperatura

ambiente de T=25 C. El potencial trmico a esa temperatura es VT=27 mV. Tomando como variable independiente la

intensidad I, la ecuacin ideal del diodo queda:

A partir de esta expresin, se puede calcular la cada de tensin en el diodo para las magnitudes de corrientehabituales en los circuitos electrnicos. Por ejemplo, para un intervalo de corrientes 1 mA < I < 1 A se tienentensiones 0.6 V

biestado.

El modelo lineal por tramos queda sintetizado en la siguiente tabla:

Estado Modelo Condicin

Conduccin

Corte

La Figura 12 muestra la curva caracterstica V-I del modelo lineal

Figura 12: Modelo lineal por tramos del diodo.

En la Figura 12, quedan reflejados los dos posibles estados del diodo el diodo:

Conduccin o Polarizacin Directa "On", donde la tensin es VON para cualquier valor de la corriente.

Corte o Polarizacin Inversa "Off", donde la corriente es nula para cualquier valor de tensin menor que VON.

El uso de este modelo slo est justificado en aquellas ocasiones en las que no se requiere una gran exactitud en losclculos.

3.2 Modelo para pequeas seales de alterna

Hay aplicaciones en las que el diodo se polariza en un punto de tensin positiva, y sobre ese punto se superpone unaseal alterna de pequea amplitud.

Figura 13: Diodo polarizado con una seal alterna superpuesta a una continua

El funcionamiento del diodo en esta situacin queda representada grficamente en la Figura 14:

ESTE SERA EL MODELO QUEUSAMOS EN LA RESOLUCINDE EJERCICIOS.

Figura 14: Tensin y corriente en un diodo polarizado con una seal alterna superpuesta a una continua

Cuando al diodo se le aplica una tensin dada por la expresin:

la corriente que lo atraviesa puede calcularse aplicando cualquiera de los modelos explicados anteriormente. Si seopta por el modelo exponencial ideal:

Supongamos que conocemos la amplitud de las oscilaciones de la tensin aplicada (VD) y queremos conocer la

amplitud de las oscilaciones de la corriente (ID). El mtodo de clculo sera:

Como puede apreciarse, el clculo se complica. Si se considera adems que el diodo est dentro de un circuito esposible que ni siquiera pueda obtenerse una solucin analtica.

Para obtener la solucin al problema citado de una forma ms simple se linealiza la curva del diodo en el entorno delpunto de operacin, es decir, se sustituye dicha curva por la recta que tiene la misma pendiente en el punto deoperacin, segn se aprecia en la Figura 15

Figura 15: Aproximacin de la caracterstica exponencial del diodo por la tangente en el punto de operacin

Teniendo en cuenta esta aproximacin, la relacin entre los incrementos de tensin y de corriente puedenrelacionarse tal y como se indica:

Obviamente, esta aproximacin ser tanto ms cierta cuanto menores sean los valores de VD e ID. A la derivada de la

tensin con respecto a la corriente en el punto de operacin se le llama resistencia dinmica del diodo rD, y su

expresin puede determinarse a partir del modelo exponencial del diodo, teniendo en cuenta que si VDQ es mayor

que VT puede despreciarse la unidad frente al trmino exponencial:

Como VT 25 mV, la expresin vlida para el clculo de la resistencia dinmica de un diodo en funcin de la corriente de

polarizacin continua puede escribirse de la siguiente forma, llamada aproximacin de Shockley:

Esta aproximacin slo es vlida en la regin de conduccin en polarizacin directa del diodo.

4 APLICACION DE LOS MODELOS AL ANALISIS DE CIRCUITOS

En este apartado se detallan algunos mtodos vlidos para el anlisis de circuitos con diodos, basndose en losmodelos expuestos en el apartado anterior.

4.1 Modelo exponencial

Suponiendo que se dispone de un circuito en el que se desconoce la polarizacin del diodo, los pasos para resolver elproblema seran:

1. Sustituir el diodo por una fuente de tensin VD con el signo positivo en el nodo, y nombrar como ID a la corriente

que va de nodo a ctodo del diodo

2. Resolver el circuito empleando las variables VD e ID como si fueran conocidas

1. Obtener la expresin que relaciona VD con ID2. La ecuacin del modelo del diodo proporciona otra relacin entre VD e ID3. Se resuelve el sistema de dos ecuaciones con dos incgnitas resultante

4.2 Modelo lineal por tramos

Los pasos para calcular las tensiones y corrientes en un circuito con un diodos empleando el modelo lineal por tramosson:

1. Se asume la hiptesis de que el diodo est en uno de los dos estados posibles: corte o conduccin2. Se sustituye el diodo por el modelo correspondiente y se calculan las tensiones y corrientes del circuito3. Una vez calculado el punto de polarizacin del diodo se comprueba la validez de la hiptesis: los resultados

obtenidos han de ser coherentes con la condicin de existencia. En el caso de que no lo sean, la hiptesis departida no es correcta y es necesario rehacer todos los clculos desde el punto 1 con el modelo para el estadocontrario.

4.3 Mtodo grfico

El procedimiento para el clculo sera ahora:

1. Eliminar el diodo del circuito2. Calcular el circuito equivalente Thevenin entre los puntos en los que se encontraba conectado el diodo3. Dibujar la recta de carga correspondiente al circuito Thevenin calculado4. Dibujar en el mismo grfico la curva caracterstica del diodo5. Hallar el punto de interseccin de ambas curvas

4.4 Pequeas seales de alterna

Los circuitos en los cuales las excitaciones son suma de una componente continua y otra alterna de pequea amplitudse resuelven aplicando el principio de superposicin (Figura 16)

Figura 16: Anlisis de circuitos con componentes continuas y pequeas seales de alterna

El mtodo se resume en los siguientes puntos:

1. Anlisis DC del circuito: Se cortocircuita la fuente de AC y se calcula por cualquiera de lo mtodos anteriores elpunto de operacin del diodo.

2. Clculo de la resistencia dinmica del diodo, basndose en los resultados del punto anterior3. Anlisis AC del circuito: Se cortocircuitan las fuentes DC y se sustituye el diodo por su resistencia dinmica. De

ese modo se obtiene el circuito equivalente AC, vlido para el clculo de las amplitudes de las oscilaciones de

las seales.

5 DIODOS ZENER

Algunos diodos se disean para aprovechar la tensin inversa de ruptura, con una curva caracterstica brusca oafilada. Esto se consigue bsicamente a travs del control de los dopados. Con ello se logran tensiones de ruptura de2V a 200V, y potencias mximas desde 0.5W a 50W.

La caracterstica de un diodo zener se muestra en la Figura 17. Tericamente no se diferencia mucho del diodo ideal,aunque la filosofa de empleo es distinta: el diodo zener se utiliza para trabajar en la zona de ruptura, ya quemantiene constante la tensin entre sus terminales (tensin zener, VZ). Una aplicacin muy usual es la estabilizacin

de tensiones.

Figura 17: Caracterstica V-I de un diodo Zener.

Los parmetros comerciales del diodo zener son los mismos que los de un diodo normal, junto con los siguientes:

VZ: Tensin de zener

IZM: Corriente mxima en inversa.

NOTA: Hay que tener en cuenta que el fabricante nos da los valores de VZ y IZM en valor absoluto. Al resolver un

problema, no hay que olvidar que los valores son negativos con el criterio de signos establecido por el smbolo delcomponente (Figura 17).

El zener es un dispositivo de tres estados operativos:

Conduccin en polarizacin directa: Como en un diodo normalCorte en polarizacin inversa: Como en un diodo normalConduccin en polarizacin inversa: Mantiene constante la V=VZ, con una corriente entre 0 y IZM.

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

Estado Modelo Condicin

Conduccin P.D. V=VON I>0

Corte I=0 VZ

Figura 18: Esquema general de la rectificacin.

El rectificador es un aparato muy empleado en la vida diaria. Una gran parte de los electrodomsticos utilizados en elhogar llevan incorporado un dispositivo de este tipo. En general, estos aparatos necesitan menos tensin dealimentacin que la suministrada por la red, por ello llevan incorporado en primer lugar un transformador de tensin.El transformador reduce la tensin de la red (220V eficaces es una tensin generalmente demasiado alta parapequeos electrodomsticos) a la tensin deseada. Una vez reducida la tensin, el rectificador convierte la tensinalterna en continua.

En este apartado se van a presentar los esquemas rectificadores ms comnmente empleados, partiendo para ello deun circuito bsico, e introduciendo en l los componentes necesarios para mejorar su comportamiento.

6.1 Notaciones

Las notaciones empleadas en este apartado se detallan en la Figura 19.

Figura 19: Notaciones.

vi: tensin de entrada, vi=VMsen(wt).

VO: tensin de salida.

RL: resistencia asociada al aparato o "carga" que se conecta al rectificador.

En el caso ms general, segn la notacin de la figura, la tensin vi sera la tensin de la red , la VO sera la tensin

deseada en continua y la RL simbolizara al aparato musical, video, que por ser un elemento pasivo, puede reducirse

a una simple resistencia de carga mediante su circuito equivalente Thevenin.

Un rectificador funciona en vaco cuando no se le conecta ningn aparato, es decir, cuando la RL no est unida al

circuito. En caso de que s est conectada se dice que funciona en carga.

6.2 Esquema bsico. Rizado de la onda de salida

El esquema de la Figura 20 es el ms sencillo de los rectificadores: el diodo. A continuacin se estudia este circuito,para despus discutir la validez del mismo.

Figura 20: Esquema de un sencillo rectificador.

Cuando el valor de la tensin de entrada es superior a la de conduccin del diodo se crea una corriente, y se cumpleque: VO = vi -VON.

Como se puede apreciar, la tensin de salida VO se parece muy poco a lo que se entiende por tensin continua, es

decir, un valor constante en el tiempo. Sin embargo, esta onda no es tan mala como parece. Aunque no es constante,siempre es mayor que cero. Adems, su valor medio es diferente de cero. Con los esquemas ms complejos, seintenta que esta onda de salida se parezca lo ms posible a una lnea horizontal, pero siempre tendremos unadesviacin de la ideal, que se cuantifica por el rizado de la onda de salida:

En este caso, el rizado es del 100%. El problema con el que nos encontramos es que cuando el diodo est en corte nose alimenta a la carga. Para disminuir el rizado, es preciso suministrar energa a la carga durante los semiciclos en losque la fuente no acta.

Figura 21: Tensiones en el circuito de la Figura 20.

6.3 El condensador en los rectificadores

Como se recordar, el condensador es un componente que almacena energa. Cuando se somete a una diferencia depotencial, esta obliga a las cargas a situarse entre sus placas. En el momento en el que cesa el potencial, las cargaspueden retornar a un circuito y comportarse como un generador de tensin.

En la Figura 22 se presenta el esquema elctrico que aplica este principio a la rectificacin. Lo que se pretende es quesea el condensador el que alimente a la carga cuando no pueda hacerlo la fuente de alimentacin.

Figura 22: Esquema de rectificador con condensador.

6.3.1 Funcionamiento en vaco:

Se estudiar en primer lugar el esquema en vaco, es decir, sin carga aplicada.

Figura 23: Funcionamiento en vaco.

Sea vI = VMsen(wt), y la cada de tensin en el diodo en conduccin despreciable. En el instante inicial el

condensador se encuentra descargado. En un punto entre , vi es mayor que cero, por lo tanto, el diodo

D est polarizado en directa. Por l circula una corriente que carga al condensador.

Se considera que el condensador se carga instantneamente (VC = vi). La carga del condensador es posible porque

hay un camino en el circuito que se lo permite.

En el instante , la tensin de entrada es mxima, vi = VM, as como la tensin del condensador. Cuando la

tensin de entrada empieza a decrecer el condensador, cargado con una diferencia de potencial VC = VM, intenta

seguir el ritmo que le marque la fuente de tensin, disminuyendo VC. Evidentemente, para que el valor de VC

disminuya, es necesario que el condensador pierda parte de su carga ( ). Para ello, la corriente dedescarga ha de seguir un camino contrario al de la corriente que lo carg, ya que el circuito se encuentra funcionandoen vaco, sin ninguna carga RL conectada. La corriente no puede circular dado que el diodo est en inversa para ese

sentido de circulacin, con lo que C no puede descargarse y mantiene fija la tensin VM. La siguiente figura refleja la

carga y descarga del condensador:

Figura 24: Funcionamiento del condensador.

Se puede deducir fcilmente, aplicando la ley de las mallas que cuando el diodo est en corte

, o sea, VD siempre es menor o igual que cero, el diodo nunca conducir y el

condensador nunca se descargar.

Figura 25: Tensiones en el circuito de la Figura 22.

Por lo tanto el condensador mantiene la diferencia de potencial entre sus terminales. La Figura 25 resume todo lovisto en este subapartado.

La onda de salida es perfecta para nuestros propsitos, ya que salvo entre 0 y es totalmente horizontal; perovamos a ver qu pasa cuando el dispositivo funciona en carga.

6.3.2 Funcionamiento en carga:

Segn se ha definido previamente, el funcionamiento en carga es el que se obtiene al conectar una carga RL al

dispositivo objeto de estudio.

Figura 26: Dispositivo en carga.

Dado un valor de vi entre 0

Figura 28: Tensiones en el circuito de la Figura 26.

Tal como se aprecia en la figura Figura 28, el rizado obtenido es menor que el del esquema anterior. Su valor dependede la rapidez con que se descargue C a travs de la resistencia. Como se recordar, cuanto mayor sea el valor de C,mayor ser el tiempo que necesita para descargarse, y menor el rizado. Como contrapartida, si C es muy grande esposible que no tenga tiempo suficiente para cargarse durante el tiempo de conduccin de D.

6.3.3 Seleccin de los componentes

Una vez finalizado el anlisis del esquema elctrico de la Figura 22, se aborda seguidamente la tarea de la seleccinde los componentes adecuados para una aplicacin concreta.

6.3.3.1 Diodo

A la vista de las grficas de la Figura 28, se pueden calcular las caractersticas comerciales exigibles al diodo delesquema.

Corriente mxima en polarizacin directa, IFmax: Mientras est en conduccin y, despreciando su cada de

tensin (V(ON)):

Tambin se desprecia la corriente que absorbe C para cargarse.

Tensin mxima en inversa, PIV: Cuando est en corte, VD=vi-VC. VC es siempre mayor que cero, tal y como

se aprecia en la figura, y su valor mximo es VM. En este aspecto es ms exigente el funcionamiento en vaco

que en carga, ya que cuando llega a ser -VM, VC sigue siendo VM, y se tiene VD=vi-VC=-VM-VM=-2VM.

Los parmetros comerciales del diodo sern, por lo tanto:

PIV=2VM

6.3.3.2 Condensador

El valor de la capacidad del condensador se ha de calcular teniendo en cuenta el rizado mximo exigido al aparato.Para la frecuencia de la red elctrica domstica, es posible emplear la siguiente expresin:

en la que:

I0: cociente entre la tensin mxima, VM, y la resistencia de carga, RL.

tc: tiempo de descarga del condensador.

VRIZADO: Diferencia entre la tensin mxima y mnima admisible.

La deduccin de esta frmula ha sido discutida ya en el captulo segundo de estos apuntes.

6.4 Rectificador de onda completa

el esquema anterior produce una onda de salida bastante aceptable, cuando el condensador es lo suficientementegrande como para alimentar la carga durante un semiciclo aproximadamente. Sin embargo, se desaprovecha mediociclo de la red, con lo que la potencia transmitida a la carga se limita. En el siguiente circuito, el puente de diodosconsigue que durante el semiciclo negativo tambin alimente la red a la carga.

Figura 29: Rectificador de onda completa.

Dado un valor positivo de la tensin de entrada, vi=V>0. El punto A est sometido al mayor potencial del circuito, V,

mientras que D se encuentra a potencial nulo, el menor en ese instante. Por lo tanto, los puntos B y C se encontrarna un potencial intermedio entre 0 y V voltios. Un circuito que est alimentado entre 0 y 10V, por ejemplo, no tienesentido que haya un punto del mismo que tenga un potencial mayor que 10V con respecto a la referencia, ya que latensin slo puede disminuir entre los nodos de los componentes del circuito (esto es vlido slo para el rgimenpermanente).

Suponiendo que hay una corriente intentando circular. Como VA es mayor que VC el diodo D2 esta en condiciones de

conducir, mientras que D1 est en corte. La corriente circular de a C. D4 est en corte, puesto que VDC=VD-VC

Figura 30: Rectificador de onda completa durante los semiciclos positivos.

Mediante un razonamiento anlogo se consigue determinar el esquema equivalente mostrado en la Figura 31.

Figura 31: Rectificador de onda completa durante los semiciclos negativos.

Figura 32: Tensiones en el rectificador de onda completa.

En ambos casos, la corriente que circula por RL circula en el mismo sentido, luego la cada de tensin en RL siempre es

del mismo signo:

Si ahora se filtrase esta seal mediante un condensador, mejorara su rizado. El condensador necesario es de menorcapacidad que en el esquema anterior, puesto que debe alimentar durante menos tiempo a la carga.

MATERIAL RECOPILADO DE INTERNET CON OBJETIVO EDUCATIVO. SE HA ADAPTADO A LAS NECESIDADES DE LOS ALUMNOS DE LA CARRERA DE TCNICO EN ELECTRNICA. Prof: DJB.