Unidad 1: Diodos1.1 Construcción de un DiodoPara la construcción de diodos se utilizan materiales semiconductores, como el Silicio o el Germanio que en estado puro se denominan semiconductores intrínsecos y se comportan como resistencias de carbón. Para conseguir los efectos deseados, estos semiconductores se dopan con impurezas obteniéndose así dos tipos de semiconductores extrínsecos:

· Semiconductores tipo n; Se añaden átomos de valencia 5 (fósforo, arsénico, antimonio) con lo que al combinarse con el silicio queda un electrón libre por cada átomo pentavalente. · Semiconductores tipo p; Se añaden átomos de valencia 3 (boro, galio) con lo que al combinarse con el silicio queda un hueco por cada átomo trivalente que se comporta como una carga positiva. La unión de dos semiconductores, uno del tipo p (ánodo) y otro del tipo n (cátodo), forma un diodo.

Una aplicación muy frecuente del diodo es su uso como rectificador de corriente en fuentes de alimentación.

Su propiedad de conducir solamente en un sentido, cuando está polarizado directamente, se utiliza para rectificar señales de corriente alterna tal y como se muestra en la figura:

1.1.1S

emiconductores contaminados P y N

Están basados en la propiedad de ciertos materiales como el silicio, el germanio, el sulfuro de cadmio y el arseniuro de galio entre otros; y tienen la particularidad de comportarse indistintamente como conductores o aislantes bajo determinadas condiciones externos o estímulos; de allí que se dice que sus características son dependientes de factores de la naturaleza, como la luz, la temperatura, campos magnéticos, etc.En electrónica los semiconductores más usados tocados por el hombre son los diodos, transistores, Tiristores, y los circuitos integrados; todos construidos principalmente a base de silicio.La característica principal de los semiconductores que los distingue de los conductores y aislantes es su estructura atómica.Los conductores como el cobre, la plata y el oro, tiene pocos electrones en la órbita de valencia, justamente 1, los cuales son atraídos débilmente por el núcleo del átomo. Entonces, bajo la influencia de fuerzas externas, dicho electrón de valencia puede escapar fácilmente del átomo, pasando así a ser un electrón libre que viaja a través del material y propicia junto a otros similares el establecimiento de corrientes eléctricas.

Por su parte los aislantes relativamente tienen muchos electrones de valencia, típicamente 8, y los mismos están fuertemente ligados al núcleo del átomo. Entonces resulta muy difícil convertirlos en electrones libres y obligarlos a participar en la creación de corrientes eléctricas.

Átomos de los Principales Materiales ConductoresEl Silicio y el Germanio se caracterizan por ser tetravalentes, es decir, estos materiales semiconductores tienen 4 electrones de valencia. Los electrones de valencia de estos elementos forman enlaces con los electrones de valencia de los átomos vecinos produciendo así un patrón tridimensional regular llamado “RED CRISTALINA O CRISTAL.”

Átomo de Cristal PuroEn un cristal semiconductor puro, cada átomo comparte sus electrones de valencia con los átomos vecinos hasta quedar químicamente estable, es decir, quedar con electrones en su órbita más externa.Un cristal semiconductor puro, es un aislante perfecto a temperaturas cercanas al cero absoluto; pero a medida que aumenta la temperatura ambiente, la agitación térmica causa que algunos electrones de valencia rompan los enlaces que los mantiene ligados al cristal y se conviertan en electrones libres, permitiendo la circulación de corrientes eléctricas.La salida de un electrón de la órbita de valencia deja siempre en la misma un espacio vacío de carga positiva, el cual es llamado “hueco”, este hueco es llenado por un electrón libre o por un electrón de valencia que perteneciente a un átomo vecino.Dentro de un semiconductor por el que circula una corriente existe un movimiento constante tanto de electrones como de huecos en direcciones opuestas, el número de huecos es siempre igual a número de electrones; la corriente (corriente real) de electrones, es siempre de la misma magnitud que la corriente de huecos (corriente convencional). A medida que aumenta la temperatura, también aumenta el número de pares “electrones-huecos” y, por tanto, aumenta la magnitud de ambas corrientes.

Los Semiconductores Puros (Intrínsecos) como los descritos anteriormente, son pocas veces empleados en electrónica; esto es debido a que en su estado natural poseen muy pocos electrones libres y necesitan de muy altas cantidades de energía para transportar corrientes apreciables.Realmente los semiconductores utilizados en la fabricación de “Dispositivos Electrónicos” como “Diodos”, “Transistores”, “Tiristores”, “Circuitos Integrados”, Etc. Llevan un proceso de dopaje, es decir; contienen cantidades muy pequeñas y controladas de impurezas llamadas “Dopantes”, dichos dopantes determinan sus nuevas características eléctricas. Generalmente a este tipo de Semiconductores se les denominan “SEMICONDUCTORES EXTRINSECOS”.Los dopantes usados en estos semiconductores (extrínsecos) son invariablemente átomos de elementos químicos pentavalentes o trivalentes, esto quiere decir, que poseen o 5 o 3 electrones de valencia. Puesto que la concentración de dopantes es extremadamente pequeña, del orden de 1 átomo de impureza por cada dos cientos millones de átomos de semiconductor intrínseco, estos últimos siempre redondean a los primeros y comparten sus electrones de valencia como en el cristal original, excepto que ahora un átomo de semiconductor intrínseco ha sido sustituido por un átomo de impureza.Sustratos: El material semiconductor puro (semiconductor intrínseco) sobre el cual se realiza el proceso de dopado para obtener un semiconductor extrínseco se conoce como “SUSTRATO”. La gran mayoría de los dispositivos electrónicos prácticos utilizan el silicio como sustrato por ser un elemento estable.Los Sustratos dopados con impurezas pentavalentes se denominan SEMICONDUCTORES TIPO N.

1.1.2 Unión PN

Semiconductor Tipo NEn los mismos, 4 de los cinco electrones de valencia del átomo dopante forman enlaces covalentes con los 4 átomos vecinos. El electrón restante no queda ligado a ningún átomo y es libre de moverse a través

del cristal, convirtiéndose en un portador potencial de corriente. Entonces, un semiconductor Tipo N es un donador de electrones. El principal elemento utilizado como donador en cristales de Silicio es el FÓSFORO y para cristales de Germanio se utiliza el ANTIMONIO y ARSÉNICO.Los Sustratos dopados con impurezas trivalentes se denominan SEMICONDUCTORES TIPO P.

Semiconductor Tipo PEn los mismos, los 3 electrones de valencia del átomo dopante forman enlaces covalentes con tres átomos vecinos de silicio. El electrón faltante origina un hueco, el cual se comporta como una carga positiva libre, capaz de atraer un electrón externo. Entonces un semiconductor Tipo P es un aceptor de electrones. Los principales elementos utilizados como impurezas aceptoras en cristales de silicio son el ALUMINIO y el BORO. Para cristales de germanio, se utilizan el INDIO y el GALIO.Un Semiconductor Tipo N tiene más electrones libres que huecos y un semiconductor Tipo P más huecos que electrones. Las cargas en exceso se denominan portadores mayoritarios y las cargas en deficiencia portadores minoritarios.Al aplicar un voltaje a un semiconductor tipo N o tipo P, el resultado es la circulación a través del mismo de una corriente relativamente grande debido a los portadores mayoritarios y una corriente relativamente pequeña debida a los portadores minoritarios. Esta última, que es del orden de los microamperios (uA), se denomina corriente de fuga y depende principalmente de la temperatura.

1.2 Tipos de Diodos

DIODO DETECTOR O DE BAJA SEÑAL

Los diodos detectores también denominados diodos de señal o de contacto puntual, están hechos de germanio y se caracterizan por poseer una unión PN muy diminuta. Esto le permite operar a muy altas frecuencias y con señales pequeñas. Se emplea por ejemplo, en receptores de radio para separar la componente de alta frecuencia (portadora) de la componente de baja frecuencia (información audible). Esta operación se denomina detección.

DIODO RECTIFICADORLos diodos rectificadores son aquellos dispositivos semiconductores que solo conducen en polarización directa (arriba de 0.7 V) y en polarización

inversa no conducen. Estas características son las que permite a este tipo de diodo rectificar una señal.Los hay de varias capacidades en cuanto al manejo de corriente y el voltaje en inverso que pueden soportar.

Los diodos, en general se identifican mediante una referencia. En el sistema americano, la referencia consta del prefijo “1N” seguido del número de serie, por ejemplo: 1N4004. La “N” significa que se trata de un semiconductor, el “1” indica el número de uniones PN y el “4004” las características o especificaciones exactas del dispositivo. En el sistema europeo o continental se emplea el prefijo de dos letras, por ejemplo: BY254. En este caso, la “B” indica el material (silicio) y la “Y” el tipo (rectificador). Sin embargo muchos fabricantes emplean sus propias referencias, por ejemplo: ECG581.

DIODO ZÉNERUn diodo zener es un semiconductor que se distingue por su capacidad de mantener un voltaje constante en sus terminales cuando se encuentran polarizados inversamente, y por ello se emplean como elementos de control, se les encuentra con capacidad de ½ watt hasta 50 watt y para tensiones de 2.4 voltios hasta 200 voltios.El diodo zener polarizado directamente se comporta como un diodo normal, su voltaje permanece cerca de 0.6 a 0.7 V.

Los diodos zener se identifican por una referencia, como por ejemplo: 1N3828 o BZX85, y se especifican principalmente por su voltaje zener nominal (VZ) y la potencia máxima que pueden absorber en forma segura sin destruirse (PZ)

DIODO VARACTOREl diodo varactor también conocido como diodo varicap o diodo de sintonía. Es un dispositivo semiconductor que trabaja polarizado inversamente y actúan como condensadores variables controlados por voltaje. Esta característica los hace muy útiles como elementos de sintonía en receptores de radio y televisión. Son también muy empleados en osciladores, multiplicadores, amplificadores, generadores de FM y otros circuitos de alta frecuencia. Una variante de los mismos son los diodos SNAP, empleados en aplicaciones de UHF y microondas.

DIODO EMISOR DE LUZ (LED’s)Es un diodo que entrega luz al aplicársele un determinado voltaje. Cuando esto sucede, ocurre una recombinación de huecos y electrones cerca de la unión NP; si este se ha polarizado directamente la luz que emiten puede ser roja, ámbar, amarilla, verde o azul dependiendo de su composición.

Los LED’s se especifican por el color o longitud de onda de la luz emitida, la caída de voltaje directa (VF), el máximo voltaje inverso (VR), la máxima corriente directa (IF) y la intensidad luminosa. Típicamente VF es del orden de 4 V a 5 V. Se consiguen LED’s con valores de IF desde menos de 20 mA hasta más de 100 mA e intensidades desde menos de 0.5 mcd (milicandelas) hasta más de 4000 mcd. Entre mayor sea la corriente aplicada, mayor es el brillo, y viceversa. El valor de VF depende del color, siendo mínimo para LED’s rojos y máximo para LED’s azules.Los LED’s deben ser protegidos mediante una resistencia en serie, para limitar la corriente a través de este a un valor seguro, inferior a la IF máxima.También deben protegerse contra voltajes inversos excesivos. Un voltaje inverso superior a5V causa generalmente su destrucción inmediata del LED.

DIODO LÁSERLos diodos láser, también conocidos como láseres de inyección o ILD’s. Son LED’s que emiten una luz monocromática, generalmente roja o infrarroja, fuertemente concentrada, enfocada, coherente y potente.

Son muy utilizados en computadoras y sistemas de audio y video para leer discos compactos (CD’s) que contienen datos, música, películas, etc., así como en sistemas de comunicaciones para enviar información a través de cables de fibra óptica. También se emplean en marcadores luminosos, lectores de códigos de barras y otras muchas aplicaciones.

DIODO ESTABILIZADOREstá formados por varios diodos en serie, cada uno de ellos produce una caída de tensión correspondiente a su tensión umbral.Trabajan en polarización directa y estabilizan tensiones de bajo valores similares a lo que hacen los diodos Zener.

DIODO TÚNEL

Los diodos túnel, también conocidos como diodos Esaki. Se caracterizan por poseer una zona de agotamiento extremadamente delgada y tener en su curva una región de resistencia negativa donde la corriente disminuye a medida que aumenta el voltaje. Esta última propiedad los hace muy útiles como detectores, amplificadores, osciladores, multiplicadores, interruptores, etc., en aplicaciones de alta frecuencia.

DIODO PINSu nombre deriva de su formación P (material P), I (zona intrínseca)y N(material N) Los diodos PIN se emplean principalmente como resistencias variables por voltaje y los diodos Gunn e IMPATT como osciladores. También se disponen de diodos TRAPATT, BARITT, ILSA, etc.Son dispositivos desarrollados para trabajar a frecuencias muy elevadas, donde la capacidad de respuesta de los diodos comunes está limitada por su tiempo de tránsito, es decir el tiempo que tardan los portadores de carga en atravesar la unión PN. Los más conocidos son los diodos Gunn, PIN e IMPATT.

DIODO BACKWARDSon diodos de germanio que presentan en polarización inversa una zona de resistencia negativa similar a las de los diodos túnel.

DIODO SCHOTTKYLos diodos Schottky también llamados diodos de recuperación rápida o de portadores calientes, están hechos de silicio y se caracterizan por poseer una caída de voltaje directa muy pequeña, del orden de 0.25 V o menos, y ser muy rápidos. Se emplean en fuentes de potencia, sistemas digitales y equipos de alta frecuencia.

Una variante son los diodos back o de retroceso, los cuales tienen un voltaje de conducción prácticamente igual a cero, pero también un voltaje inverso de ruptura muy bajo, lo cual lo limita su uso a aplicaciones muy especiales.

FOTODIODOSLos fotodiodos son diodos provistos de una ventana transparente cuya corriente inversa puede ser controlada en un amplio rango regulando la cantidad de luz que pasa por la ventana e incide sobre la unión PN. A mayor cantidad de luz incidente, mayor es la corriente inversa producida por que se genera un mayor número de portadores minoritarios, y viceversa. Son muy utilizados como sensores de luz en fotografía, sistemas de iluminación, contadores de objetos, sistemas de seguridad, receptores de comunicaciones ópticas y otras aplicaciones.

1.2 Aplicaciones del diodo

Rectificador de media ondaEn ocasiones necesitamos eliminar el periodo negativo de una onda de corriente alterna, eso lo vamos a conseguir conectando un diodo en serie con la fuente de corriente alterna, el diodo permitirá el paso de corriente durante el periodo positivo y lo impedirá durante el periodo negativo. El circuito será el de la figura:

Imagen 13: Circuito rectificador de media onda.Fuente: Imagen propia.

Partimos de una senoide y llegamos a una onda recortada tal y como puedes ver en las dos imágenes siguientes.

Imagen 14: Senoide.Fuente: Imagen propia creada con Graph.

Imagen 15: Senoide recortada.Fuente: IClipping.

Rectificador de doble ondaEste tipo de rectificador es el que vamos a emplear para convertir una señal alterna en una continua, si te fijas en este tipo de rectificador, lo que vamos a conseguir es convertir el periodo negativo en positivo. El circuito será el siguiente:

Imagen 16: Puente rectificador de doble onda. Fuente: Wikipedia. Licencia. Creative commons.

La onda senoidal la vamos a convertir en una onda con todos los periodos positivos:

Imagen 17: Senoide.Fuente: Wikipedia. Licencia Creative commons.

Imagen 18: Onda rectificada. Fuente:Wikipedia. Licencia Creative Commons.

Estabilizador de tensiónComo estudiaste en el apartado anterior (ver imágenes 9 y 10), lo que conseguimos con el diodo zener, es mantener la tensión constante entre dos puntos, a pesar de las posibles variaciones de tensión e intensidad en el circuito.

IndicadoresPara indicar que existe un paso de corriente en un equipo, utilizaremos diodos LED, que se iluminarán indicando el estado del equipo, se utilizan tanto a nivel industrial como doméstico.

1.3.1 Circuitos recortadores

Circuitos recortadores de onda. Tipos de circuitos que se encargan de recortar una porción de una señal alternante. También puede ser la de limitar el valor máximo que puede tomar una señal de referencia o bien una señal de control, en cuyo caso estos circuitos son también reconocidos como circuitos limitadores.

Principio de funcionamiento

Figura I.

Estos tipos de circuitos utilizan dispositivos de una o más uniones PN como elementos de conmutación. Se diseñan con el objetivo de recortar o eliminar una parte de la señal que se le introduce en sus terminales de entrada y permita que pase el resto de la forma de onda sin distorsión o con la menor distorsión posible. Para realizar esta función de recortar, los recortadores hacen uso de la variación brusca que experimenta la impedancia entre los terminales de los diodos y transistores al pasar de un estado a otro, de ahí que sean los elementos básicos en dichos circuitos. Un ejemplo de formas de ondas obtenidas con un recortador de tipo serie se muestra en la figura I.

Tipos de recortadores

Recortadores de diodos

Recortador de diodo paralelo

Figura II.

En la figura II. se muestra el circuito y la forma de onda obtenida a la salida del mismo. Como se observa la señal de entrada es una señal sinusoidal y el circuito

cuenta con una resistencia, un diodo en serie con una fuente polarizado en inversa y una R de carga. Cuando el voltaje de la fuente se hace mayor que la suma del voltaje de la fuente y el voltaje umbral de conducción del diodo, el diodo se polariza en directa y obtenemos la forma de onda mostrada.

Figura III.

Si invertimos el sentido del diodo como muestra la figura III. podemos obtener formas de ondas como la mostrada en esta figura. A este tipo de circuito se le llama recortador por debajo.

Recortador de diodo serie

Figura IV.

Al igual que podemos recortar una señal con los circuitos antes mencionados, en los que el diodo se encontraba en la rama paralelo,también podemos obtener resultados análogos si el diodo se encontrara en la rama serie. Si consideramos el circuito de la figura IV., resulta evidente que en valores de voltaje de entrada mayores que (VR-V), el diodo está polarizado a la inversa, por lo tanto, no permite que la señal a la entrada pase a la salida, es decir, recorta la señal de entrada al valor (VR-V). Los voltajes VR y V se restan porque VR está conectado con el terminal positivo hacia el ánodo, o sea, favoreciendo la conducción. En valores de voltaje a la entrada menores que (VR-V)el diodo conduce y a la salida se obtendrá la misma señal que a la entrada. La forma de onda obtenida es similar a la de la figura II.

Como en el caso de los recortadores paralelos, en los serie podemos invertir la posición del diodo y obtener un circuito como el de la figura V. Este circuito recortará de tal forma que si a la entrada introducimos una señal sinusoidal, a la salida obtendremos una forma de onda como la mostrada en la figura III.

Doble recortador de diodos

En los recortadores analizados hasta ahora solo se recorta a un solo nivel determinado por la fuente VR que puede ser ajustable. No obstante, en muchas aplicaciones prácticas resulta de interés poder recortar la señal a 2 niveles distintos que puedan ser ajustados a voluntad, e independientemente. En tales ocasiones se utilizan dobles recortadores de diodo que constan de 2 recortadores como los ya analizados, por lo tanto, podemos considerar 4 configuraciones de dobles recortadores que en lo sustancial son capaces de realizar la misma función, pero con las diferencias que observamos en cuanto a la posición del diodo.

En efecto, podemos considerar los recortadores serie-paralelo, paralelo-serie, serie-serie y paralelo-paralelo. El funcionamiento y análisis general de cualquiera de estas configuraciones es idéntico al de los recortadores simples. A modo de ejemplo solo se describirá con brevedad a la configuración paralelo-paralelo por ser una de la más utilizada. La figura VI. muestra esta configuración con sus respectivas señales de entra-salida.

En el circuito mostrado disponemos de 2 diodos con sus 2 fuentes correspondientes. Si consideramos que introducimos una señal sinusoidal como muestra la figura en el semiciclo positivo recortaría la onda el diodo cuyo cátodo está al positivo de la fuente, limitando la onda al valor de (VR+0,7) o sea, el voltaje de la fuente más el voltaje del caída del diodo. Cuando nos encontramos en el semiciclo negativo entraría a recortar la señal el diodo cuyo ánodo está al negativo de la fuente, al sobre pasar (VR-0,7) el valor de voltaje de la señal de entrada, tal como se muestra.

1.3.2 Regulación con diodo zener

Es el regulador de tensión más sencillo. Consiste en una resistencia serie de entrada y el diodo zener en paralelo con la carga como se muestra en la siguiente imagen.

Cuando la tensión de entrada aumenta se produce un aumento de la corriente de entrada, como la tensión del diodo zener es constante, absorbe el exceso de corriente, mientras la resistencia de entrada absorbe esta variación de tensión. Si se produce una disminución de la tensión de entrada la caída de tensión en la resistencia de entrada disminuirá, compensando la disminución inicial, por el zener circulará menor corriente.

Del circuito se deduce que para que el zener estabilice correctamente, la tensión mínima a su entrada (UIN), debe ser mayor que la tensión de referencia del zener (Vz). También hay un límite de tensión máxima debida a las limitaciones de potencia del dispositivo. Si se cumplen estas premisas, la tensión en la carga será muy aproximada igual a la del zener.

Las ecuaciones básicas del circuito son las siguientes:

Vin = Vr + VzDonde Vin es la tensión de entrada, Vr la tensión en la resistencia serie y Vz la tensión del zener o de la resistencia de carga.

Ie = Iz + IsDonde Ie es la corriente de entrada, Iz la corriente por el zener e Is la corriente por la carga.

1.4 Reguladores de Voltaje con circuito integrado

Los reguladores de voltaje son usados para mantener una salida de voltaje predeterminada, a pesar de las variaciones en la entrada de la fuente (voltaje AC) y a pesar también de las variaciones que se puedan dar en la carga. El regulador de voltaje se inserta entre la carga y la salida de la fuente sin regular:

Los reguladores de voltaje en circuitos integrados, simplifican considerablemente el diseño de fuentes de poder, pues reemplazan a componentes tales como transistores y tubos al vacío. Además, éstos poseen la ventaja de tener bajo precio, alto desempeño, tamaño pequeño y fácil manejo.

Los circuitos integrados (reguladores de voltaje) tienen la ventaja de que proporcionan una salida bastante estable, además limitan la corriente y tienen protección térmica.

Estos tipos de reguladores integrados ofrecen una amplia gama de variaciones y distintas clasificaciones para el tipo de fuente que se desee implementar.

Tipos de reguladores de voltaje con transistores Regulador de voltaje en serie.

El regulador en serie detecta un cambio en la salida de voltaje de la carga por medio de un circuito de muestreo que suministra un voltaje de realimentación para ser comparado con una referencia, así sí: 1. El voltaje de salida aumenta, el comparador hace que el elemento de control baje el voltaje de salida. 2. Si el voltaje de salida disminuye el comparador indica al elemento de control que suba el voltaje de salida.

1.5 Construcción de una fuente regulada

MATERIALESPuente rectificador= 4 Diodos de 2 AmperiosD1 =1 Diodo LED ROJOD2 =1 DIODO N4148D3= 1 Diodo de 2 AmperiosD4= 1 Diodo LED VERDED5=1 Diodo de 2 AmperiosR1= Resistencia de 1KOR2= Resistencia de 1.8KOR3= Resistencia de 1O, 2WATTSR4= Resistencia de 220OR5= Resistencia de 2.2KOP1= Potenciómetro de 5KOC1= Condensador de 2200uFC2= Condensador de 10uFC3= Condensador de 100NfU1= Integrado LM317TQ1= Transistor NPN BC548Transformador 30 Volts 1.5 AmperesProtoboard