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Tema: Calculo de Diodos, Teoria y Ejemplos

  1. #1
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    09 sep, 07
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    Matrix - tabla de particiones HPFS
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    Smile Calculo de Diodos, Teoria y Ejemplos

    esto es para el usuario: juanlemrlto, espero puedas aprender porque de valde es que te los pase si no los puedes resolver en los Parciales



    INTRODUCCIÓN

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

    En la Figura 1 se muestran el símbolo y la curva característica tensión-intensidad del funcionamiento del diodo ideal. El sentido permitido para la corriente es de A a K.



    Figura 1: Símbolo y curva característica tensión-corriente del diodo ideal.


    El funcionamiento del diodo ideal es el de un componente que presenta resistencia nula al paso de la corriente en un determinado sentido, y resistencia infinita en el sentido opuesto. La punta de la flecha del símbolo 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.




    Figura 2: Ejemplo de funcionamiento del diodo ideal.

    Según está colocada la fuente, la corriente debe circular en sentido horario.

    En el circuito de la izquierda, el diodo permite dicha circulación, ya que la corriente entra por el ánodo, y éste se comporta como un interruptor cerrado. Debido a esto, se produce una caída de tensión de 10V en la resistencia, y se obtiene una corriente de 5mA.

    En el circuito de la derecha, el diodo impide el paso de corriente, comportándose como un interruptor abierto, y la caída de tensión 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 unión de dos materiales semiconductores de características opuestas, es decir, uno de tipo N y otro de tipo P. A esta estructura se le añaden dos terminales metálicos para la conexión con el resto del circuito. En la Figura 3: se presenta el esquema de los dos tipos de diodos que se fabrican actualmente, el diodo vertical y el plano.





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

    En este apartado se presenta en primer lugar el proceso de formación de los diodos de semiconductores para pasar después a exponer el comportamiento eléctrico y las desviaciones con respecto al comportamiento ideal.

    2.1 Formación de la unión PN

    Supongamos que se dispone de un monocristal de silicio puro, dividido en dos zonas con una frontera nítida, definida por 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 de huecos, y se obtiene introduciendo átomos del grupo III en la red cristalina (por ejemplo, boro). La zona N dispone de electrones en exceso, procedentes de átomos del grupo V (fósforo). En ambos casos se tienen también portadores de signo contrario, aunque en una concentración varios órdenes de magnitud inferior (portadores minoritarios).



    En cada zona la carga total es neutra: por cada electrón hay un ion positivo, y por cada hueco un ion negativo, es decir, no existen distribuciones de carga neta, ni campos eléctricos internos. En el momento mismo de crear dos zonas de diferente concentración de portadores, entra en juego el mecanismo de la difusión. Como se recordará, este fenómeno tiende a llevar partículas de donde hay más a donde hay menos. El efecto es que los electrones y los huecos cercanos a la unión 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. Centrémonos en la región de la zona P cercana a la unión:

    El electrón que pasa la unión se recombina con un hueco. Aparece una carga negativa, ya que antes de que llegara el electrón la carga total era nula.

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

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




    En el ejemplo del capítulo 5, los gases difunden completamente hasta llenar las dos estancias de la caja y formar una mezcla uniforme. Sin embargo, a diferencia de lo que ocurre con los gases de aquel ejemplo, en este caso están difundiendo partículas cargadas. La distribución de cargas formada en la región de la unión provoca un campo eléctrico desde la zona N a la zona P. Este campo eléctrico se opone al movimiento de portadores según la difusión, y va creciendo conforme pasan más cargas a la zona opuesta. Al final la fuerza de la difusión y la del campo eléctrico se equilibran y cesa el trasiego de portadores. En ese momento está ya formado el diodo de unión 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 (deplección): No es conductora, puesto que no posee portadores de carga libres. En ella actúa un campo eléctrico, o bien entre los extremos actúa una barrera de potencial.
    Hay que tener en cuenta que este proceso sucede instantáneamente en el momento en el que se ponen en contacto las zonas N y P, y no necesita de ningún aporte de energía, excepto el de la agitación térmica.

    2.2 Polarización directa

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




    Sin embargo, si se aplica una tensión positiva en el ánodo, se generará un campo eléctrico que "empujará" los huecos hacia la unión, provocando un estrechamiento de la zona de deplección (Figura 7). Sin embargo, mientras ésta exista no será posible la conducción.





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

    Electrones y huecos se dirigen a la unión.
    En la unión se recombinan.
    En resumen, polarizar un diodo PNen directa es aplicar tensión positiva a la zona P y negativa a la zona N. Un diodo PN conduce en directa porque se inunda de cargas móviles la zona de deplección.

    La tensión aplicada se emplea en:

    Vencer la barrera de potencial.
    Mover los portadores de carga.
    2.3 Polarización inversa

    Al contrario que en el apartado anterior, al aplicar una tensión positiva a la zona N y negativa a la zona P, se retiran portadores mayoritarios próximos a la unión. Estos portadores son atraídos hacia los contactos aumentando la anchura de la zona de deplección. 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 está en directa para los minoritarios, que son atraídos hacia la unión. El movimiento de estos portadores minoritarios crea una corriente, aunque muy inferior que la obtenida en polarización directa para los mismos niveles de tensión.




    Al aumentar la tensión inversa, llega un momento en que se produce la ruptura de la zona de deplección, al igual que sucede en un material aislante: el campo eléctrico puede ser tan elevado que arranque electrones que forman los enlaces covalentes entre los átomos de silicio, originando un proceso de rotura por avalancha. (Nota: Sin embargo, ello no conlleva necesariamente la destrucción del diodo, mientras la potencia consumida por el diodo se mantenga en niveles admisibles).

    2.4 Característica tensión-corriente

    La Figura 9 muestra la característica V-I (tensión-corriente) típica de un diodo real.




    En la gráfica se aprecian claramente diferenciadas las diversas regiones de funcionamiento explicadas en el apartado anterior:

    Región de conducción en polarización directa (PD).
    Región de corte en polarización inversa (PI).
    Región de conducción en polarización inversa.
    Por encima de 0 Voltios, la corriente que circula es muy pequeña, hasta que no se alcanza la tensión de barrera (VON). El paso de conducción a corte no es instantáneo: a partir de VON la resistencia que ofrece el componente al paso de la corriente disminuye progresivamente, hasta quedar limitada sólo por las resistencias internas de las zonas P y N. La intensidad que circula por la unión aumenta rápidamente. En el caso de los diodos de silicio, VON se sitúa 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 los mismos niveles de tensión que en directa, hasta llegar a la ruptura, en la que de nuevo aumenta.

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

    Las principales diferencias entre el comportamiento real y ideal son:

    La resistencia del diodo en polarización directa no es nula.
    La tensión para la que comienza la conducción es VON.
    En polarización inversa aparece una pequeña corriente.
    A partir de una tensión en inversa el dispositivo entra en coducción por avalancha.
    En la Figura 10 vemos representadas más claramente estas diferencias entre los comportamientos del diodo de unión PN e ideal.





    2.6 Principales características comerciales

    A la hora de elegir un diodo para una aplicación concreta se debe cuidar que presente unas características apropiadas para dicha aplicación. Para ello, se debe examinar cuidadosamente la hoja de especificaciones que el fabricante provee. Las características comerciales más importantes de los diodos que aparecen en cualquier hoja de especificaciones son:

    Corriente máxima en directa, IFmax o IFM (DC forward current): Es la corriente continua máxima que puede atravesar el diodo en directa sin que este sufra ningún daño, puesto que una alta corriente puede provocar un calentamiento por efecto Joule excesivo. Los fabricantes suelen distinguir tres límites:
    Corriente máxima continua (IFM)
    Corriente de pico transitoria (Peak forward surge current), en la que se especifica también el tiempo que dura el pico
    Corriente de pico repetitivo (Recurrent peak forward current), en la que se especifica la frecuencia máxima del pico
    Tensión de ruptura en polarización inversa (Breakdown Voltage, BV; Peak Inverse Voltage, PIV): Es la tensión a la que se produce el fenómeno de ruptura por avalancha.
    Tensión máxima de trabajo en inversa (Maximun Working Inverse Voltage): Es la tensión que el fabricante recomienda no sobrepasar para una operación en inversa segura.
    Corriente en inversa, IR (Reverse current): Es habitual que se exprese para diferentes valores de la tensión inversa
    Caída de tensión en PD, VF (Forward Voltage): Pese a que se ha señalado anteriormente los 0.7V como valor típico, en muchas ocasiones los fabricantes aportan datos detallados de esta caída de tensión, mediante la gráfica I-V del dispositivo.
    Además, es frecuente que los fabricantes suministren datos adicionales a cerca del comportamiento del dispositivo para otras temperaturas diferentes a la nominal. En el Anejo A.1 de este documento se incluyen unas hojas de datos de diodos a modo de ejemplo.

    3 MODELOS DEL DIODO DE UNION PN

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

    3.1 Modelos para señales continuas

    Bajo el término señales continuas se engloban en este apartado tanto las señales constantes en el tiempo como aquellas que varían 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 expresión:




    en donde:

    n, es el factor de idealidad. El valor n se ubica dentro del rango entre 1 y 2. Depende de las dimensiones del diodo, del material semiconductor, de la magnitud de la corriente directa y del valor de IS.
    VT, es el potencial térmico del diodo y es función de la constante de Boltzmann (K), la carga del electrón (q) y la temperatura absoluta del diodo T(K). La siguiente expresión permite el cálculo de VT:



    con:



    y...




    El potencial térmico a temperatura ambiente, T=25ºC, es VT=271mV.

    R es la resistencia combinada de las zonas P y N, de manera que V-IR es la tensión que se está aplicando en la unión PN, siendo I la intensidad que circula por el componente y V la tensión entre terminales externos.
    IS, es la corriente inversa de saturación del diodo. Depende de la estructura, del material, del dopado y fuertemente de la temperatura.
    La representación gráfica de este modelo se muestra en la Figura 11:





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

    El modelo puede completarse mediante la adición de nuevos parámetros que incluyan efectos no contemplados en la teoría básica. Por ejemplo, algunos modelos empleados en los programas simulación por ordenador constan de hasta quince parámetros. Sin embargo, a la hora de realizar cálculos sobre el papel resulta poco práctico. Por ello es habitual realizar simplificaciones del modelo para obtener soluciones de modo más simple.

    3.1.2 Modelo ideal del diodo de unión PN.

    El modelo ideal del diodo de unión 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 pequeña y que, por lo tanto, la caída de tensión en las zonas P y N es muy pequeña, frente a la caída de tensión en la unión PN.




    Para V<0, el término exponencial es muy pequeño, despreciable frente a la unidad. Entonces la intensidad tiende al valor IS, que como ya se había indicado anteriormente, es la corriente inversa del diodo. Para V>0, la exponencial crece rápidamente por encima de la unidad.

    3.1.3 Modelo lineal por tramos

    Al igual que el modelo real, el modelo ideal sigue siendo poco práctico, dado su carácter no lineal. El modelo lineal por tramos se obtiene como una aproximación del modelo ideal del diodo de unión PN, considerando las siguientes simplificaciones:

    En inversa, la corriente a través de la unión es nula.
    En directa, la caída de tensión en la unión 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 unión PN de silicio con una I S= 85 fA a una temperatura ambiente de T=25 ºC. El potencial térmico a esa temperatura es VT=27 mV. Tomando como variable independiente la intensidad I, la ecuación ideal del diodo queda:





    A partir de esta expresión, se puede calcular la caída de tensión en el diodo para las magnitudes de corriente habituales en los circuitos electrónicos. Por ejemplo, para un intervalo de corrientes 1 mA < I < 1 A se tienen tensiones 0.6 V <VDIODO< 0.77 V. Como se puede apreciar, mientras que la corriente ha variado 3 órdenes de magnitud, la tensión apenas ha experimentado un cambio de 200 mV, por lo que es posible aproximar la caída de tensión en la unión PN a un valor constante de 0.7 V.

    Con estas simplificaciones se consigue evitar las expresiones exponenciales que complican los cálculos en la resolución del circuito. Sin embargo, se divide el modelo en dos tramos lineales denominados inversa y directa (o corte y conducción), cada uno de los cuales obedece a ecuaciones diferentes: el diodo queda convertido en un componente biestado.

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



    Conducción: modelo


    Conduccion: condicion



    Corte: modelo


    Corte: condicion



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





    Finalmente con estas formulas podes calcular esos trabajos de DIODOS que tienes


    Mas informacion:
    http://www.profesormolina.com.ar/tutoriales/diodo.htm

    <º))))><.·´¯`·.eNigmaelectroniCa.·´¯`·.¸><((((º>

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  2. #2
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    Excelente información Andrea!

    Muchas gracias!

  3. #3
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    super aporte, gracias x la forma tan sencilla de plantearlo util para los menos habiles


    PSID: ltkoso para las retas

  4. #4
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    Felicidades y gracias "Andreita". Cuídate mucho y siguele para adelante. Bye.

  5. #5
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    como siempre grandes aportaciones, saludos =D

  6. #6
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    copy & paste !

  7. #7

    Thumbs up ozo

    Eres perrana de perronas.
    bien amiga eso es todo.

  8. #8
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    Predeterminado

    muy buen post, gracias por la informacion, muy instructiva
    I Want The Night Just To Colour The Days.....
    The Morning To Chase All My Knightmares Away...

  9. #9
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    09 mar, 09
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    Predeterminado

    gran aporte, la verdad me sirvio!!

  10. #10
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    01 nov, 08
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    Predeterminado

    buena información, gracias
    If you can make God bleed
    the people will cease to believe in him

  11. #11
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    27 sep, 07
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    mexico
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    Predeterminado

    Esta bueno este manual hacerca del diodo me gusta la electronica pero ciento avanzo muy rrapido es que ciento que es mucho teoria
    y varias muchas en los piesas de las piezas

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