sábado, 3 de diciembre de 2011

Diodo

Un diodo es uncomponente electrico de dos terminales que permitela circulacion de la corriente a través de él en un sentido. Este término generalmente se usa para referirse al diodo semiconductor, el más común en la actualidad; consta de una pieza de cristal semicunductor conectada a dos terminales eléctricos 

 Diodos rectificadoresUNIÓN PN
Los diodos pn son uniones de dos materiales semiconductores tipos p y n, por lo que también reciben la denominación de unión pn, ninguno de los dos cristales por separado tiene carga eléctrica, ya que en cada cristal, el número de electrones y protones es el mismo, de lo que podemos decir que los dos cristales, tanto el p como el n, son neutros
CHEQUEO DE DIODOS
Para poder identificar en ánodo y el cátodo de un diodo utilizando un óhmetro, bastará con poner en contacto las terminales del diodo con las puntas del óhmetro y observar la lectura en la carátula; si presenta una resistencia en el orden de algunos mega ohms, será porque lo polarizamos directamente y podremos así relacionar el ánodo y el cátodo.
TENSIÓN INVERSA DE RUPTURA:
Es la máxima tensión en sentido inverso que puede soportar un diodo sin entrar en conducción.
CORRIENTE MÁXIMA DE POLARIZACIÓN DIRECTA:
Es el valor medio de corriente para el cual el diodo se quema debido a una excesiva disipación de potencia
CORRIENTE MAXIMA
Es la intensidad de corriente máxima que puede conducir el diodo sin fundirse por el efecto joule. Dado que es función de la cantidad de calor que puede disipar el diodo, depende sobre todo del diseño del mismo
CORRIENTE INVERSA MÁXIMA:
Es la corriente con polarización inversa para una tensión continua determinada que viene indicada en la hoja de características del diodo. El valor de la corriente inversa se da para diferente temperatura
CORRIENTE INVERSA DE SATURACIÓN (I):
Es la pequeña corriente que se establece al polarizar inversamente el diodo por la formación de pares electrón-hueco debido a la temperatura, admitiéndose que se duplica por cada incremento de 10º en la temperatura

CORRIENTE SUPERFICIAL DE FUGAS.
Es la pequeña corriente que circula por la superficie del diodo (ver polarización inversa), esta corriente es función de la tensión aplicada al diodo, con lo que al aumentar la tensión, aumenta la corriente superficial de fugas.
TENSIÓN DE RUPTURA (V).
Es la tensión inversa máxima que el diodo puede soportar antes de darse el efecto avalancha.
EFECTO AVALANCHA
En polarización inversa se generan pares electrón-hueco que provocan la corriente inversa de saturación; si la tensión inversa es elevada los electrones se aceleran incrementando su energía cinética de forma que al chocar con electrones de valencia pueden provocar su salto a la banda de conducción
EFECTO ZENER
Si la tensión de entrada aumenta, el diodo tiende a mantener una tensión constante entre los terminales de la carga, de modo que la caída de tensión en ri aumenta. El incremento resultante de Ii circula a través del diodo, mientras que la corriente a través de la carga se mantiene constante
RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA
El rectificador de media onda es un circuito empleado para eliminar la parte negativa o positiva de una señal de corriente alterna de entrada (Vi) convirtiéndola en corriente continua de salida (Vo).

POLARIZACIÓN DIRECTA (VI > 0)
En este caso, el diodo permite el paso de la corriente sin restricción. Los voltajes de salida y entrada son iguales y la intensidad de la corriente puede fácilmente calcularse mediante la ley de ohm.

POLARIZACIÓN INVERSA (VI < 0)
En este caso, el diodo no conduce, quedando el circuito abierto. La tensión de salida es nula, al igual que la intensidad de la corriente

RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA
Circuito empleado para convertir una señal de corriente alterna de entrada (Vi) en corriente continua de salida (Vo) pulsante. A diferencia del rectificador de media onda, en este caso, la parte negativa de la señal se convierte en positiva o bien la parte positiva de la señal se convertirá en negativa

PUENTES RECTIFICADORES
Se emplean cuatro diodos. Al igual que antes, sólo son posibles dos estados de conducción, o bien los diodos 1 y 3 están en directa y conducen (tensión positiva) o por el contrario son los diodos 2 y 4 los que se encuentran en directa.

EL DIODO DE POTENCIA
Uno de los dispositivos más importantes de los circuitos de potencia son los diodos, aunque tienen, entre otras, las siguientes limitaciones : son dispositivos unidireccionales, no pudiendo circular la corriente en sentido contrario al de conducción. El único procedimiento de control es invertir el voltaje entre ánodo y cátodo.
Los diodos de potencia se caracterizan porque en estado de conducción, deben ser capaces de soportar una alta intensidad con una pequeña caída de tensión. En sentido inverso, deben ser capaces de soportar una fuerte tensión negativa de ánodo con una pequeña intensidad de fugas.











El diodo responde a la ecuación:











La curva característica será la que se puede ver en la parte superior, donde:
VRRM: tensión inversa máxima
VD: tensión de codo.
A continuación vamos a ir viendo las características más importantes del diodo, las cuales podemos agrupar de la siguiente forma:







CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS







Parámetros en bloqueo

  • Tensión inversa de pico de trabajo (VRWM): es la que puede ser soportada por el dispositivo de forma continuada, sin peligro de entrar en ruptura por avalancha.
  • Tensión inversa de pico repetitivo (VRRM): es la que puede ser soportada en picos de 1 ms, repetidos cada 10 ms de forma continuada.
  • Tensión inversa de pico no repetitiva (VRSM): es aquella que puede ser soportada una sola vez durante 10ms cada 10 minutos o más.
  • Tensión de ruptura (VBR): si se alcanza, aunque sea una sola vez, durante 10 ms el diodo puede destruirse o degradar las características del mismo.
  • Tensión inversa contínua (VR): es la tensión continua que soporta el diodo en estado de bloqueo.


Parámetros en conducción

  • Intensidad media nominal (IF(AV)): es el valor medio de la máxima intensidad de impulsos sinusuidales de 180º que el diodo puede soportar.
  • Intensidad de pico repetitivo (IFRM): es aquella que puede ser soportada cada 20 ms , con una duración de pico a 1 ms, a una determinada temperatura de la cápsula (normalmente 25º).
  • Intensidad directa de pico no repetitiva (IFSM): es el máximo pico de intensidad aplicable, una vez cada 10 minutos, con una duración de 10 ms.
  • Intensidad directa (IF): es la corriente que circula por el diodo cuando se encuentra en el estado de conducción.

      Modelos estáticos del diodo

      Los distintos modelos del diodo en su región directa (modelos estáticos) se representan en la figura superior. Estos modelos facilitan los cálculos a realizar, para lo cual debemos escoger el modelo adecuado según el nivel de precisión que necesitemos.
      Estos modelos se suelen emplear para cálculos a mano, reservando modelos más complejos para programas de simulación como PSPICE. Dichos modelos suelen ser proporcionados por el fabricante, e incluso pueden venir ya en las librerías del programa.






      CARACTERÍSTICAS DINÁMICAS

      Tiempo de recuperación inverso


      El paso del estado de conducción al de bloqueo en el diodo no se efectúa instantáneamente. Si un diodo se encuentra conduciendo una intensidad IF, la zona central de la unión P-N está saturada de portadores mayoritarios con tanta mayor densidad de éstos cuanto mayor sea IF. Si mediante la aplicación de una tensión inversa forzamos la anulación de la corriente con cierta velocidad di/dt, resultará que después del paso por cero de la corriente existe cierta cantidad de portadores que cambian su sentido de movimiento y permiten que el diodo conduzca en sentido contrario durante un instante. La tensión inversa entre ánodo y cátodo no se establece hasta después del tiempo ta llamado tiempo de almacenamiento, en el que los portadores empiezan a escasear y aparece en la unión la zona de carga espacial. La intensidad todavía tarda un tiempo tb (llamado tiempo de caída) en pasar de un valor de pico negativo (IRRM) a un valor despreciable mientras van desapareciedo el exceso de portadores.
      • ta (tiempo de almacenamiento): es el tiempo que transcurre desde el paso por cero de la intensidad hasta llegar al pico negativo.
      • tb (tiempo de caída): es el tiempo transcurrido desde el pico negativo de intensidad hasta que ésta se anula, y es debido a la descarga de la capacidad de la unión polarizada en inverso. En la práctica se suele medir desde el valor de pico negativo de la intensidad hasta el 10 % de éste.
      • trr (tiempo de recuperación inversa): es la suma de ta y tb.

      • Qrr: se define como la carga eléctrica desplazada, y representa el área negativa de la característica de recuperación inversa del diodo.
      • di/dt: es el pico negativo de la intensidad.
      • Irr: es el pico negativo de la intensidad.
      La relación entre tb/ta es conocida como factor de suavizado "SF".
      Si observamos la gráfica podemos considerar Qrr por el área de un triángulo :

      De donde :

      Para el cálculo de los parámetros IRRM y Qrr podemos suponer uno de los dos siguientes casos:
      • Para ta = tb trr = 2ta
      • Para ta = trr tb = 0
      En el primer caso obtenemos:
       

      Y en el segundo caso:
       


      Influencia del trr en la conmutación
      Si el tiempo que tarda el diodo en conmutar no es despreciable :
      • Se limita la frecuencia de funcionamiento.
      • Existe una disipación de potencia durante el tiempo de recuperación inversa.
      Para altas frecuencias, por tanto, debemos usar diodos de recuperación rápida.
      Factores de los que depende trr :
      • A mayor IRRM menor trr.
      • Cuanta mayor sea la intensidad principal que atraviesa el diodo mayor será la capacidad almacenada, y por tanto mayor será trr.
    • Tiempo de recuperación directo
    • tfr (tiempo de recuperación directo): es el tiempo que transcurre entre el instante en que la tensión ánodo-cátodo se hace positiva y el instante en que dicha tensión se estabiliza en el valor VF.
      Este tiempo es bastante menor que el de recuperación inversa y no suele producir pérdidas de potencia apreciables. 






    DISIPACIÓN DE POTENCIA

    Potencia máxima disipable (Pmáx):

    Es un valor de potencia que el dispositivo puede disipar, pero no debemos confundirlo con la potencia que disipa el diodo durante el funcionamiento, llamada ésta potencia de trabajo.

    Potencia media disipada (PAV):

    Es la disipación de potencia resultante cuando el dispositivo se encuentra en estado de conducción, si se desprecia la potencia disipada debida a la corriente de fugas.
    Se define la potencia media (PAV) que puede disipar el dispositivo, como :






    Si incluimos en esta expresión el modelo estático, resulta :






    y como :
     es la intensidad media nominal
     es la intensidad eficaz al cuadrado
    Nos queda finalmente :






    Generalmente el fabricante integra en las hojas de características tablas que indican la potencia disipada por el elemento para una intensidad conocida.
    Otro dato que puede dar el fabricante es curvas que relacionen la potencia media con la intensidad media y el factor de forma (ya que el factor de forma es la intensidad eficaz dividida entre la intensidad media).

    Potencia inversa de pico repetitiva (PRRM):

    Es la máxima potencia que puede disipar el dispositivo en estado de bloqueo.

    Potencia inversa de pico no repeptitiva (PRSM):

    Similar a la anterior, pero dada para un pulso único.






    CARACTERÍSTICAS TÉRMICAS

    Temperatura de la unión (Tjmáx):

    Es el límite superior de temperatura que nunca debemos hacer sobrepasar a la unión del dispositivo si queremos evitar su inmediata destrucción.
    En ocasiones, en lugar de la temperatura de la unión se nos da la "operating temperature range" (margen de temperatura de funcionamiento), que significa que el dispositivo se ha fabricado para funcionar en un intervalo de temperaturas comprendidas entre dos valores, uno mínimo y otro máximo.

    Temperatura de almacenamiento (Tstg):

    Es la temperatura a la que se encuentra el dispositivo cuando no se le aplica ninguna potencia. El fabricante suele dar un margen de valores para esta temperatura.

    Resistencia térmica unión-contenedor (Rjc):

    Es la resistencia entre la unión del semiconductor y el encapsulado del dispositivo. En caso de no dar este dato el fabricante se puede calcular mediante la fórmula:
    Rjc = (Tjmáx - Tc) / Pmáx
    siendo Tc la temperatura del contenedor y Pmáx la potencia máxima disipable.

    Resistencia térmica contenedor-disipador (Rcd):

    Es la resistencia existente entre el contenedor del dispositivo y el disipador (aleta refrigeradora). Se supone que la propagación se efectúa directamente sin pasar por otro medio (como mica aislante, etc).

    PROTECCIÓN CONTRA SOBREINTENSIDADES

    Principales causas de sobreintensidades:

    La causa principal de sobreintensidad es, naturalmente, la presencia de un cortocircuito en la carga, debido a cualquier causa. De todos modos, pueden aparecer picos de corriente en el caso de alimentación de motores, carga de condesadores, utilización en régimen de soldadura, etc.
    Estas sobrecargas se traducen en una elevación de temperatura enorme en la unión, que es incapaz de evacuar las calorias generadas, pasando de forma casi instantánea al estado de cortocircuito (avalancha térmica).

    Organos de protección

    Los dispositivos de protección que aseguran una eficacia elevada o total son poco numerosos y por eso los más empleados actualmente siguen siendo los fusibles, del tipo "ultrarrápidos" en la mayoría de los casos.
    Los fusibles, como su nombre indica, actúan por la fusión del metal de que están compuestos y tienen sus caracterísitcas indicadas en función de la potencia que pueden manejar; por esto el calibre de un fusible no se da sólo con su valor eficaz de corriente, sino incluso con su I2t y su tensión.

    Parámetro I2t:

    La I2t de un fusible es la caracterísitca de fusión del cartucho; el intervalo de tiempo t se indica en segundos y la corriente I en amperios.
    Debemos escoger un fusible de valor I2t inferior al del diodo, ya que así será el fusible el que se destruya y no el diodo.



    El diodo Zener

    Un diodo zéner es básicamente un diodo de unión, pero construido especialmente para trabajar en la 
    zona de ruptura de la tensión de polarización inversa; por eso algunas veces se le conoce con el nombre 
    de diodo de avalancha.

    Su principal aplicación es como regulador de tensión; es decir, como circuito que mantiene la tensión de 
    salida casi constante, independientemente de las variaciones que se presenten en la línea de entrada o del 
    consumo de corriente de las cargas conectadas en la salida del circuito.

    El diodo zéner tiene la propiedad de mantener constante la tensión aplicada, aun cuando la corriente sufra
    cambios. Para que el diodo zener pueda realizar esta función, debe polarizarse de manera inversa.

    Generalmente, la tensión de polarización del diodo es mayor que la tensión de ruptura; además, se coloca 
    una resistencia limitadora en serie con él; de no ser así, conduciría de manera descontrolada hasta llegar al 
    punto de su destrucción.

    En muchas aplicaciones de regulación de tensión, el diodo zéner no es el dispositivo que controla de manera 
    directa la tensión de salida de un circuito; sólo sirve de referencia para un circuito más complejo; es decir, el 
    zéner mantiene un valor de tensión constante en sus terminales.

    Esta tensión se compara mediante un circuito amplificador a transistores o con circuito integrados con una 
    tensión de salida. El resultado de la comparación permite definir la acción a efectuar: aumentar o disminuir 
    la corriente de salida, a fin de mantener constante la tensión de salida.

    Es importante hacer notar que los diodos zéner se construyen especialmente para que controlen sólo un 
    valor de tensión de salida; por eso es que se compran en términos de la tensión de regulación.

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