Circuitos con diodos

Electrónica. Limitador o recortador. Modelo de gran señal. Polarización. Resistencias. Voltajes. Formas de ondas

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Análisis del circuito recortador con diodo aplicando el modelo de gran señal.

'Circuitos con diodos'
Valores de componentes:

, ,

,

Funcionamiento:

Para el diodo del circuito consideraremos el modelo de gran señal, de este modo para el dispositivo existe un voltaje umbral de conducción V y considerando la conexión en el circuito, el diodo, en polarización inversa, actuará como una fuente de corriente Is en paralelo con una Resistencia Rr , al aplicar una transformación de fuentes se tiene el circuito equivalente de la figura 1b, el diodo se polarizará directo en el momento que Vi supere el valor V+ VR, cumpliéndose esto el diodo conducirá corriente y desde ese momento lo haremos equivalente a una fuente V con una resistencia en serie Rf como se muestra en la figura 1c.

En síntesis con:

se tiene:

Para 'Circuitos con diodos'
, polarización inversa del diodo, en este caso asumiremos un valor de:

'Circuitos con diodos'

Usando los valores del circuito:

, Desde ésta ecuación podemos observar que el valor de , en polarización inversa

Para , polarización directa del diodo, en este estado consideramos al diodo aplicando el modelo de gran señal, de este modo si aplicamos análisis de mallas e el circuito se obtiene:

,

Reemplazando Id obtenemos:

, con lo que reduciendo algebraicamente llegamos a la ecuación:

De esta ecuación se puede observar que el limite de recorte para la señal de entrada será de V+ VR si Rf <<R, y si Rf >>R, el recorte tenderá a ser menor obteniendo una señal se salida similar e la de entrada, si las diferencias son pocas entre las resistencias el recorte será de un valor V+ VR más un factor entregado por la relación:

Gráficas de Voltajes Vi y V0

Usando los valores en las ecuaciones encontradas anteriormente encontramos la ecuación de las funciones de entrada y de salida para el circuito, de este modo se tiene:

, para todo t, excepto donde:

, (*)

Para , , , , etc.

Los ángulos donde ocurre la conducción en el diodo son:

14,77º, 180º-14,77º, 360+14,77º, 540º-14,77º, etc.

Tiempos y ángulos extraídos desde la ecuación (*)

Voltaje del Diodo

El voltaje para el diodo en polarizacion inversa está determinado por la ecuación:

VDS: Voltaje del diodo en polarizaron inversa.

En polarización directa:

VDD: Voltaje en diodo polarizado directo.

De este modo podemos apreciar la gráfica para el voltaje tal y como se muestra en al figura 2b.

Gráficas de i0

Si en el circuito se colocase una carga RL entre los terminales V0, La gráfica correspondiente a la corriente que fluiría por la resistencia sería similar a la que existe para V0 la cual es mostrada en la figura 2a, la diferencia entre los rangos de una grafica de corriente estarían determinados por el valor de RL, valor que produciría una atenuación en la amplitud de la señal con respecto a la amplitud de V0, esto regido por la relación .

Gráfica de id

Usando las expresiones encontradas para la corriente en el diodo para cada estado de polarización se obtienen las siguientes expresiones con los valores de las magnitudes de los componentes involucrados en el circuito, para la polarización inversa: , esta es una corriente del orden de los micro Amper por lo que prácticamente se puede despreciar.

Para la polarización directa tenemos:

, esta es la función para la corriente que el diodo conduce en la polarización directa, su gráfica se puede apreciar en la figura 2d.

Relación de voltajes RMS

'Circuitos con diodos'

Problema II

Para el circuito mostrado en la figura Nº2, obtenga las corrientes y los voltajes a través de ambos diodos. Nota, considere:

'Circuitos con diodos'
'Circuitos con diodos'
'Circuitos con diodos'

'Circuitos con diodos'
'Circuitos con diodos'

'Circuitos con diodos'

Solución:

En el circuito podemos visualizar que el diodo 2 está bajo una polarización inversa, puesto que la caída de tensión en el diodo 1 una será mínima comparada con el voltaje de la fuente, de este modo asumiremos una corriente en el sentido horario la cual corresponderá a la corriente inversa que circula por el diodo 2 con esto se tiene:

'Circuitos con diodos'
'Circuitos con diodos'

'Circuitos con diodos'

'Circuitos con diodos'

'Circuitos con diodos'

'Circuitos con diodos'
'Circuitos con diodos'

'Circuitos con diodos'
'Circuitos con diodos'

'Circuitos con diodos'

  • Asumiendo que

'Circuitos con diodos'

'Circuitos con diodos'

'Circuitos con diodos'

'Circuitos con diodos'

'Circuitos con diodos'
'Circuitos con diodos'

Con estos valores numéricos comprobamos la consistencia de las condiciones que se tomaron para la resolución del problema.

Parte Teórica

a) Al encontrarse la juntura en circuito abierto, por leyes físicas debe estar en equilibrio, lo que en ella sucede es que se genera una corriente de difusión que tiende a atravesar la unión desde el material tipo P al tipo N, esto producido por la diferencia de concentración de huecos que están en mayoría en el lado P. La corriente de difusión se anula debido a que se genera una corriente de desplazamiento generada por el campo eléctrico que aparece en la unión.

b) Al incidir una onda electromagnética en un semiconductor aumenta la energía de los electrones subiendo así su nivel energético y comienza a romper los enlaces covalente formando nuevos pares de electrón hueco con esto aumentan los portadores minoritarios y se genera la corriente de saturación inversa.

La ecuación que rige la corriente en un el diodo por generaciónn óptica es:

'Circuitos con diodos'

ID: corriente en un diodo con generación óptica.

Io: corriente de saturación óptica .

VD: tensión en los terminales del diodo.

n: coeficiente de emisión (depende del material Si n=1; Ge n=2)

VT: factor afectado por la temperatura.

Iop: corriente formada óptimamente.

Donde 'Circuitos con diodos'

q: Carga del 'Circuitos con diodos'

A: Área del semiconductor

'Circuitos con diodos'
: Coef. De generación

'Circuitos con diodos'
: Long. Del material P

'Circuitos con diodos'
: Long. Del material N

Al variar el área del diodo varia también con esto la corriente generado óptimamente esto quiere decir que estos parámetros son directamente proporcional entre si

En la ecuación del diodo se despreció la corriente inversa y que es muy pequeña

c) Del efecto fotoeléctrico podemos decir que en algunos materiales, al ser sometidos a una luz intensa generan una pequeña corriente eléctrica .Es así como se explica el funcionamiento general del fotodiodo los cuales son sensibles a la luz visible o infrarroja. Este es un dispositivo que conduce una corriente eléctrica proporcional a la cantidad de luz que incide sobre la unión.

Para su correcto funcionamiento se polariza inversamente ya que: al incidir luz(fotones incidentes) la superficie del dispositivo se forman nuevos pares de electrones-huecos adicionales “generados térmicamente” esto lo podemos ver como una inyección de portadores minoritarios que contribuyen a la conducción de corriente la cual varia linealmente con el flujo de luminoso.

d) Es un diodo que tiene una variación de anchura de la barrera de potencial en la juntura PN ,esta variación esta en función del voltaje inverso aplicado al diodo son directamente proporcionales, esto quiere decir que al aumentar el voltaje inverso, aumenta la anchura de la barrera y esto disminuye así la capacidad del diodo. La capacidad es variable y depende de la tensión ,con respecto a la frecuencia este dispositivo a altas frecuencias tendrá una baja capacitancía por esto este tipo de diodo es tan utilizado en circuitos de telecomunicación para sintonización de emisoras de radio ,etc.

e) existe una gran variedad de parámetros para los diodos sin embargo los más importantes son:

  • Corriente directa máxima (IF = fordwad intensity): máxima corriente que puede soportar un diodo en polarización directa sin que se destruya.

  • Voltaje inverso o de Ruptura (PIV = peak inverse voltaje): máximo voltaje que se puede aplicar a un diodo en polarización inversa antes de que se destruya.

  • Potencia disipada (PD = disipated power) o Temperatura máxima: máxima potencia que puede disipar un diodo en condiciones de operación normales es igual (0.7)*ID

  • Tipo de Empaque: código que define el empaque utilizado por un diodo.

  • Tipo de Material: si el diodo es de Si o Ge esto define el voltaje umbral.

Bibliografía:

  • Principios de Electrónica Autor: Albert Paul Malvino

  • Electrónica Integrada Autor: Jacob Millman y Christos C. Halkias

10

Fig. 1a. Circuito Recortador con diodo

Fig. 1a. Circuito recortador

Fig. 1b. Circuito con diodo modelo de gran señal, polarizado inversamente.

Fig. 1c. Circuito con diodo modelo de gran señal polarizado directamente.

Fig. 1d. Relación entre corriente y voltaje para diodo con modelo de gran señal.

Fig. 2a. Formas de onda de voltajes de entrada y salida del circuito.

Fig. 2b. Formas de onda de voltajes en los extremos del diodo.

Fig. 2c. Circuito recortador con resistencia de carga

Fig. 2d. Formas de onda de corriente del diodo.