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Hasta ahora hemos visto la aplicación básica de diodos como un rectificador de voltaje de CA. Sin embargo, hay muchas aplicaciones especiales donde los diodos ocupan un lugar destacado. En este capítulo veremos una serie de circuitos donde se pueden emplear diodos con un rendimiento óptimo.

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En muchos circuitos que contienen varios diodos, es necesario conocer el estado de conducción de estos diodos. Existen varias técnicas para descubrir qué diodo está en corte o en conducción.

Una de las técnicas más utilizadas es asumir que algunos diodos están conduciendo y otros están cortando. La Figura 65-01 presenta un circuito típico que emplea dos diodos.

La idea básica es averiguar cuál será el valor del voltaje V₀.En este caso, en principio, mediante inspección es fácil ver que el diodo D₁ está cortado mientras el diodo D₂ está conduciendo. Solo por el bien de la enseñanza, ya sea D₂ en corte y D₁ en estado de conducción. Suponiendo esta premisa, ¿cuál será la respuesta obtenida? Aquí el valor de V_D = 0,7 V cuando el diodo está en estado de conducción.

Si D₁ está conduciendo así que se sabe que el voltaje V_a = - 0,7 V. Tenga en cuenta que en este caso ya existe una incongruencia con la premisa, porque con este valor de V_a necesariamente el diodo D₂ está conduciendo. Por lo tanto, se concluye que esta premisa no satisface la solución del problema.

Asi, se debe investigar una nueva premisa, adoptando D₁ en corte mientras el diodo D₂ conducir. Para resolver este problema, confiemos en la Figura 65-02. En este caso, se puede calcular la corriente que circula en el circuito, sabiendo que en D₁ no fluirá corriente eléctrica. Entonces tenemos que I₁ = I_o. Entonces la ecuación de la malla será:

Trabajando algebraicamente esta ecuación, obtenemos:

Por lo tanto, el voltaje de salida V₀ será:

Y si V₀ = - 6,78 V, entonces V_a = - 6,08 V. Entonces, esta premisa tampoco satisface la solución del problema, porque con V_a = - 6,08 V significa que D₁ está conduciendo.

Por lo tanto, uno debe considerar la alternativa en la cual D₁ y D₂ están conduciendo. Si D₁ está conduciendo, entonces V_a = - 0,7 V. En la Figura 65-02 mostramos el circuito con la indicación de las corrientes. Llegar a conocerse V_a es posible calcular V₀, porque solo agregue la caída de voltaje en D₂.

Para completar la solución del problema, calcularemos las corrientes en el circuito.

Desde el circuito, se sabe que I₀ = I₁ + I_D. Entonces:

Por lo tanto, después de establecer varias premisas, se descubrió que la única viable era la última. Los otros dos anteriores estaban en conflicto.

Este ejemplo sirvió para ilustrar una de las técnicas más utilizadas para resolver este tipo de problema. En la pestaña Problemas hay varios circuitos propuestos con sus respectivas soluciones.

En muchas aplicaciones existe la necesidad de limitar la forma de onda a un cierto nivel de voltaje o corriente, pasando solo la señal que ocurre por encima o por debajo de un valor predeterminado. Esta característica se usa en aplicaciones que incluyen limitar amplitudes excesivas, formar ciertos tipos de formas de onda y también controlar la potencia entregada a una carga.

Los diodos se pueden combinar con resistencias para realizar la función de un limitador . Las características de transferencia de circuito se obtienen utilizando el modelo de circuito de caída de voltaje constante del diodo. (V_D = 0,7 V). Sin embargo, se supone una transición suave entre las regiones lineal y de saturación de las características de transferencia.

Podemos tener un simple limitador cuando solo una de las polaridades de la forma de onda es limitada. O uno doble limitador, cuando las partes positiva y negativa de la forma de onda son limitadas.

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Primero, estudiemos el limitador de tipo simple y analicemos su comportamiento cuando se somete a una onda sinusoidal.

En la Figura 65-03 , presentamos el esquema de un limitador simple compuesto por un diodo y un resistor. Cuando la tensión V_i (suponiendo que una onda sinusoidal) está en el semiciclo positivo y alcanza el valor de 0.7 V , el diodo D conduce no permitiendo que la tensión V_o exceder este valor. Para el semiciclo negativo de V_i, el diodo se corta y en V _o , el voltaje de entrada aparece sin ningún cambio. Es decir, el voltaje de salida solo tendrá el semiciclo positivo limitado.

En la Figura 65-04 presentamos el gráfico de la característica de transferencia del circuito. Tenga en cuenta que para valores negativos de V_i Tenemos una respuesta lineal a la voltaje de entrada. Para valores positivos, la respuesta no es lineal, configurando el voltaje de salida en 0,7 V. Por supuesto, podemos obtener múltiples voltajes de 0,7 V en la salida, siempre que mas diodos se agreguen en serie.

Vea Figura 65-05 para la representación de una forma de onda sinusoidal en la entrada y la onda limitada que aparece en la salida en el semiciclo positivo. Tenga en cuenta que se utilizó un voltaje con 1 voltio pico en la entrada. Si el voltaje pico de entrada es menor que 0,7 V , entonces no habrá limitación ya que el voltaje de entrada no excede el voltaje de conducción del diodo. Por lo tanto, podemos usar este circuito siempre que necesitemos proteger la entrada de algún circuito contra sobretensión.

En la práctica, hay situaciones en las que queremos que la salida tenga un voltaje diferente de 0,7 V. En este caso, es posible agregar una fuente de voltaje en serie con el diodo para mover el punto de actuación del diodo. Consulte la Figura 65-06 para ver un circuito de ejemplo para este caso.

En Figura 65-06 mostramos el circuito modificado, donde una fuente de voltaje V_d, que es cuánto queremos cambiar el punto de limitación, se agregó en serie con el diodo. Así, el punto límite estará dado por V_d + 0,7 volts. Tenga en cuenta que si el valor máximo del voltaje de entrada V_i no alcanza el valor V_d + 0,7 volts, la onda sinusoidal no estará limitada, aparecerá en la salida sin ningún cambio.

Por supuesto, si queremos una limitación solo en el semiciclo negativo, entonces debemos invertir la posición del diodo y la fuente V_d en el circuito de arriba. Como resultado, estaremos causando una limitación negativa del semiciclo de la onda sinusoidal, sin cambiar el semiciclo positivo.

El doble limitador actúa tanto en las partes positivas como negativas de la sinusoide. El circuito más común para obtener esta limitación es el que se muestra en la Figura 65-07. Son dos diodos conectados en paralelo y en la disposición llamada contrafase.

El diodo D₁ actúa en un semiciclo positivo de sinusoides, pero D₂ actúa en un semiciclo negativo.

En Figura 65-08 presentamos el gráfico de la característica de transferencia del circuito limitador dual. Tenga en cuenta que el voltaje de salida está limitado entre los voltajes + V_D y - V_D. Por lo tanto, incluso si el voltaje de entrada aumenta significativamente, el voltaje de salida permanecerá entre los dos valores anteriores.

Por supuesto, en el doble limitador se aplica el mismo concepto que al agregar una fuente de voltaje en serie con el diodo para cambiar el punto límite de onda en la salida. Al hacer las fuentes de voltaje con diferentes valores, tendremos diferentes puntos limitantes, es decir, en la salida obtendremos una forma de onda asimétrica.

En Figura 65-09 podemos ver un circuito limitador doble con fuentes de voltaje conectadas en serie con los diodos. Esto provoca un desplazamiento del punto límite en la salida del circuito. Tenga en cuenta que los dos conjuntos están en paralelo. Si V_D1 > V_D2 o V_D1 < V_D2, obtengamos una forma de onda asimétrica en la salida.

El gráfico de la característica de transferencia de circuito es similar al de Figura 65-08 . Por supuesto, para el semiciclo sinusoide positivo, debemos reemplazar el valor V_D por V_D1 + V_D. Y para el semiciclo sinusoide negativo, debemos reemplazar - V_D por - (V_D2 + V_D ). Para eliminar las fuentes de voltaje en serie con los diodos, podemos usar diodos zener. Estudiaremos estas configuraciones en el siguiente elemento.

Una forma de evitar el uso de fuentes de voltaje en serie con diodos para lograr un cierto nivel de limitación es usar el diodo zener. Dado que tenemos diodos zener con varios voltajes operativos, podemos elegir el que mejor se adapte a nuestras necesidades.

En Figura 65-10 mostramos el circuito usando zener como limitador de voltaje. Tenga en cuenta que en este caso, el zener no permitirá que el semiciclo positivo de la señal de entrada exceda el voltaje de trabajo del zener. Por lo tanto, en la salida tendremos una señal limitada en el semiciclo positivo con un voltaje máximo igual al voltaje V_z.

Sin embargo, este circuito presenta un problema cuando el voltaje de entrada pasa al semiciclo sinusoide negativo. Esto se debe al hecho de que en el semiciclo negativo el diodo zener se comportará como un diodo común, es decir, el pico negativo en la salida estará limitado a 0,7V. Vea la Figura 65-11 cómo se vería el voltaje de salida usando un zener con un voltaje de operación del orden de 6,2 voltios y el voltaje de entrada dado por V_i = 10 sen ω t.

Tenga en cuenta que el semiciclo positivo de la sinusoide está limitado por 6,2 V, mientras que el semiciclo negativo está limitado por - 0,7 V. Entonces, la variación máxima (pico a pico) de la señal en la salida del circuito será igual a la diferencia de los dos voltajes, es decir, V_o = 6,2 - (- 0,7) = 6,9 volts.

Pero para todo hay solución. Entonces, si agregamos un diodo común en serie con el zener, cableado como se muestra en la Figura 65-12, en principio, resolveremos el problema.

Decimos " en principio" , porque si prestamos mucha atención a Figura 65-12 nos daremos cuenta de que la tensión de salida del circuito estará dada por V_o = V_z + V_D. Es decir, en el voltaje de salida tenemos que agregar la caída de voltaje en el diodo, además del voltaje zener. Por supuesto, esto solo es válido para el semiciclo sinusoidal de voltaje de entrada positivo.

Tan pronto como el voltaje de entrada pasa al semiciclo negativo, el diodo ingresa a la zona de corte, lo que da como resultado un circuito abierto, como si no hubiera diodo y zener. Por lo tanto, la parte negativa de la sinusoide aparece completamente en la salida sin ningún cambio. Por lo tanto, con la adición de un diodo, nuevamente alcanzamos un limitador que limita solo el semiciclo de voltaje de entrada positivo.

Por supuesto, si queremos un corte limitador en el semiciclo negativo de la sinusoide, simplemente invierta la dirección de los dos componentes.

Para lograr un limitador doble, podemos combinar zener con zener o zener con diodo. Veamos algunas configuraciones posibles.

En la Figura 65-13 mostramos cómo podemos realizar un doble limitador. Tenga en cuenta que la conexión está en la configuración en serie, con los componentes en la llamada matriz counter-phase. En la figura, representamos la situación en la que el voltaje de entrada está en el semiciclo positivo del seno.

De esta manera, el zener de la parte superior de la figura se comportará como zener, mientras que el zener inferior se comportará como un diodo común. Esto es explícito con la indicación de V_z y V_D al lado de cada zener. Entonces, en esta configuración, con el semiciclo sinusoide positivo, obtendremos el voltaje de salida dado por la ecuación V_o = V_z + V_D.

Ahora, en la Figura 65-14 estamos representando la situación en la que el voltaje de entrada está en el semiciclo negativo del seno. Tenga en cuenta la inversión de las indicaciones de V_z y V_D junto a cada zener, en relación con Figura 65-13. En esta situación, es el zener inferior el que actúa como zener, mientras que el zener superior actúa como un diodo común.

Entonces, en esta configuración, con el semiciclo sinusoide negativo, obtendremos el voltaje de salida dado por V_o = - V_z - V_D o V_o = - (V_z + V_D ).