Aplicaciones del Diodo Teoría

Este capítulo consta de los siguientes elementos. Si desea ir directamente a un elemento, haga clic en él.

2 - Diodos à Vácuo Haga clic aquí!

3 - Diodo Semicondutor Haga clic aquí!

4 - Diodo na Zona de Condução Haga clic aquí!

5 - Dependência da Temperatura Haga clic aquí!

Debido a las dificultades que enfrentan muchos estudiantes al estudiar diodos, decidimos comenzar a estudiarlos según el principio de los viejos diodos, como válvulas electrónicas, también conocidas comúnmente con el nombre de diodos de vacío.

Volver Arriba

2. . Diodos à Vacío

Tan pronto como el ingeniero estadounidense Thomas Edson inventó la bombilla incandescente, siglo XIX, basado en el principio de un filamento, generalmente fabricado con el elemento tungsteno (hoy en día), alimentado por un voltaje eléctrico y encapsulado en un bulbo de vidrio de baja presión, varios experimentos han llevado a un desarrollo tecnológico bastante revolucionario para la época.

A principios del siglo XX, los científicos eran conscientes de los elementos químicos que, cuando se sometían a altas temperaturas, los electrones ganaban suficiente energía cinética para liberarse de sus átomos y crear una nube de carga eléctrica en la superficie de metal. Simplemente coloque otro electrodo, con la polaridad adecuada, cerca del primero, para establecer una corriente eléctrica entre ellos. Es así, nació la válvula electrónica.

En la Figura 61-01 mostramos una representación esquemática de cuál es la distribución electrodos dentro de una válvula electrónica. Observe que el cátodo tiene una forma cilíndrica, que encierra completamente el filamento. Cuando aplicamos un voltaje eléctrico al filamento, se vuelve rojo y puede alcanzar una temperatura alrededor de 1000° C. Esta alta temperatura del filamento hace que el cátodo indirectamente, calienta y libera electrones. El filamento generalmente funciona con un voltaje de 6,3 VAC . Hay válvulas que funcionan con diferentes voltajes de este. Este tipo de construcción de válvula electrónica, con el electrodo de cátodo incorporado, se denomina válvulas de calentamiento indirecto. Esto se debe a que las primeras válvulas no tienen cátodo. Quien era el responsable de la emisión de electrones era el filamento mismo. El inconveniente era que el filamento debe ser alimentado por corriente continua, ya que no debería haber variaciones de voltaje en el electrodo. Este tipo de válvula se llamaba calentamiento directo. Cayó en desuso rápidamente.

El cátodo a su vez está conectado a tierra asumiendo una carga negativa con respecto al ánodo. En los círculos técnicos, el ánodo es mejor conocido como placa. La placa es el electrodo que recibe el voltaje positivo con respecto al cátodo. Este voltaje positivo genera un campo eléctrico entre los dos electrodos. Sin embargo, sabemos que una carga eléctrica sufre una fuerza cuando está bajo el efecto de un campo eléctrico. Y sabemos su magnitud, que es expresado por la siguiente relación:

eq. 61-01

Esta fuerza acelera el electrón hacia la placa. De esta manera, se establece una corriente eléctrica entre el cátodo y la placa. Pero sabemos que la carga de electrones es constante, o q = 1,6 x 10 ^-19C. Entonces, la única forma en que podemos aumentar la fuerza ejercida sobre los electrones es elevando el valor del campo eléctrico. Y eso es muy fácil de proporcionar. Simplemente aumente el voltaje de la placa. Por lo tanto, una de las formas de controlar la corriente eléctrica a través del diodo es variando el voltaje de la placa. En la Figura 61-02 se muestra un gráfico de la dependencia de la corriente del diodo en función de la voltaje de la placa.

Por otro lado, es evidente que cuando aplicamos un voltaje negativo a la placa con respecto al cátodo, NO hay flujo de corriente eléctrica en el diodo, porque la fuerza actúa para mantener los electrones en el cátodo. Pronto concluimos que:

Volver Arriba

3. Diodo Semiconductor

El diodo semiconductor fue inicialmente una alternativa al diodo de vacío, ya que esto necesitaba una buena energia para funcionar correctamente. A su vez, el diodo semiconductor, como no tenía filamento, prácticamente no consumía energía.

Semiconductores son sustancias químicas que son de naturaleza cristalina y tienen propiedades entre los conductores y no conductores.

En la Figura 61-03 mostramos el símbolo utilizado para representar el diodo.

Básicamente, hay dos tipos de semiconductores que nos interesan: el tipo "N" y el tipo "P". Los semiconductores de tipo "N" son aquellos que tienen un exceso de electrones. Los del tipo "P", a su vez, son aquellos con una falta de electrones..

Para construir un diodo, una cierta cantidad de material tipo P y una cierta cantidad de material tipo N deben ser muy especiales. Llamamos a esta asociación la unión P-N. Si esta unión está sujeta a un campo eléctrico correctamente orientado, esta unión P-N permitirá que la corriente fluya a través de ella. Si se invierte la orientación del campo eléctrico, el flujo de corriente a través de la unión cesará por completo. Y este comportamiento caracteriza un DIODO.

En la Figura 61-04 podemos ver la curva característica que presenta un diodo semiconductor cuando se somete a una polarización. La situación de polarización directa, es decir, cuando permite el paso de la corriente eléctrica, se representa en el primer cuadrante del gráfico. Tenga en cuenta que para una corriente genérica I_D (conducción) tenemos un voltaje de 0,7 voltios sobre el diodo. La figura muestra la llamada rodilla, que es el punto donde el diodo comienza a conducir. En condiciones normales, este voltaje es del orden de 0,5 voltios. Por debajo de este voltaje podemos afirmar que no hay corriente circulando a través del diodo.

Por otro lado, en el tercer cuadrante, se representa la situación de polarización inversa, donde el diodo no permite que pase la corriente eléctrica. A medida que aumentamos el voltaje inverso, el diodo alcanza el llamado voltaje de ruptura, caracterizado por un aumento violento de la corriente eléctrica en reversa, dañando el dispositivo.

Figura 61-05 Figura 61-06

En las dos figuras mostradas arriba, representamos los dos estados que un diodo puede ser: en conducción o en corte.

Observe que en la Figura 61-05 donde representamos el diodo conductor, es decir, con la polaridad positiva en el ánodo, tenemos V_D = 0,7 voltios . En esta situación tenemos I_D ≠ 0.

Por otro lado, en la Figura 61-06 tenemos la situación en la que el diodo está cortado. La polaridad negativo de V está en ánodo. Entonces tenemos I_D = 0.

Atención

"Hay autores que introducen tres conceptos sobre cómo modelar el diodo. Uno es la llamada primera aproximación , donde cero se considera la caída de voltaje sobre el diodo. Otro es el llamado segundo enfoque , donde se considera que 0,7 voltios es la caída de voltaje sobre el diodo. Y finalmente, el llamado tercer enfoque , donde además de considerar la caída de voltaje de 0,7 voltios , se añade la denominada resistencia dinámica del diodo.

En nuestro sitio web solo consideraremos el segundo enfoque , ya que el primero es totalmente irreal y no es una conducta aceptable en los proyectos. El tercer enfoque , aunque el más correcto, termina en una suma de cálculo innecesaria, ya que debemos tener en cuenta que los componentes electroelectrónicos que se utilizan asociados al diodo tienen, en general, una tolerancia de 5% o más. Al igual que la resistencia dinámica de un diodo, suele ser inferior a 1% de los valores de los componentes utilizados en el circuito, no se justifica el trabajo adicional cuando la diferencia en el resultado final es insignificante."

Volver Arriba

4. Diodo en la Zona de Conducción

Podemos decir que un diodo cualitativamente tiene una alta resistencia a la polarización inversa y una baja resistencia a la polarización directa. Es decir, puede comportarse como una clave (como aproximación del modelo). Entonces, con polarización directa se activa, mientras que con polarización inversa se desactiva.

Cuando bajamos la barrera potencial de un diodo, entra en la llamada zona de conducción. En esta zona, se comporta casi como un cortocircuito, permitiendo el paso de corriente eléctrica. La siguiente ecuación relaciona la corriente eléctrica y el voltaje en el diodo.

eq. 61-02

La definición de las variables involucradas en la ecuación son:

V_D - Voltaje en el diodo.
I_D - Corriente eléctrica sobre el diodo.
I_o - Corriente inversa de saturación del diodo.
η - Constante empírica dependiente del material. Varía entre 1 y 2.
V_T - Conocido como voltaje térmico.

La corriente inversa de saturación I_o, para pequeños diodos de señal utilizados en circuitos de baja potencia, que tienen un área de unión P - N muy pequeño, es del orden de 10^-15A. Sin embargo, depende mucho de la temperatura, generalmente se duplica con cada aumento de temperatura 10° C.

Por otro lado, a voltaje térmico, V_T, está dada por la siguiente ecuación:

eq. 61-03

En este caso, las variables involucradas en la ecuación son:

V_T - voltaje térmico.
κ - Constante del Boltzmann, 1,38 x 10^-23 J/°K.
q - Carga de electrones, 1,6 x 10^-19 C.
T - Temperatura absoluta en K.

Para una temperatura de 20°C, el valor de la voltaje térmica después del cálculo es aproximadamente 25,2 mV.Adoptaremos, en este sitio, como regla general para la resolución de problemas, el valor de V_T = 25 mV en temperatura ambiente.

En la condición del diodo directamente polarizado, la corriente I_D es mucho más alto que la corriente I_o, y así podemos acercarnos a eq. 61-02, ecuación de corriente de diodo, haciendo la siguiente simplificación:

eq. 61-04

Si para una condición dada tenemos I₁ = I_o e^{V₁/ η V_T} y para una segunda condición tenemos I₂ = I_o e^{V₂/ η V_T}, así que si dividimos la segunda ecuación por la primera, obtengamos la siguiente relación I₂ / I₁ = e^{( V₂ - V₁)/ η V_T}. Ahora, si en esta ecuación aplicamos la función logaritmo natural a ambos miembros, eliminamos la función exponencial y obtenemos el logaritmo. Si, por otro lado, reemplazando el logaritmo natural con el logaritmo decimal, debemos multiplicarlo por el factor 2,3. Por lo tanto, obtenemos la relación como se muestra en la ecuación a continuación.

eq. 61-05

Supongamos que I₂ = 10 I₁. Al aplicar la función logaritmo a esta relación, nos damos cuenta de que la diferencia entre V₂ y V₁ aumentado por un factor de 2,3 η V_T. Esto significa que cada década el voltaje del diodo aumenta aproximadamente 60 mV si η = 1 y 120 mV si η = 2. Como el valor de η generalmente no se conoce, se adopta en los proyectos el valor de 2,3 η V_T = 0,1 V / década.

Cabe señalar que debido al aumento repentino de la corriente cuando excede la rodilla de la curva característica, hay una gran variación de valores en la corriente eléctrica que pasa a través del diodo, sin embargo, la caída de voltaje sobre ella está restringida a un rango estrecho entre 0,6 y 0,8 voltios . En general, en los cálculos, el valor de V_D = 0,7 voltios por defecto.

Volver Arriba

5. Dependencia de la Temperatura

Porque el voltaje y la corriente eléctrica en el diodo dependen de V_T y I_o, y dado que estos son una función de la temperatura, es lógico que la curva de diodo I - V también dependa de la temperatura . Considerando una corriente constante dada, el voltaje en el diodo disminuye desde aproximadamente - 2,2 mV/°C. Es decir, su variación tiene una característica negativa. Cuanto mayor es la temperatura, menor es el voltaje en el diodo. En los diseños de amplificadores de potencia, esta característica debe tomarse muy en serio. Sin embargo, esta es una característica interesante en la construcción de sensores, como el monitoreo de temperatura. Podemos elaborar fácilmente un diseño electrónico que le permite medir la temperatura utilizando un diodo como recopilador de información.

Volver Arriba

Capítulo Anterior

Siguiente Capítulo