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default ELECTRÓNICA BÁSICA Curso de Electrónica Básica en InternetTema 1: Fuentes de tensión y de corrienteTema 2: SemiconductoresTema 3: El diodo de uniónTema 4: Circuitos con diodosTema 5: Diodos para aplicaciones especialesTema 6: El transistor de unión bipolar BJTTema 7: Fundamentos de los transistores bipolaresTema 8: Polarización y estabilización del transistor bipolar Autor: Andrés Aranzabal Olea Director de proyecto: Carmelo Alonso González e-mail de contacto: jtpalgoc@sb.ehu.eshttp://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/default.htm (1 de 2)16/02/2005 9:33:35 2.
default DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA Y ELEKTRONIKA ETA TELECOMUNICACIONES TELEKOMUNIKAZIO SAILA Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industri Ingeniaritza Teknikorako Industrial Unibertsitate Eskola EIBAR EIBAR Avda.Otaola, 29 20.600 - EIBAR. España Tfno: (943)033028 / FAX: (943)033110 Otaola Hiribidea, 29 Última actualización: Febrero 2001http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/default.htm (2 de 2)16/02/2005 9:33:35 3.
TEMA1 tema 1 FUENTES DE TENSIÓN Y DE Fuentes de tensión CORRIENTEy de corrienteConceptos básicosFuentes de tensión Los objetivos de este primer tema serán los siguientes:Fuentes de corriente q Conocimiento de las leyes básicas de la electrónica. q Que el usuario sea capaz de definir una fuente ideal de tensión yTeorema de Thévenin una fuente ideal de corriente. q Ser capaz de reconocer una fuente de tensión constante y unaTeorema de Norton fuente de corriente constante. q Aplicación de los teoremas Thévenin y Norton para sustituirlosPaso de circuito frente a una carga resistiva.Thévenin a circuito q Ser capaz de explicar dos características sobre los dispositivos enNorton y de circuito circuito abierto y en cortocircuito. q Conocimiento general de las averías posibles en circuitosNorton a circuito electrónicos.Thévenin q Saber la aproximación necesaria a utilizar en los diferentes análisis.Detección de averías principal/siguienteAproximacionesProblemas http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema1/TEMA1.htm16/02/2005 9:33:36 4.
FUENTES DE TENSIÓN Y DE CORRIENTE FUENTES DE TENSIÓN Y DE CORRIENTELos objetivos de este primer tema serán los siguientes: q Conocimiento de las leyes básicas de la electrónica. q Que el usuario sea capaz de definir una fuente ideal de tensión y una fuente ideal de corriente. q Ser capaz de reconocer una fuente de tensión constante y una fuente de corriente constante. q Aplicación de los teoremas Thévenin y Norton para sustituirlos frente a una carga resistiva. q Ser capaz de explicar dos características sobre los dispositivos en circuito abierto y en cortocircuito. q Conocimiento general de las averías posibles en circuitos electrónicos. q Saber la aproximación necesaria a utilizar en los diferentes análisis. principal/siguiente http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema1/Paginas/Pagina0.htm16/02/2005 9:33:36 5.
Conceptos básicos Conceptos básicosLey de OhmLeyes de KirchhoffLey de Kirchhoff de tensiónesLey de Kirchhoff de corrientesResistenciasResistencias en serieResistencias en paraleloGeneradoresGeneradores de ContinuaGeneradores de AlternaAparatos de mediciónVoltímetroAmperímetroÓhmetroPara el correcto conocimiento de la electrónica es necesario saber algunas leyes y teoremasfundamentales como la Ley de Ohm, las Leyes de Kirchhoff, y otros teoremas de circuitos.Ley de OhmCuando una resistencia es atravesada por una corriente se cumple que: s Donde V es la tensión que se mide en voltios (V). s Donde I es la intensidad de la corriente que atraviesa la resistencia, y que se mide en Amperios (A). s Donde R es la resistencia que se mide en Ohmios (Ω). http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema1/Paginas/Pagina1.htm (1 de 9)16/02/2005 9:33:40 6.
Conceptos básicosLeyes de KirchhoffLey de Kirchhoff de tensionesLa suma de las caídas de tensiones de todos los componentes de una malla cerrada debe ser igual acero. V2 + V3 + V4 - V1 = 0Ley de Kirchhoff de corrientesLa suma de corrientes entrantes en un nodo es igual a la suma de corrientes salientes del nodo. http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema1/Paginas/Pagina1.htm (2 de 9)16/02/2005 9:33:40 7.
Conceptos básicos I1 = I2 + I3 + I4ResistenciasResistencias en serieDos o más resistencias en serie (que les atraviesa la misma intensidad) es equivalente a una únicaresistencia cuyo valor es igual a la suma de las resistencias. RT = R1 + R2Resistencias en paraleloCuando tenemos dos o más resistencias en paralelo (que soportan la misma tensión), pueden sersustituidas por una resistencia equivalente, como se ve en el dibujo:el valor de esa resistencia equivalente (RT) lo conseguimos mediante esta expresión: http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema1/Paginas/Pagina1.htm (3 de 9)16/02/2005 9:33:40 8.
Conceptos básicosGeneradoresGeneradores de ContinuaPueden ser tanto fuentes de corriente como de tensión, y su utilidad es suministrar corriente o tensión,respectivamente de forma continua. Generador de corriente continua Generador de tensión continuaGeneradores de AlternaPueden ser tanto fuentes de corriente como de tensión, y su utilidad es suministrar corrientes otensiones, respectivamente de forma alterna (por ejemplo: de forma senoidal, de forma triangular, deforma cuadrada., etc....). http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema1/Paginas/Pagina1.htm (4 de 9)16/02/2005 9:33:40 9.
Conceptos básicos Generador de corriente alterna Generador de tensión alternaAparatos de medición.Voltímetro.Aparato que mide tensiones eficaces tanto en continua como en alterna, y su colocación es de formaobligatoria en "paralelo" al componente sobre el cual se quiere medir su tensión.Voltímetro de continua dc = direct current (corriente directa, corriente de contínua)Voltímetro de alterna http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema1/Paginas/Pagina1.htm (5 de 9)16/02/2005 9:33:40 10.
Conceptos básicos ac = altern current (corriente alterna)Errores al medir con voltímetrosAl medir con un voltímetro se comete un pequeño error porque dentro del voltímetro hay unresistencia interna (Rint.), que tiene un valor muy grande (se suele aproximar a infinito).Amperímetro.Aparato que mide el valor medio de la corriente, y su colocación es de forma obligatoria en "serie"con el componente del cual se quiere saber la corriente que le atraviesa.Amperímetro de continua http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema1/Paginas/Pagina1.htm (6 de 9)16/02/2005 9:33:40 11.
Conceptos básicosAmperímetro de alternaErrores al medir con amperímetrosComo ocurre con el voltímetro, al medir con le amperímetro se comete un error debido a unaresistencia interna (Rint.) de valor muy pequeño (se suele aproximar a cero). http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema1/Paginas/Pagina1.htm (7 de 9)16/02/2005 9:33:40 12.
Conceptos básicosÓhmetroAparato que mide el valor de las resistencias, y que de forma obligatoria hay que colocar en paraleloal componente estando éste separado del circuito (sin que le atraviese ninguna intensidad). Mideresistencias en Ohmios (Ω).Errores al medir con óhmetrosComo se ha visto anteriormente, todo aparato de medición comete un error que a veces se sueledespreciar, con los óhmetros ocurre lo mismo, aunque se desprecie ese error hay que tener en cuentaque se suele hacer una pequeña aproximación. anterior/principal/siguiente http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema1/Paginas/Pagina1.htm (8 de 9)16/02/2005 9:33:40 13.
Conceptos básicoshttp://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema1/Paginas/Pagina1.htm (9 de 9)16/02/2005 9:33:40 14.
Fuentes de tensión Fuentes de tensiónFuente de tensión idealFuente de tensión realFuente de tensión (aproximadamente) constanteLos circuitos electrónicos deben poseer para su funcionamiento adecuado de al menos una fuente deenergía eléctrica, que debe ser una fuente de tensión o de corriente.Fuente de tensión idealEs una fuente de tensión que produce una tensión de salida constante, es una Fuente de Tensión conResistencia interna cero. Toda la tensión va a la carga RL. http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema1/Paginas/Pagina2.htm (1 de 6)16/02/2005 9:33:42 15.
Fuentes de tensiónFuente de tensión realAlgunos ejemplos de fuentes de tensión reales son: http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema1/Paginas/Pagina2.htm (2 de 6)16/02/2005 9:33:42 16.
Fuentes de tensiónSon las fuentes de tensión que tenemos en la realidad, como ya hemos dicho no existe una fuenteideal de tensión, ninguna fuente real de tensión puede producir una corriente infinita, ya que en todafuente real tiene cierta resistencia interna.Veamos que ocurre en 2 casos, cuando RL vale 10 Ω y cuando vale 5 Ω. http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema1/Paginas/Pagina2.htm (3 de 6)16/02/2005 9:33:42 17.
Fuentes de tensiónAhora la tensión en la carga no es horizontal, esto es, no es ideal como en el caso anterior.Fuente de tensión (aproximadamente) constantePara que una fuente de tensión sea considerada como una "Fuente de tensión constante", se tiene quecumplir que la resistencia interna de la fuente (Rint) no este, esto es que sea despreciable. Para quedespreciemos la Rint se tiene que cumplir: http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema1/Paginas/Pagina2.htm (4 de 6)16/02/2005 9:33:42 18.
Fuentes de tensiónSolo se pierde el 1 % en el peor caso, por lo tanto se está aproximando a la fuente de tensión ideal.Veamos que ocurre en 2 valores diferentes de RL.Resumen q Fuente de tensión ideal es la que tiene una Rint. = 0 y produce en la salida una VL = cte. q Fuente de tensión real es la que tiene una determinada Rint. En esta Rint. hay una pérdida de tensión. El resto de tensión va a la carga que es la que se aprovecha. q Fuente de tensión constante es la que tiene una Rint. <= RL/100. La caída en la Rint. es como mucho el 1 %, aproximadamente a la ideal, que es el 0 %. http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema1/Paginas/Pagina2.htm (5 de 6)16/02/2005 9:33:42 19.
Fuentes de tensiónSi tenemos que comparar dos fuentes de tensión, la mejor será la que tenga una Rint. más pequeña (osea la que más parecida a la ideal, que tiene una Rint. = 0 Ω). anterior/principal/siguiente http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema1/Paginas/Pagina2.htm (6 de 6)16/02/2005 9:33:42 20.
Fuentes de corriente Fuentes de corrienteFuente de corriente idealFuente de corriente realFuente de corriente (aproximadamente) constanteEn el caso anterior de la fuente de tensión había una resistencia interna muy pequeña, pero una fuente decorriente es diferente, tiene una resistencia interna muy grande, así una fuente de corriente produce unacorriente de salida que no depende del valor de la resistencia de carga.Fuente de corriente idealNo existe, es ideal como en el anterior caso de la fuente de tensión ideal..Fuente de corriente real http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema1/Paginas/Pagina3.htm (1 de 4)16/02/2005 9:33:44 21.
Fuentes de corrienteSon las fuentes que existen en la realidad.Veamos que ocurre con los diferentes valores de RL.Con esto vemos que una fuente de corriente funciona mejor cuando su resistencia interna es muy alta,mientras que una fuente de tensión funciona mejor cuando su resistencia interna es muy baja. Laintensidad de carga tiene esta forma: http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema1/Paginas/Pagina3.htm (2 de 4)16/02/2005 9:33:44 22.
Fuentes de corrienteFuente de corriente (aproximadamente) constanteSolo se pierde el 1 % en el peor caso. Con esto nos aproximamos a la fuente de corriente ideal. Veamos2 valores diferentes de RL.Resumen q Fuente de corriente ideal es la que tiene una Rint = 8 y produce en la salida una IL = cte. http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema1/Paginas/Pagina3.htm (3 de 4)16/02/2005 9:33:44 23.
Fuentes de corriente q Fuente de corriente real es la que tiene una determinada Rint. En esta hay pérdida de corriente. El resto de la corriente va a la carga que es la que se aprovecha. q Fuente de corriente constante es la que tiene una Rint >= 100RL. La corriente que se pierde por la Rint es como mucho el 1 %, aproximadamente a la ideal, que es el 0 %.Si tenemos que comparar 2 fuentes de corriente, la mejor será la que tenga una Rint más grande (o sea lamás parecida a la ideal, que tiene una Rint = 8). anterior/principal/siguiente http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema1/Paginas/Pagina3.htm (4 de 4)16/02/2005 9:33:44 24.
Teorema de Thévenin Teorema de ThéveninVamos a dar dos teoremas (Thévenin y Norton) que nos van a servir para hacer más fácil (simplificar) la resolución delos circuitos.a) Calcular la IL cuando RL = 1,5 kΩ.b) Calcular la IL cuando RL = 3 kΩ.c) Calcular la IL cuando RL = 4,5 kΩ. q Ley de Kirchhoff de tensiones.a)b) http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema1/Paginas/Pagina4.htm (1 de 4)16/02/2005 9:33:46 25.
Teorema de Théveninc) q Thévenin. 1. Quitar la carga RL. 2. Hacemos mallas y calculamos Vth: 3. Cortocircuitar las fuentes de tensión independientes y abrir las fuentes de corriente independientes. 4. Unir la carga al circuito equivalente conseguido. http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema1/Paginas/Pagina4.htm (2 de 4)16/02/2005 9:33:46 26.
Teorema de ThéveninAhora aplicando Thévenin es mucho más fácil resolver el problema que teníamos.a)b)c)Ejemplo: Calcular el equivalente de Thévenin del siguiente circuito: http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema1/Paginas/Pagina4.htm (3 de 4)16/02/2005 9:33:46 27.
Teorema de Thévenin 1. 2. 3. 4. anterior/principal/siguientehttp://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema1/Paginas/Pagina4.htm (4 de 4)16/02/2005 9:33:46 28.
Teorema de Norton Teorema de NortonEste teorema esta muy relacionado con el Teorema de Thévenin. Resolveremos el problema anterior usando el teoremade Norton.a) Calcular la IL cuando RL = 1,5 kΩ.b) Calcular la IL cuando RL = 3 kΩ.c) Calcular la IL cuando RL = 4,5 kΩ. q Norton. 1. Quitar la carga RL y poner un cortocircuito (RL = 0). 2. Hacemos mallas y calculamos Vth: 3. Cortocircuitar las fuentes de tensión independientes y abrir las fuentes de corriente independientes. 4. Unir la carga al circuito equivalente conseguido. http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema1/Paginas/Pagina5.htm (1 de 3)16/02/2005 9:33:47 29.
Teorema de NortonAhora aplicando Thévenin es mucho más fácil resolver el problema que teníamos.a)b)c) http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema1/Paginas/Pagina5.htm (2 de 3)16/02/2005 9:33:47 30.
Teorema de Norton anterior/principal/siguientehttp://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema1/Paginas/Pagina5.htm (3 de 3)16/02/2005 9:33:47 31.
Paso de circuito Th a N y de N a Th Paso de circuito Thévenin a circuito Norton y de circuito Norton a circuito ThéveninPaso de circuito Thévenin a circuito NortonPaso de circuito Norton a circuito ThéveninComo se ha dicho anteriormente los teoremas de Thénenin y Norton están relacionados, así se puedepasar de uno a otro.Paso de circuito Thévenin a circuito NortonTenemos el circuito siguiente:Cortocircuitamos la carga (RL) y obtenemos el valor de la intensidad Norton, la RN es la misma quela RTh.Paso de circuito Norton a circuito Thévenin http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema1/Paginas/Pagina6.htm (1 de 2)16/02/2005 9:33:49 32.
Paso de circuito Th a N y de N a ThTenemos este circuito:Abrimos la carga (RL) y calculamos la VTh, la RTh es la misma que la RN. anterior/principal/siguiente http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema1/Paginas/Pagina6.htm (2 de 2)16/02/2005 9:33:49 33.
Detección de averias Detección de averíasCortocircuitoCircuito abiertose trata de descubrir porque el circuito no funciona como debería. Los 2 tipos de averías máscomunes son: dispositivo en cortocircuito y dispositivo en circuito abierto.CortocircuitoSus características son: s La tensión es cero en el dispositivo. s La corriente es desconocida.Una resistencia puede estar en cortocircuito si, por ejemplo, durante durante el horneado y soldadurade una tarjeta de circuito impreso, se cae una gota de soldadura y conecta 2 pistas cercanas, es un"Puente de Soldadura", esto es, cortocircuitar un dispositivo entre 2 pistas.Hay que mirar en el resto del circuito para calcular la I. http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema1/Paginas/Pagina7.htm (1 de 4)16/02/2005 9:33:54 34.
Detección de averiasCircuito abiertoSe dan estas 2 características. s La corriente es cero a través del dispositivo. s La tensión es desconocida.En circuitos impresos una mala soldadura significa la no conexión normalmente, esto es una "Uniónde Soldadura Fría" y significa que el dispositivo está en circuito abierto.Las resistencias se convierten en circuitos abiertos cuando la potencia que disipan es excesiva.Ejemplo: http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema1/Paginas/Pagina7.htm (2 de 4)16/02/2005 9:33:54 35.
Detección de averiasPrimeramente no hay ninguna avería, hacemos el equivalente.De esa tensión VA la mitad se disipa en la resistencia entre B y D de 100 kΩ y la otra mitad en laresistencia entre A y B de 100 kΩ.Para detectar averías no hace falta hacer unos cálculos tan exactos, entonces tendríamos de formaaproximada VA = 6 V y VB = 3 V.R1 en Cortocircuito: http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema1/Paginas/Pagina7.htm (3 de 4)16/02/2005 9:33:54 36.
Detección de averiasR1 en Circuito Abierto:R2 en Circuito Abierto: anterior/principal/siguiente http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema1/Paginas/Pagina7.htm (4 de 4)16/02/2005 9:33:54 37.
Aproximaciones AproximacionesPara facilitar los cálculos se hacen aproximaciones, ya que hay ciertos valores que se puedendespreciar respecto a otros y que no influyen en gran medida en el resultado final, variándolo en unporcentaje muy pequeño respecto al resultado real. Las aproximaciones vistas hasta ahora son:Mas adelante estudiaremos el diodo y el transistor y veremos que en estos 2 dispositivos también seusan 3 aproximaciones. anterior/principal/siguiente http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema1/Paginas/Pagina8.htm16/02/2005 9:33:55 38.
Problemas ProblemasProblema 1.1Problema 1.2Problema 1.3Problema 1.4En este último apartado de este tema se resolverán algunos problemas relacionados con lo vistoanteriormente.Problema 1.1En la figura se muestra una fuente de corriente de 2 mA con una resistencia de carga ajustable.Para que la fuente de corriente sea constante, ¿cuál el el máximo valor aceptable para laresistencia de carga?Solución:La fuente de corriente es constante cuando la resistencia de carga máxima permisible vale:La corriente por la carga será aproximadamente de 3 mA para cualquier resistencia de carga entre 0 y150 kΩ. Mientras la resistencia de carga sea menor que 150 kΩ, podemos ignorar la resistenciainterna de 15 MΩ y considerar que la fuente de corriente es ideal. http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema1/Paginas/Pagina9.htm (1 de 5)16/02/2005 9:33:56 39.
ProblemasProblema 1.2En la figura se muestra un circuito Thévenin. Conviértalo en un circuito Norton.Solución:En primer lugar, se cortocircuitarán los terminales de carga, como se muestra en la figura:Con esto se calculará la corriente por la carga en este circuito, que es:Esta corriente de carga en cortocircuito es igual a la corriente de Norton. La resistencia Norton esigual a la resistencia Thévenin:Ahora se dibuja el circuito Norton. http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema1/Paginas/Pagina9.htm (2 de 5)16/02/2005 9:33:56 40.
ProblemasLa corriente Norton es igual a la corriente con la carga en cortocircuito (5 mA) y la resistenciaNorton es igual a la resistencia Thévenin (3 kΩ).Problema 1.3Diseñar un divisor de tensión para el circuito de la figura que genere una tensión fija de 10 Vpara todas las resistencias de carga mayores que 1 MW.Solución:Se estudian los casos extremos para determinar los valores de las resistencias R1 y R2. http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema1/Paginas/Pagina9.htm (3 de 5)16/02/2005 9:33:56 41.
ProblemasProblema 1.4Sólo con una pila D, un polímetro y una caja con varias resistencias, describa un métodomediante el cual, empleando una resistencia, halle la resistencia Thévenin de la pila.Solución: http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema1/Paginas/Pagina9.htm (4 de 5)16/02/2005 9:33:56 42.
ProblemasCon estos 2 valores obtenemos el valor de la resistencia Thévenin.Esta fórmula se suele utilizar para calcular Zi, Zo y Z vista desde dos puntos. Es una fórmula muyimportante. anterior/principal/siguiente http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema1/Paginas/Pagina9.htm (5 de 5)16/02/2005 9:33:56 43.
TEMA2 tema 2 SEMICONDUCTORES SemiconductoresConductoresSemiconductores Antes de ver el funcionamiento de Diodos, Transistores y circuitos integrados, estudiaremos los materiales Semiconductores. Estos, que noCristales de silicio son ni conductores ni aislantes, tienen electrones libres, pero lo que les caracteriza especialmente son los huecos.Semiconductores En este tema, veremos los conceptos y propiedades más importantes deintrínsecos los Semiconductores.Dopado de un Los objetivos de este tema son:semiconductor q Conocer las características de los semiconductores y conductoresSemiconductores a nivel atómico.extrínsecos q Ser capaz de describir la estructura de un cristal de Silicio. q Saber cuales son y como se comportan los dos tipos deEl diodo no portadores y sus impurezas.polarizado q Ser capaz de explicar las condiciones que se dan en la unión pn sin polarizar, polarizada en directa y polarizada en inversa. q Conocer los dos tipos de corrientes de ruptura provocados por laPolarización aplicación sobre un diodo de gran voltaje en inversa.directa anterior/principal/siguientePolarizacióninversaRupturaNiveles y bandasde energíaLa barrera deenergíaCorrientes enun diodo enpolarizacióninversa http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/TEMA2.htm (1 de 2)16/02/2005 9:33:57 44.
TEMA2Problemas http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/TEMA2.htm (2 de 2)16/02/2005 9:33:57 45.
SEMICONDUCTORES SEMICONDUCTORESAntes de ver el funcionamiento de Diodos, Transistores y circuitos integrados, estudiaremos losmateriales Semiconductores. Estos, que no son ni conductores ni aislantes, tienen electrones libres,pero lo que les caracteriza especialmente son los huecos.En este tema, veremos los conceptos y propiedades más importantes de los Semiconductores.Los objetivos de este tema son: q Conocer las características de los semiconductores y conductores a nivel atómico. q Ser capaz de describir la estructura de un cristal de Silicio. q Saber cuales son y como se comportan los dos tipos de portadores y sus impurezas. q Ser capaz de explicar las condiciones que se dan en la unión pn sin polarizar, polarizada en directa y polarizada en inversa. q Conocer los dos tipos de corrientes de ruptura provocados por la aplicación sobre un diodo de gran voltaje en inversa. anterior/principal/siguiente http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/Paginas/Pagina0.htm16/02/2005 9:33:57 46.
Conductores ConductoresUn conductor es un material que, en mayor o menor medida, conduce el calor y la electricidad. Sonbuenos conductores los metales y malos, el vidrio, la madera, la lana y el aire.NOTA: Definimos la unidad de carga +1 como +1,6·10-19 culombios. Así un electrón tiene una carga-1 equivalente a -1,6·10-19 culombios.El conductor más utilizado y el que ahora analizaremos es el Cobre (valencia 1), que es un buenconductor. Su estructura atómica la vemos en la siguiente figura.Su número atómico es 29. Esto significa que en el núcleo hay 29 protones (cargas positivas) ygirando alrededor de él hay 29 electrones girando en diferentes órbitas.En cada órbita caben 2n2 siendo n un número entero n = 1, 2, 3, ... Así en la primera órbita (n = 1)caben 212 = 2 electrones. En la segunda órbita 2·22 = 8 electrones. En la tercera órbita 2·32 = 18electrones. Y la cuarta órbita solo tiene 1 electrón aunque en ella caben 2·42 = 32 electrones.Lo que interesa en electrónica es la órbita exterior, que es la que determina las propiedades delátomo. Como hay + 29 y - 28, queda con + 1. http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/Paginas/Pagina1.htm (1 de 4)16/02/2005 9:33:59 47.
ConductoresPor ello vamos a agrupar el núcleo y las órbitas internas, y le llamaremos parte interna. En el átomode cobre la parte interna es el núcleo (+ 29) y las tres primeras órbitas (- 28), con lo que nos queda laparte interna con una carga neta de +1.Como el electrón de valencia es atraído muy débilmente por la parte interna, una fuerza externapuede liberarlo fácilmente, por eso es un buen Conductor. Nos referiremos a ese electrón de valencia,como electrón libre.Lo que define a un buen conductor es el hecho de tener un solo electrón en la órbita de valencia(valencia 1).Así, tenemos que: q A 0 ºK (-273 ºC) un metal no conduce. q A Temperatura ambiente 300 ºK ya hay electrones libres debidos a la energía térmica.- Si tenemos un campo eléctrico aplicado los electrones libres se mueven en todas direcciones. Comoel movimiento es al azar, es posible que muchos electrones pasen por unidad de área en unadeterminada dirección y a la vez en la dirección opuesta. Por lo tanto la corriente media es cero.- Veamos ahora como cambia la situación, si se aplica al metal un campo eléctrico. http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/Paginas/Pagina1.htm (2 de 4)16/02/2005 9:33:59 48.
ConductoresLos electrones libres se mueven ahora en una dirección concreta. Y por lo tanto ya hay carga (enculombios) que cruza la sección del metal en un segundo, o sea ya existe una corriente.Como ya conocemos, el electrón tiene una carga negativa (-1,619-19 culombios) y por tanto elconvenio tomado para definir la corriente (contrario al movimiento de las cargas negativas) nosindica que la corriente toma el sentido indicado en la figura.El electrón se mueve dentro de la red cristalina del metal con una velocidad media.La resistencia que opone la barra de metal al paso de la corriente la podemos calcular de la siguienteforma: http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/Paginas/Pagina1.htm (3 de 4)16/02/2005 9:33:59 49.
Conductores anterior/principal/siguientehttp://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/Paginas/Pagina1.htm (4 de 4)16/02/2005 9:33:59 50.
Semiconductores SemiconductoresSon elementos, como el germanio y el silicio, que a bajas temperaturas son aislantes. Pero a medidaque se eleva la temperatura o bien por la adicción de determinadas impurezas resulta posible suconducción. Su importancia en electrónica es inmensa en la fabricación de transistores, circuitosintegrados, etc...Los semiconductores tienen valencia 4, esto es 4 electrones en órbita exterior ó de valencia. Losconductores tienen 1 electrón de valencia, los semiconductores 4 y los aislantes 8 electrones devalencia.Los 2 semiconductores que veremos serán el Silicio y el Germanio: http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/Paginas/Pagina2.htm (1 de 2)16/02/2005 9:34:00 51.
SemiconductoresComo vemos los semiconductores se caracterizan por tener una parte interna con carga + 4 y 4electrones de valencia. anterior/principal/siguiente http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/Paginas/Pagina2.htm (2 de 2)16/02/2005 9:34:00 52.
Cristales de Silicio Cristales de silicio SimulaciónAl combinarse los átomos de Silicio para formar un sólido, lo hacen formando una estructuraordenada llamada cristal. Esto se debe a los "Enlaces Covalentes", que son las uniones entre átomosque se hacen compartiendo electrones adyacentes de tal forma que se crea un equilibrio de fuerzasque mantiene unidos los átomos de Silicio.Vamos a representar un cristal de silicio de la siguiente forma:Cada átomo de silicio comparte sus 4 electrones de valencia con los átomos vecinos, de tal maneraque tiene 8 electrones en la órbita de valencia, como se ve en la figura.La fuerza del enlace covalente es tan grande porque son 8 los electrones que quedan ( aunque seancompartidos ) con cada átomo, gracias a esta característica los enlaces covalentes son de una gransolidez. http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/Paginas/Pagina3.htm (1 de 4)16/02/2005 9:34:01 53.
Cristales de SilicioLos 8 electrones de valencia se llaman electrones ligados por estar fuertemente unidos en los átomos.El aumento de la temperatura hace que los átomos en un cristal de silicio vibren dentro de él, a mayortemperatura mayor será la vibración. Con lo que un electrón se puede liberar de su órbita, lo que dejaun hueco, que a su vez atraerá otro electrón, etc...A 0 ºK, todos los electrones son ligados. A 300 ºK o más, aparecen electrones libres.Esta unión de un electrón libre y un hueco se llama "recombinación", y el tiempo entre la creación ydesaparición de un electrón libre se denomina "tiempo de vida". http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/Paginas/Pagina3.htm (2 de 4)16/02/2005 9:34:01 54.
Cristales de Silicio Enlace covalente roto: Es cuando tenemos un hueco, esto es una generación de pares electrón libre-hueco.Según un convenio ampliamente aceptado tomaremos la dirección de la corriente como contraria a ladirección de los electrones libres.SimulaciónEn este applet podemos ver mediante una animación el comportamiento de los electrones en uncristal de silicio. Los electrones libres (electrones) se mueven hacia la izquierda ocupando el lugar del hueco. Carga del electrón libre = -1.6x10-19 Culombios. Los electrones ligados (huecos) se mueven hacia la derecha. Carga de electrón ligado = +1.6x10-19 Culombios.Semiconductores: Conducen los electrones (electrones libres) y los huecos (electrones ligados).Conductores: Conducen los electrones libres.Resumiendo: Dentro de un cristal en todo momento ocurre esto: q Por la energía térmica se están creando electrones libres y huecos. q Se recombinan otros electrones libres y huecos. q Quedan algunos electrones libres y huecos en un estado intermedio, en el que han sido creados y todavía no se han recombinado. anterior/principal/siguiente http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/Paginas/Pagina3.htm (3 de 4)16/02/2005 9:34:01 55.
Cristales de Siliciohttp://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/Paginas/Pagina3.htm (4 de 4)16/02/2005 9:34:01 56.
Semiconductores intrínsecos Semiconductores intrínsecos SimulaciónEs un semiconductor puro. A temperatura ambiente se comporta como un aislante porque solo tieneunos pocos electrones libres y huecos debidos a la energía térmica.En un semiconductor intrínseco también hay flujos de electrones y huecos, aunque la corriente totalresultante sea cero. Esto se debe a que por acción de la energía térmica se producen los electroneslibres y los huecos por pares, por lo tanto hay tantos electrones libres como huecos con lo que lacorriente total es cero.La tensión aplicada en la figura forzará a los electrones libres a circular hacia la derecha (del terminalnegativo de la pila al positivo) y a los huecos hacia la izquierda.SimulaciónEn este applet podemos ver mediante una animación en que dirección se mueven los electrones y loshuecos en un semiconductor intrínseco.Cuando los electrones libres llegan la extremo derecho del cristal, entran al conductor externo(normalmente un hilo de cobre) y circulan hacia el terminal positivo de la batería. Por otro lado, loselectrones libres en el terminal negativo de la batería fluirían hacia el extremos izquierdo del cristal.Así entran en el cristal y se recombinan con los huecos que llegan al extremo izquierdo del cristal. Seproduce un flujo estable de electrones libres y huecos dentro del semiconductor. anterior/principal/siguiente http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/Paginas/Pagina4.htm16/02/2005 9:34:02 57.
Dopado de un Semiconductor Dopado de un semiconductorCaso 1Caso 2Para aumentar la conductividad (que sea más conductor) de un SC (Semiconductor), se le suele doparo añadir átomos de impurezas a un SC intrínseco, un SC dopado es un SC extrínseco.Caso 1Impurezas de valencia 5 (Arsénico, Antimonio, Fósforo). Tenemos un cristal de Silicio dopado conátomos de valencia 5.Los átomo de valencia 5 tienen un electrón de más, así con una temperatura no muy elevada (atemperatura ambiente por ejemplo), el 5º electrón se hace electrón libre. Esto es, como solo se puedentener 8 electrones en la órbita de valencia, el átomo pentavalente suelta un electrón que será libre. http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/Paginas/Pagina5.htm (1 de 3)16/02/2005 9:34:04 58.
Dopado de un SemiconductorSiguen dándose las reacciones anteriores. Si metemos 1000 átomos de impurezas tendremos 1000electrones más los que se hagan libres por generación térmica (muy pocos).A estas impurezas se les llama "Impurezas Donadoras". El número de electrones libres se llama n(electrones libres/m3).Caso 2Impurezas de valencia 3 (Aluminio, Boro, Galio). Tenemos un cristal de Silicio dopado con átomosde valencia 3.Los átomo de valencia 3 tienen un electrón de menos, entonces como nos falta un electrón tenemosun hueco. Esto es, ese átomo trivalente tiene 7 electrones en la orbita de valencia. Al átomo devalencia 3 se le llama "átomo trivalente" o "Aceptor". http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/Paginas/Pagina5.htm (2 de 3)16/02/2005 9:34:04 59.
Dopado de un SemiconductorA estas impurezas se les llama "Impurezas Aceptoras". Hay tantos huecos como impurezas devalencia 3 y sigue habiendo huecos de generación térmica (muy pocos). El número de huecos sellama p (huecos/m3). anterior/principal/siguiente http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/Paginas/Pagina5.htm (3 de 3)16/02/2005 9:34:04 60.
Semiconductores extrínsecos Semiconductores extrínsecosSemiconductor tipo nSemiconductor tipo pSon los semiconductores que están dopados, esto es que tienen impurezas. Hay 2 tipos dependiendode que tipo de impurezas tengan:Semiconductor tipo nEs el que está impurificado con impurezas "Donadoras", que son impurezas pentavalentes. Como loselectrones superan a los huecos en un semiconductor tipo n, reciben el nombre de "portadoresmayoritarios", mientras que a los huecos se les denomina "portadores minoritarios".Al aplicar una tensión al semiconductor de la figura, los electrones libres dentro del semiconductor semueven hacia la izquierda y los huecos lo hacen hacia la derecha. Cuando un hueco llega al extremoderecho del cristal, uno de los electrones del circuito externo entra al semiconductor y se recombinacon el hueco.Los electrones libres de la figura circulan hacia el extremo izquierdo del cristal, donde entran alconductor y fluyen hacia el positivo de la batería.Semiconductor tipo pEs el que está impurificado con impurezas "Aceptoras", que son impurezas trivalentes. Como elnúmero de huecos supera el número de electrones libres, los huecos son los portadores mayoritarios ylos electrones libres son los minoritarios.Al aplicarse una tensión, los electrones libres se mueven hacia la izquierda y los huecos lo hacen http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/Paginas/Pagina6.htm (1 de 2)16/02/2005 9:34:05 61.
Semiconductores extrínsecoshacia la derecha. En la figura, los huecos que llegan al extremo derecho del cristal se recombinan conlos electrones libres del circuito externo.En el circuito hay también un flujo de portadores minoritarios. Los electrones libres dentro delsemiconductor circulan de derecha a izquierda. Como hay muy pocos portadores minoritarios, suefecto es casi despreciable en este circuito. anterior/principal/siguiente http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/Paginas/Pagina6.htm (2 de 2)16/02/2005 9:34:05 62.
El diodo no polarizado El diodo no polarizadoZona de deplexiónBarrera de potencialLos semiconductores tipo p y tipo n separados no tienen mucha utilidad, pero si un cristal se dopa detal forma que una mitad sea tipo n y la otra mitad de tipo p, esa unión pn tiene unas propiedades muyútiles y entre otras cosas forman los "Diodos".El átomo pentavalente en un cristal de silicio (Si) produce un electrón libre y se puede representarcomo un signo "+" encerrado en un circulo y con un punto relleno (que sería el electrón) al lado.El átomo trivalente sería un signo "-" encerrado en un circulo y con un punto sin rellenar al lado (quesimbolizaría un hueco).Entonces la representación de un SC tipo n sería:Y la de un SC tipo p: http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/Paginas/Pagina7.htm (1 de 3)16/02/2005 9:34:06 63.
El diodo no polarizadoLa unión de las regiones p y n será:Al juntar las regiones tipo p y tipo n se crea un "Diodo de unión" o "Unión pn".Zona de deplexiónAl haber una repulsión mutua, los electrones libres en el lado n se dispersan en cualquier dirección.Algunos electrones libres se difunden y atraviesan la unión, cuando un electrón libre entra en laregión p se convierte en un portador minoritario y el electrón cae en un hueco, el hueco desaparece yel electrón libre se convierte en electrón de valencia. Cuando un electrón se difunde a través de launión crea un par de iones, en el lado n con carga positiva y en el p con carga negativa.Las parejas de iones positivo y negativo se llaman dipolos, al aumentar los dipolos la región cerca dela unión se vacía de portadores y se crea la llamada "Zona de deplexión".Barrera de potencialLos dipolos tienen un campo eléctrico entre los iones positivo y negativo, y al entrar los electroneslibres en la zona de deplexión, el campo eléctrico trata de devolverlos a la zona n. La intensidad del http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/Paginas/Pagina7.htm (2 de 3)16/02/2005 9:34:06 64.
El diodo no polarizadocampo eléctrico aumenta con cada electrón que cruza hasta llegar al equilibrio.El campo eléctrico entre los iones es equivalente a una diferencia de potencial llamada "Barrera dePotencial" que a 25 ºC vale: s 0.3 V para diodos de Ge. s 0.7 V para diodos de Si.Polarizar: Poner una pila.No polarizado: No tiene pila, circuito abierto o en vacío.z.c.e.: Zona de Carga Espacial o zona de deplexión (W). anterior/principal/siguiente http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/Paginas/Pagina7.htm (3 de 3)16/02/2005 9:34:06 65.
Polarización directa Polarización directaSi el terminal positivo de la fuente está conectado al material tipo p y el terminal negativo de lafuente está conectado al material tipo n, diremos que estamos en "Polarización Directa".La conexión en polarización directa tendría esta forma:En este caso tenemos una corriente que circula con facilidad, debido a que la fuente obliga a que loselectrones libres y huecos fluyan hacia la unión. Al moverse los electrones libres hacia la unión, secrean iones positivos en el extremo derecho de la unión que atraerán a los electrones hacia el cristaldesde el circuito externo.Así los electrones libres pueden abandonar el terminal negativo de la fuente y fluir hacia el extremoderecho del cristal. El sentido de la corriente lo tomaremos siempre contrario al del electrón.Lo que le sucede al electrón: Tras abandonar el terminal negativo de la fuente entra por el extremo http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/Paginas/Pagina8.htm (1 de 2)16/02/2005 9:34:07 66.
Polarización directaderecho del cristal. Se desplaza a través de la zona n como electrón libre.En la unión se recombina con un hueco y se convierte en electrón de valencia. Se desplaza a través dela zona p como electrón de valencia. Tras abandonar el extremo izquierdo del cristal fluye al terminalpositivo de la fuente. anterior/principal/siguiente http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/Paginas/Pagina8.htm (2 de 2)16/02/2005 9:34:07 67.
Polarización inversa Polarización inversaSe invierte la polaridad de la fuente de continua, el diodo se polariza en inversa, el terminal negativode la batería conectado al lado p y el positivo al n, esta conexión se denomina "Polarización Inversa".En la siguiente figura se muestra una conexión en inversa:El terminal negativo de la batería atrae a los huecos y el terminal positivo atrae a los electrones libres,así los huecos y los electrones libres se alejan de la unión y la z.c.e. se ensancha.A mayor anchura de la z.c.e. mayor diferencia de potencial, la zona de deplexión deja de aumentarcuando su diferencia de potencial es igual a la tensión inversa aplicada (V), entonces los electrones yhuecos dejan de alejarse de la unión.A mayor la tensión inversa aplicada mayor será la z.c.e. http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/Paginas/Pagina9.htm (1 de 2)16/02/2005 9:34:08 68.
Polarización inversaExiste una pequeña corriente en polarización inversa, porque la energía térmica crea continuamentepares electrón-hueco, lo que hace que halla pequeñas concentraciones de portadores minoritarios aambos lados, la mayor parte se recombina con los mayoritarios pero los que están en la z.c.e. puedenvivir lo suficiente para cruzar la unión y tenemos así una pequeña corriente.La zona de deplexión empuja a los electrones hacia la derecha y el hueco a la izquierda, se crea asíuna la "Corriente Inversa de Saturación"(IS) que depende de la temperatura.Además hay otra corriente "Corriente Superficial de Fugas" causada por las impurezas del cristal ylas imperfecciones en su estructura interna. Esta corriente depende de la tensión de la pila (V ó VP).Entonces la corriente en inversa (I ó IR) será la suma de esas dos corrientes: anterior/principal/siguiente http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/Paginas/Pagina9.htm (2 de 2)16/02/2005 9:34:08 69.
Ruptura RupturaEfecto AvalanchaEfecto ZenerLos diodos admiten unos valores máximos en las tensiones que se les aplican, existe un límite para latensión máxima en inversa con que se puede polarizar un diodo sin correr el riesgo de destruirlo.Veamos un ejemplo:A la tensión en la que la IR aumenta de repente, se le llama "Tensión de Ruptura" (VRuptura). A partirde este valor IR es muy grande y el diodo se estropea. En el diodo ha ocurrido el "Efecto Avalancha"o "Ruptura por Avalancha". Efecto Avalancha = Ruptura por Avalancha = Multiplicación por AvalanchaEfecto Avalancha http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/Paginas/Pagina10.htm (1 de 4)16/02/2005 9:34:09 70.
RupturaAumenta la tensión inversa y con ella la z.c.e..Ocurre lo siguiente dentro del diodo:Justo en el límite antes de llegar a Ruptura, la pila va acelerando a los electrones. Y estos electronespueden chocar con la red cristalina, con los enlaces covalentes. Choca el electrón y rebota, pero aVRuptura la velocidad es muy grande y por ello la E es tan grande que al chocar cede energía al celectrón ligado y lo convierte en libre. El electrón incidente sale con menos velocidad que antes delchoque. O sea, de un electrón libre obtenemos dos electrones libres.Estos 2 electrones se aceleran otra vez, pueden chocar contra otro electrón de un enlace covalente,ceden su energía... y se repite el proceso y se crea una Multiplicación por Avalancha.Y ahora IR ha aumentado muchísimo, tenemos una corriente negativa y muy grande (-100 mA). Conesta intensidad el diodo se estropea porque no está preparado para trabajar a esa IR.Efecto ZenerEste es otro efecto que puede estropear el diodo, y es muy parecido al anterior. Se suele dar en diodosmuy impurificados, diodos con muchas impurezas. http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/Paginas/Pagina10.htm (2 de 4)16/02/2005 9:34:09 71.
RupturaAl tener la z.c.e. muy pequeña y seguimos teniendo la misma tensión (0.7 V), tenemos muy juntos losátomos de impurezas teniendo así más carga en menos espacio.En esta situación se crea un campo eléctrico muy intenso. Y el efecto es como la carga de uncondensador.Si se polariza en inversa se ensancha la z.c.e.¿Qué ocurre en la z.c.e.? http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/Paginas/Pagina10.htm (3 de 4)16/02/2005 9:34:09 72.
RupturaA aumentado mucho E (Campo Eléctrico), por ejemplo para los 3 V llega a 300.000 V/cm y se da el"Efecto Zener": Ahora la F, fuerza debida al campo eléctrico, es capaz de arrancar el electrón y lohace libre. Este campo eléctrico intenso arranca muchos electrones de esta forma dando lugar a unacorriente grande que destruye el Diodo.Veamos en que diodos se dan estos 2 efectos: q Efecto Avalancha (Ruptura por avalancha) r Diodo Rectificador VR = - 50 V (tensiones grandes). r Diodo de Avalancha VR = - 6 V, - 7 V, - 8 V... A veces le llama Diodo Zener aunque no sea un Zener en si. s Efecto Zener (Ruptura Zener) r Diodo Zener VR = - 4 V, - 3 V, - 2 V... A veces puede ocurrir este efecto en otro tipo de diodos que no sean Zener, pero tienen que estar muy impurificados. Los Diodos Zener están especialmente preparados para no estropearse.Entre - 4 V y - 6 V se pueden dar los 2 fenómenos a la vez (Avalancha y Zener). anterior/principal/siguiente http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/Paginas/Pagina10.htm (4 de 4)16/02/2005 9:34:09 73.
Niveles y bandas de energía Niveles y bandas de energíaBandas de Energía en un Semiconductor IntrínsecoBandas de Energía en un Semiconductor tipo nBandas de Energía en un Semiconductor tipo pLas ideas y los conceptos vistos anteriormente los analizaremos ahora desde un punto de vistaenergético.Hablar de Radios y de Energías es lo mismo. Cuanto mayor sea el radio mayor será también laenergía.Existen diversas maneras de darle energía a un electrón, por: q Energía Térmica. q Energía Luminosa (fotón E = h x f). q Campo Eléctrico. q etc...Si se le da energía a un electrón para que pase de E1 a E2, este electrón puede pasar de una orbita aotra. http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/Paginas/Pagina11.htm (1 de 6)16/02/2005 9:34:11 74.
Niveles y bandas de energíaEse electrón vuelve enseguida, al volver tiene que ceder o soltar la energía. Puede hacerlo de 2formas: q Al volver sale un fotón de luz: E2 - E1 = h x f Una aplicación de esta característica se ve en los Diodos Led, que dependiendo de las energíastendrán diferentes colores, y también pueden soltar fotones invisibles a frecuencias en las que la vistano puede captarlas. q También se suelta energía en forma de calor, energía térmica (calentamiento del diodo).Las energías las representaremos gráficamente de esta manera:Hasta ahora hemos visto un átomo aislado, pero en un cristal tenemos que aplicar el "Principio deExclusión de Pauli":"En un sistema electrónico no puede haber 2 electrones con los mismos números cuánticos".Esto es, que no puede haber 2 electrones con la misma energía.Bandas de Energía en un Semiconductor IntrínsecoAnteriormente hemos visto que los semiconductores intrínsecos eran aquellos que no teníanimpurezas, esto es, todos son átomos de Si. http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/Paginas/Pagina11.htm (2 de 6)16/02/2005 9:34:11 75.
Niveles y bandas de energíaAl aplicar el principio de exclusión de Pauli el electrón de energía E1 de un átomo y el electrón deenergía E1 del átomo vecino se han de separar en energía. Como hay una gran cantidad de átomosaparecen muchos niveles energéticos con una separación muy pequeña, formando la 1ª Banda deEnergía.Los electrones de energía E2 se separan en energía formando la 2ª Banda de Energía.Y así sucesivamente con el resto de energías se van creando Bandas de Energía (grupos de nivelesenergéticos). El resultado es el siguiente:Como es difícil sacar un electrón de las bandas inferiores, no nos interesan las 2 bandas inferiores, nolas tendremos en cuenta, así tendríamos: http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/Paginas/Pagina11.htm (3 de 6)16/02/2005 9:34:11 76.
Niveles y bandas de energíaEstas 2 bandas son las creadas por los 4 electrones de la última órbita del átomo.A 0 ºK los 4 electrones de cada átomo están en la Banda de Valencia (cada uno en un radio o energíapermitido).BC = Banda de ConducciónBV = Banda de ValenciaA 300 ºK (27 ºC, temperatura ambiente) o a mayor temperatura, algún electrón puede conseguirsuficiente energía como para pasar a la Banda de Conducción, dejando así un hueco en la Banda deValencia. http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/Paginas/Pagina11.htm (4 de 6)16/02/2005 9:34:11 77.
Niveles y bandas de energíaRecordar que a esto le llamábamos Generación Térmica de Pares electrón libre-hueco. Cuanto másaumente la temperatura, más electrones suben debido a la generación térmica.Por eso un semiconductor a 0 ºK no conduce y si aumenta la temperatura conduce más. Ahoraveremos que es lo que ocurre con los semiconductores con impurezas.Bandas de Energía en un Semiconductor tipo nTenemos muy pocos átomos de impurezas (+5) en comparación con los átomos normales de Silicio(+4).Como se impurifica muy poco, los átomos de +5 están muy alejados y no se influyen entre si,pudiendo tener electrones de átomos diferentes la misma energía y por lo tanto están todos al mismonivel. Esa energía que tienen se llama "Energía del átomo Donador" (ED).En cuanto se le de una pequeña energía los electrones suben a la BC y se convierten en libres. http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/Paginas/Pagina11.htm (5 de 6)16/02/2005 9:34:11 78.
Niveles y bandas de energíaTambién se da la generación térmica (generación de pares hueco-electrón), pero lo que más ocurre esdebido a las impurezas y muy poco por generación térmica, por lo que despreciaremos esta última.Bandas de Energía en un Semiconductor tipo pEn este caso las impurezas son átomos de +3, y como en el caso anterior hay muy pocos y están muyalejados por lo que los electrones de átomos diferentes están al mismo nivel energético. Esa energíaes la "Energía del átomo Aceptor" (EA).A 300 ºK o más, el electrón cercano a EA sube desde la BV y deja un hueco en la BV mientras que laEA se llena de electrones. Se sigue dando generación térmica también, pero como antes esdespreciable. anterior/principal/siguiente http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/Paginas/Pagina11.htm (6 de 6)16/02/2005 9:34:11 79.
La barrera de energía La barrera de energíaAntes de la DifusiónEmpieza la Difusión y la RecombinaciónEquilibrioPolarización DirectaPolarización InversaPara poder comprender como funcionan los dispositivos semiconductores, es necesario conocer elmodo en que los niveles de energía controlan la acción de una unión pn.Ahora se verá como se forma la barrera de potencial de 0.7 V en el diodo. Veremos 5 puntos: q Antes de la difusión q Empieza la difusión y la recombinación q Equilibrio q Polarización Directa q Polarización InversaAntes de la DifusiónZona p y n antes de unirse:Instante inicial en que se juntan. Instante cero, todavía no ha habido difusión: http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/Paginas/Pagina12.htm (1 de 7)16/02/2005 9:34:13 80.
La barrera de energía¿ Porqué están más altas una bandas en p que en n ?Las órbitas de la zona p son más pequeñas y por lo tanto los radios también son más pequeños. Comose ha dicho anteriormente, hablar de radios es equivalente a hablar de energías, entonces las energíastambién son más pequeñas.Esto es porque +5 atrae más fuertemente que +3. A mayor carga atrae con más fuerza, disminuye asíel radio, con lo que la energía es menor.Empieza la Difusión y la RecombinaciónLos electrones pasan de derecha a izquierda y se recombinan con los huecos. http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/Paginas/Pagina12.htm (2 de 7)16/02/2005 9:34:13 81.
La barrera de energíaCruzan y se recombinan los que están al lado de la unión. Se empieza a crear una diferencia depotencial entre una parte y otra, esta diferencia de potencial aumenta hasta que se establezca elequilibrio (Si a 0.7 V, Ge a 0.3 V).En las Bandas de Energía ocurre lo siguiente: Un electrón va de n a p y luego en p baja de BC a BV.Al recombinarse, la energía que hay desde el nivel que tenía al que está el hueco al que ha saltado latiene que saltar y la suelta en forma de calor (un diodo se suele calentar) o también en forma deradiación que puede ser visible (Led) o no.Esto continúa hasta que se llega a 0.7 V y se llega al equilibrio.Y se ha creado una diferencia de potencial o anchura de banda (W).Hasta ahora resumiendo lo que ha ocurrido es: http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/Paginas/Pagina12.htm (3 de 7)16/02/2005 9:34:13 82.
La barrera de energía s Difusión. s Recombinación. s Se ha formado una z.c.e. (ó deplexión).Además de eso las bandas de energía se han desplazado (hasta llegar al equilibrio).EquilibrioAl llegar a 0.7 V las bandas se han desplazado. Han subido hasta que el nivel inferior de p este almismo nivel que el nivel superior de n.Y se mantendrán en esa posición a no ser que se rompa el equilibrio. En este equilibrio no puededifundirse ningún electrón, no hay difusión ni recombinación si no se rompe el equilibrio.Veamos porque se han desplazado:Los átomos de valencia +3 tienen en la última órbita 7 electrones y 1 hueco. Las órbitas se ensanchanpor el hueco y esto hace que aumenten los radios de la BV y BC. Aumenta radio lo que implica queaumenta la energía, hasta llegar a la situación antes explicada. http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/Paginas/Pagina12.htm (4 de 7)16/02/2005 9:34:13 83.
La barrera de energíaCon los átomos +5 ocurre lo contrario, disminuye el radio con lo que disminuye la energía.Lo que ha ocurrido es que ya no hay radios coincidentes entre los átomos de valencia +3 y los devalencia +5, por eso se crea el equilibrio.Polarización DirectaAhora romperemos el equilibrio poniendo una pila. http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/Paginas/Pagina12.htm (5 de 7)16/02/2005 9:34:13 84.
La barrera de energíaLa pila es una "Energía Externa" que hace subir los niveles de la zona n. Esta pila en directa elevaráel nivel de energía de la zona n.Suben las bandas de energía de la zona n y coinciden algunas con la de la zona p, y ya puede haberdifusión y recombinación.Entonces pasan los electrones, se recombinan, etc...Ahora la pila les obliga.El electrón cruza la W y va pegando saltos de hueco en hueco formando una malla cerrada.Algunos electrones puede que antes de cruzar bajen y se recombinen con el hueco, pero hay muchosmás que se comportan de la otra manera.Polarización Inversa http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/Paginas/Pagina12.htm (6 de 7)16/02/2005 9:34:13 85.
La barrera de energíaOtra forma de romper el equilibrio es con la Polarización Inversa, que se da poniendo la pila al revésque en el caso anterior.Al poner la pila de esa forma aumenta el W porque la pila atrae a los huecos y los electrones.Y se ensancha la W hasta igualarse la barrera de potencial al valor de la pila externa. En este ejemplose llegará al nuevo equilibrio al llegar esa barrera de potencial al valor de 5 V.Las bandas de energía de la zona n bajan respecto a la zona p, y no hay corriente. anterior/principal/siguiente http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/Paginas/Pagina12.htm (7 de 7)16/02/2005 9:34:13 86.
Corrientes en un diodo en polarización inversa Corrientes en un diodo en polarización inversaEn polarización inversa es más difícil la conducción, porque el electrón libre tiene que subir unabarrera de potencial muy grande de n a p al ser mayor el valor de W. Entonces no hay conducción deelectrones libres o huecos, no hay corriente.En esta situación tenemos que tener en cuenta la generación térmica de pares electrón-hueco. Lospocos electrones generados térmicamente pierden energía y bajan de p a n, es la "Corriente Inversa deSaturación" (IS) que es muy pequeña.Esa corriente tiene un sentido, siempre se toma la corriente de p a n. Entonces sería negativa en estecaso.Además de esta corriente tenemos otra corriente debida a las fugas, que se denomina "Corriente deFugas" (If).También ocurre un fenómeno antes de llegar a ese valor, antes de establecerse el valor de IS.Mientras van saliendo huecos y electrones, entre el instante inicial y el equilibrio final, hay instantesintermedios. Se crea un transitorio durante el cual en un intervalo breve de tiempo hay una "CorrienteTransitoria".Itransitoria puede llegar a tener un valor muy grande.Itransitoria = - GrandePero dura muy poco, unos nanosegundos. Su duración depende de la resistencia y la capacidad que http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/Paginas/Pagina13.htm (1 de 3)16/02/2005 9:34:14 87.
Corrientes en un diodo en polarización inversahaya en la malla, así tenemos una "Constante de Tiempo":Esta constante de tiempo define lo rápido o lenta que es esa malla. Conviene que sea pequeña.Suele ser del orden de decenas de nanosegundos.Si en vez de poner una pila de continua, conectamos el diodo a una onda alterna:Al tener una onda senoidal el valor de la tensión se está variando continuamente, es como una pilavariable, por ello siempre se moverá con retraso debido a esa . Por lo tanto, la frecuencia de esaonda senoidal es importante, por ejemplo para una frecuencia de 10 MH: (decenas de nseg) ha de ser pequeño respecto a T. Entonces para frecuencias menores o iguales a10MHz el circuito funcionaría bastante bien. http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/Paginas/Pagina13.htm (2 de 3)16/02/2005 9:34:14 88.
Corrientes en un diodo en polarización inversaLa malla tiene que ser suficientemente rápida respecto a la frecuencia de la senoidal.Tenemos que la If (Intensidad debida a fugas) es proporcional a la tensión, mientras que la IS dependede la temperatura (IS aumenta 7 % por cada ºC). anterior/principal/siguiente http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/Paginas/Pagina13.htm (3 de 3)16/02/2005 9:34:14 89.
Problemas ProblemasProblema 2.1Problema 2.2En este último apartado de este tema se resolverán algunos problemas relacionados con lo vistoanteriormente.Problema 2.1¿Cuál es la barrera de potencial en un diodo de silicio cuando la temperatura de la unión es de100 C?Solución:Si la temperatura de la unión aumenta a 100 C, la barrera de potencial disminuye en (100 - 25)·2 mV = 150 mV = 0,15 Vcon lo que el valor de la barrera de potencial es VB = 0,7 V - 0,15 V = 0,55 VProblema 2.2Un diodo de silicio tiene una corriente inversa de saturación de 5 nA a 25 C. Calcule lacorriente inversa de saturación a 100 C.Solución:La corriente inversa de saturación se duplica por cada aumento de 10 C. Por tanto, es igual a 10 nA a35 C, 20 nA a 45 C, 40 nA a 55 C, 80 nA a 65 C, 160 nA a 75 C, 320 nA a 85 C, 640nA a 95 C, 1,28µA a 100 C.Recuerde que la regla sólo es una aproximación. Para obtener mayor precisión se puede emplear laregla del incremento del 7 por 100 por cada grado de aumento de temperatura. En este caso, http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/Paginas/Pagina14.htm (1 de 2)16/02/2005 9:34:15 90.
Problemas IS = 1,07·1,07·1,07·1,07·1,07·640 nA = 1,075·5 nA = 799 nA anterior/principal/siguientehttp://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/Paginas/Pagina14.htm (2 de 2)16/02/2005 9:34:15 91.
TEMA3 tema 3 EL DIODO DE UNIÓN El diodo de uniónLa resistenciacomo dispositivolineal En este tema estudiaremos las aproximaciones para los diodos, las aproximaciones empleen dependen de lo que se quiera hacer.La curvacaracterística del Los objetivos de este tema son:diodo q Dibujar la curva característica del diodo con sus elementos más importantes.El diodo como q Ser capaz dibujar el símbolo del diodo diferenciando el ánododispositivo no lineal del cátodo. q Saber buscar en la hoja de características de un catálogo losLa zona directa cuatro parámetros característicos del diodo. q Ser capaz de explicar el funcionamiento del diodo ideal.La zona inversa q Conocer los distintos tipos aproximaciones que existen y para que casos se utilizan.Modos de resoluciónde circuitos con anterior/principal/siguientediodosModelosequivalentes linealesaproximados deldiodoVariablesdependientese independientesHoja decaracterísticasde un diodoComprobación ydetección de averíasCómo calcular la http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema3/TEMA3.htm (1 de 2)16/02/2005 9:34:15 92.
TEMA3resistencia internarBResistencia encontinua deun diodoRectas de cargaProblemas http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema3/TEMA3.htm (2 de 2)16/02/2005 9:34:15 93.
EL DIODO DE UNIÓN EL DIODO DE UNIÓNEn este tema estudiaremos las aproximaciones para los diodos, las aproximaciones empleen dependende lo que se quiera hacer.Los objetivos de este tema son: q Dibujar la curva característica del diodo con sus elementos más importantes. q Ser capaz dibujar el símbolo del diodo diferenciando el ánodo del cátodo. q Saber buscar en la hoja de características de un catálogo los cuatro parámetros característicos del diodo. q Ser capaz de explicar el funcionamiento del diodo ideal. q Conocer los distintos tipos aproximaciones que existen y para que casos se utilizan. anterior/principal/siguiente http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema3/Paginas/Pagina0.htm16/02/2005 9:34:16 94.
La resistencia como dispositivo lineal La resistencia como dispositivo linealAntes de ver el diodo vamos a ver las características de la resistencia.La resistencia de carbón típica está formada por polvo de carbón machacado. Son importantes lasdimensiones del carbón.Para analizar el comportamiento de esa resistencia la polarizaremos primero en directa y luego eninversa. Se toman los valores con un Amperímetro y un Voltímetro y se representa la I en función deV, con lo que tendremos el comportamiento de la resistencia.Si polarizo al revés las ecuaciones son las mismas, pero las corrientes y las tensiones son negativas. http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema3/Paginas/Pagina1.htm (1 de 2)16/02/2005 9:34:16 95.
La resistencia como dispositivo linealEntonces al final nos quedará de la siguiente forma:A esta representación se le llama "Curva Característica" y es una recta, por ello se dice que laresistencia es un "Elemento Lineal". Es más fácil trabajar con los elementos lineales porque susecuaciones son muy simples. anterior/principal/siguiente http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema3/Paginas/Pagina1.htm (2 de 2)16/02/2005 9:34:16 96.
La curva característica del diodo La curva característica del diodoAnalizamos de la misma forma el diodo:Se le van dando distintos valores a la pila y se miden las tensiones y corrientes por el diodo, tanto endirecta como en inversa (variando la polarización de la pila). Y así obtenemos una tabla que alponerla de forma gráfica sale algo así: anterior/principal/siguiente http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema3/Paginas/Pagina2.htm16/02/2005 9:34:17 97.
El diodo como dispositivo no lineal El diodo como dispositivo no linealEsta es la curva característica del diodo (un diodo se comporta de esa forma). Como no es una línearecta, al diodo se le llama "Elemento No Lineal" ó "Dispositivo No Lineal", y este es el granproblema de los diodos, que es muy difícil trabajar en las mallas con ellos debido a que susecuaciones son bastante complicadas.La ecuación matemática de esta curva es: En directa, a partir de 0.7 V la corriente aumenta mucho, conduce mucho el diodo y las corrientes sonmuy grandes. Debido a estas corrientes grandes el diodo podría romperse, por eso hay que tenercuidado con eso (como máximo se tomará 0.8 V ó 0.9 V).En inversa tenemos corrientes negativas y pequeñas.A partir de -1 V se puede despreciar la y queda aproximadamente I = -I , que es muy pequeña saunque no se ha tenido en cuenta la corriente de fugas, con ella sería: I = -( I + If ) s http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema3/Paginas/Pagina3.htm (1 de 2)16/02/2005 9:34:17 98.
El diodo como dispositivo no linealA partir de -1 V si no hubiera If tendríamos una corriente pequeña y horizontal pero como hay fugasque son proporcionales a la tensión inversa, bajando poco a poco.Si sigo aumentando la tensión inversa puede ocurrir la ruptura a la tensión de ruptura, en este ejemploa VR = -50 V aparece la avalancha y ya la ecuación no vale, es otra distinta:Y aquí el diodo se destruye a no ser que sea uno preparado (un diodo zener).Al punto en el que se vence la barrera de potencial se le llama codo. La "Barrera de Potencial" ó"Tensión Umbral" es el comienzo del codo, a partir de ahí conduce mucho el diodo en directa. anterior/principal/siguiente http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema3/Paginas/Pagina3.htm (2 de 2)16/02/2005 9:34:17 99.
La zona directa La zona directaTensión UmbralResistencia InternaMáxima corriente continua en polarización directaResistencia para limitación de corrienteDisipación máxima de potenciaEn la zona directa tenemos dos características importantes: q Hay que vencer la barrera de potencial (superar la tensión umbral Vδ) para que conduzca bien en polarización directa (zona directa). q Aparece una resistencia interna (el diodo se comporta aproximadamente como una resistencia.Tensión UmbralComo ya se ha dicho antes es el valor de la tensión a partir del cual el diodo conduce mucho. A partirde la Tensión Umbral ó Barrera de Potencial la intensidad aumenta mucho variando muy poco elvalor de la tensión. http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema3/Paginas/Pagina4.htm (1 de 7)16/02/2005 9:34:19 100.
La zona directaResistencia InternaA partir de la tensión umbral se puede aproximar, esto es, se puede decir que se comporta como unaresistencia.La zona n tiene una resistencia y la zona p otra resistencia diferente: http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema3/Paginas/Pagina4.htm (2 de 7)16/02/2005 9:34:19 101.
La zona directaEjemplo: 1N4001 rp= 0.13 Ω rn = 0.1 ΩLa resistencia interna es la suma de la resistencia en la zona n y la resistencia en la zona p.Y la pendiente de esa recta será el inverso de esta resistencia interna.Como la resistencia interna es pequeña, la pendiente es muy grande, con lo que es casi una vertical,esto es, conduce mucho.Resumiendo hemos visto que tenemos: http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema3/Paginas/Pagina4.htm (3 de 7)16/02/2005 9:34:19 102.
La zona directaMáxima corriente continua en polarización directaEs el mayor valor de corriente permitido en la característica del diodo:Ejemplo: 1N4001 IFmáx = 1 A (F = forward (directa))Resistencia para limitación de corrienteEn circuitos como el de la figura, hay que poner una resistencia porque sino el diodo se estropearíafácilmente. http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema3/Paginas/Pagina4.htm (4 de 7)16/02/2005 9:34:19 103.
La zona directaEsto se ve dándole valores a la pila, y viendo las intensidades que salen, que a partir de 0.7 V(suponiendo que el diodo es de silicio) aumentan mucho como se ve claramente en la gráfica de lacaracterística del diodo.Entonces se pone una resistencia para limitar esa corriente que pasa por el diodo, como se ve en lafigura:Se calcula la resistencia para limitar la corriente, para que no aumente a partir de 1 A por ejemplo. http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema3/Paginas/Pagina4.htm (5 de 7)16/02/2005 9:34:19 104.
La zona directaDisipación máxima de potenciaLa máxima corriente y la máxima potencia están relacionados. Como ocurre con una resistencia, undiodo tiene una limitación de potencia que indica cuanta potencia puede disipar el diodo sin peligrode acortar su vida ni degradar sus propiedades. Con corriente continua, el producto de la tensión en eldiodo y la corriente en el diodo es igual a la potencia disipada por éste.Normalmente en diodos rectificadores no se suele emplear la limitación máxima de potencia, ya quetoda la información acerca de la destrucción del diodo (por calor) ya esta contenida en el límitemáximo de corriente.Ejemplo: 1N4001En la hoja de características indica una corriente máxima con polarización directa Io de 1 A. Siempreque la corriente máxima con polarización directa sea menor que 1 A, el diodo no se quemará.La potencia que se disipa en el diodo en forma de calor. http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema3/Paginas/Pagina4.htm (6 de 7)16/02/2005 9:34:19 105.
La zona directaComo ya se ha dicho no se debe pasar de ese valor de potencia. anterior/principal/siguiente http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema3/Paginas/Pagina4.htm (7 de 7)16/02/2005 9:34:19 106.
La zona inversa La zona inversaEn polarización inversa teníamos un corriente que estaba formada por la suma de los valores de lacorriente Is y la corriente de fugas If:Hay que tener cuidado, no hay que llegar a VR porque el diodo se rompe por avalancha (excepto si esun Zener). anterior/principal/siguiente http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema3/Paginas/Pagina5.htm16/02/2005 9:34:19 107.
Modos de resolución de circuitos con diodos Modos de resolución de circuitos con diodosModelo ExactoLos modelos de resolución de circuitos con diodos más usados son 4: s Modelo exacto s 1ª Aproximación s 2ª Aproximación s 3ª AproximaciónPrimeramente analizaremos la resolución de forma exacta y en el siguiente apartado se verán los trestipos de aproximaciones.Modelo ExactoEl circuito que queremos resolver es el siguiente.Primeramente y mirando la temperatura en la que estamos trabajando tomamos del catálogo lossiguientes valores para Tª = 27 ºC (temperatura ambiente):Con esto podremos continuar calculando: http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema3/Paginas/Pagina6.htm (1 de 2)16/02/2005 9:34:20 108.
Modos de resolución de circuitos con diodosDe la ecuación exacta del diodo:Tenemos 2 incógnitas y una ecuación, necesitamos otra ecuación que será la ecuación de la malla:Y ahora tenemos 2 incógnitas y 2 ecuaciones, resolvemos:Nos queda que es imposible despejar la V, es una "ecuación trascendente". Para resolver este tipo deecuaciones hay que usar otro tipo de métodos, aquí lo resolveremos por "tanteo", que consiste en irdándole valores a una de las incógnitas hasta que los valores se igualen.En este ejemplo hemos usado una malla, pero si tuviéramos más diodos, tendríamos másexponenciales, más mallas, etc... Esto es muy largo, por eso no se usa (a no ser que dispongamos deun ordenador y un programa matemático para resolver este tipo de ecuaciones).Para poder hacerlo a mano, vamos a basarnos en unos modelos aproximados más o menosequivalentes del diodo. Estos modelos equivalentes aproximados son lineales, al ser aproximadoscometeremos errores. anterior/principal/siguiente http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema3/Paginas/Pagina6.htm (2 de 2)16/02/2005 9:34:20 109.
Modelos equivalentes lineales aproximados del diodoModelos equivalentes lineales aproximados del diodo1ª Aproximación (el diodo ideal)2ª Aproximación3ª AproximaciónComo elegir una aproximaciónExisten tres aproximaciones muy usadas para los diodos de silicio, y cada una de ellas es útil enciertas condiciones.1ª Aproximación (el diodo ideal)La exponencial se aproxima a una vertical y una horizontal que pasan por el origen de coordenadas.Este diodo ideal no existe en la realidad, no se puede fabricar por eso es ideal.Polarización directa: Es como sustituir un diodo por un interruptor cerrado. http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema3/Paginas/Pagina7.htm (1 de 7)16/02/2005 9:34:21 110.
Modelos equivalentes lineales aproximados del diodoPolarización inversa: Es como sustituir el diodo por un interruptor abierto.Como se ha visto, el diodo actúa como un interruptor abriéndose o cerrándose dependiendo si esta eninversa o en directa. Para ver los diferentes errores que cometeremos con las distintas aproximacionesvamos a ir analizando cada aproximación.Ejemplo:En polarización directa: http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema3/Paginas/Pagina7.htm (2 de 7)16/02/2005 9:34:21 111.
Modelos equivalentes lineales aproximados del diodo2ª AproximaciónLa exponencial se aproxima a una vertical y a una horizontal que pasan por 0,7 V (este valor es elvalor de la tensión umbral para el silicio, porque suponemos que el diodo es de silicio, si fuera degermanio se tomaría el valor de 0,2 V).El tramo que hay desde 0 V y 0,7 V es en realidad polarización directa, pero como a efectos prácticosno conduce, se toma como inversa. Con esta segunda aproximación el error es menor que en laaproximación anterior.Polarización directa: La vertical es equivalente a una pila de 0,7 V. http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema3/Paginas/Pagina7.htm (3 de 7)16/02/2005 9:34:21 112.
Modelos equivalentes lineales aproximados del diodoPolarización inversa: Es un interruptor abierto.Ejemplo: Resolveremos el mismo circuito de antes pero utilizando la segunda aproximación que seha visto ahora. Como en el caso anterior lo analizamos en polarización directa: http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema3/Paginas/Pagina7.htm (4 de 7)16/02/2005 9:34:21 113.
Modelos equivalentes lineales aproximados del diodoComo se ve estos valores son distintos a los de la anterior aproximación, esta segunda aproximaciónes menos ideal que la anterior, por lo tanto es más exacta, esto es, se parece más al valor que tendríaen la práctica ese circuito.3ª AproximaciónLa curva del diodo se aproxima a una recta que pasa por 0,7 V y tiene una pendiente cuyo valor es lainversa de la resistencia interna.El estudio es muy parecido a los casos anteriores, la diferencia es cuando se analiza la polarizacióndirecta:Ejemplo: En el ejemplo anterior usando la 3ª aproximación, tomamos 0,23 Ω como valor de laresistencia interna. http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema3/Paginas/Pagina7.htm (5 de 7)16/02/2005 9:34:21 114.
Modelos equivalentes lineales aproximados del diodoEsta tercera aproximación no merece la pena usarla porque el error que se comete, con respecto a lasegunda aproximación, es mínimo. Por ello se usará la segunda aproximación en lugar de la terceraexcepto en algún caso especial.Como elegir una aproximaciónPara elegir que aproximación se va a usar se tiene que tener en cuenta, por ejemplo, si son aceptableslos errores grandes, ya que si la respuesta es afirmativa se podría usar la primera aproximación. Por elcontrario, si el circuito contiene resistencias de precisión de una tolerancia de 1 por 100, puede sernecesario utilizar la tercera aproximación. Pero en la mayoría de los casos la segunda aproximaciónserá la mejor opción.La ecuación que utilizaremos para saber que aproximación se debe utilizar es esta:Fijándonos en el numerador se ve que se compara la VS con 0.7 V. Si VS es igual a 7 V, al ignorar labarrera de potencial se produce un error en los cálculos del 10 %, si VS es 14 V un error del 5 %,etc... http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema3/Paginas/Pagina7.htm (6 de 7)16/02/2005 9:34:21 115.
Modelos equivalentes lineales aproximados del diodoSi se ve el denominador, si la resistencia de carga es 10 veces la resistencia interna, al ignorar laresistencia interna se produce un error del 10 % en los cálculos. Cuando la resistencia de carga es 20veces mayor el error baje al 5 %, etc...En la mayoría de los diodos rectificadores la resistencia interna es menor que 1 Ω, lo que significaque la segunda aproximación produce un error menor que el 5 % con resistencias de carga mayoresde 20 Ω. Por eso la segunda aproximación es una buena opción si hay dudas sobre la aproximación autilizar. Ahora veremos una simulación para un ejemplo concreto de uso de estas aproximaciones. anterior/principal/siguiente http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema3/Paginas/Pagina7.htm (7 de 7)16/02/2005 9:34:21 116.
Variables dependientes e independientes Variables dependientes e independientesCualquier circuito tiene variables independientes (como tensiones de alimentación y resistencias enlas ramas) y variables dependientes (tensiones en las resistencias, corrientes, potencias, etc.). Cuandouna variable independiente aumenta, cada una de las variables dependientes responderá,normalmente, aumentando o disminuyendo. Si se entiende cómo funciona el circuito, entonces seserá capaz de predecir si una variable aumentará o disminuirá.Ejemplo:Si se analiza la resistencia RL y la tensión VS, se ve que los valores que se desean son de 1 kΩ y 10V en este caso, a estos se les llama "valores nominales", pero los valores reales se rigen por unastolerancias, que son unos rangos de valores no un valor fijo. El diodo también puede variar su valorde tensión umbral.Pero estas tres variables (RL, VS y Vj) dependen de la fabricación, estos es dependen de si mismas,son "variables independientes". Por otro lado están las "variables dependientes", que dependen de lastres variables anteriores, que son: VL, IL, PD, PL y PT. Estos queda reflejado en la siguiente tabla: http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema3/Paginas/Pagina8.htm (1 de 2)16/02/2005 9:34:22 117.
Variables dependientes e independientes anterior/principal/siguientehttp://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema3/Paginas/Pagina8.htm (2 de 2)16/02/2005 9:34:22 118.
Hoja de características de un diodo Hoja de características de un diodoTensión inversa de rupturaCorriente máxima con polarización directaCaída de tensión con polarización directaCorriente inversa máximaLa mayor parte de la información que facilita el fabricante en las hojas de características es solamenteútil para los que diseñan circuitos, nosotros solamente estudiaremos aquella información de la hoja decaracterísticas que describe parámetros que aparecen en este texto.Tensión inversa de rupturaEstudiaremos la hoja de características del diodo 1N4001, un diodo rectificador empleado en fuentesde alimentación (circuitos que convierten una tensión alterna en una tensión continua).La serie de diodos del 1N4001 al 1N4007 son siete diodos que tienen las mismas características conpolarización directa, pero en polarización inversa sus características son distintas.Primeramente analizaremos las "Limitaciones máximas" que son estas:Estos tres valores especifican la ruptura en ciertas condiciones de funcionamiento. Lo importante essaber que la tensión de ruptura para el diodo es de 50 V, independientemente de cómo se use eldiodo. Esta ruptura se produce por la avalancha y en el 1N4001 esta ruptura es normalmentedestructiva. http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema3/Paginas/Pagina9.htm (1 de 3)16/02/2005 9:34:23 119.
Hoja de características de un diodoCorriente máxima con polarización directaUn dato interesante es la corriente media con polarización directa, que aparece así en la hoja decaracterísticas:Indica que el 1N4001 puede soportar hasta 1 A con polarización directa cuando se le emplea comorectificador. Esto es, 1 A es el nivel de corriente con polarización directa para el cual el diodo sequema debido a una disipación excesiva de potencia. Un diseño fiable, con factor de seguridad 1,debe garantizar que la corriente con polarización directa sea menor de 0,5 A en cualquier condiciónde funcionamiento.Los estudios de las averías de los dispositivos muestran que la vida de éstos es tanto más corta cuantomás cerca trabajen de las limitaciones máximas. Por esta razón, algunos diseñadores emplean factoresde seguridad hasta de 10:1, para 1N4001 será de 0,1 A o menos.Caída de tensión con polarización directaOtro dato importante es la caída de tensión con polarización directa:Estos valores están medidos en alterna, y por ello aparece la palabra instantáneo en la especificación.El 1N4001 tiene una caída de tensión típica con polarización directa de 0,93 V cuando la corriente esde 1 A y la temperatura de la unión es de 25 ºC.Corriente inversa máximaEn esta tabla esta la corriente con polarización inversa a la tensión continua indicada (50 V para un1N4001). http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema3/Paginas/Pagina9.htm (2 de 3)16/02/2005 9:34:23 120.
Hoja de características de un diodoEsta corriente inversa incluye la corriente producida térmicamente y la corriente de fugas superficial.De esto deducimos que la temperatura puede ser importante a la hora del diseño, ya que un diseñobasado en una corriente inversa de 0,05 µA trabajará muy bien a 25 ºC con un 1N4001 típico, peropuede fallar si tiene que funcionar en medios donde la temperatura de la unión alcance los 100 ºC. anterior/principal/siguiente http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema3/Paginas/Pagina9.htm (3 de 3)16/02/2005 9:34:23 121.
Comprobación y detección de averías Comprobación y detección de averíasEl óhmetro es la herramienta adecuada para saber el estado de un diodo. Se mide la resistencia encontinua del diodo en cualquier dirección y después se invierten los terminales efectuándose lamisma medición. La corriente con polarización directa dependerá de la escala en la que se emplee elohmétro, lo que significa que se obtendrán distintas lecturas en intervalos diferentes. Sin embargo, loque hay que buscar principalmente es una diferencia de resistencia inversa a directa muy alta. Paralos diodos de silicio comúnmente empleados en la electrónica la razón debe ser mayor que 1.000:1.En el uso del óhmetro para probar diodos lo único que se desea saber es se el diodo tiene unaresistencia pequeña con polarización directa y grande con polarización inversa. Los problemas quepueden surgir son: q Resistencia muy pequeña en ambas direcciones: diodo en cortocircuito. q Resistencia muy grande en ambas direcciones: diodo en circuito abierto. q Resistencia pequeña en inversa: diodo con fugas. anterior/principal/siguiente http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema3/Paginas/Pagina10.htm16/02/2005 9:34:23 Recommended

References: resolución 
e contrario
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