Liceo Diego Portales 3º Electrónica

Circuitos Electrónicos Rogelio Ortega B

GUÍA 4: DIODOS SEMICONDUCTORES 1. Diodo rectificador El diodo rectificador es el dispositivo semiconductor más sencillo y se puede encontrar, prácticamente en cualquier circuito electrónico. Los diodos se fabrican en versiones de silicio (la más utilizada) y de germanio. La simbología es, A

K

Donde: A = ánodo K = cátodo Los diodos rectificadores constan de dos partes, una llamada N y la otra llamada P, separados por una juntura llamada barrera o unión. Esta barrera o unión es de 0.3 voltios en el diodo de germanio (Ge) y de 0.6 voltios aproximadamente en el diodo de silicio (Si).

Principio de operación de un diodo rectificador El semiconductor tipo N tiene electrones libres (exceso de electrones) y el semiconductor tipo P tiene huecos libres (ausencia o falta de electrones). Cuando una tensión positiva se aplica al lado P y una negativa al lado N, los electrones en el lado N son empujados al lado P y los electrones fluyen a través del material P mas allá de los límites del semiconductor. En el caso opuesto, cuando una tensión positiva se aplica al lado N y una negativa al lado P, los electrones en el lado N son empujados al lado N y los huecos del lado P son empujados al lado P. En este caso los electrones en el semiconductor no se mueven y en consecuencia no hay corriente El diodo se puede hacer trabajar de 2 maneras diferentes que son:

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Polarización directa: Es cuando la corriente que circula por el diodo sigue la ruta de la flecha (la flecha del diodo), o sea del ánodo al cátodo. En este caso la corriente atraviesa el diodo con mucha facilidad comportándose prácticamente como un corto circuito. Polarización inversa: Es cuando la corriente en el diodo desea circular en sentido opuesto a la flecha (la flecha del diodo), o sea del cátodo al ánodo. En este caso la corriente no atraviesa el diodo, y se comporta prácticamente como un circuito abierto. Nota: El funcionamiento antes mencionado se refiere al diodo ideal, esto quiere decir que el diodo se toma como un elemento perfecto (como se hace en casi todos los casos), tanto en polarización directa como en polarización inversa.

Aplicaciones del diodo rectificador a) Protección de polaridad: Imaginemos cualquier circuito que funcione con una pila o batería. Si invertimos la polaridad de la pila o batería (aplicándole su polo negativo a donde debería ir el positivo y viceversa) es posible que el circuito se estropee. Una solución recomendable es colocar un diodo rectificador a la entrada de la alimentación de tensión, de forma que la corriente circule por el terminal de tensión sólo cuando la pila o batería esté colocada correctamente. b) Rectificador de onda: El tipo de corriente más frecuente en la vida real es la corriente alterna, por ser más fácil de transportar a largas distancias. Sin embargo, los equipos electrónicos usados a nivel domiciliario (Radio, TV, DVD, PC, etc.) o a nivel industrial (Variadores de frecuencia, partidores suaves, PLC, UPS, etc.) utilizan para el funcionamiento de su circuitería electrónica corriente continua. Aquí aparece entonces el uso del diodo como rectificador, es decir, convierte la corriente alterna en corriente continua. Existen dos tipos de rectificación que son rectificación de media onda y rectificación de onda completa.

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2. Diodo zener El diodo zener es un tipo especial de diodo, que siempre se utiliza polarizado inversamente. La simbología es,

A

K

En este caso la corriente circula en contra de la flecha que representa el diodo. Si el diodo zener se polariza en sentido directo se comporta como un diodo rectificador común. Cuando el diodo zener funciona polarizado inversamente mantiene entre sus terminales un voltaje constante.

Aplicaciones del diodo zener La principal aplicación que tiene el diodo zener es la de regulador o estabilizador de tensión. Un regulador de tensión con diodo zener ideal, mantiene un voltaje fijo predeterminado a su salida, sin importar si varía el voltaje en la fuente de alimentación y sin importar como varíe la carga. Pero las fuentes reguladoras de voltaje no son ideales y lo normal es que la tensión de salida disminuya conforme la carga va aumentado, o sea conforme la demanda de corriente de la carga aumente.

3. Diodo LED Diodo emisor de luz (LED: Light Emitting Diode) Si alguna vez ha visto, unas pequeñas luces de diferentes colores que se encienden y apagan, en algún circuito electrónico, ha visto los diodos LED en funcionamiento. La simbología es, A

K

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El LED es un tipo especial de diodo, que trabaja como un diodo común, pero que al ser atravesado por la corriente eléctrica, emite luz. Existen diodos LED de varios colores que dependen del material con el cual fueron construidos. Hay de color rojo, verde, amarillo, infrarrojo, entre otros. Debe de escogerse bien la corriente que atraviesa el LED para obtener una buena intensidad luminosa y evitar que este se pueda dañar. El LED tiene un voltaje de operación que va de 1.5 V a 2.2 V aproximadamente y la gama de corrientes que debe circular por él está entre los 10 y 20 miliamperios (mA) en los diodos de color rojo y de entre los 20 y 40 miliamperios (mA) para los otros LEDs. Los diodos LED tienen enormes ventajas sobre las lámparas indicadoras comunes, como su bajo consumo de energía, su mantenimiento casi nulo y con una vida aproximada de 100.000 horas. El diodo LED debe ser protegido. Una pequeña cantidad de corriente en sentido inverso no lo dañará, pero si hay picos inesperados puede dañarse. Una forma de protegerlo es colocar en paralelo con el diodo LED pero apuntando en sentido opuesto un diodo de silicio común. Aplicaciones del diodo LED Se utiliza ampliamente en aplicaciones visuales, como indicadoras de cierta situación específica de funcionamiento, tales como: Se utilizan para desplegar contadores. Para indicar la polaridad de una fuente de alimentación de corriente directa. Para indicar la actividad de una fuente de alimentación de corriente alterna. En dispositivos de alarma, etc. Las desventajas del diodo LED son que su potencia de iluminación es tan baja, que su luz es invisible bajo una fuente de luz brillante y que su ángulo de visibilidad está entre los 30° y 60°. Este último problema se corrige con cubiertas difusoras de luz.

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4. Fotodiodo Un fotodiodo es un semiconductor construido con una unión PN, que conduce una cantidad de corriente eléctrica proporcional a la cantidad de luz que incide en el (lo ilumina). Este fotodiodo es sensible a la incidencia de la luz visible o infrarroja. La simbología es,

Esta corriente eléctrica fluye en sentido opuesto a la flecha del diodo y se llama corriente de fuga. El fotodiodo se puede utilizar como dispositivo detector de luz, pues convierte la luz en electricidad y esta variación de electricidad es la que se utiliza para informar que hubo un cambio en el nivel de iluminación sobre el fotodiodo. Si el fotodiodo quedara conectado, de manera que por él circule la corriente en el sentido de la flecha (polarizado en sentido directo), la luz que lo incide no tendría efecto sobre él y se comportaría como un diodo semiconductor normal. La mayoría de los fotodiodos vienen equipados con un lente que concentra la cantidad de luz que lo incide, de manera que su reacción a la luz sea más evidente. A diferencia del LDR o fotorresistencia, el fotodiodo responde a los cambios de oscuridad a iluminación y viceversa con mucha más velocidad, y puede utilizarse en circuitos con tiempo de respuesta más pequeño. Si se combina un fotodiodo con un transistor bipolar, colocando el fotodiodo entre el colector y la base del transistor (con el cátodo del diodo apuntado al colector del transistor), se obtiene el circuito equivalente de un fototransistor.

5. Diodo infrarrojo Los diodos infrarrojos (IRED) son dispositivos de arseniuro de galio de estado sólido que permiten un rayo de flujo radiante cuando se polariza en forma directa. Los fotones generados serán reabsorbidos por la estructura o abandonaran la superficie del dispositivo como energía radiante. Se emplean desde mediados del siglo XX en mandos a distancia de televisores, habiéndose generalizado su uso en otros electrodomésticos como equipos de aire acondicionado, equipos de música, etc. y en general para aplicaciones de control remoto, así como en dispositivos detectores

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Aplicaciones del diodo infrarrojo - Controles remotos (mandos a distancia) de reproductor de DVD, televisor, equipo de música, decodificador de TV cable, etc. -

Transmisión de datos entre dispositivos electrónicos como notebooks y teléfonos móviles, aunque esta tecnología de transmisión de datos ha dado paso al bluetooth en los últimos años.

6. Diodo láser El diodo láser se obtuvo como resultado de la continuación del desarrollo del diodo LED. La palabra LASER proviene de las siglas en inglés: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation que significa: Amplificación de luz por Emisión estimulada de radiación Lo anterior se refiere a un extraño proceso cuántico, donde la luz característica emitida por electrones, cuando pasan de un estado de alta energía a un estado de menor energía estimulan a otros electrones para crear "saltos" similares. El resultado es una luz sincronizada que sale del material. Otra característica importante es que la luz emitida no sólo tiene la misma frecuencia (color), sino también la misma fase. (También está sincronizada). Este es el motivo por el cual la luz láser se mantiene enfocada aún a grandes distancias. En el caso de una fuente de luz blanca común, esta genera todos los diferentes colores (a sus respectivas frecuencias) en forma de rayos dispersos (van en diferentes direcciones) y no están en fase.

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En el caso de una fuente de luz láser todos los rayos son del mismo color (monocromáticos) o lo que es lo mismo, tienen la misma frecuencia y están en fase.

Nota: Los colores del gráfico no guardan relación con los colores ni la frecuencia que irradia la luz en la realidad. Los diodos LED comunes, irradian una sola luz (son monocromáticos), una sola frecuencia, pero no están en fase y se propagan en forma dispersa. En cambio los diodos LASER, producen una luz coherente. Esta luz no sólo es monocromática (un solo color), sino que es monofásica (están en fase), resultando en un rayo de luz muy preciso. Aplicaciones del diodo laser -

Lectura y escritura de discos ópticos (CD y DVD), donde sólo un rayo de luz muy angosto puede ver un área microscópica en la superficie de un disco.

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Fuente de alimentación lumínica para sistemas de telecomunicaciones vía fibra óptica.

-

Mediciones precisas en donde es indispensable un rayo de luz que no se disperse.

Con el envejecimiento los diodos láser podrían necesitar más corriente para generar la misma potencia entregada. Pero no hay que olvidarse que estos elementos tienen una vida muy larga.

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7. Diodo varicap El diodo de capacidad variable o Varactor (Varicap) es un tipo de diodo que basa su funcionamiento en el fenómeno que hace que la anchura de la barrera de potencial en una unión PN varíe en función de la tensión inversa aplicada entre sus extremos. La simbología es, A

K

En estos diodos al aumentar el voltaje inverso, aumenta el ancho de la barrera, disminuyendo así la capacidad del diodo. De este modo se obtiene un condensador variable controlado por tensión. Los valores de capacidad obtenidos van desde 1 a 500 pF. La tensión inversa mínima tiene que ser de 1 V. Por lo tanto, los diodos Varicap se utilizan en la mayoría de los circuitos electrónicos sustituyendo a los condensadores variables. Aplicaciones del diodo Varicap -

Sintonizadores de frecuencia (radio y TV).

-

Modulación de frecuencia en transmisiones de FM y radio.

-

Osciladores controlados por voltaje (oscilador controlado por tensión).

8. Diodo schottky (diodo de barrera) Los diodos Schottky son dispositivos que tienen una caída de voltaje directa (VF) muy pequeña, del orden de 0.3 V o menos. Operan a muy altas velocidades y se utilizan en fuentes de potencia, circuitos de alta frecuencia y sistemas digitales. Reciben también el nombre de diodos de recuperación rápida. La simbología es,

A

K

Aplicaciones del diodo schottky La principal aplicación de este tipo de diodos, se realiza en fuentes de baja tensión, en las cuales las caídas en los rectificadores son significativas.