Date post: | 14-Jul-2016 |
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Circuitos Electrónicos 1Dispositivos y Circuitos Analógicos 1
Circuitos Electrónicos 1
Diodos
Circuitos Electrónicos 1
Visión del curso
Leyes lineales
Pensamiento lógico – Pensamiento CríticoKirchhoff
Lo aprendido en Análisis de Circuitos
MétodosTeoremasRedesDC y AC
dtdILV L
L dtdVCI C
C IRV
Circuitos Electrónicos 1
Visión del curso
Leyes lineales
KirchhoffMétodosTeoremasRedes
DC y AC
Opamps
dtdILV L
L dtdVCI C
C IRV
Diodo
Leyes NO lineales
Mosfet
BJT
Pensamiento lógico – Pensamiento Crítico
Circuitos Electrónicos 1
Objetivo final: ¿Cómo se pueden diseñar sistemas electrónicos y de telecomunicación, tomandoen cuenta la fuente de energía y su uso óptimo, así como de los componentesrequeridos para tal fin?
Kirchhoff
Diodo
Leyes NO linealesMosfet
BJT
Pensamiento lógico – Pensamiento Crítico
Leyes lineales
MétodosTeoremasRedes
DC y AC
Opamps
dtdILV L
L dtdVCI C
C IRV
Circuitos Electrónicos 1
Red de aprendizajeLo
que
el a
lum
no d
ebe
sabe
r
Lo que el profesor proporciona
Análisis de circuitoselectrónicos básicos
Simulación de circuitosPSpice, EWB,Circuit Maker, Proteus
Hojas técnicas,Internet
Conocimientos Capacidad deAnálisis y Diseño
Aporteprofesional
logros Análisis y diseño
Proyecto del curso
empatía
Dispositivos eléctricosy electrónicos básicos
Kirchhoff
DiodoLeyes NO lineales
Mosfet BJT
Leyes lineales
MétodosTeoremasRedes
DC y AC
dtdILV L
L dtdVCI C
C IRV
Circuitos Electrónicos 1
Calificación del curso
Examen Parcial [E1] (semana 8)Examen Final [E2] (semana 16)Prácticas Calificadas (2) [PC] (1 por tema)Laboratorios (6) [PL] (3 antes del parcial y 3 antes del final)Proyecto Final [PT] Se presenta en la semana 15 de clases
Nota Final del curso [NF]:NF = (E1 + E2 + PC + PL + PT) / 5
Circuitos Electrónicos 1
Criterios de Evaluación
Se tomarán en cuenta para la calificación de las evaluacionesen el curso, según el caso de los siguientes criterios:
Reconocer el problemaSaber enfocarlo para determinar la soluciónAdecuado uso de herramientas matemáticas y computacionalesCorrecto uso de técnicas analíticasCriterios de diseñoOrden y limpiezaSaber sustentar sus apreciaciones
Circuitos Electrónicos 1
Mapa referencial del curso
• Diodos• Transistor Mosfet• Transistor BJT
Objetivos: analizar el comportamiento de diodo rectificadoren DC y AC y diseñar fuentes reguladas con salida DC variable
Circuitos Electrónicos 1
El Diodo• Es un dispositivo electrónico de
comportamiento v-i NO lineal.• Tiene hasta tres modos de
comportamiento eléctrico según los niveles de voltaje y corriente que hay entre sus terminales:
Directa (D) Inversa (I) iD = -IS 0A Ruptura (R) VZ = VZ0 + izrz
• El diodo común tiene dos estados de comportamiento: directa e inversa. Por eso que este dispositivo es un interruptor ON-OFF
(D)
(I)
(R)
)1( T
D
nVv
SD eIi
Curva característica v-i del diodo
Circuitos Electrónicos 1
Concepción Ideal del Diodo Al aplicarle voltaje negativo, no hay
corriente y se llama inversamente polarizado o que el diodo está en inversa o corte.
Al aplicarle una corriente positiva, el potencial será cero y se dice que está en directamente polarizado, que conduce o está en directa.
Comportamientodel diodo ideal
ONOFFapagado encendido
directainversa
corte
Símbolo del diodo consus terminales.
Circuitos Electrónicos 1
Diodo Ideal Cuando se usa circuitos
eléctricos con diodos ideales, se puede estimar el estado de operación del dispositivo y luego conocer cómo opera el circuito.
En (a) el voltaje en los terminales del diodo es positivo, por consiguiente está en conducción (ON).
En (b) el diodo se opone al sentido de la corriente, por lo cual se encuentra en corte (OFF).
Circuitos Electrónicos 1
Ejemplos de aplicaciónHalle la información requeridade voltajes y corrientes de loscircuitos con diodos
Circuitos Electrónicos 1
El Rectificador de onda
Usando al diodo ideal: En el semiciclo positivo el diodo está en ON En el semiciclo negativo el diodo está en OFF
Circuitos Electrónicos 1
Ejemplo de aplicación
El circuito de la figura es un cargadorde batería de 12VDC. Si vs es una señalsenoidal, de amplitud pico de 24V,encuentre el ángulo de conducción dela corriente del diodo.
Circuitos Electrónicos 1
Compuertas Lógicas Con diodos se pueden
construir compuertas lógicas. En (a) cuando se aplica un
voltaje positivo (5V por ejemplo), la salida mantendrá ese voltaje.
Entonces el comportamiento será de una puerta OR
En (b) al aplicar 0V, la salida será cero.
Entonces el comportamiento será de una puerta AND
CBAY CBAY
Circuitos Electrónicos 1
Ejemplos de aplicaciónHalle la información requeridade voltajes y corrientes de loscircuitos con diodos
Circuitos Electrónicos 1
Estudio de la curva característica de los diodos de unión
Se analizará el comportamiento del diodo en cadazona de operación:
Directa
Inversa
Ruptura
Circuitos Electrónicos 1
Directa Esta en directa cuando v es
positivo. Su ecuación es: IS es corriente de saturación o
corriente de escala porque es proporcional al área de sección transversal.
IS típico 10-9A a 10-15A VT es el voltaje térmico cuyo valor
típico es 25mV. n depende del material y su
estructura física. 1≤ n ≤ 3 Para una v<0.5V, la corriente es
muy pequeña.
)1( TnVv
S eIi
Circuitos Electrónicos 1
Los parámetros IS y VT son dependientes de la temperatura.
Como consecuencia la curva cambia y el voltaje de conducción se desplaza.
El desplazamiento producido es -2mV/ºC.
qTkVT
k es la constante de Boltzman = 1.38x10-23 J/KT es la temperatura en grados Kelvin = °C + 273q es la magnitud de la carga eléctrica = 1.609x10-19C
Directa
Al reemplazar estas constantes y la temperatura a 27°C, resultala cantidad de 25mV
Circuitos Electrónicos 1
Análisis de circuitos con diodo en Directa
La fuente tiene un voltaje mayor al umbral y esto nos permite verificar que el diodo está en la zona de directa.
Y en todo circuito eléctrico debe cumplir las leyes de Kirchhoff.
El procedimiento matemático para la solución de este problema es aplicando el criterio de la iteración, hasta lograr el valor final del voltaje y corriente en el diodo
TD nVVSD eII
RVVI DDD
D
Ecuación de Shocktley
William Bradford Shockley fue el primero que modeló al diodo
Ley de Kirchhoff de Voltajes
Circuitos Electrónicos 1
Análisis de circuitos con diodo en Directa
La resolución gráfica del circuito se obtiene trazando las curvas característica del diodo y del circuito completo (recta de carga).
El punto de intersección constituyen los valores de funcionamiento del diodo. Este es el punto de operación Q.
TD nVVSD eII
RVVI DDD
D
Circuitos Electrónicos 1
Aproximación de la ecuación de Schockley
)log(3.21
2
12D
DTDD I
InVVV
T
D
nVv
SD eIi2
2
T
D
nVv
SD eIi1
1
VD1 VD2
ID1
ID2
Se toma dos valores genéricos del par v-i en el diodo
Se puede deducir lasiguiente ecuación:
Luego se procede a aplicarla iteración entre la LKV yla ecuación modificada deShockley :
RVVI DDD
D
2
)log(3.21
2
12D
DTDD I
InVVV
Circuitos Electrónicos 1
Ejemplo de aplicación
Para el circuito mostrado, VDD es 12V,La resistencia R es 1k.Se sabe que en el diodo habrá 0.7V para una corriente de 1mA.
Hallar el punto Q de operación del diodo.
VD = _______ (V)ID = _______ (mA)
Circuitos Electrónicos 1
Inversa Se presenta cuando v es
negativo. En la figura se representa en
una escala comprimida. En esta zona de operación la
curva esta dada por:
Donde IS es la corriente de saturación.
SIi
Circuitos Electrónicos 1
Ruptura Se presenta cuando v
sobrepasa un valor de umbral conocido como voltaje de ruptura (VZK).
La corriente aumenta muy rápido con respecto al voltaje.
Para evitar la destrucción del dispositivo en esta zona, es conveniente limitar su corriente a valores apropiados.
Estos valores apropiados corresponden a la potencia disipada y se encuentran en las hojas de datos
Aquí operan los diodos Zener
Circuitos Electrónicos 1
Diodo Zener
La característica pronunciada de la región de ruptura permite usar a los diodos en esta región como reguladores de voltaje.
Sin embargo no cualquier diodo no se puede trabajar en esta región.
Los diodos especialmente fabricados para operar aquí se les conoce como diodos de ruptura y diodos Zener.
La polaridad y sentido de la corriente para el diodo trabajando en la zona Zener se muestra en la figura con el símbolo correspondiente. A
K
Circuitos Electrónicos 1
Modelo del Diodo Zener
Debajo de IZK la curva es casi una línea recta.
El voltaje de Zener se especifica utilizando una corriente de prueba.
Se especifica también una potencia máxima que limita la corriente de trabajo.
La curva característica del diodo zener se puede aproximar a la ecuación de una recta.
Circuitos Electrónicos 1
Modelo del Diodo Zener
Las características mostradas en el circuito nos llevan al modelo equivalente del Zener.
Este modelo es sólo aplicable cuando se trabaja en zona Zener.
La fuente VZO representa la intersección de la recta tangente a la curva del Zener en el punto de prueba. Es diferente a VZK.
Entonces el voltaje del Zener tendrá la siguiente expresión :
ZzZZ IrVV 0
Circuitos Electrónicos 1
Ejemplo de aplicaciónPara el circuito de la figura
Los datos del diodo zener son:
VZ=6.8V a IZ = 5mA, rZ=20
Calcule:a. VO sin carga y a 10Vb. VO, si RL es igual a 2k,c. Vo, si RL es igual a 0.5k,d. vo cuando la variación
de V+ es ±1V y RL es 2k
Circuitos Electrónicos 1
Modelo Aproximado del Diodo El análisis se complica con la curva exponencial, por lo cual se toma
una aproximación lineal por partes. La pendiente de la curva puede variar dependiendo del intervalo donde se trabaje.
A partir de la gráfica lineal de puede deducir el modelo equivalente del diodo
Circuitos Electrónicos 1
Modelo Simplificado del Diodo En ocasiones no es necesario conocer el cambio en la corriente y se
usa un modelo más simple en el cual el voltajes es constante. El modelo simplificado se dibujará de la siguiente manera:
Circuitos Electrónicos 1
Modelo a Pequeña Señal
En algunas aplicaciones el diodo se polariza en un punto dentro de la zona lineal de la curva y alrededor de ella se superpone una pequeña señal.
En el punto de polarización se trazará la recta del modelo equivalente que es tangente a la curva del diodo.
Empleamos el siguiente circuito para efectuar dicho análisis.
Circuitos Electrónicos 1
Modelo a Pequeña Señal Consideramos la ecuación de Schockley del
diodo:
Pero vD = VD + vd , luego:
Sabemos que:
Para garantizar la linealidad del modelo en pequeña señal, la exponencial se “trunca” a los dos primeros términos, luego:
La relación entre la corriente y el voltaje en señal es la conductancia del diodo a pequeña señal y su inversa la resistencia del diodo a pequeña señal o incremental (rd)
T
D
nVv
SD eIi
T
D
nVv
SD eIi
T
d
T
d
T
D
T
dD
nVv
DnVv
nVV
SnVvV
SD eIeeIeIi
.....!4!3!2
1432
xxxxex
dDT
dDD iI
nVvIi )1( d
T
Dd vnVIi
dr
Circuitos Electrónicos 1
Modelo a Pequeña Señal De la figura podemos obtener que rd es:
Por lo tanto la ecuación de la recta será:
Y su consiguiente modelo equivalente es:
DD IiD
Dd v
ir
1
)(1 DODd
D Vvr
i
Circuitos Electrónicos 1
Modelo a Pequeña Señal
Modelo en DC Modelo en AC
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Circuitos Limitadores La curva de un circuito limitador se ve en la
figura. Es lineal en el intervalo L+ y L-. Si la entrada supera los umbrales, el
circuito limita la salida según sea el lugar. Esta caso es el más completo llamado
limitador doble. Si la onda sobrepasa ambos lados, la salida que da recortada de acuerdo con los límites.
Circuitos Electrónicos 1
Circuitos Limitadores
Circuitos Electrónicos 1
Circuitos Rectificadores La rectificación se usa en una de las etapas de las fuentes de
alimentación para circuitos electrónicos. El diagrama de bloques mostrado abajo indica las distintas etapas de
una fuentes de alimentación. La carga puede ser cualquier circuito electrónico. Los diodos intervienen tanto en la etapa rectificadora como la
reguladora.
Circuitos Electrónicos 1
El rectificador de media onda
Circuitos Electrónicos 1
El rectificador de onda completa
Se usa un transformador con derivación central o toma central.
Este tipo de rectificador es el usado para las fuentes de alimentación
Circuitos Electrónicos 1
El rectificador tipo puente
La forma de onda es similar y no necesita un transformador con derivación central.
La onda rectificada tiene un amplitud menor debido a la cantidad de diodos mayor respecto al rectificador de onda completa.
Circuitos Electrónicos 1
Rectificador con filtro
Consideramos el circuito rectificador de media onda y le agregamos un condensador en paralelo para realizar el filtrado.
Al inicio el condensador se carga al valor pico de la fuente. Al descender el voltaje el condensador se empieza a descargar a
través de R. Esto sucede hasta que el voltaje nuevamente se incremente y alcance el voltaje en C.
Circuitos Electrónicos 1
Rectificador con filtro En la figura se muestran la
entrada y salida. Se supone siempre que
RC»T. La descarga se efectúa hasta que la salida coincide con la entrada.
Aparece una diferencia de voltaje Vr llamado Voltaje Rizo bastante pequeño.
En esta aplicación el diodo conduce en un intervalo de tiempo muy corto.
Circuitos Electrónicos 1
Rectificador con filtro La aplicación de filtrado usado para media onda también se puede
aplicar para onda completa. En este caso el voltaje cae menos que en el de media onda debido
a la mayor frecuencia. Por consiguiente el voltaje rizo es menor. Cuando los diodos son reales los valores son ligeramente menores
debido al voltaje umbral del diodo.
Circuitos Electrónicos 1
Operación Física del Diodo El diodo semiconductor es una unión p-n. Se construye en un sólo
cristal de silicio donde se forman la región p y la región n. El semiconductor es una estructura que mantiene enlaces covalentes
y a temperaturas suficientemente bajas no tiene electrones libres. Cuando el material se encuentra a temperatura ambiente se rompen
algunos enlaces provocando un par llamado electrón-hueco. El movimiento de los electrones y huecos puede ser por difusión y
desplazamiento.
Difusión debido a efectos térmicos y es al azar.
Desplazamiento por la aplicación de un campo eléctrico.
Circuitos Electrónicos 1
Operación Física del Diodo Silicio puro, éste
posee valencia 4
Circuitos Electrónicos 1
Operación Física del Diodo Debido a la
temperatura, el enlace covalente se rompe, esto genera un hueco permitiendo la conducción eléctrica
Circuitos Electrónicos 1
Operación Física del Diodo Al silicio se le
agregan impurezas, que no es otra cosa que adicionar elementos de valencia +5
Esto permite la circulación de la corriente en un sentido determinado
Circuitos Electrónicos 1
Operación Física del Diodo Al silicio se le
agregan ahora impurezas, que no es otra cosa que adicionar elementos de valencia +3
Esto permite la circulación de la corriente en el sentido contrario
Circuitos Electrónicos 1
Operación Física del Diodo Los semiconductores con impurezas son aquellos en los que
predominan uno de los portadores (electrones o huecos). Cuando la mayoría de los portadores son electrones el material es del
tipo n. Cuando la mayoría de los portadores son huecos el material es del
tipo p. Para convertir un semiconductor en tipo n o p es necesario añadir
algunos átomos de otros elementos. El fósforo al ser introducido eleva la cantidad de electrones libres por
lo cual se le conoce como donante. Cuando se introduce boro en el semiconductor existe una cantidad de
excesiva de huevos resultando ser un aceptante.
Circuitos Electrónicos 1
Operación del DiodoCircuito Abierto
La corriente de difusión ID es la que provocan los portadores que migran de una región a la otra.
En la vecindad de la unión se forma una región neutra llamada de agotamiento donde los portadores migrados se combinan.
Aparece un voltaje llamado de barrera, la cual debe vencerse para que se provoque la circulación de las cargas.
La corriente de desplazamiento IS es provocada por los portadores minoritarios que pasan la unión.
Circuitos Electrónicos 1
Operación del DiodoPolarización Inversa
Para entender el comportamiento aplicamos una fuente de corriente en dirección inversa menor que IS.
Los electrones fluyen del material n al p a través del circuito externo y viceversa.
Esto provoca que la región de agotamiento se …..
Entonces aparecerá un voltaje VR que será el nuevo voltaje de barrera.
III DS
Circuitos Electrónicos 1
Operación del DiodoRegión de Ruptura
Aplicamos ahora una corriente mayor a IS y los electrones pasarán del material n al p y viceversa provocando un ensanchamiento mayor de la región de agotamiento.
El voltaje se eleva hasta llegar a un punto donde pueden ocurrir dos eventos: el efecto Zener y el efecto avalancha.
El efecto Zener se provoca debido a la intensidad de campo que rompe enlaces covalentes liberando pares electrón-hueco.
El efecto Avalancha se provoca cuando los portadores minoritarios provocan la ruptura de enlaces de los átomos y se multiplican.
Circuitos Electrónicos 1
Operación del DiodoPolarización Directa
Se aplica ahora una corriente como se ve en la figura.
Los huecos y electrones inyectados en los materiales p y n provocan una disminución de la región de agotamiento.
Esto permite el paso de los portadores a través de la unión.