1_Diodos

Sistemas electrnicos: Diodos (unin p-n)

2

Objetivo

Exponer los aspectos generales de los diodos semiconductores

El alumno deber entender las caractersticas y capacidades de este dispositivo y aprender los diversos esquemas de uso.

Al finalizar este tema el alumno deber ser capaz de manejar dichos dispositivos y comprender sus principales aplicaciones.

Introduction Los diodos semiconductores juegan un papel

primordial en los circuitos electrnicos. Funcionan como interruptores, elementos de paso en reguladores conmutados y como elementos de inversin de carga en capacitores y de transferencia de energa entre componentes.

Los diodos de potencia son similares a los diodos de pequea seal, son ms lentos pero cuentan con mayores capacidades de manejo de energa.

Diodos

Un diodo ideal permite el paso de la electricidad slo en un nico sentido, esto es:

Diodos

En polarizacin inversa, la corriente conducida es nula, sea cual sea el valor de la tensin inversa aplicada

En polarizacin directa, la cada de tensin es nula, sea cual sea el valor de la corriente directa conducida i

V

curva caracterstica

Materiales semiconductores A diferencia de los materiales aislantes cuyos

electrones estn firmemente unidos a sus tomos, inhibiendo la circulacin de electrones, o de los materiales conductores, los cuales mantiene una nube libre de electrones; los materiales semiconductores (e.g.: Silicio, Germanio) pueden permitir cierto control sobre el libre paso de los electrones a travs de las caractersticas obtenidas a travs de su proceso de fabricacin (e.g.: dopaje).

Union pnnodo

Ctodo

Encapsulado (cristal o resina sinttica)

Terminal

Terminal

PN

Marca sealando el ctodo

Contacto metal- semiconductor

Contacto metal-semiconductor

Oblea de semiconductor

Union pn

Al unir 2 tipos de materiales semiconductores, uno rico en tomos con electrones libres (tipo-n) y otro pobre en estos tomos (tipo-p) se forma una unin pn

Al unirse ambos materiales : Comienza la mayora de los portadores de carga cerca de

la unin a recombinarse con los portadores de carga de polaridad contraria (nulificandose la carga)

Al avanzar este proceso se van agotando a lo largo de la unin dichos portadores de carga formando una capa denominada regin de agotamiento (depletion layer)

Recombinacin de huecos electrones

Union pn

Polarizacin de la union pn

Polarizacin directaCuando un voltaje positivo se aplica a la terminal del sustrato tipo-p y uno positivo a la del sustrato tipo-n se dan las condiciones para que los electrones, y por ende, la corriente fluye sobre la unin-pn.

Polarizacin inversaCuando un voltaje negativo se aplica al sustrato tipo-p y uno positivo al sustrato tipo-n la regin de agotamiento se ensancha hasta que su potencial iguala al de polarizacin (voltaje aplicado). Esta polarizacin reduce el flujo de electrones (corriente) a prcticamente cero.

Polarizacin de la union pn

Diodos semiconductores

Corrientes inversa y directa

Voltajes de encendido y rompimiento para un diodo de silicio


Cractersticas de diodo de Silicio Por lo general tienen un voltaje de encendido 0.5 V Y un voltaje de conduccin de aprox. 0.7 V El voltaje de rompimiento depende de las caractersticas de

su fabricacin Alrededor de 75 V para un diodo de seal pequea Alrededor de 400 V para un diodo de potencia

Su corriente de operacin mxima tambin depende del propsito de su fabricacin

100 mA for a diodo de seal pequea (electrnica) Varios amperes si se trata de uno de potencia


Relacin de corriente voltaje ( iv ) del diodo.

Vzk entre 75 y 400 V


Tipos de Diodos

DO 35 DO 41 DO 15 DO 201

Tipos de Diodos Axiales

Tipos de Diodos Para usar con disipador

B 44

DO 5

Tipos de Diodos Para alta potencia

2 diodos en ctodo comn2 diodos en serie

Tipos de Diodos En grupos de varios diodos

Tipos de Diodos Con varios elementos

Nombre del dispositivo

Tipos de Diodos Con varios elementos

(sin conectar)

Nombre del dispositivo

Encapsulados

Tipos de Diodos Con varios elementos y diversos encapsulados para

el mismo dispositivo

Dual in line

Tipos de Diodos Con 4 Diodos : Puente rectificador

Tipos de Diodos Con 4 Diodos : Puente rectificador

Tipos de Diodos Con 6 Diodos : Puente rectificador trifsico

- Adecuados para alta potencia y relativa alta frecuencia

- Minimizan las inductancias parsitas de la conexin

- Se usan en aplicaciones industriales, espaciales, militares, etc

Control de MotoresElectrnica militar

Tipos de Diodos Encapsulados mixtos

Se pueden pedir a medida

1) Mxima tensin inversa soportada

2) Mxima corriente directa conducida

3) Cada de tensin en conduccin

4) Corriente inversa de fuga (en bloqueo)

5) Velocidad de conmutacin

Caractersticas de cualquier diodo



Baja tensin

15 V

30 V

45 V

55 V

60 V

80 V

Alta tensin

500 V

600 V

800 V

1000 V

1200 V

Media tensin

100 V

150 V

200 V

400 V

Ejemplo de clasificacin

Corresponde a la tensin de ruptura de la unin inversamente polarizada



La tensin mxima es crtica. Excederla suele ser determinante para el deterioro irreversible del componente



Depende del encapsulado



Corriente eficaz mxima IF(RMS) (Polarizacin directa)

Corriente directa mxima de pico repetitivo IFRM

Corriente directa mxima de pico no repetitivo IFSM



i

V

V

rd

ideal

ID

VD5 A

La cada de tensin en conduccin (obviamente) crece con la corriente directa conducida. A corrientes altas crece linealmente



La cada de tensin en conduccin crece con la mxima tensin soportable por el diodo



2,2V @ 25A

En escala lineal no son muy tiles Frecuentemente se representan en escala logartmica

IF(AV) = 5A, VRRM = 1200V


1,25V @ 25A



Los Schottky tienen mejor comportamiento en conduccin para VRRM < 200 (en silicio)

0,5V @ 10A



Schottky de VRRM relativamente alta

0,69V @ 10A



Schottky

Schottky

PN

Similares valores de VRRM y similares cadas de tensin en conduccin



Depende de los valores de IF(AV) y VRRM, de la tensin inversa (poco) y de la temperatura (mucho)

Algunos ejemplos de diodos PN


Crece con IF(AV)

Crece con Tj




Dos ejemplos de diodos Schottky


IF(AV) = 10A, VRRM = 40V Decrece con VRRM

Crece con IF(AV) Crece con Tj



Dos ejemplos de diodos Schottky

Decrece con VRRM

Crece con IF(AV) Crece con Tj



Comportamiento ideal de un diodo en conmutacin

Transicin de t1 a t2,De conduccin a bloqueo (apagado)

i

V

t

t

V1/R

-V2

t1 t2

V1V2

Ri

V+

-



Comportamiento real de un diodo en conmutacin

ts = tiempo de almacenamiento (storage time )tf = tiempo de cada (fall time )trr = tiempo de recuperacin inversa (reverse recovery time )

t1 t2

V1V2

Ri

V+

-

i

V

t

t

trrV1/R

-V2/Rts

tf (i= -0,1V2/R)

-V2




td = tiempo de retraso (delay time )tr = tiempo de subida (rise time )

tfr = td + tr = tiempo de recuperacin directa (forward recovery time )

i

tr

0,9V1/R

td

0,1V1/R

tfr

Transicin de t2 a t1,De bloqueo a conduccin (encendido)

El tiempo de recuperacin directa genera menos problemas reales que el de recuperacin inversa

t1 t2

V1V2

Ri

V+

-




i

tr

0,9V1/R

td

0,1V1/R

tfr

Transicin de t2 a t1,De bloqueo a conduccin (encendido)

El tiempo de recuperacin directa genera menos problemas reales que el de recuperacin inversa

t1 t2

V1V2

Ri

V+

-



Comportamiento real de un diodo en conmutacin con cargas con comportamiento inductivo



Comportamiento real de un diodo en conmutacin en etapa de recuperacin

STTA506D



Comportamiento real de un diodo en conmutacin. Respuesta en el tiempo y carga trmica.

STTA506D



La velocidad de conmutacin (valorada con la trr) ayuda a clasificar los diodos

Standard

Fast

Ultra Fast

Schottky

VRRM trrIF

100 V - 600 V

100 V - 1000 V

200 V - 800 V

15 V - 150 V

> 1 s

100 ns 500 ns

20 ns 100 ns

< 2 ns 1 A 150 A

1 A 50 A

1 A 50 A

1 A 50 A


Prdidas en diodos

Son de dos tipos:

- Estticas en conduccin (en bloqueo

son despreciables)

- Dinmicas


Prdidas ESTTICAS en diodos

V

rd

ideal

Potencia instantnea perdida en conduccin:

pDcond (t) = vD (t)iD (t) = (V + rd iD(t)) iD(t)

PDcond = VIM + rd Ief2

IM : Valor medio de iD(t)

Ief : Valor eficaz de iD(t)

iD

T0

DcondDcond dt)t(pT1P

Potencia media en un periodo:

V

rd

ideal

iD

Potencia instantnea perdida en conduccin:

pDcond (t) = vD (t)iD (t) = (V + rd iD(t)) iD(t)

PDcond = VIM + rd Ief2

IM : Valor medio de iD(t)

Ief : Valor eficaz de iD(t)

iDForma de onda peridica

T0

DcondDcond dt)t(pT1P



Prdidas ESTTICAS en diodos


Prdidas DINMICAS en diodos

Las conmutaciones no son perfectas

Hay instantes en los que conviven tensin y corriente.

La mayor parte de las prdidas se producen en la salida de conduccin

trr

iD

t

VD

t

0,8 V

-200 V

10 A

3 A



trr

iD

t

VD

t

0,8 V

-200 V

10 A

3 A

Potencia instantnea perdida en la salida de conduccin:

pDsc (t) = vD (t)iD (t) = PD

rrt0

DscD dt)t(pT1P


Caractersticas Trmicas

Las prdidas generan calor y ste debe ser evacuado

El silicio pierde sus propiedades semiconductoras a partir de

175-150C


Magnitudes trmicas:

- Resistencias trmicas, RTH en C/W

- Increm. de temperaturas, T en C

- Potencia perdida, P en W

Si

jUnin (oblea)

cEncapsulado

aAmbiente

P (W)

RTHjc RTHca



Ley de Ohm trmica: T=PRTH

- Resistencias elctricas, R en

- Difer. de tensiones, V en voltios

- Corriente, I en ARTH RT VP I

Equivalente elctrico

Las prdidas generan calor y ste debe ser evacuado

El silicio pierde sus propiedades semiconductoras a partir de

175-150C

Si

jUnin (oblea)

cEncapsulado

aAmbiente

P (W)

RTHjc RTHca


Caractersticas de cualquier diodoRTH RT VP I

Equivalente elctrico

P

RTHjc RTHcaTaj c

a

0 K

TCTJ

Por tanto: T = PRTH Tj-Ta = P(RTHjc + RTHca)

Y tambin: Tj-TC = PRTHjc y Tc-Ta = PRTHca

Si

jUnin (oblea)

cEncapsulado

aAmbiente

P (W)

RTHjc RTHca



La resistencia trmica unin-cpsula es baja ( 0,5-5 C/W) La resistencia trmica cpsula-ambiente es alta ( 30-100 C/W)


Cpsula TO 3 TO 5 TO 66 TO 220 TOP 3

RTHca [C/W] 30 105 45 60 40



Para reducir la temperatura de la unin hay que disminuir la resistencia trmica entre la cpsula y el ambiente.

Para ello se coloca un radiador en la cpsula.



j c

P

RTHjc

RTHca Ta

a

0 K

TCTJ

Por tanto: Tj-Ta = P[RTHjc + (RTHcaRTHrad)/(RTHca+RTHrad)]

Y tambin: Tj-TC = PRTHjc y Tc-Ta = P(RTHcaRTHrad)/(RTHca+RTHrad)]

RTHrad

Si

jUnin (oblea)

cEncapsulado

aAmbiente

P (W)

RTHjc

RTHca

RTHrad

Diodos Zener

Caractersticas Presenta un voltaje de polarizacin

inversa relativamente constante, loque permite ser empleado como referncia de voltaje

Al voltaje de rompimiento se le conoce como voltaje Zener, VZ

El voltaje de salida Vo es igual aVZ a pesar de las variaciones en el voltaje de entrada V

Se emplea un resistor R para limitar la corriente en el diodo

Smbolo

La imagen muestra la relacin de corriente voltaje ( iv ) en la zona de ruptura

Diodos Zener

LED, siglas en ingls de Light-Emitting Diode, es un tipo de diodo que emite luz.Para que emita luz, lo debemos colocar con la polaridad correctaProducen luz ~ monocromtica

Smbolo

nodo Ctodo nodo

Ctodo

Diodos LED

Circuitos con diodos


Rectificador de media onda

El voltaje pico de salida es igual a:

Al voltaje pico de la entrada menos el voltaje de conduccin del diodo

La inclusin de un capacitor hace que la onda sea ms suave


Rectificador de onda completa

Si aadimos un diodo a la rama negativa de un transformador con derivacin central el voltaje pico de salida ser nuevamente igual al voltaje pico de la entrada menos el voltaje de conduccin del diodo



Si aadimos un diodo a la rama negativa de un transformador con derivacin central el voltaje pico de salida ser nuevamente igual al voltaje pico de la entrada menos el voltaje de conduccin del diodo

VD VS VS


Si aadimos un puente rectificador entre las terminales de un transformador el voltaje pico de salida ser ahora igual a:

Al voltaje pico de la entrada menos 2 veces el voltaje de conduccin del diodo




El puente rectificador reduce el tiempo en el que el capacitor debe mantener el voltaje sobre la carga, de esta manera se reduce el rizo de la seal senoidal


Rectificador Polifsica de 3 fases (Trifsica) Puente rectificador empleado comnmente en la industria. Rectifica

al tiempo 3-Fases lo que resulta en una menor oscilacin (rizo) del voltaje rectificado.

Circuito de puente rectificador de 3 fases y onda completa

Voltajes de entrada-salida del circuito rectificador

Rizo (ripple)


Rectificador Polifsica de 3 fases (Trifsica) Cada una de las fases se conecta entre cada par de diodos. La salida Positiva se toma del ctodo de los 3 ltimos diodos La salida Negativa se obtiene del nodo de los 3 primeros diodos.



Rectificador Polifsica Seis fases Cada una de las fases se conecta entre cada par de diodos. La salida Positiva se toma del ctodo de los 6 ltimos diodos La salida Negativa se obtiene del nodo de los 6 primeros diodos.



Rectificador Polifsica Seis fases La rectificacin de onda completa produce un voltaje

aproximadamente igual a:

En la prctica, existe un pequeo voltaje de cada producido por los diodos lo que reduce el voltaje de salida.

Para obtener una fuente de alimentacin ms precisa se requiere aadir una etapa de filtrado o regulacin al circuito.

Vo 2Vi,RMS


Aplicaciones Dimmer de iluminacin:

Enva una seal de alimentacin de media onda rectificada hacia la lampara.

Alternador automotriz: La salida de un generador trifsico de AC es rectificada por un puente rectificador (ms confiable que un generador de DC)

6 Diodos rectificadores

Limitadores de voltaje

Ejemplos: Manera simple de

acondicionamiento de seal

El diodo limita elvoltaje que percibela resistencia de carga

Se puede usar combinaciones de diodos tradicionales y Zener

Limitador de voltaje

Limitador de voltaje

Las corrientes regenerativas del efecto contra-motriz pueden producir daos en interruptoreso relevadores.

Los diodos de paso ofrecen un camino de baja impedancia (resistencia) para que la corriente regrenerativa circule de regreso a la bobina y de esa manera se disipe la energa almacenada.

Por el contrario, cuando se energiza la carga con la fuente de alimentacin (interruptor cerrado), la polarizacin inversa del diodo hace que el diodo se mantenga fuera del circuito sin ningn efecto.

Diodo de paso para cargas inductivas

Diodo de paso para cargas inductivas

Fuente de alimentacin

Puntos clave- Los diodos permiten la circulacin de la corriente SLO en una direccin- A bajas temperaturas los semiconductores actan como aislantes, a altas temperaturas comienzan a conducir- El dopaje de diversos tomos en los semiconductores deriva en la produccin de materiales semiconductores tipo-p y tipo-n- La unin entre un sustrato tipo-p y uno n produce las propiedades propias de un diodo- Los diodos de Silicio aproximan su comportamiento al de un diodo ideal pero comienzan a conducir al rededor de los 0.7V, para Germanio es 0.3V- Existen una gran variedad de tipos de diodos empleados para propsitos especiales y mltiples aplicaciones

Diodo SchottkyDiseado para una muy rpida respuesta. Muy usado en

aplicaciones de rpida conmutacin. Construido por la unin de una capa de metal

(e.g. aluminio) y otra de semiconductor

Su operacin recae slo en portadores mayoritarios de carga (e.g. portadores tipo N o electrones mviles ).

Tiene un voltaje de polarizacin directa bajo (0.25 V aprox)

Usado en el diseo de compuertas lgicas de alta velocidad.

Otros tipos de diodos

Diodo Schottky


Diodo ShockleyDiodo de 4 capas diseado para controlar la cantidad

promedio de energa que se entrega a la carga.


Anode

Cathode

PNPN

a. b. c.

DC Current AC Current

Ohms Law

ZVI

22 RXZ

I= CurrentV= VoltageR= Resistance

Z= ImpedanceX= Reactance

Frequency of AC Geometry of Secondary Magnetic Material Power = VI

=KW (kilowatts) Power = KVA

RVI

Factor de Potencia

P

V

P

I

I

V

(a) Carga meramente Resistiva (b) Carga Resistiva y Reactiva

Pav = VavIav cos()

Factor de Potencia

R=Resistance

X=Reac

tanceZ=Impedance

Power Factor = Cos

If: I=10,000 amps V=10 volts

Kva=100Kw=70.7

If: R=Xpf = 70.7%

o45

Factor de Potencia

Tunnel diodes high doping levels produce

a very thin depletion layerwhich permits tunnellingof charge carriers

results in a characteristicwith a negative resistanceregion

used in high-frequency oscillators, where they can be used to cancel out resistance in passive components

Varactor diodes a reversed-biased diode has two conducting regions

separated by an insulating depletion region this structure resembles a capacitor variations in the reverse-bias voltage change the width of

the depletion layer and hence the capacitance this produces a voltage-dependent capacitor these are used in applications such as automatic tuning

circuits

Sistemas embebidosObjetivoIntroductionDiodesSlide 5Slide 6pn JunctionsSlide 8Slide 9Slide 10Slide 11Slide 12Slide 13Slide 14Slide 15Slide 16Slide 17Slide 18Slide 19Slide 20Slide 21Slide 22Slide 23Slide 24Slide 25Slide 26Slide 27Slide 28Slide 29Slide 30Slide 31Slide 32Slide 33Slide 34Slide 35Slide 36Slide 37Slide 38Slide 39Slide 40Slide 41Slide 42Slide 43Slide 44Slide 45Slide 46Slide 47Slide 48Slide 49Slide 50Slide 51Slide 52Slide 53Slide 54Slide 55Slide 56Slide 57Slide 58Slide 59Slide 60Slide 61Slide 62Slide 63Slide 64Slide 65Slide 66Slide 67Slide 68Slide 69Slide 70Slide 71Slide 72Slide 73Slide 74Slide 75Diode CircuitsSlide 77Slide 78Slide 79Slide 80Slide 81Slide 82Slide 83Slide 84Slide 85Slide 86Slide 87Slide 88Slide 89Slide 90Slide 91Slide 92Slide 93Slide 94Slide 95Slide 96Slide 97Slide 98Key PointsSlide 100Slide 101Slide 102Slide 103Slide 104Power FactorSlide 106Slide 107Slide 108

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