Transcript Contenido:  Estructura de un elemento semiconductor.  Formación de un diodo de silicio de unión“ p-n".  Polarización del diodo.  Mecanismo de funcionamiento del diodo.

Contenido:
 Estructura de un elemento
semiconductor.
 Formación de un diodo de silicio de
unión“ p-n".
 Polarización del diodo.
 Mecanismo de funcionamiento del
diodo de silicio (Si).
 Características de los diodos.
 Diferentes tipos de los diodos.
 Rectificación de la corriente alterna
(C.A.)
empleando semiconductores
diodos.
 Rectificador con filtro a la salida de
la corriente directa.
ESTRUCTURA DE UN ELEMENTO SEMICONDUTOR
Diodos semiconductores de silicio de diferentes tipos y. tamaños, identificados en el
circuito impreso de este dispositivo electrónico con las letras “D” (para diodos con.
funciones diferentes) y “DZ” (para el diodo Zener).
EL DIODO
• Componente electrónico que permite el paso de la corriente en un solo
sentido. La flecha de la representación simbólica muestra la dirección
en la que fluye la corriente.
• Es el dispositivo semiconductor más sencillo y se puede encontrar
prácticamente en cualquier circuito electrónico.
• Constan de la unión de dos tipos de material semiconductor, uno tipo N
y otro tipo P, separados por una juntura llamada barrera o unión.
• Los diodos se fabrican en versiones de silicio (la más utilizada) y de
germanio. Esta barrera o unión es de 0.3 voltios en el germanio y de 0.6
voltios aproximadamente en el diodo de silicio.
Un diodo semiconductor de estado sólido consta de dos partes, formadas por
cristales de silicio (Si) de diferente polaridad.
Un cristal de silicio en estado puro constituye un elemento químico
tetravalente por estar compuesto por átomos de valencia +4, pero para
obtener dos cristales semiconductores de polaridad diferente es necesario
“doparlos”.
Para fabricar un diodo, primeramente uno de los cristales de silicio se dopa
añadiéndole, como impureza, un elemento químico de valencia +3 (trivalente)
como el galio (Ga), por ejemplo. Al final del proceso se obtiene un
semiconductor “tipo-p”, con polaridad positiva (P), que presentará defecto o
falta de electrones en la última órbita de los átomos de galio añadidos como
impurezas. En esas órbitas se formarán “huecos” en aquellos lugares que
debían estar ocupados por los electrones faltantes.
• A continuación, el otro cristal de silicio, que inicialmente es
igual al empleado en el proceso anterior, se dopa también
durante el proceso de fabricación del diodo, pero
añadiéndole esta vez impurezas pertenecientes a átomos
de otro elemento químico también semiconductor, pero de
valencia +5 (pentavalente) como, por ejemplo, antimonio
(Sb).
• Una vez finalizado este otro proceso de dopado se obtiene
un semiconductor “tipo-n”, con polaridad negativa (N),
caracterizado por presentar exceso de electrones libres en
la última órbita de los átomos de
antimonio añadidos como impurezas.
FORMACIÓN DE UN DIODO DE SILICIO DE UNIÓN "p-n"
• En el mismo momento que un cristal semiconductor de silicio (Si) de conducción
“tipo-p” (positivo) se pone en contacto con otro cristal semiconductor también de
silicio, pero de conducción “tipo-n” (negativo), se crea un diodo de empalme o de
unión “p-n”.
• Si al diodo así formado le conectamos una fuente de corriente eléctrica, éste
reacciona de forma diferente a como ocurre con cada una de las dos partes
semiconductoras por separado, tal como se pudo ver en el ejemplo anterior.
•
• Representación gráfica de las dos partes que componen un diodo de silicio de
unión p-n: a la izquierda la parte. positiva (P) y a la derecha la negativa (N). En la
ilustración. se puede apreciar la “zona de deplexión” que se forma. alrededor del
punto donde se unen los dos cristales. semiconductores de diferente polaridad. El
punto de unión. p-n de los dos cristales se denomina “barrera de potencial. del
diodo”.
POLARIZACIÓN DEL DIODO
Diodo polarizado directamente
• Cuando polarizamos un diodo de forma directa, el polo positivo de la batería rechaza
los huecos o agujeros contenidos en la región "P" (ánodo del diodo), y los obliga a
dirigirse al empalme "p-n".
• En esas condiciones, la “zona de deplexión” se reduce por completo, por lo que los
electrones en exceso en el material negativo o cátodo adquieren la suficiente energía
como para poder atravesar la barrera de potencial existente en el empalme "p-n".
• En la parte superior de esta figura se representa el esquema de un. diodo energizado
en “polarización directa”. Como se puede. observar, el polo negativo (–) de la batería
se encuentra conectado. al cátodo “K” y el polo positivo (+) al ánodo “A” del diodo.
Esta. conexión permite que la corriente de electrones que suministra la.
batería o fuente de fuerza electromotriz pueda circular en el. sentido que indican
las flechas.
• Diodo polarizado inversamente
• En la parte de arriba de esta figura se representa el esquema de. un
diodo energizado en “polarización inversa”. Como se puede. observar,
el polo positivo de la batería se encuentra conectado al. cátodo “K” y
el polo negativo al ánodo “A”.
• Esta conexión impide que la corriente de electrones que suministra. la
batería u otra fuente de fuerza electromotriz pueda circular en el.
sentido que indican las flechas y atravesar el diodo, por lo que no..
se puede completar el circuito eléctrico.
A
B
C
En la ilustración “A” se puede ver un circuito electrónico formado por un diodo de silicio (1), una
pila o. batería (2), una lámpara LED en función de consumidor (3), un interruptor (4) y un
miliamperímetro (5).. Como todavía el circuito se encuentra abierto (no se ha accionado el
interruptor), la corriente eléctrica no circula.
En la ilustración "B" se ha accionado el interruptor y, de acuerdo con polaridad de la batería, el.
diodo se polariza de forma directa permitiendo el paso de la corriente a través del circuito, por
lo que la. lámpara LED se enciende y la aguja del miliamperímetro se mueve indicando que la
corriente eléctrica. está circulando.
En la ilustración “C” se ha cambiado la conexión de la batería en el circuito, por tanto. la
polaridad también queda invertida. En esta ocasión, aunque el interruptor se accione, se puede.
observar que la lámpara LED no se enciende y la aguja del miliamperímetro no muestra
circulación de. corriente eléctrica alguna (se mantiene indicando “0” mA), pues al haberse
cambiado la polaridad de la. batería el diodo se polariza de forma inversa impidiendo que la
corriente eléctrica circule por el circuito.. El efecto que se obtiene es el mismo que si no se
hubiera accionado el interruptor.
• Por tanto, en un diodo polarizado de forma directa, los electrones de la
parte negativa (N) que han sido elevados a la banda de conducción, así
como los que se han difundido a través de la unión “p-n”, poseen más
energía que los huecos presentes en la parte positiva (P).
• De esa forma los electrones se combinan sin esfuerzo con esos huecos,
estableciéndose un flujo de corriente electrónica a través de la unión “p-n”,
en dirección al polo positivo de la batería.
• Movimiento de los electrones que se establece en un. sentido y de los
huecos en el sentido opuesto en un diodo. semiconductor polarizado de
forma directa.
• La parte. señalada como (A) corresponde al ánodo positivo (+) y la. parte (B)
al cátodo negativo (–). Como se puede apreciar,. el flujo de los electrones
se mueve del polo negativo al polo positivo de la batería (pila) conectada
al circuito.
• CARACTERÍSTICAS DE LOS DIODOS
• La forma de funcionamiento de un diodo común de silicio se puede apreciar
observando la curva característica que se crea cuando se polariza, bien de forma
directa, o bien de forma inversa. En ambos casos la curva gráfica (representada en
color verde en el siguiente gráfico) muestra la relación existente entre la corriente y
la tensión o voltaje que se aplicada a los terminales del diodo.
En este gráfico correspondiente a la curva característica de un diodo de silicio, se puede observar un eje horizontal “x” y otro vertical
“y” que se intersectan en el centro. En ese punto el valor del voltaje y de la intensidad de la corriente es igual a “0” volt. El eje vertical
“y” muestra hacia arriba su parte positiva (+y) correspondiente al valor que puede alcanzar la intensidad de la corriente (Id) que
atraviesa al diodo cuando se polariza directamente, mientras que hacia abajo su parte negativa (-y) muestra cuál será su
comportamiento cuando se polariza de forma inversa (Ii). El eje horizontal “x” muestra hacia la derecha, en su parte positiva (+x), el
incremento del valor de la tensión o voltaje que se aplicada al diodo en polarización directa (Vd). Hacia la izquierda del propio eje se
encuentra la parte negativa (–x), correspondiente al incremento también del valor de la tensión o voltaje, pero en polarización
inversa (Vi).
• DIFERENTES TIPOS DE DIODOS
Tipos de diodo y su simbología
• Diodo back Ward
• Diodo detector
• Diodo estabilizador
Diodo laser
Diodo leed
Diodo Pin
Diodo schottkly
Diodo Túnel
Diodo Varactor
Diodo Zener
Diodo fotodiodo
RECTIFICACIÓN DE LA CORRIENTE ALTERNA (C.A.) EMPLEANDO SEMICONDUCTORES DIODOS
La rectificación de una corriente alterna (C.A.) para convertirla en corriente directa
(C.D.) denominada. también corriente continua (C.C.) es una de las tecnologías más
antiguas empleadas en los circuitos electrónicos desde principios del siglo pasado,
incluso antes que existieran los elementos semiconductores de estado sólido, como los
diodos de silicio que conocemos en la actualidad.
Puesto que los diodos permiten el paso de la corriente eléctrica en una dirección y lo
impiden en la dirección contraria, se han empleado también durante muchos años en la
detección de señales de alta frecuencia, como las de radiodifusión, para convertirlas en
audibles en los receptores de radio.
En la actualidad varios tipos de diodos de construcción especial pueden realizar otras
funciones diferentes a la simple rectificación o detección de la corriente cuando se
instalan en los circuitos electrónicos.
Funcionamiento de un diodo rectificador común de media onda
Animación de un circuito rectificador simple de media onda, compuesto por un solo diodo.
• Para comprender mejor la forma en que funciona un semiconductor diodo, es
necesario recordar primero que la corriente alterna (C.A.) circula por el circuito
eléctrico formando una sinusoide, en la que medio ciclo posee polaridad positiva
mientras y el otro medio ciclo posee polaridad negativa.
• Es decir, cuando una corriente alterna circula por un circuito eléctrico cerrado su
polaridad cambia constantemente tantas veces como ciclos o hertz por segundo de
frecuencia posea.
• En el caso de la corriente alterna que llega a nuestros hogares la frecuencia puede
ser de 50 o de 60 ciclos en dependencia del sistema que haya adoptado cada país en
cuestión.
• En Europa la frecuencia adoptada es de 50 ciclos y de 60 ciclos en la mayor parte de
los países de América (Ver tabla de frecuencia de la corriente por países y los
respectivos voltajes).
Funcionamiento de los diodos rectificadores de onda
completa
• Cuando un circuito eléctrico o electrónico requiere de una corriente directa que no
sea pulsante, sino mucho más lineal que la que permite un simple rectificador de
media onda, es posible combinar de dos a cuatro diodos rectificadores de forma tal
que la resultante sea una corriente directa (C.D.) con menos oscilaciones residuales.
• La estructura más usual para obtener un puente rectificador de "onda completa" es
la compuesta por cuatro diodos conectados de forma conveniente. Sin embargo, en
algunos casos se obtiene un efecto similar conectando solamente dos diodos,
empleando como fuente de suministro de corriente alterna (C.A.) un transformador
con una derivación en el centro del enrollado secundario.
• Esa derivación central permite alimentar por igual a cada uno de los diodos gracias a
su simetría en contrafase que hace posible que el punto medio del enrollado sea
siempre el polo negativo mientras el polo positivo cambia en sus extremos cada
medio ciclo de frecuencia alterna de la corriente aplicada al circuito. Sin embargo, a
la salida del circuito rectificador se obtiene una corriente directa (C.D.) de onda
completa.
• No obstante, la mayoría de los circuitos eléctricos o electrónicos que funcionan con corriente directa (C.D.),
emplean rectificadores de onda completa compuestos por cuatro diodos. A continuación se ilustran tres
formas de esquematizar en un diagrama la conexión de esos cuatro diodos para obtener un rectificador de
onda completa.
•
Diferentes formas de representar esquemáticamente un mismo puente rectificador de onda completa
integrado por cuatro diodos, aunque la figura de la izquierda es la forma más común de representarlo.
Un puente rectificador de cuatro diodos
funciona de la siguiente forma: como se
puede observar en la parte (A) de la
ilustración, durante el primer medio ciclo
negativo (–) de la corriente que proporciona
la fuente de suministro alterna (C.A.)
conectada al puente rectificador, los
electrones atraviesan primero el diodo (1),
seguidamente el consumidor (R) y después el
diodo (2) para completar así la circulación de
la corriente de electrones por una mitad del
circuito correspondiente al puente
rectificador.
• Como aclaración, al llegar los electrones en su recorrido al punto de conexión (a), no pueden atravesar el
diodo (4) porque, de acuerdo con la colocación que éste ocupa en el circuito, bloqueará o impedirá la
circulación de los electrones en ese sentido.
• Una vez que los electrones continúan su recorrido, al llegar al punto de conexión (b), tampoco pueden
atravesar el diodo (4), porque la corriente de electrones nunca circula en dirección a su propio encuentro (de
forma similar a como ocurre con la corriente de agua en un río), sino que siempre se mueve en dirección al
polo opuesto de la fuente de suministro que le proporciona la energía eléctrica, o sea, el polo positivo de la
corriente alterna (C.A.) en este caso.
• En la parte (B) de la ilustración podemos ver que la corriente alterna cambia la polaridad y, por tanto, el
sentido de circulación de los electrones. En esta ocasión, los electrones atraviesan primeramente el diodo (3),
a continuación atraviesan el consumidor (R) y, por último, el diodo (4) para retornar a la fuente de suministro
eléctrico y completar así el circuito. De forma similar a lo ocurrido en el ciclo anterior, ahora el diodo (1) es el
encargado de bloquearle el paso a los electrones para que se puedan dirigir en dirección al consumidor (R),
mientras que el diodo (2) tampoco pueden atravesarlo los electrones, porque no pueden ir a su propio
encuentro, tal como ocurre en el medio ciclo anterior.
Animación del funcionamiento del rectificador de onda completa o puente
rectificador, compuesto por cuatro diodos.
• RECTIFICADOR CON FILTRO A LA SALIDA DE LA CORRIENTE DIRECTA
• Si quisiéramos que un dispositivo rectificador de onda completa entregue una
corriente directa lo más lineal posible, podemos colocar un filtro compuesto por uno
o dos capacitores electrolíticos polarizados, como los (C1) y (C2) que aparecen en las
ilustraciones de abajo, conectados a la salida del circuito de la corriente directa (C.D.)
ya rectificada. (figura A).
(figura A).
• Además de dichos capacitores se debe añadir al filtro una resistencia (R) (gráfico A),
o una inductancia (L) (gráfico B) conectada entre los dos capacitores. La función del
filtro consiste en compensar las variaciones o deformaciones residuales que puedan
haber quedado remanentes en la corriente rectificada. Para ello durante el medio
ciclo negativo los capacitores se cargan y durante el siguiente medio ciclo positivo se
descargan para rellenar los espacios sin carga que se crean entre una cresta y la otra,
correspondientes a las medias ondas de la corriente rectificada. (figura B).
(figura B).
Sin embargo, algunos equipos y dispositivos electrónicos (sobre todo los de sonido,
por ejemplo), requieren de una corriente directa rectificada lo más pura o lineal
posible, por lo que para obtener ese resultado será necesario colocar un transistor a
continuación del filtro, en función de estabilizador (figura C).
(figura C).
En la foto de la izquierda se muestra un dispositivo
rectificador de onda completa empleado en un equipo
que funciona con 12 volt de corriente directa (C.D.),
conectándose a una toma doméstica de corriente
alterna (C.A.) de 220 volt. En la parte izquierda de este
dispositivo se puede observar un transformador
encargado de transformar o rebajar los 220 volt de
entrada en 12 volt de salida, también de corriente
alterna. En el centro se puede observar un puente
rectificador (con encapsulado KBL), que convierte los 12
volt de corriente alterna (C.A.) en 12 volt de corriente
directa (C.D.). A la derecha se observan los dos
capacitores electrolíticos y una de las resistencias que
hacen función de filtro. La otra resistencia también
visible,
se emplea para reducir la tensión de trabajo del diodo LED (en la parte inferior de la foto) empleado como
testigo o luz piloto para indicar que el equipo se encuentra conectado al suministro de corriente alterna de la
red doméstica, incluso cuando éste no está en uso.
No siempre es necesario contar con un filtro
para poder utilizar una corriente alterna
rectificada. Por ejemplo, en esta foto podemos
observar un puente rectificador formado
solamente por cuatro diodos independientes,
que suministran corriente directa (C.D.) a un
pequeño motor eléctrico acoplado al
ventilador de un secador de pelo. Los cables
de color negro corresponden a la entrada de la
corriente alterna (C.A.) que alimenta al puente
rectificador. El polo positivo [con el signo (+)
en color rojo] y el negativo [con el signo (–) en
color azul] indican la polaridad de salida de la
corriente directa ya rectificada por el puente.
En este caso los polos positivo y negativo se
encuentran conectados directamente en los
bornes de entrada de la corriente directa
(C.D.) al motor, situados ambos en su tapa
trasera. Como se puede observar, en este caso
se ha omitido el uso del filtro por no ser
necesario para que el motor funcione
• Los rectificadores de onda completa tienen una amplia utilización en diferentes tipos de
dispositivos como son los adaptadores de corriente que emplean diferentes equipos
electrónicos, así como en los cargadores de batería que utilizan teléfonos móviles, cámaras
fotográficas digitales, reproductores mp3, ordenadores portátiles y muchos otros equipos
electrodomésticos y electrónicos más, que funcionan con corriente directa. De esa forma un
puente rectificador permite que cualquier dispositivo o equipo de corriente directa (C.D.) se
pueda conectar a la red de corriente alterna (C.A.) doméstica para poderlo utilizarlo de esa
forma o, de lo contrario, cargar sus baterías.
Diferentes dispositivos dotados de puentes de diodos de silicio en función de rectificadores
de corriente alterna para convertirla en directa. A la izquierda aparece el cargador de un
ordenador portátil, que también nos permite continuar trabajando con el mismo cuando
las baterías se hayan agotado siempre que lo mantengamos conectado a la red de
corriente alterna doméstica. A la derecha un adaptador de corriente empleado para
energizar un convertidor de señal de TDT (Televisión Digital. Terrestre). A la derecha se
puede observar un cargador de teléfono móvil.