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Material recopilado por Ing. Consuelo Pérez
REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL
POLITÉCNICA “ANTONIO JOSÉ DE SUCRE”
VICERRECTORADO BARQUISIMETO
ELECTRONICA ANALOGICA
CODIGO 1013
UNIDAD III: APLICACIONES CON DIODOS
OBJETIVOS
1. Diferenciar las líneas de carga de un diodo
2. Usar el diodo como circuito rectificador
3. Diseñar circuitos recortadores y fijadores con diodo
4. Diseñar compuertas lógicas OR y AND con diodos
5. Diseñar reguladores con el diodo zener
CONTENIDO
1. Línea de Carga de C.C. 2. Línea de Carga de C.A. 3. Rectificador de Media Onda. 4. Rectificador de Onda Completa. 5. Circuitos Recortadores y Fijadores. 6. Filtro C, RC. 7. Compuertas AND/OR. 8. El Diodo Zener como Regulador.
Línea de carga de corriente directa (cd o cc)
La corriente y la tensión en un circuito de diodo deben satisfacer tanto la
curva del diodo como la ley de Ohm para la resistencia de carga. Estos son dos
requerimientos diferentes que gráficamente se traducen en la intersección de la
curva del diodo con la recta de carga.
A menudo un circuito contiene fuentes de cd y fuentes variables con el
tiempo. Si se hace a las fuentes variables iguales a cero, la única energía
suministrada a los circuitos proviene de las fuentes de cd. Con las fuentes
variables en el tiempo fuera del circuito, la tensión y la corriente en el diodo
definen lo que se conoce como punto de operación en reposo (punto Q).
En la figura 1a se ilustra un circuito con diodo. Si se denomina a la
corriente y a la tensión del diodo como las dos incógnitas del circuito, se
necesitan dos ecuaciones independientes que incluyan estas dos incógnitas
para encontrar una solución única para el punto de operación. Una de las
U
N
E
X
P
O
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ecuaciones es la restricción proporcionada por los elementos conectados al
diodo. La segunda es la relación real entre corriente y tensión para el diodo.
Estas dos ecuaciones se deben resolver simultáneamente para determinar la
tensión y la corriente del diodo. Esta solución simultánea se puede llevar a
cabo en forma gráfica.
Si en primer lugar se toma la condición de cd, la fuente de tensión se
vuelve simplemente Vs, y el capacitor es un circuito abierto (la impedancia del
capacitor es infinita a frecuencia cero). Por tanto, la ecuación de lazo se puede
escribir como:
Despejando el voltaje del diodo:
La ecuación 1 es necesaria combinarla con la característica del diodo y
resolver para eñ punto de operación. La gráfica de esta ecuación se ilustra en
la figura 1b y se le conoce con el nombre de línea de carga en cc (cd).La
intersección de las dos gráficas proporciona la solución simultánea de las dos
ecuaciones, este punto se conoce como punto Q. Este es el punto en el cual
opera el circuito con las entradas variables iguales a cero
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Línea de Carga de ca
Si ahora en el circuito de la figura 1a se aplica una señal variable en el
tiempo además de la entrada de cd, cambia una de las ecuaciones
simultáneas. Si se supone que la entrada variable es de una frecuencia
suficientemente alta como para permitir la aproximación del capacitor como un
cortocircuito, la nueva ecuación está dada por:
Donde:
Entonces el valor total de los parámetros está dado por:
Y a ecuación 2 se convierte en:
Esta última ecuación es conocida como línea de carga en ca
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Rectificador de Media Onda.
En la figura 2 se muestra un circuito rectificador de media onda simple
(suponiendo una entrada senoidal de 100 V, Rs =10 Ω y RL = 90 Ω). Cuando la
tensión de entrada es positiva, el diodo se polariza en directo y se puede
reemplazar por un cortocircuito (suponiendo que sea ideal). Si la tensión de
entrada es negativa, el diodo se polariza en inverso y se puede reemplazar por
un circuito abierto (siempre que la tensión no sea muy negativa como para
romper la unión).
Rectificador de Onda Completa
Un rectificador de onda competa transfiere energía de la entrada a la
salida durante todo el ciclo y proporciona mayor corriente promedio por cada
ciclo en relación con la que se obtiene utilizando un rectificador de media onda.
El puente rectificador de la figura 3 es un circuito rectificador de onda
completa. Cuando la fuente de tensión es positiva, los diodos 1 y 4 conducen y
los diodos 2 y 3 son circuitos abiertos. Cuando la fuente de tensión se vuelve
negativa, se invierte la situación y los diodos 2 y 3 conducen. Esto se indica en
la figura 4.
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Figura 4
El problema que presenta este tipo de rectificación es cuando una de
las terminales de la fuente se conecta a tierra, pues ninguna de las terminales
del resistor se puede “llevar a tierra”. Hacerlo provocaría un lazo de tierra, que
eliminaría uno de los diodos. Por tanto es necesario añadir un transformador a
este circuito para aislar entre sí las dos tierras.
Circuitos Recortadores y Fijadores
Los recortadores son redes que emplean diodos para “recortar” una
parte de una señal de entrada sin distorsionar la parte restante de la forma
aplicada.
Los recortadores se dividen en dos categorías: en serie y en paralelo
Configuración en serie
Es cuando en el circuito el diodo está en serie con la carga, en la figura 5
se ilustra el circuito, con dos señales alternas diferentes.
En la figura 6 se muestra un recortador en serie con una fuente de
corriente directa (cd)
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El procedimiento para el análisis de la red de la figura 6 se describe a
continuación:
1. Observar cuidadosamente donde se aplica el voltaje de salida
2. Crear un esquema mental de la respuesta observando la dirección
establecida por la fuente y el efecto que se presenta en la dirección
convencional de la corriente del diodo
3. Determine el voltaje de transición que cambie el estado del diodo de
“apagado” a “encendido”
4. Es conveniente trazar la forma de onda de salida directamente debajo
del voltaje aplicado, utilizando las mismas escalas para el eje
horizontal y para el eje vertical.
Ejemplos
1. Determine la forma de onda de salida para la entrada senoidal de
la figura 7.
Solución
Paso 1: La salida se aplica directamente en el resistor R
Paso 2: Tanto la región positiva de vi como la fuente aplican “presión” para
encender el diodo. Una vez que el voltaje se torna negativo tendrá que
excederse el voltaje cd de 5 V antes de que el diodo se apague.
Paso 3: Se construye el modelo de transición (ver figura 8)
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La transición de un estado al otro ocurrirá cuando:
En la figura 9 se muestra que cuando el diodo está encendido y se
establece corriente a través de él, el voltaje de salida será el siguiente:
2. Determine la forma de onda de salida para la entrada de onda
cuadrada que se muestra en la figura 10 del circuito del ejemplo 1.
Para vi = 20 V (0 T/2), el diodo actúa como un cortocircuito y
vo = 20 V + 5 V = 25 V. Para vi = -10 V, con el diodo apagado y
vo = iR.R = 0. El voltaje de salida resultante se muestra en la figura
11
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Configuración en paralelo
Es cuando en el circuito el diodo está en paralelo con la carga, en la
figura 12 se ilustra el circuito, con dos señales alternas diferentes.
Ejemplo
Determine vo para la red de la figura 12
Solución
Paso 1: La salida se define a través de la combinación en serie de la fuente de
4 V y el diodo
Paso 2: La polaridad de la fuente de cd y la dirección del diodo indican
firmemente que el diodo estará encendido durante la región negativa de la
señal de entrada, por lo tanto cuando el diodo está encendido la salida será de
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4 V. Por otra parte, cuando el diodo actúa como circuito abierto, la corriente a
través de la red será de 0 mA, por lo que la caída de voltaje a través del
resistor es de 0 V
Paso 3: El nivel de transición ocurre cuando:
Paso 4: La salida vo y la entrada vi se ilustran en la figura 13
Los circuitos Fijadores o Sujetadores son redes compuestas de un
diodo (puede estar en serie con una fuente), una resistencia y un condensador
que desplazan una forma de onda a un nivel de cd diferente sin cambiar la
apariencia de la señal aplicada, en figura 14 se muestra un circuito fijador.
El procedimiento para trabajar con este tipo de redes es el siguiente:
1. Se inicia examinando la respuesta de la parte de la señal de
entrada que polarizará en directo al diodo
2. Durante el periodo en el que el diodo está encendido, se asume
que el condensador se cargará instantáneamente a un nivel de
voltaje determinado por la red circundante.
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3. se asume que en el periodo en el que el diodo está apagado el
condensador se mantiene a su nivel de voltaje establecido.
4. A lo largo del análisis no se puede perder de vista la ubicación y la
polaridad ya definida para vo
5. Comprobar que la oscilación total de la salida coincide con la de la
entrada.
Ejemplo
Determine vo para la red que se muestra en la figura 15
Solución
Analizando la red de la figura 16 y de t1 a t2:
y
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El producto RC determina la constante de tiempo de la red en proceso
de descarga y su magnitud es:
El tiempo de descarga total es, por consiguiente, 5 τ = 5(10 ms) = 50 ms
La figura resultante aparece en la figura 17, comprobando que la
oscilación de salida de 30 V coincide con la oscilación de la entrada
Filtro C, RC
Filtro C
El filtro C, también es conocido con el nombre de filtro de choque. Este tipo de filtro posee un condensador en la entrada y genera una tensión de corriente continua igual al valor pico de la tensión de rectificada. En la figura 18 se muestra el circuito de filtro de choque y su salida.
Filtro RC
Recibe este nombre los circuitos formados por componentes RC, a menudo se conectaban entre el rectificador y la resistencia de carga. Actualmente es raro ver este tipo de filtro en fu8entes de alimentación semiconductoras: sin embargo todavía se pueden encontrar en aplicaciones
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especiales, como por ejemplo en amplificadores de potencia de audio. En la figura 19 se ilustra un filtro RC
Compuertas AND/OR
El análisis de compuertas AND/OR se facilita usando el equivalente aproximado de un diodo real para facilitar que el voltaje a través del diodo sea positivo de 0.7 V para que el diodo de silicio cambie al estado de “encendido”
En la figura 20 se muestra una compuerta OR de lógica positiva, es decir, al nivel de 10 V se le asigna un “1” del álgebra booleana y a la entrada de 0 V, se le asigna un “0” lógico.
Una compuerta OR es tal que el nivel de voltaje da salida “1” si cualquiera de las entradas o ambas es de 10 V y será “0” cuando las entradas son 0 V
En la figura 21 se muestra una compuerta AND de lógica positiva, es decir, al nivel de 10 V se le asigna un “1” del álgebra booleana y a la entrada de 0 V, se le asigna un “0” lógico.
Material recopilado por Ing. Consuelo Pérez
Una compuerta AND es tal que el nivel de voltaje da salida “1” si todas las entradas son de 10 V y será “0” cuando al menos una de las entradas es 0 V
El Diodo Zener como Regulador.
El circuito de la figura 22 muestra un regulador zener.
Para el diseño de un regulador zener es necesario conocer el intervalo de la tensión y de la corriente de carga. La resistencia Ri debe ser tal que el diodo permanezca en el modo de tensión constante sobre el intervalo completo de variables.
La ecuación de nodos para el circuito de la figura 22 es:
Para asegurar que el diodo permanezca en ruptura se estudian dos
condiciones de entrada-salida
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Al insertar estas dos características en la ecuación 3, se presentan las
siguientes condiciones:
Igualando 3a con 3b, se obtiene:
Para evitar la porción no constante de la curva característica de un diodo
zener, se utiliza la regla práctica de que la máxima corriente zener debe ser al
menos 10 veces mayor que la mínima, esto es un criterio de diseño aceptable.
Para la máxima corriente zener, se tiene:
Ejemplo
Diseñe el regulador zener que se muestra en la figura 23
Si la corriente en la carga varía de 100 mA a 200 mA y l fuente de tensión varía
de 14 V a 20 V. Utilice un diodo zener de 10 V.
Solución
Cálculo de Izmax
Material recopilado por Ing. Consuelo Pérez
Cálculo de Ri
Cálculo de Máxima potencia disipada en la carga
Cálculo de Máxima potencia disipada en el diodo zener
BIBLIOGRAFIA
Malvino Albert & Bates David J. Principios de Electrónica. Séptima
edición. McGraw Hill
Savan J, Roden M & Carpentier G. Diseño Electrónico
Robert Boylestad & Louis Nashelsky. Electrónica: Teoría de Circuitos y
Dispositivos electrónicos. Décima edición. Editorial Perason
https://www.mheducation.es/bcv/guide/capitulo/8448171624.pdf
