Variables dependientes e independientes del diodo de unión
Cualquier circuito tiene variables independientes (como tensiones de alimentación y resistencias en las ramas) y variables dependientes (tensiones en las resistencias, corrientes, potencias, etc.). Cuando una variable independiente aumenta, cada una de las variables dependientes responderá, normalmente, aumentando o disminuyendo. Si se entiende cómo funciona el circuito, entonces se será capaz de predecir si una variable aumentará o disminuirá.
EJEMPLO:
Si se analiza la resistencia RL y la tensión VS, se ve que los valores que se desean son de 1 kW y 10 V en este caso, a estos se les llama "valores nominales", pero los valores reales se rigen por unas tolerancias, que son unos rangos de valores no un valor fijo. El diodo también puede variar su valor de tensión umbral.
Pero estas tres variables (RL, VS y Vj) dependen de la fabricación, estos es dependen de si mismas, son "variables independientes". Por otro lado están las "variables dependientes", que dependen de las tres variables anteriores, que son: VL, IL, PD, PL y PT. Estos queda reflejado en la siguiente tabla:
EJEMPLO:
Pero estas tres variables (RL, VS y Vj) dependen de la fabricación, estos es dependen de si mismas, son "variables independientes". Por otro lado están las "variables dependientes", que dependen de las tres variables anteriores, que son: VL, IL, PD, PL y PT. Estos queda reflejado en la siguiente tabla:
Hoja de características de un diodo
La mayor parte de la información que facilita el fabricante en las hojas de características es solamente útil para los que diseñan circuitos, nosotros solamente estudiaremos aquella información de la hoja de características que describe parámetros que aparecen en este texto.
Tensión inversa de ruptura
Estudiaremos la hoja de características del diodo 1N4001, un diodo rectificador empleado en fuentes de alimentación (circuitos que convierten una tensión alterna en una tensión continua).
La serie de diodos del 1N4001 al 1N4007 son siete diodos que tienen las mismas características con polarización directa, pero en polarización inversa sus características son distintas.
Primeramente analizaremos las "Limitaciones máximas" que son estas:
Estos tres valores especifican la ruptura en ciertas condiciones de funcionamiento. Lo importante es saber que la tensión de ruptura para el diodo es de 50 V, independientemente de cómo se use el diodo. Esta ruptura se produce por la avalancha y en el 1N4001 esta ruptura es normalmente destructiva.
Corriente máxima con polarización directa
Un dato interesante es la corriente media con polarización directa, que aparece así en la hoja de características:
Indica que el 1N4001 puede soportar hasta 1 A con polarización directa cuando se le emplea como rectificador. Esto es, 1 A es el nivel de corriente con polarización directa para el cual el diodo se quema debido a una disipación excesiva de potencia. Un diseño fiable, con factor de seguridad 1, debe garantizar que la corriente con polarización directa sea menor de 0,5 A en cualquier condición de funcionamiento.
Los estudios de las averías de los dispositivos muestran que la vida de éstos es tanto más corta cuanto más cerca trabajen de las limitaciones máximas. Por esta razón, algunos diseñadores emplean factores de seguridad hasta de 10:1, para 1N4001 será de 0,1 A o menos.
Caída de tensión con polarización directa
Otro dato importante es la caída de tensión con polarización directa:
Estos valores están medidos en alterna, y por ello aparece la palabra instantáneo en la especificación. El 1N4001 tiene una caída de tensión típica con polarización directa de 0,93 V cuando la corriente es de 1 A y la temperatura de la unión es de 25 ºC.
Corriente inversa máxima
En esta tabla esta la corriente con polarización inversa a la tensión continua indicada (50 V para un 1N4001).
Esta corriente inversa incluye la corriente producida térmicamente y la corriente de fugas superficial. De esto deducimos que la temperatura puede ser importante a la hora del diseño, ya que un diseño basado en una corriente inversa de 0,05 mA trabajará muy bien a 25 ºC con un 1N4001 típico, pero puede fallar si tiene que funcionar en medios donde la temperatura de la unión alcance los 100 ºC.
Tensión inversa de ruptura
Estudiaremos la hoja de características del diodo 1N4001, un diodo rectificador empleado en fuentes de alimentación (circuitos que convierten una tensión alterna en una tensión continua).
La serie de diodos del 1N4001 al 1N4007 son siete diodos que tienen las mismas características con polarización directa, pero en polarización inversa sus características son distintas.
Primeramente analizaremos las "Limitaciones máximas" que son estas:
Corriente máxima con polarización directa
Un dato interesante es la corriente media con polarización directa, que aparece así en la hoja de características:
Los estudios de las averías de los dispositivos muestran que la vida de éstos es tanto más corta cuanto más cerca trabajen de las limitaciones máximas. Por esta razón, algunos diseñadores emplean factores de seguridad hasta de 10:1, para 1N4001 será de 0,1 A o menos.
Caída de tensión con polarización directa
Otro dato importante es la caída de tensión con polarización directa:
Corriente inversa máxima
En esta tabla esta la corriente con polarización inversa a la tensión continua indicada (50 V para un 1N4001).
Cómo calcular la resistencia interna rB
Para analizar con precisión un circuito con diodos se necesita saber la resistencia interna del diodo. Este valor generalmente no viene dada por separado en las hojas de características, pero traen información suficiente para calcularla. La formula para calcular la resistencia interna es:
El punto 1 puede ser el punto umbral.
EJEMPLO:1N4001
De la hoja de características conseguimos los valores de la tensión con polarización directa (0,93 V) para un valor de la corriente de 1 A y la tensión umbral es de 0,7 V para una corriente aproximadamente cero.
EJEMPLO:1N4001
De la hoja de características conseguimos los valores de la tensión con polarización directa (0,93 V) para un valor de la corriente de 1 A y la tensión umbral es de 0,7 V para una corriente aproximadamente cero.
Resistencia en continua de un diodo
Siempre que se habla de continua, se quiere decir que es estática, que nunca cambia, es una "Resistencia Estática". En la zona de polarización directa se simboliza con RF y en la zona de polarización inversa con RR.
Lo estudiaremos para el diodo 1N914:
Resistencia con polarización directa
En cada punto tenemos una resistencia distinta, esa resistencia es el equivalente del diodo en polarización directa para esos valores concretos de intensidad y tensión.
Si comparamos este valor de resistencia con la resistencia interna:
Como los 3 puntos tiene la misma pendiente quiere decir que para los 3 puntos el modelo es el mismo. Entonces la RF anterior no es útil porque varía, pero la rB no varía y por eso esta es la resistencia que se utiliza.
Resistencia con polarización inversa
Exageramos la curva de la gráfica para verlo mejor:
Como en el caso anterior en cada punto tenemos una recta, por lo tanto un RR (R = Reverse, inversa) para cada punto.
Como es un valor muy grande, más o menos se puede considerar infinito (idealmente circuito abierto).
Este valor no es útil, no se utiliza para hacer modelos o mallas, pero de forma práctica en el laboratorio puede ser útil (el polímetro marca la resistencia estática y se puede utilizar para detectar averías).
Lo estudiaremos para el diodo 1N914:
En cada punto tenemos una resistencia distinta, esa resistencia es el equivalente del diodo en polarización directa para esos valores concretos de intensidad y tensión.
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Resistencia con polarización inversa
Exageramos la curva de la gráfica para verlo mejor:
Este valor no es útil, no se utiliza para hacer modelos o mallas, pero de forma práctica en el laboratorio puede ser útil (el polímetro marca la resistencia estática y se puede utilizar para detectar averías).
Rectas de carga
La recta de carga es una herramienta que se emplea para hallar el valor de la corriente y la tensión del diodo. Las rectas de carga son especialmente útiles para los transistores, por lo que más adelante se dará una explicación más detallada acerca de ellas.
Estas son las distintas formas de analizar los circuitos con diodos:
Si de la ecuación de la malla, despejamos la intensidad tenemos la ecuación de una recta, que en forma de gráfica sería:
A esa recta se le llama "recta de carga" y tiene una pendiente negativa.
El punto de corte de la recta de carga con la exponencial es la solución, el punto Q, también llamado "punto de trabajo" o "punto de funcionamiento". Este punto Q se controla variando VS y RS.
Al punto de corte con el eje X se le llama "Corte" y al punto de corte con el eje Y se le llama "Saturación".
Problema 3.1
Un diodo está en serie con una resistencia de 220 W. Si la tensión en la resistencia es de 4 V, ¿cuál es la corriente por el diodo? Si hemos aplicado la 2ª aproximación, ¿cuál es la potencia disipada en el diodo?
Solución:
Al tomar la 2ª aproximación el diodo es una pila de 0,7 V.
Problema 3.2
Calcular la corriente, la tensión y la potencia en la carga, así como la potencia del diodo y la potencia total para el circuito de la figura. Hacerlo utilizando los tres tipos de aproximaciones que existen.
Solución:
1ª aproximación
En esta aproximación el diodo es ideal, por lo tanto lo podemos sustituir por un cortocircuito, con lo que obtenemos las siguientes ecuaciones:
2ª aproximación
Aquí es diodo se sustituye por una pila de 0,7 V.
3ª aproximación
El diodo se sustituye por una pila de 0,7 V en serie con una resistencia de 0,23 W.
Estas son las distintas formas de analizar los circuitos con diodos:
- EXACTA POR TANTEO: Ecuación del diodo exponencial y ecuación de la malla.
- MODELOS EQUIVALENTES APROXIMADOS: 1ª aproximación, 2ª aproximación y 3ª aproximación.
- DE FORMA GRÁFICA: Recta de carga.
El punto de corte de la recta de carga con la exponencial es la solución, el punto Q, también llamado "punto de trabajo" o "punto de funcionamiento". Este punto Q se controla variando VS y RS.
Al punto de corte con el eje X se le llama "Corte" y al punto de corte con el eje Y se le llama "Saturación".
Problema 3.1
Un diodo está en serie con una resistencia de 220 W. Si la tensión en la resistencia es de 4 V, ¿cuál es la corriente por el diodo? Si hemos aplicado la 2ª aproximación, ¿cuál es la potencia disipada en el diodo?
Solución:
Calcular la corriente, la tensión y la potencia en la carga, así como la potencia del diodo y la potencia total para el circuito de la figura. Hacerlo utilizando los tres tipos de aproximaciones que existen.
1ª aproximación
En esta aproximación el diodo es ideal, por lo tanto lo podemos sustituir por un cortocircuito, con lo que obtenemos las siguientes ecuaciones:
Aquí es diodo se sustituye por una pila de 0,7 V.
El diodo se sustituye por una pila de 0,7 V en serie con una resistencia de 0,23 W.
http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema3/TEMA3.htm
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