lunes, 18 de abril de 2016

Electrónica básica

SEMICONDUCTORES


Ruptura


Efecto AvalanchaEfecto Zener
Los diodos admiten unos valores máximos en las tensiones que se les aplican, existe un límite para la tensión máxima en inversa con que se puede polarizar un diodo sin correr el riesgo de destruirlo.
Veamos un ejemplo:
A la tensión en la que la IR aumenta de repente, se le llama "Tensión de Ruptura" (VRuptura). A partir de este valor IR es muy grande y el diodo se estropea. En el diodo ha ocurrido el "Efecto Avalancha" o "Ruptura por Avalancha".
Efecto Avalancha = Ruptura por Avalancha  = Multiplicación por Avalancha
Efecto Avalancha
Aumenta la tensión inversa y con ella la z.c.e..
Ocurre lo siguiente dentro del diodo:
Justo en el límite antes de llegar a Ruptura, la pila va acelerando a los electrones. Y estos electrones pueden chocar con la red cristalina, con los enlaces covalentes. Choca el electrón y rebota, pero a VRuptura la velocidad es muy grande y por ello la EC es tan grande que al chocar cede energía al electrón ligado y lo convierte en libre. El electrón incidente sale con menos velocidad que antes del choque. O sea, de un electrón libre obtenemos dos electrones libres.
Estos 2 electrones se aceleran otra vez, pueden chocar contra otro electrón de un enlace covalente, ceden su energía... y se repite el proceso y se crea una Multiplicación por Avalancha.
Y ahora IR ha aumentado muchísimo, tenemos una corriente negativa y muy grande (-100 mA). Con esta intensidad el diodo se estropea porque no está preparado para trabajar a esa IR.
Efecto Zener
Este es otro efecto que puede estropear el diodo, y es muy parecido al anterior. Se suele dar en diodos muy impurificados, diodos con muchas impurezas.
Al tener la z.c.e. muy pequeña y seguimos teniendo la misma tensión (0.7 V), tenemos muy juntos los átomos de impurezas teniendo así más carga en menos espacio.
En esta situación se crea un campo eléctrico muy intenso. Y el efecto es como la carga de un condensador.
Si se polariza en inversa se ensancha la z.c.e.
¿Qué ocurre en la z.c.e.?
A aumentado mucho E (Campo Eléctrico), por ejemplo para los 3 V llega a 300.000 V/cm y se da el "Efecto Zener": Ahora la F, fuerza debida al campo eléctrico, es capaz de arrancar el electrón y lo hace libre. Este campo eléctrico intenso arranca muchos electrones de esta forma dando lugar a una corriente grande que destruye el Diodo.
Veamos en que diodos se dan estos  2 efectos:
  • Efecto Avalancha (Ruptura por avalancha)
    • Diodo Rectificador     VR = - 50 V (tensiones grandes).
    • Diodo de Avalancha   VR = - 6 V, - 7 V, - 8 V... A veces le llama Diodo Zener aunque no sea un Zener en si.
  • Efecto Zener (Ruptura Zener)
    • Diodo Zener    VR = - 4 V, - 3 V, - 2 V... A veces puede ocurrir este efecto en otro tipo de diodos que no sean Zener, pero tienen que estar muy impurificados. Los Diodos Zener están especialmente preparados para no estropearse.
Entre - 4 V y - 6 V se pueden dar los 2 fenómenos a la vez (Avalancha y Zener).


El diodo Zener

Característica

Modelo ideal (1ª aproximación)

2ª aproximación

La aplicación de estos diodos se ve en los Reguladores de Tensión y actúa como dispositivo de tensión constante (como una pila).
Símbolo:

Característica

Su gráfica es de la siguiente forma:
Un diodo normal también tiene una zona de ruptura, pero no puede funcionar en él, con el Zener si se puede trabajar en esa zona.
La potencia máxima que resiste en la "Zona de Ruptura" ("Zona Zener"):
En la zona de ruptura se produce el "Efecto Avalancha" ó "Efecto Zener", esto es, la corriente aumenta bruscamente.
Para fabricar diodos con un valor determinado de tensión de ruptura (Vz) hay que ver la impurificación porque Vz es función de la impurificación (NA ó ND), depende de las impurezas.
La zona de ruptura no es una vertical, realmente tiene una inclinación debida a Rz:
En un "Diodo Zener Real" todos son curvas, pero para facilitar los cálculos se aproxima siempre.
Las aproximaciones para el zener son estas:

Modelo ideal (1ª aproximación)

Si buscamos su equivalente veremos que es una pila con la tensión VZ.
Esto solo es válido entre IZmín y IZmáx.

2ª aproximación

Como en el caso anterior lo sustituimos por un modelo equivalente:
El circuito es un limitador con diodos zener. En este circuito, cuando un diodo esta polarizado en directa, el otro diodo lo estará en inversa.
Se utiliza la segunda aproximación de los diodos.
Podemos variar la escala de la gráfica modificando la escala del eje y.
Cada vez que se introduzcan nuevos datos, pulsar el botón "Calcular".
Para realización de esta simulación se han tomado estas equivalencias:
RL = Rload    VL = Vload

El Regulador Zener

Regulador de tensión en vacío (sin carga)

Regulador de tensión con carga

Anteriormente habíamos visto este circuito:
Primeramente supondremos que están conectados directamente, por lo tanto vC = vL entonces:
Problemas que podemos tener:
  • RL variable (variaciones de carga).
  • Variaciones de tensión de red (variaciones de red).
Debido a estos dos problemas la onda de salida de ese circuito puede variar entre dos valores y como nuestro objetivo es obtener una tensión constante a la salida tendremos que hacer algo. Para resolver este problema ponemos un regulador de tensión basado en el diodo zener.
Ahora vamos a analizar este regulador de tensión.

Regulador de tensión en vacío (sin carga)

vS estará entre un mínimo y un máximo, y el regulador tiene que funcionar bien entre esos 2 valores (vSmáx y vSmín).En este caso vS lo pondremos como una pila variable.
Además para que funcione correctamente el zener tiene que trabajar en la zona de ruptura.
Para que esté en ruptura se tiene que cumplir:

Ejemplo: Comprobar si funciona bien el siguiente circuito:
Hay que ver si en la característica los valores se encuentran entre IZmín y IZmáx para comprobar si funciona bien.
Funciona bien porque se encuentra entre los dos valores (máximo y mínimo). La salida es constante, lo que absorbe la tensión que sobra es la R (que es la resistencia limitadora).

Regulador de tensión con carga

Para comprobar que estamos en ruptura calculamos el equivalente de Thevenin desde las bornas de la tensión VZ:
Como en el anterior caso los valores del circuito tienen que estar entre un máximo y un mínimo:
El zener absorbe la corriente sobrante (IZ variable) y la resistencia (R) la tensión sobrante. Entonces a la salida la forma de la onda es la siguiente:
  • 2ª aproximación
El circuito equivalente sería de la siguiente forma:
A ese circuito se le aplica la superposición:
Como la superposición es la suma de estos 2 circuitos la solución será esta:
Con esto se ve que lo que hace el zener es "Amortiguar el rizado". Veamos cuanto disminuye el rizado:

Ejemplo: 1N961   VZ = 10 V  RZ = 8,5 V  VRentr. = 2 V
Si quiero disminuir más el rizado pondría otro regulador que disminuiría más el rizado pico a pico:

Coeficiente de temperatura

Anteriormente habíamos visto que dependiendo de la impurezas que tengamos se puede conseguir un zener con distinto VZ (diferentes tipos de zener).
Además esto es para una misma temperatura, pero si se varía la temperatura se comporta de otra manera, veámoslo con un ejemplo:

Ejemplo:
En este caso el zener tiene un "Coeficiente de Temperatura Negativo" (porque al aumenta la temperatura disminuye VZ). Esto les ocurrirá a todos los zener hasta VZ = 5 V. Veamos que ocurre cuando tenemos un valor mayor de VZ.

Ejemplo: VZ = 15 V
Ocurre todo lo contrario que antes, la VZ aumenta con la temperatura, este zener tiene un "Coeficiente de temperatura positivo". Y esto ocurre para todos los zener de 6 V en adelante.
La razón por lo que pasa eso es porque para menos de 5 V se da el "Efecto Zener". Pero a partir de 6 V se da el "Efecto Avalancha".
¿Que hacer si queremos alimentar una carga a 11 V?
Si queremos que no varié mucho es mejor que pongamos 2 de 5,5 V porque no varían tanto con la temperatura. Para que la tensión sea más estable y no varíe tanto con la temperatura.
Otro tipo de encapsulado que tiene  2 diodos dentro es este:
En este caso tenemos un diodo normal y un zener. En este caso además de compensarse es bastante estable.

Ejemplo:
Es un convertidor CC/CC (continua en continua). Convierte 18 V en 10 V. ¿Cómo funciona? Hay que ver si el zener trabaja en ruptura.
Pero todavía hay que ver la corriente, veamos tres casos:
Recordar para estar en ruptura se tenía que cumplir:

Hoja de características de un zener

Vamos a ver el calculo de los valores a partir de la hoja de características con un ejemplo.

Ejemplo: 1N759 VZ = 12 V  IZT = 20 mA
El fabricante suele dar un valor intermedio de Vz y IzT.(corriente de prueba, valor al que el fabricante a hecho esa prueba).
Al ser una curva, su pendiente varía y su Rz también, entonces el fabricante suele dar el valor en ese punto:
RZ = ZZT = 30 W a IZT = 20 mA
IZmáx = 30 / 35 mA (esta variación entre diodos iguales es debida a la tolerancia).
Haciendo algunos cálculos:
PZ = VZ*IZ = 12*30 = 360 mW                    = 12*35 = 420 mW

Tolerancia: En cuanto a la tensión zener (VZ):
Serie 1N746 (1N746 al 1N759)  ± 10 %
Serie 1N746A (1N746A al 1N759A)  ± 5 %

Ejemplo:  1N759      VZ = 12 V ± 10 % (13,2 V y 10,8 V)                       1N759A   VZ = 12 V ± 5 % (12,6 V y 11,4 V)

Dispositivos Optoelectrónicos

diodo led

Display de 7 segmentos

el fotodiodo

el optoacoplador

Son los dispositivos que están relacionados con la luz:
  • Diodo LED.
  • Fotodiodo.
  • Display de 7 segmentos.
  • Optoacoplador.

diodo led

Es un diodo emisor de luz. Símbolo:
Se basa en:
El negativo de la pila repele a los electrones que pasan de n a p, se encuentran en p con un hueco, se recombina con él y ya no es electrón libre, al bajar de BC a BV pierde una energía E que se desprende en forma de luz (fotón de luz).
Diferencias entre un diodo normal y un LED:
  • Diodo normal, E en forma de calor. Diodo LED, E en forma de fotón.(E = h*f, h = cte de Planck, f = frecuencia que da color a esa luz).
  • Diodo normal hecho de silicio. Diodo LED hecho de As, P, Ga y aleaciones entre ellas. Para cada material de estos la distancia de BC y BV es distinta y así hay distintos colores, y mezclándolos se consiguen todos, hasta de luz invisible al ojo humano.

Aplicación:
  • Lámparas de señalización.
  • Alarmas (fotones no visibles).
  • Etc...
El diodo LED siempre polarizado en directa, y emitirá luz.
Podemos usar esto en una fuente de alimentación que hemos dado.
La intensidad del LED:
Normalmente para el valor de 10 mA se suelen encender (ver en el catálogo). La tensión en el LED:
Diferencia con el silicio, la tensión es mayor. Cuando no dice nada se coge VLED = 2 V.
Aquí el diodo LED es un indicador que nos dice si la fuente de alimentación está encendida o apagada.

Ejemplo: TIL 222 LED verde                     VLED = 1,8 : 3 V
Hay que ver que luz da, si funciona bien en ese rango de valores. Se sacan las intensidades para los 2 extremos:
La corriente varía muy poco, lo que implica que la iluminación varía muy poco, está muy bien diseñado.

Ejemplo:
No es muy buen diseño porque la intensidad varía bastante, y la iluminación varía mucho.

Conclusión: Los circuitos con tensiones grandes y resistencias grandes funcionan bien, por lo tanto, si se pueden tomar valores grandes.

Display de 7 segmentos

Son 7 diodos LED:
Se utiliza en electrónica digital con + 5 V y 0 V.

Ejemplo: El 7:
En este ejemplo se han encendido los LED A, B y C.
En esta applet podemos ver los distintos dígitos que se pueden conseguir utilizando el display de 7 segmentos.
Al pulsar cada botón aparecerá el dígito respectivo.

el fotodiodo

Recibe luz, al contrario que el led:
Se usa en polarización Inversa. Diodo normal en inversa:
Cuando se coloca una pila en inversa, el negativo atrae a los huecos y los saca de la unión con el ión ( lo mismo con el positivo y los electrones). Pero se llega a un equilibrio, un equilibrio con una W (anchura de z.c.e.) concreta.
Y no tenemos ni huecos ni electrones en la z.c.e. (W) y esa unión me la pueden pasar los portadores (h y e) (solo quedan los iones en la W).
Hay una pequeña generación térmica y los pares h-e que se crean se recombinan antes de llegar a W... No sirve para nada, se recombinan pero los que se generan cerca de la unión pueden cruzar y los minoritarios sirven para cruzar y tenemos e hacia la izquierda y h hacia la derecha. Tenemos así una corriente inversa de saturación que es muy pequeña. Otra corriente que tenemos es la If que es también pequeña.
Se suele coger la corriente de p hacia n, en la realidad es al revés, por eso I = -IS - If, es negativa.
En un fotodiodo además de la generación térmica se le suma la "Generación por energía luminosa", que la crean los fotones que atacan cerca de la unión formando más pares h-e y por lo tanto más corriente. Entonces tenemos:
Y la corriente es mayor:
Aumenta en valor absoluto. Es para convertir energía luminosa en energía eléctrica.

Aplicación: Las placas solares están basadas en los fotodiodos. Si los pongo en paralelo es el doble, por eso se ponen muchos.
Pero el rendimiento es pequeño todavía. En fotodiodos interesa que la luz se de cerca de la unión por eso están pintadas de negro en todo excepto cerca de la unión.

el optoacoplador

Es un encapsulado con 4 patillas, también de negro, para que no salga luz de dentro hacia fuera.
Si vario la pila varía ILED, varía la iluminación que recibe el fotodiodo, varía su corriente I. Esta variación de V afecta a la I y esta a la tensión en RL. En realidad ese circuito es como:
Pero el fotodiodo sirve para aislar, puede dar problemas conectar directamente a la carga.

Ejemplo: Conectar un torno, le tengo que pasar información con un control numérico.
Le mando información en 5 V y 0 V y como es un ambiente malo puede haber información que varía, picos problemas (o vuelven del torno picos). Hay que aislar un circuito de control (CNC) de la máquina que voy a controlar.
El optoacoplador suele quitar los picos, amortigua los parásitos, no reacciona tan bruscamente a la luz y se reducen esos picos problemáticos.

Aplicación: Osciloscopio
Tiene problemas de tierra. Se puede hacer un cortocircuito entre las 2 tierras
Solución poner un Optoacoplador para medir lo que se quiera.
Ahora si se puede y no tenemos el cortocircuito que teníamos anteriormente.

El diodo Schottky

A frecuencias bajas un diodo normal puede conmutar fácilmente cuando la polarización cambia de directa a inversa, pero a medida que aumenta la frecuencia el tiempo de conmutación puede llegar a ser muy alto, poniendo en peligro el dispositivo.
El diodo Schottky es la solución ya que puede conmutar más rápido que un diodo normal. El diodo Schottky con polarización directa tiene 0,25 V de barrera de potencial frente a los 0,7 V de un diodo normal. Puede rectificar con facilidad a frecuencias superiores a 300 MHz. 

El Varicap

El Varicap (Epicap, capacidad controlada por tensión o diodo de sintonía) es un diodo que se comporta como un condensador donde la capacidad esta controlada por la tensión.
Las regiones p y n se comportan como las placas de un condensador y la zona de deplexión es como el dieléctrico.
En inversa la anchura de la "Zona de deplexión" aumenta con la tensión inversa y la capacidad disminuye.

Problemas

Problema 5.1.

Problema 5.2.

Problema 5.3.

Problema 5.1.

Queremos construir un circuito estabilizador (Regulador) que entregue a la salida una tensión de 5,1 V, sabiendo que la carga consume una ILmáx = 100 mA, siendo ILmín = 0 y que dispone de una alimentación que varía entre 9 V y 10 V. Los diodos zener de que se dispone son:

Elegir el componente que corresponda y diseñar el circuito.

Solución:

Hay que elegir el más barato que se pueda. Si cogemos el Z1:
Si se abre la carga por el zener irían 105 mA y como IZmáx = 78 mA no podría funcionar, se quemaría y se estropearía no la resistiría. Si probamos con Z2:
Veamos si es suficiente esa corriente, la peor suposición es ILmáx = 100 mA.
Si abrimos la carga los 150 mA van por el zener y como soporta hasta 294 mA si valdría, el Z2 es el adecuado. Ahora elegiremos la resistencia (R).
Tenemos dos puntos importantes para analizarlos:

  • Peligro de que el zener se quede sin corriente

Suposiciones críticas para ese punto:
El peor caso para que el zener se quede sin corriente es que vaya el máximo valor por RL o que vaya el mínimo de tensión por RL (9 V).
Si varío esa R por ejemplo a 30 W:
Disminuye la IZ al aumentar la R. Por lo tanto no puedo poner resistencias mayores que 26 W. Si ponemos resistencias menores que 26 W la intensidad zener aumenta y por lo tanto si se pueden poner.
En el otro punto peligroso.

  • Peligro de que el zener se queme

Entonces la resistencia esta entre estos dos valores:
Cualquier valor entre estos dos valores valdría, tomamos por ejemplo:  R = 22 W. Vemos que ocurre en los 2 casos extremos:
Ahora que sabemos en que zona trabaja el zener tenemos que calcular de que potencia elegimos esa resistencia.
Peor caso: IZ = 222 mA    P = (10-5,1)*222*10-3 = 1,08 W
Se coge una valor normalizado de 2 W.
Ahora vamos a ver el rango de valores por el que mueve la resistencia de carga (RL):
Calculo de la Recta de carga: Tomaremos el convenio de la figura con lo que nos saldrán la intensidad y la tensión negativas (en el tercer cuadrante).

  • Punto A

  • Punto B

Finalmente la representación  gráfica de esas ecuaciones queda de la siguiente manera:
Las dos rectas de carga son paralelas. Los demás puntos están entre esas dos rectas paralelas.

Problema 5.2.

a) Un diodo zener que disipa una Pmáx = 0.2 W, regula a 5 V desde una IZmín = 5 mA. Se pretende construir un regulador de 5 V que regule desde IL = 0 hasta el valor máximo de IL. Suponiendo una vi = 20 V. Determinar el valor de la Resistencia, su potencia y la ILmáx.

Solución:

Primeramente calcularemos los puntos límite de ruptura del diodo zener:
Si la RL está en vacío, por la R va el máximo valor de la intensidad por el zener (IZmáx = 40 mA). Para calcular el valor máximo de la intensidad por la carga, vemos que por el zener la ILmín = 5 mA y como hemos dicho que el valor máximo por R son 40 mA, entonces por la carga el máximo valor que irá será: ILmáx = 35 mA. Ahora calcularemos los valores de la resistencia (R), la tensión por la resistencia (VR) y la potencia por la resistencia (PR).

b) Suponiendo que se mantiene la R del apartado a) y que la RL es cte y de valor 200 W , hallar el valor máximo y mínimo de la tensión de entrada para que el circuito regule bien.

Solución:

Para calcular los valores máximo y mínimo de la tensión de entrada tengo que estar en los puntos límite del circuito.
Con lo que tenemos un rizado a la entrada entre esos 2 valores.

Problema 5.3.

En circuito estabilizador de la figura, los valores nominales son:

a) Calcular la Rlimitadora usando los valores nominales. Usar este valor para los siguientes apartados.

Solución:

Aplicamos la 2ª aproximación y sustituimos por el modelo de esa 2ª aproximación.

b) Se desea que la carga esté alimentada a una tensión de 5 V, con variaciones de corriente de 10 mA a 20 mA, si bien la nominal es de 20 mA. Si la ve tiene un rizado de + 12 % y -11 % con respecto al valor nominal de 10V, calcular el tanto por cien de la variación de IS entre 10 mA y 20 mA. Calcular la máxima potencia disipada por el diodo zener.

Solución:

  • Peligro de que el zener se quede sin corriente

La variación de este valor con respecto al ideal es de:

  • Peligro de que el zener se queme (aunque halla un margen de seguridad)

La variación respecto al ideal:
El zener sufre más en el caso 2 y su potencia será la máxima en este caso.
PZ = 5,2 50 = 260 mW
No se quemará con esta potencia porque el máximo valor el PZmáx = 400 mW

c) Variación en % de la tensión de salida para una variación de la intensidad de carga de ±55 % con respecto al valor nominal, con ve = cte.

Solución:

Ahora veremos lo que ocurre con un aumento de un 55 % de la intensidad en la carga:
Y si disminuimos un 55 % de la intensidad de la carga con respecto al valor nominal:
Si lo representamos gráficamente nos quedaría algo como esto:
El caso más ideal es el que tiene la curva de regulación más horizontal.
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