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Diodos parte 2 - Monografía



 
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DIODO LASER



Los diodos láser son constructivamente diferentes a los diodos LED normales. Las características de un diodo láser son:

1. La emisión de luz es dirigida en una sola dirección: Un diodo LED emite fotones en muchas direcciones. Un diodo láser, en cambio, consigue realizar un guiado de la luz preferencial una sola dirección.

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Emisión fotónica en diodo LED Emisión fotónica en diodo LASER

Corte esquemático de la emisión de luz en diodos LED y láser


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Espectro emitido por un LED Espectro emitido por un LASER

Intensidad de luz en función de la longitud de onda para diodos LED y láser



Debido a estas dos propiedades, con el láser se pueden conseguir rayos de luz monocromática dirigidos en una dirección determinada. Como además también puede controlarse la potencia emitida, el láser resulta un dispositivo ideal para aquellas operaciones en las que sea necesario entregar energía con precisión.

Ejemplo de aplicación: El lector de discos compactos:



Una de las muchas aplicaciones de los diodos láser es la de lectura de información digital de soportes de datos tipo CD-ROM o la reproducción de discos compactos musicales. El principio de operación de uno y otro es idéntico.

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Esquema del funcionamiento del CD-ROM



Un haz láser es guiado mediante lentes hasta la superficie del CD. A efectos prácticos, se puede suponer dicha superficie formada por zonas reflectantes y zonas absorbentes de luz. Al incidir el haz láser en una zona reflectante, la luz será guiada hasta un detector de luz: el sistema ha detectado un uno digital. Si el haz no es reflejado, al detector no le llega ninguna luz: el sistema ha detectado un cero digital.
Los ingredientes básicos de la emisión láser en los diodos son el mecanismo de bombeo y la cavidad óptica. En un láser semiconductor, la ganancia es aportada por una corriente de inyección. De esta manera, los pares electrón-agujero dan la inversión de población necesaria para la emisión láser. La recombinación estimulada lleva a la amplificación de la luz, generando fotones con la misma dirección de propagación, polarización, frecuencia y fase que el fotón que ha inducido la recombinación.
Los pares electrón-hueco deben estar confinados en una zona estrecha para mantener la inversión de población a un nivel elevado. Si no es así, hay que suministrar inyecciones de corriente demasiado grandes al diodo para obtener emisión láser. Por simplicidad, los pares electrón-agujero se llaman portadores, y la vida media de los portadores es el tiempo medio que tardan los portadores en recombinar.

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La sencilla unión p-n, resultado del crecimiento en el mismo sustrato, pero con diferentes niveles de dopaje, no es capaz de conseguir el confinamiento necesario, porque la anchura de la región en que los portadores están confinados aumenta debido a la difusión de los portadores. El problema de la difusión de los portadores puede resolverse parcialmente usando heterostructuras.
Dos tipos diferentes de estructuras pueden analizarse dependiendo del mecanismo de confinamiento lateral de los portadores. En láseres semiconductores guiados por la ganancia, no se incorpora ningún confinamiento añadido, y el perfil de la ganancia viene determinado esencialmente por la región con corriente de inyección y efectos difusivos.
En los láseres guiados por el índice, la región activa está rodeada lateralmente por material con un índice de refracción menor. En estos dispositivos, se consigue un nivel de confinamiento bastante elevado. Aparte de dar un buen confinamiento a los portadores, los láseres de doble heterostructura guiados por el índice también incorporan un confinamiento adecuado para la luz. El mecanismo de guiaje es debido a un mayor índice de refracción en la región activa que en el resto de capas que la rodean. De esta manera, la luz viaja hacia adelante y hacia atrás como lo haría en el interior de una fibra óptica.
Una cavidad óptica adecuada es necesaria para conseguir la emisión láser. Sólo el proceso de amplificación tiene sentido, y se emite luz coherente, cuando la vida media de los fotones es suficientemente grande. En otros tipos de láser, la cavidad está limitada por dos espejos con curvaturas que dependen de la distancia entre ellos y de la geometría del medio activo. Mientras uno de los espejos puede diseñarse totalmente reflectante, el otro debe permitir que haya luz de salida.

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Los láseres de cavidad vertical (VCSELs) tienen una longitud de cavidad muy corta, y necesitan reflectividades del 99 %. El espejo normalmente está incorporado en la estructura láser a partir del mismo sustrato, y está formado de muchas capas alternadas de diferentes materiales. El reflector de Bragg que así resulta permite una característica casi plana de la reflectividad para un rango considerable de longitudes de onda.
Láseres más convencionales (EELs) no necesitan espejos para operar. La longitud de su cavidad, de unas 300 micras, es suficientemente grande para permitir la emisión láser sin espejos adicionales. De hecho, la reflectividad en la separación láser-aire es cercana al 32 %. El valor grande del índice de refracción en la zona activa confina la luz a la región con ganancia material.

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Los dos tipos de láseres semiconductores antes mencionados se llaman láseres de tipo Fabry-Pérot. Los láseres con feedback distribuido (DFB) incorporan un grating a la estructura que colabora en la selección de la longitud de onda de emisión.

EL DIODO TÚNEL



En 1958, el físico japonés Esaki, descubrió que los diodos semiconductores obtenidos con un grado de contaminación del material básico mucho mas elevado que lo habitual exhiben una característica tensión-corriente muy particular. La corriente comienza por aumentar de modo casi proporcional a la tensión aplicada hasta alcanzar un valor máximo, denominado corriente de cresta. A partir de este punto, si se sigue aumentando la tensión aplicada, la corriente comienza a disminuir y lo siga haciendo hasta alcanzar un mínimo, llamado corriente de valle, desde el cual de nuevo aumenta. El nuevo crecimiento de la corriente es al principio lento, pero luego se hace cada vez mas rápido hasta llegar a destruir el diodo si no se lo limita de alguna manera. Este comportamiento particular de los diodos muy contaminados se debe a lo que los físicos denominan efecto túnel, del que no nos ocuparemos aquí debido a su complejidad. Para las aplicaciones prácticas del diodo túnel, la parte mas interesante de su curva característica es la comprendida entre la cresta y el valle. En esta parte de la curva a un aumento de la tensión aplicada corresponde una disminución de la corriente; en otros términos, la relación entre un incremento de la tensión y el incremento resultante de la corriente es negativa y se dice entonces que esta parte de la curva representa una “resistencia incremental negativa”. Una resistencia negativa puede compensar total o parcialmente una resistencia positiva. Así, por ejemplo, las pérdidas que se producen en un circuito resonante a causa de la presencia siempre inevitable de cierta resistencia en el, se compensa asociando al circuito una resistencia negativa de valor numérico conveniente y realizada por ejemplo, mediante un diodo túnel. En tal caso el circuito oscilante se transforma en un oscilador. Los ejemplo de circuito que se describen a continuación muestra como puede aprovecharse este fenómeno en la práctica. Aumentando el nivel de impurificación de un diodo invertido, se puede hacer que el rompimiento ocurra a los 0 V. Diodos como éstos reciben el nombre de diodos túnel. En este tipo de diodos se presenta un fenómeno conocido como resistencia negativa. Esto significa que un aumento en el voltaje de polarización directa produce una disminución de corriente, por lo menos en una parte de la curva de polarización directa. La resistencia negativa de los diodos túnel es útil en circuitos de alta frecuencia llamados osciladores. Estos circuitos pueden convertir potencia de c.d. en potencia c.a. ya que crean una señal sinusoidal.


DISPLAY DE CRISTAL LIQUIDO (LCDS)


Los LCDs difieren de otros tipos de displays en que no generan luz sino que trabajan con la reflexión de la luz. El principio de funcionamiento es sencillo. Estos cristales líquidos están formados por unas moléculas alargadas con forma de puro, que se llaman moléculas nemáticas y se alinean con una estructura simétrica. En este estado el material es transparente. Un campo eléctrico provoca que las moléculas se desalinien de manera que se vuelven opacas a la luz. De esta manera, aplicando o no aplicando un campo eléctrico (es decir, polarizando o no polarizando), podemos jugar con oscuridad o transparencia respectivamente. Si aplicamos el campo localmente en geometrías iguales al display de 7 segmentos, conseguiremos un display análogo al de los LEDs pero con cristal líquido.

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Esquema constructivo de un LCD



En la construcción de un LCD se depositan electrodos transparentes en la cara interior de los cristales, tal y como aparece en la figura superior. Estos electrodos tienen la geometría deseada, por ejemplo, el display de 7 segmentos. El espesor del cristal líquido es muy pequeño, del orden de 0.01mm.
Ya tenemos nuestro invento preparado. Si no se polarizan los terminales, al incidir la luz sobre el cristal frontal, pasa a través del cristal líquido y es reflejada por el espejo incidiendo en el ojo que está mirando. El resultado: todo se ve de color claro.
Si polarizamos un electrodo, por ejemplo, el electrodo a, el cristal líquido pegado al electrodo se vuelve opaco, negro, oscuro. La luz ya no es reflejada.

Características eléctricas del LCD



Desde el punto de vista eléctrico, se puede representar el LCD como una capacidad de valor muy pequeño en paralelo con una resistencia muy grande.

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Se necesita una señal pequeña en AC de 3 a 7 voltios para polarizar el LCD. Tensiones mayores romperían la fina capa de cristal líquido. La frecuencia de la tensión puede variar entre 30 y 50 Hz. Frecuencias más bajas producen un efecto de parpadeo, frecuencias más altas producen un aumento del consumo.

DIODO DE CONTACTO PUNTUAL


El rectificador de contacto puntual consiste en un semiconductor sobre el que descansa la punta de un alambre delgado.
La curva de corriente versus voltaje es cualitativamente similar a la del diodo de unión. Sin embargo, para un voltaje positivo dado, el diodo de contacto puntual conduce algo mas de corriente. Más aún, conforme el voltaje negativo aumenta, la corriente inversa tiende a aumentar mas bien que permanecer aproximadamente constante. La marca inflexión en la curva del diodo de unión en -V? no ocurre en los diodos de contacto puntual, dado que el calentamiento de tal punto ocurre a voltajes mucho mas bajos y produce un aumento gradual de la conductancia en la dirección negativa.

OPTOACOPLADORES



Un optoacoplador (llamado también optoaislador acoplado combina un LED y un fotodiodo en un solo encapsulado. En la figura 1-C se muestra un optoacoplador. Tiene un LED en el lado de entrada y un fotodiodo en el lado de salida. El voltaje de fuente a la izquierda y el resistor en serie establecen una corriente en el LED. Luego la luz proveniente del LED incide sobre el fotodiodo, y esto genera una corriente inversa en el circuito de salida. Esta corriente inversa produce un voltaje en el resistor de salida. El voltaje de salida es igual al voltaje de salida de la fuente menos el voltaje en el resistor.

Si el voltaje de entrada varia, la cantidad de luz también lo hará. Esto significa que el voltaje de salida cambia de acuerdo al voltaje de entrada. Es por esto que la combinación de un LED y un fotodiodo recibe el nombre de optoacoplador. El dispositivo puede acoplar una señal de entrada con el circuito de salida.

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La ventaja fundamental de un optoacoplador es el aislamiento eléctrico entre los circuitos de entrada y salida. Mediante el optoacoplador, el único contacto que hay entre la entrada y la salida es un haz de luz. Por eso. es posible tener una resistencia de aislamiento entre los dos circuitos del orden de miles de megaohms. Los aislamientos como éste son útiles en aplicaciones de alto voltaje en las que los potenciales de los dos circuitos pueden diferir en varios miles de volts.
Un optoacoplador combina un dispositivo semiconductor formado por un foto emisor, un fotorreceptor y entre ambos hay un camino por donde se transmite la luz. Todos estos elementos se encuentran dentro de un encapsulado que por lo general es del tipo DIP.

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Funcionamiento del Optoacoplador



La señal de entrada es aplicada al foto emisor y la salida es tomada del fotorreceptor. Los optoacopladores son capaces de convertir una señal eléctrica en una señal luminosa modulada y volver a convertirla en una señal eléctrica. La gran ventaja de un optoacoplador reside en el aislamiento eléctrico que puede establecerse entre los circuitos de entrada y salida.

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Los fotoemisores que se emplean en los optoacopladores de potencia son diodos que emiten rayos infrarrojos (IRED) y los fotoreceptores pueden ser tiristores o transistores.
Cuando aparece una tensión sobre los terminales del diodo IRED, este emite un haz de rayos infrarrojo que transmite a través de una pequeña guia-ondas de plástico o cristal hacia el fotorreceptor. La energía luminosa que incide sobre el fotorreceptor hace que este genere una tensión eléctrica a su salida. Este responde a las señales de entrada, que podrían ser pulsos de tensión.

Diferentes tipos de Optoacopladores



Fototransistor: se compone de un optoacoplador con una etapa de salida formada por un transistor BJT.
Fototriac: se compone de un optoacoplador con una etapa de salida formada por un triac
Fototriac de paso por cero: optoacoplador en cuya etapa de salida se encuentra un triac de cruce por cero. El circuito interno de cruce por cero conmuta al triac sólo en los cruce por cero de la corriente alterna.

DIODOS DE POTENCIA



Uno de los dispositivos más importantes de los circuitos de potencia son los diodos, aunque tienen, entre otras, las siguientes limitaciones : son dispositivos unidireccionales, no pudiendo circular la corriente en sentido contrario al de conducción. El único procedimiento de control es invertir el voltaje entre ánodo y cátodo.
Los diodos de potencia se caracterizan porque en estado de conducción, deben ser capaces de soportar una alta intensidad con una pequeña caída de tensión. En sentido inverso, deben ser capaces de soportar una fuerte tensión negativa de ánodo con una pequeña intensidad de fugas.

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El diodo responde a la ecuación:

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La curva característica será la que se puede ver en la parte superior, donde:

VRRM: tensión inversa máxima
VD: tensión de codo.

A continuación vamos a ir viendo las características más importantes del diodo, las cuales podemos agrupar de la siguiente forma:

Características estáticas:



- Parámetros en bloqueo (polarización inversa).
- Parámetros en conducción.
- Modelo estático.

Características dinámicas:


- Tiempo de recuperación inverso (trr).
- Influencia del trr en la conmutación.
- Tiempo de recuperación directo.

Potencias:



- Potencia máxima disipable.
- Potencia media disipada.
- Potencia inversa de pico repetitivo.
- Potencia inversa de pico no repetitivo.

Características térmicas.



Protección contra sobre intensidades.

Características estáticas



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Parámetros en bloqueo



- Tensión inversa de pico de trabajo (VRWM): es la que puede ser soportada por el dispositivo de forma continuada, sin peligro de entrar en ruptura por avalancha.
- Tensión inversa de pico repetitivo (VRRM): es la que puede ser soportada en picos de 1 ms, repetidos cada 10 ms de forma continuada.
- Tensión inversa de pico no repetitiva (VRSM): es aquella que puede ser soportada una sola vez durante 10ms cada 10 minutos o más.
- Tensión de ruptura (VBR): si se alcanza, aunque sea una sola vez, durante 10 ms el diodo puede destruirse o degradar las características del mismo.
- Tensión inversa contínua (VR): es la tensión continua que soporta el diodo en estado de bloqueo.

Parámetros en conducción



- Intensidad media nominal (IF(AV)): es el valor medio de la máxima intensidad de impulsos sinusoidales de 180º que el diodo puede soportar.
- Intensidad de pico repetitivo (IFRM): es aquélla que puede ser soportada cada 20 ms , con una duración de pico a 1 ms, a una determinada temperatura de la cápsula (normalmente 25º).
- Intensidad directa de pico no repetitiva (IFSM): es el máximo pico de intensidad aplicable, una vez cada 10 minutos, con una duración de 10 ms.
- Intensidad directa (IF): es la corriente que circula por el diodo cuando se encuentra en el estado de conducción.


Modelos estáticos del diodo



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Los distintos modelos del diodo en su región directa (modelos estáticos) se representan en la figura superior. Estos modelos facilitan los cálculos a realizar, para lo cual debemos escoger el modelo adecuado según el nivel de precisión que necesitemos.
Estos modelos se suelen emplear para cálculos a mano, reservando modelos más complejos para programas de simulación como PSPICE. Dichos modelos suelen ser proporcionados por el fabricante, e incluso pueden venir ya en las librerías del programa.

Características dinámicas



Tiempo de recuperación inverso




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El paso del estado de conducción al de bloqueo en el diodo no se efectúa instantáneamente. Si un diodo se encuentra conduciendo una intensidad IF, la zona central de la unión P-N está saturada de portadores mayoritarios con tanta mayor densidad de éstos cuanto mayor sea IF. Si mediante la aplicación de una tensión inversa forzamos la anulación de la corriente con cierta velocidad di/dt, resultará que después del paso por cero de la corriente existe cierta cantidad de portadores que cambian su sentido de movimiento y permiten que el diodo conduzca en sentido contrario durante un instante. La tensión inversa entre ánodo y cátodo no se establece hasta después del tiempo ta llamado tiempo de almacenamiento, en el que los portadores empiezan a escasear y aparece en la unión la zona de carga espacial. La intensidad todavía tarda un tiempo tb (llamado tiempo de caída) en pasar de un valor de pico negativo (IRRM) a un valor despreciable mientras van desapareciendo el exceso de portadores.

- ta (tiempo de almacenamiento): es el tiempo que transcurre desde el paso por cero de la intensidad hasta llegar al pico negativo.
- tb (tiempo de caída): es el tiempo transcurrido desde el pico negativo de intensidad hasta que ésta se anula, y es debido a la descarga de la capacidad de la unión polarizada en inverso. En la práctica se suele medir desde el valor de pico negativo de la intensidad hasta el 10 % de éste.
- trr (tiempo de recuperación inversa): es la suma de ta y tb.
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- Qrr: se define como la carga eléctrica desplazada, y representa el área negativa de la característica de recuperación inversa del diodo.
- di/dt: es el pico negativo de la intensidad.
- Irr: es el pico negativo de la intensidad.

La relación entre tb/ta es conocida como factor de suavizado “SF”.

Si observamos la gráfica podemos considerar Qrr por el área de un triángulo :
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De donde :

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Para el cálculo de los parámetros IRRM y Qrr podemos suponer uno de los dos siguientes casos:

- Para ta = tb trr = 2ta
- Para ta = trr tb = 0

En el primer caso obtenemos:

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Y en el segundo caso:

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Influencia del trr en la conmutación



Si el tiempo que tarda el diodo en conmutar no es despreciable :
- Se limita la frecuencia de funcionamiento.
- Existe una disipación de potencia durante el tiempo de recuperación inversa.
Para altas frecuencias, por tanto, debemos usar diodos de recuperación rápida.

Factores de los que depende trr :



- A mayor IRRM menor trr.
- Cuanta mayor sea la intensidad principal que atraviesa el diodo mayor será la capacidad almacenada, y por tanto mayor será trr.

Tiempo de recuperación directo



tfr (tiempo de recuperación directo): es el tiempo que transcurre entre el instante en que la tensión ánodo-cátodo se hace positiva y el instante en que dicha tensión se estabiliza en el valor VF.
Este tiempo es bastante menor que el de recuperación inversa y no suele producir pérdidas de potencia apreciables.

Disipación de potencia



Potencia máxima disipable (Pmáx)



Es un valor de potencia que el dispositivo puede disipar, pero no debemos confundirlo con la potencia que disipa el diodo durante el funcionamiento, llamada ésta potencia de trabajo.

Potencia media disipada (PAV)



Es la disipación de potencia resultante cuando el dispositivo se encuentra en estado de conducción, si se desprecia la potencia disipada debida a la corriente de fugas.

Se define la potencia media (PAV) que puede disipar el dispositivo, como :

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Si incluimos en esta expresión el modelo estático, resulta :

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y como :
104735.gifes la intensidad media nominal

104736.gifes la intensidad eficaz al cuadrado

Nos queda finalmente :
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Generalmente el fabricante integra en las hojas de características tablas que indican la potencia disipada por el elemento para una intensidad conocida.
Otro dato que puede dar el fabricante es curvas que relacionen la potencia media con la intensidad media y el factor de forma (ya que el factor de forma es la intensidad eficaz dividida entre la intensidad media).
Potencia inversa de pico repetitiva (PRRM)
Es la máxima potencia que puede disipar el dispositivo en estado de bloqueo.
Potencia inversa de pico no repetitiva (PRSM)
Similar a la anterior, pero dada para un pulso único.

Características térmicas



Temperatura de la unión (Tjmáx)



Es el límite superior de temperatura que nunca debemos hacer sobrepasar a la unión del dispositivo si queremos evitar su inmediata destrucción.
En ocasiones, en lugar de la temperatura de la unión se nos da la “operating temperature range” (margen de temperatura de funcionamiento), que significa que el dispositivo se ha fabricado para funcionar en un intervalo de temperaturas comprendidas entre dos valores, uno mínimo y otro máximo.

Temperatura de almacenamiento (Tstg)


Es la temperatura a la que se encuentra el dispositivo cuando no se le aplica ninguna potencia. El fabricante suele dar un margen de valores para esta temperatura.


Resistencia térmica unión-contenedor (Rjc)


Es la resistencia entre la unión del semiconductor y el encapsulado del dispositivo. En caso de no dar este dato el fabricante se puede calcular mediante la fórmula:

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siendo Tc la temperatura del contenedor y Pmáx la potencia máxima disipable.

Resistencia térmica contenedor-disipador (Rcd)



Es la resistencia existente entre el contenedor del dispositivo y el disipador (aleta refrigeradora). Se supone que la propagación se efectúa directamente sin pasar por otro medio (como mica aislante, etc).

Protección contra sobreintensidades



Principales causas de sobreintensidades



La causa principal de sobreintensidad es, naturalmente, la presencia de un cortocircuito en la carga, debido a cualquier causa. De todos modos, pueden aparecer picos de corriente en el caso de alimentación de motores, carga de condensadores, utilización en régimen de soldadura, etc.
Estas sobrecargas se traducen en una elevación de temperatura enorme en la unión, que es incapaz de evacuar las calorías generadas, pasando de forma casi instantánea al estado de cortocircuito (avalancha térmica).

Órganos de protección



Los dispositivos de protección que aseguran una eficacia elevada o total son poco numerosos y por eso los más empleados actualmente siguen siendo los fusibles, del tipo “ultrarrápidos” en la mayoría de los casos.
Los fusibles, como su nombre indica, actúan por la fusión del metal de que están compuestos y tienen sus características indicadas en función de la potencia que pueden manejar; por esto el calibre de un fusible no se da sólo con su valor eficaz de corriente, sino incluso con su I2t y su tensión.

Parámetro I2t



La I2t de un fusible es la característica de fusión del cartucho; el intervalo de tiempo t se indica en segundos y la corriente I en amperios.
Debemos escoger un fusible de valor I2t inferior al del diodo, ya que así será el fusible el que se destruya y no el diodo.

EL FOTODIODO.



Como ya se había dicho, una de las componentes de la corriente inversa en un diodo es el flujo de portadores minoritarios. La existencia de estos portadores se debe a que la energía térmica continuamente está desligando electrones de valencia de sus orbitales, produciendo durante este proceso electrones libres y huecos. El tiempo de vida de los portadores minoritarios es corto, pero mientras existen pueden contribuir a la corriente inversa.
Cuando la energía luminosa bombardea una unión pn, puede desligar electrones de valencia. Cuanta más luz incida sobre la unión, mayor será la corriente inversa en el diodo. Un fotodiodo es aquel cuya sensibilidad a la luz es óptima. En este tipo de diodos, una ventana permite que la luz pase por el encapsulado hasta la unión. La luz incidente produce electrones libres y huecos. Cuanta más intensa sea la luz, mayor será el número de portadores minoritarios y mayor será la corriente inversa.
La figura siguiente muestra el símbolo de un fotodiodo. Las flechas representan la luz incidente. Especialmente importante es lo siguiente: la fuente y el resistor en serie polarizan inversamente al fotodiodo. Conforme la luz se hace más intensa, la corriente inversa aumenta. En los fotodiodos típicos, la corriente inversa es del orden de decenas de microamperes.

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Fotodiodo.



El fotodiodo de unión pn polarizada en sentido inverso es un elemento básico para comprender los dispositivos fotosensibles de silicio. Cuando la luz de longitud de onda apropiada es dirigida hacia la unión, se crean pares hueco-electrón que se desplazan a través de la unión debido al campo generado en la región deprimida. El resultado es un flujo de corriente, denominado fotocorriente, en el circuito externo, que es proporcional a la irradiancia efectiva en el dispositivo. El fotodiodo se comporta básicamente como un generador de corriente constante hasta que se alcanza la tensión de avalancha.

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Fotodiodo sensible a la luz con unión pn polarizada inversamente.



El fotodiodo exhibe un pico de respuesta en una longitud de onda radiante determinada. Para esta longitud de onda, se produce la máxima cantidad de pares huecos-electrón en la proximidad de la unión.
El máximo de la curva de respuesta espectral de un fototransistor típico se halla en 850 nm, aproximadamente.
La totalidad de los detectores de luz comunes consisten en una unión a fotodiodo y un amplificador. En la mayoría de dispositivos comerciales, la corriente del fotodiodo se halla en el margen comprendido entre el submicroamperio y las decenas de microamperios, pudiendo añadirse a la pastilla un amplificador por un coste mínimo.

Fotodiodo de avalancha.



Es posible incorporar un tipo de sistema amplificador de empleo común formando parte del propio fotodiodo. El fotodiodo de avalancha utiliza la multiplicación por avalancha para conseguir amplificar la fotocorriente creada por los pares hueco-electrón. Esto proporciona una elevada sensibilidad y gran rapidez. Sin embargo, el equilibrio entre ruido y ganancia es difícil de conseguir y como consecuencia, el coste es alto. Asimismo la estabilidad de temperatura es deficiente y se requiere una tensión de alimentación de valor elevado (100-300 v.), estrechamente controlada. Por estas razones, el fotodiodo de avalancha tiene limitadas aplicaciones.


Fototransistor.


El transistor sensible a la luz es una de las combinaciones fotodiodo amplificador más simples. Dirigiendo una fuente de luz hacia la unión pn polarizada en sentido inverso (colector-base), se genera una corriente de base, que es amplificada por la ganancia de corriente del transistor.

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Se requiere un cuidadoso proceso de elaboración de la pastilla del transistor para hacer compatible la máxima reducción de la corriente en la oscuridad del fototransistor, con la obtención de una alta sensibilidad a la luz. Las corrientes de este tipo, típicas del fototransistor para una tensión inversa de 10v, son del orden de 1 nA a temperatura ambiente y aumentan en un factor de 2 para cada 10 ºC de aumento de temperatura. Las especificaciones del fototransistor garantizan normalmente unos límites de corriente en la oscuridad mucho más altos, por ejemplo 50 a 100 nA, debido a las limitaciones del equipo automático de prueba.

Fotodarlington.



Básicamente, este dispositivo es el mismo que el transistor sensible a la luz, excepto que tiene una ganancia mucho mayor debido a las dos etapas de amplificación, conectadas en cascada, incorporadas en una sola pastilla.

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Amplificador fotodarlington.

Foto SCR.



El circuito equivalente con dos transistores del rectificador controlado de silicio mostrado en la figura ilustra el mecanismo de conmutación de este dispositivo.
La corriente debida a los fotones, generada en la unión pn polarizada en sentido inverso, alcanza la región de puerta y polariza en sentido directo el transistor npn, iniciando la conmutación.

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LOS DIODOS VARISTOR



O supresor de transientes, es un dispositivo semiconductor utilizado para absorber picos de alto voltaje desarrollados en las redes de alimentación eléctrica. Cuando aparece un transitorio, el varistor cambia su resistencia de un valor alto a otro valor muy bajo. El transitorio es absorbido por el varistor, protegiendo de esa manera los componentes sensibles del circuito. Los varistors se fabrican con un material no-homogéneo.(Carburo de silicio).
Los relámpago , las fallas en la línea de potencia, etc., pueden contaminar el voltaje de la línea superponiendo valles, picos y otros transitorios en los 115 V rms normales. Los valles son caídas de voltaje severas que duran microsegundos o menos. Los picos son sobrevoltajes muy cortos en duración, desde 500 hasta más de 2000 V. En algunos equipos, se usan filtros entre la línea de potencial y el primario del transformador para eliminar los problemas ocasionados por los transistores en la línea.

Uno de los dispositivos empleados para el filtrado en la linea es el varistor (llamado también supresor de transistorios). Este dispositivo semiconductor es como dos diodos Zener encontrados con un gran voltaje de rompimiento en ambas direcciones. Por ejemplo, el V130LA2 es un varistor con un voltaje de rompimiento de 184 V (equivalente a 130 V rms) y una especificación de corriente pico de 400 A. Conectando uno de éstos en el arrollamiento primario no habrá por que preocuparse acerca de los picos. El varistor recortará todos los picos al nivel de los 184 V y protegerá el equipo.

CARACTERISTICAS:



1- Amplia gama de voltajes - desde 14 V a 550 V (RMS). Esto permite una selección fácil del componente correcto para una aplicación específica.
2- Alta capacidad de absorción de energía respecto a las dimensiones del componente.
3- Tiempo de respuesta de menos de 20 ns, absorbiendo el transitorio en el instante que ocurre.
4- Bajo consumo (en stabd-by) - virtualmente nada.
5- Valores bajos de capacidad, lo que hace al varistor apropiado para la protección de circuitería en conmutación digital.
6- Alto grado de aislamiento.

Máximo impulso de corriente no repetitiva



- El pico máximo de corriente permitido a través del varistor depende de la forma del impulso, del duty cycle y del número de pulsos.
- Con el fin de caracterizar la capacidad del varistor para resistir impulsos de corriente, se permite generalmente que garantice un ‘máximo impulso de corriente no repetitiva’. Este viene dado por un impulso caracterizado por la forma del impulso de corriente desde 8 microsegundos a 20 microsegundos siguiendo la norma “IEC 60-2″, con tal que la amplitud del voltaje del varistor medido a 1 mA no lo hace cambiar más del 10% como máximo.
- Un impulso mayor que el especificado puede ocasionar cortocircuitos o ruptura del propio componente; se recomienda por lo tanto instalar un fusible en el circuito que utiliza el varistor, o utilizar una caja protectora.
- Si se aplica más de un de impulso o el impulso es de una duración mas larga, habría que estudiar las curvas que al efecto nos proporcionan los fabricantes, estas curvas garantizan la máxima variación de voltaje (10%) en el varistor con 1 mA.

Energía máxima


Durante la aplicación de un impulso de corriente, una determinada energía será disipada por el varistor. La cantidad de la energía de disipación es una función de:

1- La amplitud de la corriente.
2- El voltaje correspondiente al pico de corriente.
3- La duración del impulso.
4- El tiempo de bajada del impulso; la energía que se disipa durante el tiempo entre 100% y 50% del pico de corriente.
5- La no linealidad del varistor.

A fin de calcular la energía disipada durante un impulso, se hace con la referencia generalmente a una onda normalizada de la corriente. Esta onda esta prescrita por la norma “IEC 60-2 secciona 6″ tiene una forma que aumenta desde cero al valor de pico en un el tiempo corto, disminuyendo hasta cero o de una manera exponencial, o bien sinusoidal.

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Esta curva es definida por el tiempo principal virtual (t1) y el tiempo virtual al valor medio (t2)

DIODO SCHOTTKY (DIODO DE BARRERA)



A frecuencias bajas, un diodo ordinario puede desconectarse fácilmente cuando la polarización cambia de directa a inversa. Pero conforme aumenta la frecuencia, el diodo llega a un punto en el que ya no puede desconectarse lo suficientemente rápido para evitar una corriente considerable durante parte del semiciclo inverso. Este efecto se conoce como almacenamiento de carga. Impone un límite sobre la frecuencia útil de los diodos rectificadores ordinarios.

Lo que sucede es esto. Cuando el diodo está polarizado directamente, algunos de los portadores en la capa de empobrecimiento aún no se han recombinado. Si se aplica súbitamente polarización inversa al diodo, estos portadores pueden circular en la dirección inversa durante un pequeño intervalo de tiempo. Cuanto más largo sea el tiempo de vida, mayor será el tiempo durante el cual estas cargas puedan contribuir a la corriente inversa.

El tiempo que un diodo polarizado directamente tarda en desconectarse se llama tiempo de recuperación inversa. Este es tan corto en los diodos para señales pequeñas que su efecto ni siquiera se nota a frecuencias inferiores a los10 Mhz, más o menos. Es importante sólo cuando se está trabajando con frecuencias muy superiores a los 10 Mhz.

La solución a este problema es un dispositivo para usos especiales llamado diodo Schottky. Este tipo de diodo no tiene capa de empobrecimiento, con lo cual no existen las cargas en la unión. La ausencia del almacenamiento de carga implica que el diodo Schottky puede cambiar (activar o desconectar) más rápido que un diodo ordinario. De hecho, un diodo Schottky puede rectificar con facilidad frecuencias superiores a los 300 Mhz.

La aplicación más importante de los diodos Schottky se halla en las computadoras digitales. La velocidad de las computadoras depende de la rapidez con la que se puedan activar o desconectar sus diodos y sus transistores, y aquí es donde el diodo Schottky entra en escena. Como no tiene almacenamiento de carga, el diodo Schottky se ha convertido en la parte medular de la TTL Schottky de baja potencia, un grupo de dispositivos digitales extensamente empleados.

Una indicación final: en la dirección directa, un diodo Schottky tiene una barrera de potencial de sólo 0.25 V. Así, es posible ver diodos Schottky utilizados en rectificadores de puente de bajo voltaje, ya que solamente hay que restar 0.25 V en vez de los 0.7 V usuales por cada diodo.

En un diodo Schottky se emplea un metal como el oro, la plata o el platino en un lado de la unión y silicio impurificado (generalmente tipo n) en el otro lado . Cuando un diodo Schottky no tiene polarización, los electrones libres en el lado n se hallan en órbitas más pequeñas que los electrones libres del lado metálico. A esta diferencia en el tamaño de las órbitas se le llama barrera de Schottky. Si el diodo tiene polarización directa, los electrones libres pueden atravesar la unión y penetrar al metal, produciendo una gran corriente de polarización directa. Como el metal no tiene huecos, no hay almacenamiento y por tanto tampoco hay tiempo de recuperación inversa. La ausencia de almacenamiento de carga implica que el tiempo de recuperación inversa tienda a cero. Por ello, un diodo Schottky puede desconectarse mas rápido que un diodo ordinario. Cuando se le usa en un circuito como el de la siguiente figura el diodo Schottky produce una señal de media onda perfecta, incluso a frecuencias superiores a los 300 Mhz.

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Los diodos Schottky. Son dispositivos que tienen una caída de voltaje directa (VF) muy pequeña, del orden de 0.3 V o menos. Operan a muy altas velocidades y se utilizan en fuentes de potencia, circuitos de alta frecuencia y sistemas digitales. Reciben también el nombre de diodos de recuperación rápida (Fast recovery) o de portadores calientes.
Cuando se realiza una ensambladura entre una terminal metálica se hace un material semiconductor, el contacto tiene, típicamente, un comportamiento óhmico, cualquiera, la resistencia del contacto gobierna la secuencia de la corriente. Cuando este contacto se hace entre un metal y una región semiconductora con la densidad del dopante relativamente baja, las hojas dominantes del efecto debe ser el resistivo, comenzando también a tener un efecto de rectificación. Un diodo Schottky, se forma colocando una película metálica en contacto directo con un semiconductor, según lo indicado en la figura N°05. El metal se deposita generalmente en un tipo de material N, debido a la movilidad más grande de los portadores en este tipo de material. La parte metálica será el ánodo y el semiconductor, el cátodo.
En una deposición de aluminio (3 electrones en la capa de valencia), los electrones del semiconductor tipo N migran hacía el metal, creando una región de transición en la ensambladura.
Se puede observar que solamente los electrones (los portadores mayoritarios de ambos materiales) están en tránsito. Su conmutación es mucho más rápida que la de los diodos bipolares, una vez que no existan cargas en la región tipo N, siendo necesaria rehacer la barrera de potencial (típicamente de 0,3V). La Región N tiene un dopaje relativamente alto, a fin de reducir la pérdida de conducción, por esto, la tensión máxima soportable para este tipo de diodo está alrededor de los 100V.
La principal aplicación de este tipo de diodos, se realiza en fuentes de baja tensión, en las cuales las caídas en los rectificadores son significativas.

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Figura N°05 (Diodo Schottky construido a través de la técnica de CIs.)

SIMBOLOGÍA



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Gráfica Simbología Tipos de Diodos

BIBLIOGRAFÍA



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Autor:

Tito





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