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En esta consulta se va a estudiar el diodo, su principio de funcionamiento, aplicaciones y sus modelos equivalentes aproximados, las características principales de cada uno y responder a la cuestión sobre qué aproximación nos conviene utilizar. El artículo fue desarrollado en base a una investigació...

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MODELOS EQUIVALENTES APROXIMADOS DEL DIODO

Resumen— En esta consulta se va a estudiar el diodo, su principio de funcionamiento, aplicaciones y sus modelos equivalentes aproximados, las características principales de cada uno y responder a la cuestión sobre qué aproximación nos conviene utilizar. El artículo fue desarrollado en base a una investigación consciente y en lo posible se aplicó un análisis con los conocimientos adquiridos en clase. Palabras clave: diodo, aplicaciones, aproximaciones.

I. INTRODUCCIÓN

Cuando hablamos del diodo y su funcionamiento, debemos hablar de su polarización. Polarizar no es más que dar ciertos valores de voltaje y corriente a los componentes eléctricos de nuestro circuito para que éstos funcionen de forma correcta. Por lo tanto, el diodo sólo podrá ser polarizado de dos formas: directa o inversa. Cuando un diodo permite un flujo de corriente, tiene polarización directa. Cuando un diodo tiene polarización inversa, actúa como un aislante y no permite que fluya la corriente.

La principal razón para usar aproximaciones del diodo es que la mayoría de las veces no requerimos de una solución exacta. Debido a esto, se proponen 3 aproximaciones que nos sirven para entender el diodo y sus aplicaciones. Entonces, debemos hacernos la pregunta: ¿qué hace un diodo?. Bueno, en términos generales, conduce bien la corriente en la dirección directa y mal en la inversa. Visto de forma teórica, un diodo rectificador se comporta como un conductor perfecto (resistencia cero) cuando tiene polarización directa, y lo hace como un aislante perfecto (resistencia infinita) cuando su polarización es inversa. Dependiendo del dopaje y del tamaño físico del diodo, éste puede diferir de otros por su máxima corriente directa, limitación de potencia y otras características. Todos los diodos de silicio tienen una tensión umbral de arpoximadamente 0,7 V. Existen tres modelos equivalentes aproximados que son muy usadas para los diodos, y cada uno de ellos es útil en ciertas condiciones.

II. DESARROLLO DE CONTENIDOS Antes de empezar con el análisis de los modelos equivalentes aproximados del diodo debemos tener algunos conceptos claros, los mismos que voy a explicar a continuación: El diodo es un componente eléctrico que permite el paso de la electricidad en un solo sentido, esta característica lo asemeja al funcionamiento de un interruptor, es decir, que abre o cierra circuitos. Está formado por dos materiales con propiedades distintas que representan dos terminales: el ánodo (+) y el cátodo (-). [1]

Fig. 1 Tipos de Polarización

En polarización directa los electrones por desviación viajan en la zona N en la banda de conducción se recombinan con huecos en la zona de la barrera de potencial y viajan en la zona P en la banda de valencia. [2] Corriente inversa: es la corriente de portadores minoritarios en polarización inversa. Tiene las siguientes componentes: IO= IT+IS+ISL Corriente transitoria IT : existe durante el ensanchamiento de la barrera de potencial. Depende de la constante de tiempo del circuito externo se desprecia debajo de los 10 MHZ.

Corriente inversa de saturación IS : surge debido a la formación de portadores minoritarios, únicamente por la temperatura. Se duplica por cada 10% de aumento de la temperatura. Corriente superficial de fugas ISL: surge debido a impurezas y no completamiento de los enlaces covalentes superficiales, es proporcional a la tensión inversa. Ruptura por efecto de avalancha: incremento descontrolado de la corriente con tensión inversa superior a la normal. Debido al incremento de energía y velocidad de los portadores minoritarios que chocan con los electrones de los cristales, aportándoles energía, y creando nuevos portadores al liberarse estos; proceso que se desarrolla sucesivamente de forma no controlada. Ruptura por efecto zener: Corriente en sentido inverso por la creación de electrones libres, debido a la gran intensidad del campo eléctrico lo cual es posible en diodos construidos especialmente para este uso, los cuales se han dopado más que los normales, y por eso la zona de deplexión es más estrecha, y la intensidad de campo eléctrico mayor, hasta 300000 V/cm. [3] Dependencia de la barrera de potencial de la temperatura: Para diodos de germanio o de silicio, la barrera de potencial disminuye 2 mv por cada grado celcius que se eleve la temperatura.

B. Segunda Aproximación La exponencial se aproxima a una vertical y a una horizontal que pasan por 0,7 V (este valor es el valor de la tensión umbral para el silicio, porque suponemos que el diodo es de silicio, si fuera de germanio se tomaría el valor de 0,2 V). El tramo que hay desde 0 V y 0,7 V es en realidad polarización directa, pero como a efectos prácticos no conduce, se toma como inversa. Con esta segunda aproximación el error es menor que en la aproximación anterior.[5]

Fig. 3 Circuito equivalente y Gráfica (I-V)

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Polarización directa: La vertical es equivalente a una pila de 0,7 V. Polarización inversa: Es un interruptor abierto.

Como se ve estos valores son distintos a los de la anterior aproximación, esta segunda aproximación es menos ideal que la anterior, por lo tanto es más exacta, esto es, se parece más al valor que tendría en la práctica ese circuito.

A. Primera Aproximación (el diodo ideal) La exponencial se aproxima a una vertical y una horizontal que pasan por el origen de coordenadas.

C. Tercera Aproximación En esta aproximación se incluye la resistencia interna del diodo RB. La curva del diodo se aproxima a una recta que pasa por 0,7 V y tiene una pendiente cuyo valor es la inversa de la resistencia interna.[5]

Fig 2. Circuito equivalente y Gráfica (I-V) • •

Polarización directa: Es como sustituir un diodo por un interruptor cerrado. Polarización inversa: Es como sustituir el diodo por un interruptor abierto.

Fig. 4 Circuito equivalente y Gráfica (I-V)

En la figura se puede observar la gráfica corriente-tensión de un diodo ideal. Aquí se muestra lo que se indicó antes: resistencia cero con polarización directa y resistencia infinita con polarización inversa.

En la gráfica podemos notar que cuando el diodo de silicio empieza a conducir, la tensión aumenta de forma lineal o proporcional con los incrementos de corriente. En otras palabras, cuanto mayor sea la corriente, mayor es la tensión, al tener que incluirse la caída de tensión en la resistencia interna a la tensión total del diodo.

Pero en la realidad, es imposible construir un dispositivo con esas carácterísticas, pero es lo que los fabricantes haríans si pudieran. Por lo tanto, el único dispositivo real que actúa como un diodo ideal es un interruptor.[4]

El circuito equivalente para la tercera aproximación es un interruptor en serie con una barrera de potencial de 0,7 V y una resistencia R B.[6]

D. ¿Cómo elegir una aproximación? Para elegir que aproximación se va a usar se tiene que tener en cuenta, por ejemplo, si son aceptables los errores grandes, ya que si la respuesta es afirmativa se podría usar la primera aproximación. Por el contrario, si el circuito contiene resistencias de precisión de una tolerancia de 1 por 100, puede ser necesario utilizar la tercera aproximación. Pero en la mayoría de los casos la segunda aproximación será la mejor opción. Existe una ecuación que permite escoger el modelo que más se acople a tus necesidades, dependiendo el porcentaje de error que estés dispuesto a tolerar. 𝐼=

𝑉𝑠 − 𝑉𝑟 𝑅𝐿 + 𝑟𝐵

Donde: • • • •

Vs representa la tension de la fuente Vr = 0,7 para diodos de silicio RL= Resistencia de la carga rB= Resistencia interna del diodo

Utilizando la ecuación guía se analiza el error que se introduce al despreciar rB ó Vr. La mayoría de los circuitos prácticos tienen resistencia de carga superior a 20Ω; y casi todos los diodos rectificadores tienen resistencia interna inferiores a 1Ω, lo que significa que la segunda aproximación produce un error inferior al 5%.[7]

E. Aplicaciones del diodo El diodo es el elemento más sencillo de entre los fabricados a partir de materiales semiconductores. Varios circuitos electrónicos y eléctricos usan este componente como un dispositivo esencial para producir el resultado requerido.

una señal de entrada al nivel deseado. Este circuito también se denomina palanca de cambios de nivel o restaurador de CC. -Diodos en logic gates: Los diodos también pueden realizar digital operaciones de lógica. Los estados de baja y alta impedancia del interruptor lógico son análogos a las condiciones de polarización directa e inversa del diodo, respectivamente. -Diodos en circuitos multiplicadores de tensión: El multiplicador de tensión consta de dos o más circuitos rectificadores de diodos que se conectan en cascada para producir una tensión de salida CC igual al multiplicador del voltaje de entrada aplicado. -Diodos en protección de corriente inversa: La polaridad inversa o la protección de corriente son necesarias para evitar el daño que se produce al conectar la batería de forma incorrecta o al invertir las polaridades de la batería. -Diodos en supresión de picos de voltaje: En caso de un inductor o cargas inductivas, la eliminación repentina de la fuente de suministro produce un voltaje más alto debido a la energía almacenada en el campo magnético. -Diodos en paneles solares: Los diodos que se utilizan para la protección de paneles solares se denominan diodos de derivación. -Diodos Zener: Estabilizador de tensión y limitadores. -LEDs y diodos Láser: Funcionando en directa convierten corriente en luz. Emiten a diferentes longitudes de onda (diferentes colores). -Fotodiodos: Funcionando en la región inversa convierte la luz incidente en corriente.[9]

De hecho, el símbolo del diodo está ligado a su funcionamiento, conduce la electricidad en el sentio indicado por la flecha y no al sentido contrario. [8] Gracias a su característica de conducir la corriente en un solo sentido posee múltiples aplicaciones: -Diodo como rectificador: La aplicación más común e importante de un diodo es la rectificación de la alimentación de CA a CC. Los tipos básicos de estos circuitos rectificadores son rectificadores de puente de media onda, de onda completa central y puente completo. -Diodos en circuitos de corte: Los circuitos de corte se utilizan en transmisores de FM donde los picos de ruido están limitados a un valor particular para que se eliminen los picos excesivos de ellos. -Diodos en circuitos de sujeción: Un circuito de sujeción se usa para cambiar o alterar el pico positivo o negativo de

Fig. 5 Ejemplos de diodos

III. CONCLUSIONES •

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Los diodos son elementos esenciales en la electrónica de hoy en día, para entenderlo debemos dominar ciertos conocimientos relativos a su funcionamiento y comportamiento. No existe un diodo ideal en la vida real pero podemos sustituirloo compararlo con un interruptor; además si consideramos factores como el voltaje de barrera o la resistencia interna del diodo obtenemos sus distintas aproximaciones.

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Los modelos equivalentes aproximados del diodo nos brindan el soporte teórico y matemático para resolver cualquier circuito u obtener resultados específicos en la práctica. Los diodos poseen una gran versatilidad, se pueden implicar en muchos aspectos con el propósito de resolver algún problema. Tienen una gran área de aplicación, lo que permite que desarrollar más investigación científica sobre éstos y seguir descubriendo más usos.

IV. REFERENCIAS [1] Mecafenix, I. (10 de Julio de 2018). La enciclopedia de la Ingeniería. Obtenido de El diodo ¿que es y para que sirve?: https://www.ingmecafenix.com/electronica/diodo-semiconductor/ [2] Acosta, A. G. (s.f.). e1MeI. Obtenido de El diodo a semiconductores: https://sites.google.com/site/fundamentosel1mei/temas/teoria-de-lossemiconductores/1-2-3-el-diodo-semiconductor [3] Acosta, A. G. (s.f.). e1MeI. Obtenido de El diodo a semiconductores: https://sites.google.com/site/fundamentosel1mei/temas/teoria-de-lossemiconductores/1-2-3-el-diodo-semiconductor [4] Acosta, A. G. (s.f.). e1MeI. Obtenido de Aproximaciones del diodo: https://sites.google.com/site/fundamentosel1mei/temas/teoria-de-lossemiconductores/1-2-5-aproximaciones-del-diodo [5] Acosta, A. G. (s.f.). e1MeI. Obtenido de Aproximaciones del diodo: https://sites.google.com/site/fundamentosel1mei/temas/teoria-de-lossemiconductores/1-2-5-aproximaciones-del-diodo [6] Olea, A. A. (s.f.). Universidad del País Vasco. Obtenido de Modelos equivalentes lineales aproximados del diodo: http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema3/Paginas/P agina7.htm [7] Acosta, A. G. (s.f.). e1MeI. Obtenido de Cómo elegir una aproximación: https://sites.google.com/site/fundamentosel1mei/temas/teoria-de-lossemiconductores/1-2-6-como-elegir-una-aproximacion [8] MecatrónicaLATAM. (s.f.). MecatrónicaLATAM. Obtenido de Diodo: https://www.mecatronicalatam.com/es/tutoriales/electronica/compone ntes-electronicos/diodo/ [9] Pérez, I. (n.d.). Universidad Carlos III de Madrid. Retrieved from Diodos y Aplicaciones: http://ocw.uc3m.es/tecnologiaelectronica/componentes-y-circuitos-electronicos/material-de-clase1/tema-ii/OCW-CCE_S9_Diodos_y_aplicaciones.pdf [10] Olea, A. A. (s.f.). Universidad del País Vasco. Obtenido de Electrónica Básica: http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/default.htm [11] Boylestad, L. N. (1997). Fundamentos de electrónica...