Diodos

Vista previa del material en texto

Caracterización de diodos y su aplicación en circuitos 
 
Valeria Jesiotr 
Ezequiel Bernatene 
Emilio Winograd 
 
Laboratorio de electrónica, Departamento de Física, FCEyN, UBA. 
Agosto 2005. 
 
Resumen 
 
 El objetivo de este trabajo es lograr, mediante el cálculo y análisis de 
magnitudes características, una descripción general del funcionamiento de un 
diodo común y uno Zener, así como las diferentes aplicaciones de los mismos 
en circuitos simples. 
 Se midió la respuesta de ambos diodos a la variación de tensión, 
determinándose que la tensión mínima de conducción fue de 0.7V. 
 Utilizando cuatro diodos reales se armó un dispositivo rectificador de 
onda completa, verificando que la variación en la tensión de salida, disminuía 
frente a un aumento en la capacidad. 
 También se armaron dos circuitos recortadores, observándose que la 
señal de salida resultaba “recortada” en uno de sus semiciclos. 
Por último, se armó un circuito enclavador, y se observó su propiedad de 
limitar la tensión de salida de manera regulable. 
 
1. Introducción 
1.1 Efectos de los diodos en un circuito electrónico 
 
 El diodo es un dispositivo electrónico de dos terminales (cátodo y 
ánodo) que presenta un comportamiento no lineal: permite el flujo de corriente 
en un sentido, y bloquea el flujo en el sentido opuesto. Su símbolo circuital 
puede observarse en la figura 1. 
Figura 1: Símbolo circuital del 
diodo y sus dos terminales. 
 
 
 Cuando el diodo conduce, la corriente circula desde el ánodo hacia el 
cátodo y se dice que el diodo está polarizado en directa. Cuando el ánodo está a 
menor potencial que el cátodo, el diodo se polariza en inversa y no permite que 
circule corriente desde el cátodo hacia el ánodo. 
 Para ser precisos se debe hacer una distinción entre lo que es un diodo 
ideal y uno real. En un diodo ideal, las características mencionadas se producen 
sin importar la diferencia de potencial entre los terminales ni la tensión 
aplicada sobre el diodo, y conducen como un cable ideal cuando la diferencia 
de tensión entre ánodo y cátodo es positiva. En un diodo real, en cambio, existe 
una limitación en la diferencia de potencial a la que se lo somete cuando está 
polarizado en inversa (VR), así como también una restricción en la corriente 
que puede circular por él. Si no se respetan alguna de estas dos limitaciones, el 
diodo se rompe y deja de funcionar como tal. Además, se produce una caída de 
tensión en el diodo cuando está polarizado en directa algo inferior a 1V (echo 
que no ocurre en el diodo ideal) y su conducción con está polarización, es peor 
que la de un cable ideal. Estas diferencias pueden observarse en la figura 2. [1] 
 
 Figura 2: Curvas V-i: (a) para un 
diodo ideal; (b) para un diodo real. 
 
Otra de las diferencias que existe es que el diodo real tiene un tiempo de 
respuesta. Esto quiere decir que cuando se le intenta circular corriente de 
cátodo a ánodo, no es instantánea su polarización en inversa y por consiguiente 
existe una corriente en esa dirección durante un intervalo de tiempo. Cuando 
uno supone que trabaja con un diodo ideal, este tiempo de respuesta es nulo, ya 
que se considera que el diodo se polarizará instantáneamente. 
No es el diodo real el único diodo que se utiliza. Existen otros tipos, 
como el diodo Zener, diodos led, diodos túnel, etc., que también son utilizados. 
A efectos de este trabajo describiremos únicamente al diodo Zener. 
El diodo Zener es un diodo que tiene la capacidad de permitir un flujo 
de corriente cuando está polarizado en inversa. Cuando la tensión aplicada 
entre cátodo y ánodo es menor a un cierto VR, el diodo permite el paso de 
corriente en sentido del cátodo hacia el ánodo, y para valores superiores a VR el 
diodo funciona como un diodo real. Este comportamiento se puede observar en 
la figura 3. 
Figura 3: Curvas V-i: para un 
diodo Zener. 
 
 
1.2 Funcionamiento del diodo 
 
 Los diodos se componen de dos semiconductores: uno de tipo P y otro 
de tipo N, formando una unión de la clase P-N. Los semiconductores de tipo P 
tienen la característica de atraer electrones, mientras que los de tipo N se 
caracterizan por ceder estas cargas. Cuando se realiza la unión, se crea 
alrededor de la superficie de contacto una región de transición, donde se genera 
una diferencia de potencial, de forma tal que la tensión en la zona N es superior 
al de la zona P, con lo que no puede efectuarse ningún paso de electrones de 
una a la otra. Cuando se aplica una tensión externa, con el positivo en la zona P 
y el negativo en la zona N, una parte de ésta se utilizará para vencer esta 
barrera, dejando sin diferencia de tensión ambas zonas, y la tensión extra se 
aprovechará para permitir el flujo de corriente en la dirección desde la zona P 
hacia la zona N. En cambio, si la tensión externa es negativa en la zona P y 
positiva en la zona N, ésta deberá sumarse a la diferencia de tensión ya 
existente por lo que no ocurrirá un flujo de corriente en el sentido N-P. [2] 
 
2. Procedimiento 
2.1 Diodo real y diodo Zener. 
 
 Para la medición de la curva característica I-V de los diodos (real y 
Zener), se armó el circuito de la figura 4, formado por un generador de 
funciones (F), un diodo (D) y una resistencia (R). 
 
Figura 4: Circuito para la medición de la curva característica de entrada de un diodo. 
(F) Fuente de señales, (D) Diodo, (R) Resistencia, (1) Canal 1, (2) Canal 2. 
 
 La señal de entrada fue 664 mV (vpp) y la resistencia R=470Ω para el 
caso del diodo real, y R=7000Ω para el caso del diodo Zener. 
 Midiendo las tensiones por medio del osciloscopio, con los canales 1 y 
2 como se indica en la fig. 1, se midió la caída de tensión en el diodo. 
VD=VF-VR 
 
2.2 Rectificador de onda completa. 
 
 Para la realización del rectificador de onda completa, se armó el circuito 
de la figura 5, constituido por una fuente de tensión alterna de 50Hz (F), cuatro 
diodos comunes (D1, D2, D3, D4), una resistencia y un capacitor (C). 
Figura 5: Circuito Rectificador de onda completa. 
 
 Para evitar conflictos con potenciales de referencia, se trabajó con una 
fuente flotante. 
 Por medio del osciloscopio, se midió la caída de tensión sobre el 
capacitor, para distintos valores de capacidad. 
C1=1µF 
C2=47 µF 
 La tensión de la señal de entrada fue de 9V vpp. 
 
2.3 Circuito Recortador. 
 
 Se realizaron dos circuitos recortadores distintos y se analizaron sus 
diferencias. 
 En el primero, se armó el circuito de la figura 6, formado por un 
generador de funciones, una pila (P), un diodo común (D) y una resistencia (R). 
Los valores utilizados fueron de R=10kΩ y P=5V. 
Figura 6: Circuito recortador. 
 
 Se midió la caída de tensión sobre la resistencia y se calculó la corriente 
que circulaba por el circuito. 
 En el segundo circuito recortador, se invirtió la posición de la 
resistencia y la pila, como se muestra en la figura 7, y se midió la caída de 
tensión en el diodo. 
Figura 7: Circuito recortador. 
 
2.4 Circuito Enclavador. 
 
 Para la realización del circuito enclavador, se dispuso de una fuente de 
señales (F), un capacitor (C) de 1µF y un diodo, como se muestra en la figura 
8. 
Figura 8: Circuito enclavador. 
 
3. Resultados y discusión 
3.1 Curvas características de los diodos 
 
 Para el análisis de los datos obtenidos, nos ocuparemos primero del 
diodo común (1N2128), para luego ser tratado el diodo tipo Zener. 
 Para analizar el comportamiento del diodo 1N4148, podemos observar 
los datos obtenidos en el gráfico de la figura 9. Puede notarse claramente dos 
regiones con comportamientos completamente distintos. Para valores de 
tensión menores a los 0,7V, la corriente en el diodo es nula, mientras que para 
valores positivos de corriente, la caída de tensión en el diodo es de 0,7V. Puede 
observarse una leve dependencia entre la caída de tensión en el diodo y el valor 
de la corriente que circula por el mismo, para una polarización en directa, pero 
debido a que las variaciones de tensión en el rangomedido son mucho menores 
a los 0,7V, se omitirá un estudio sobre esta dependencia. 
-13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3
-0,002
0,000
0,002
0,004
0,006
0,008
0,010
0,012
0,014
0,016
0,018
0,020
0,022
In
te
ns
id
ad
 [A
]
Tensión [V]
 Intensidad diodo
 
Figura 9: Curva característica del diodo común. 
 
 Para el estudio del diodo Zener, podemos observar los datos obtenidos 
en el gráfico de la figura 10. Puede notarse como también tiene dos regiones 
con comportamientos completamente distintos. Para valores de tensión 
menores a los 0,7V, la corriente en el diodo se comporta en forma exponencial 
con la tensión (a diferencia del diodo común que su corriente era nula), 
mientras que para valores positivos de corriente, la caída de tensión en el diodo 
es de 0,7V (igual al diodo real común). En la parte de comportamiento 
exponencial, se propone una aproximación por la siguiente forma funcional 
 
I = A eV/B 
 
 Esta forma funcional esta caracterizada por los valores de las constante 
A y B. 
 Por cuestiones arbitrarias, se puede definir que para tensiones de entre 
0,7V y -1,5V, una región de no conducción del diodo, ya que en este rango de 
tensiones, la variación de corriente es prácticamente nula. Estas características 
encontradas eran las que se esperaban, según se expuso en 1.1. 
-3,5 -2,8 -2,1 -1,4 -0,7 0,0 0,7 1,4
-0,0005
-0,0004
-0,0003
-0,0002
-0,0001
0,0000
0,0001
0,0002
0,0003
0,0004
0,0005
0,0006
0,0007
0,0008
0,0009
Datos de ajuste:
Equation: y = a*exp(b*x)
a=-2.2E-7±5E-8
b=-2.44±0.07
C
or
rie
nt
e 
[A
]
Tensión [V]
 
Figura 10: Curva característica del diodo Zener. 
 
3.2 Circuito rectificador 
 
 En la figura 11 se observan las tensiones registradas a la salida del 
rectificador de onda de completa, para distintos valores del capacitor. 
 Se observa que la señal oscila con una amplitud menor cuanto mayor es 
la capacidad del condensador. El rango de oscilación registrado (medido pico a 
pico) es de 11.2V (sin capacitor), 6.8V (C=1µF) y 0.48V (C=47µF). Por esta 
razón, si se pudiera obtener un capacitor de capacidad infinita, la tensión de 
salida que se obtendría sería constante. 
 
Figura 11: Señal obtenida con el circuito rectificador de onda completa. 
 
3.3 Circuitos recortadores 
 
 La tensión obtenida a la salida del circuito recortador de la figura 6 y su 
comparación con la señal externa aplicada puede observarse en la figura 12. 
 
0 500 1000 1500 2000 2500
-5,0
-4,5
-4,0
-3,5
-3,0
-2,5
-2,0
-1,5
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
T
en
si
ón
 [V
]
Tiempo
 Tensión de salida
 Tensión de la fuente
0 500 1000 1500 2000 2500
0
2
4
6
8
10
12
T
en
si
ón
 [V
]
Tiempo
 Tensión de salida sin capacitor (C)
 Tensión de salida con C=47µF
 Tensión de salida con C=1µF
Figura 12: Señal 
obtenida con el 
circuito recortador. 
 
 En primer lugar puede verse como el diodo “recorta” el semiciclo 
negativo de la onda sinusoidal aplicada. Se aprecia una caída de tensión de 
alrededor de 0,7V que concuerda con los resultados esperados y obtenidos en 
3.1. También puede observarse que no se produce un desfasaje entre las dos 
señales, por lo que la impedancia medida es puramente resistiva. 
 Con respecto a los resultados obtenidos con el circuito de la figura 7, 
pudo observarse que también se “recortaba” la señal como en la figura 12. A 
diferencia con el circuito anterior, el semiciclo “recortado” es el positivo, y en 
vez de medirse una tensión nula, se registraba una diferencia de potencial de 
0.7V, por la presencia del diodo. 
 Otra diferencia entre ambos circuitos radica en que en el primero la 
tensión que mide el osciloscopio en inversa es nula, ya que el diodo impide el 
flujo de corriente en todo el circuito, mientras que en el segundo, la tensión 
medida (ahora en directa) era de 0.7V, detectándose un flujo de corriente por el 
osciloscopio, con la consecuente pérdida de energía. Por este motivo es más 
eficiente el circuito de la figura 6. 
 
3.4 Circuito enclavador 
 
 Utilizando el circuito de la figura 8, se obtuvieron las tensiones que se 
observan en la figura 13. 
 
0 500 1000 1500 2000 2500
-18
-16
-14
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
12
T
en
si
ón
 [V
]
tiempo
 Tensión de salida
Tensión de entrada
 
Figura 13: Señal obtenida con el circuito enclavador. 
 
 En primer lugar se observa un desfasaje entre las dos señales que era de 
esperar ya que el capacitor tiene una impedancia compleja de valor Z=(jCω)-1. 
Lo que resulta más interesante para analizar es la forma que tiene la 
señal de salida. Esta puede ser explicada de la siguiente manera: en primer 
lugar, el capacitor se carga a una tensión VC=VM-0,7V (con VM el máximo de 
tensión que está entregando la fuente); para instantes posteriores a los que la 
fuente entregó VM, el diodo no conducirá ya que la tensión de salida será 
VFuente-VM+0,7V, que, al ser VM>VFuente, es menor a 0,7V. Por lo tanto la señal 
de salida nunca excederá los 0,7V. Si quisiéramos que la tensión de salida 
nunca supere otra tensión, podríamos ubicar inmediatamente después del diodo 
una pila, con lo cual fijaríamos la señal máxima de salida a VPila-0.7V. 
 Si por alguna razón aparece un pico de tensión inesperado en la entrada, 
el capacitor se cargará hasta alcanzar esta tensión y fijará otro valor para la 
tensión de salida. Para evitar que esto suceda podríamos ubicar una resistencia 
en paralelo con el diodo, y así el capacitor se descargaría por ella y no se vería 
afectado por este imprevisto. 
 
4. Conclusiones 
 
 El diodo 1N4148 esta caracterizado por dos regiones con 
comportamientos completamente distintos. Para valores de tensión menores a 
los 0,7V, la corriente en el diodo es nula, mientras que para valores positivos 
de corriente, la caída de tensión en el diodo es aproximadamente de 0,7V. 
 El diodo Zener, esta caracterizado por dos regiones. Para valores de 
tensión menores a los 0,7V, la corriente en el diodo se comporta en forma 
exponencial con la tensión (a diferencia del diodo común que su corriente era 
nula), mientras que para valores positivos de corriente, la caída de tensión en el 
diodo es de 0,7V (igual al diodo común). En la parte de comportamiento 
exponencial, siguiente la forma funcional 
 
I = A eV/B 
 
 Se puede definir que para tensiones de entre 0,7V y –1,5V , una región 
de no conducción del diodo, dando así, una variante nueva a la del diodo 
común, ya que para valores mayores a los 1,5V (en inversa) permite la 
circulación de corriente. 
 También se pudo construir un circuito rectificador de onda completa 
mediante un puente de diodos y se observó que se obtenía mejor rectificación a 
la salida cuanta más capacidad tenía el capacitor, ubicado en paralelo a la 
salida. 
 Se apreciaron los efectos de los circuitos recortadores y enclavadores. 
El primero produce que se elimine parte de la señal que se encuentra por 
debajo (o encima) de cierto valor, y el segundo introduce una limitación 
regulable en la tensión de salida. 
 
Referencias 
 
[1] Ramón Bragós Bardía, Juan Antonio Chávez Domínguez y Lluís Prat 
Viñas. “Circuitos y dispositivos electrónicos”. Ed. Universidad politécnica de 
Catalunia. 6º ed. España 1999. Capítulo 6. 
[2] “Gran enciclopedia de la electrónica”. Ed. Nueva Lente. España 1985. 
Tomo 1, págs. 33-35.