El díode rectificador

Formació de la unió

Polarització del díode

Corbes característiques

El díode LED

Concepte de rectificació

Rectificador de mitja ona

Rectificadors de doble ona

Filtratge

El díode Zener

El díode rectificador

El díode és un element semiconductor que només permet la circulació de corrent en un sentit únic.

Al díode que aprofita aquesta circumstància per convertir corrent altern en corrent "contínua" (d’una sola direcció) se l’anomena   díode rectificador.   Les característiques més importants dels díodes rectificadors donades pels fabricants són:

I FRM

Màxima corrent directe de pic repetitiu.

I F (AV)

Corrent mitjana amb càrrega resistiva.

V RWM

Tensió inversa màxima repetitiva.

I TSM

Màxima corrent de pic transitòria.

V RSM

Màxima tensió inversa de bec no repetitiu.

V D

Caiguda de tensió directa.

No obstant això també hi ha altres modalitats de díodes com els LED o   electroluminescents, els   Zener   que mantenen una tensió constant en els seus extrems, els   varicap   que funcionen com condensadors variables, els díodes   túnel   o els   fotodíodes.

 

Formació de la unió

El díode d’unió es forma en ajuntar un vidre tipus   P   amb un altre tipus   N. La zona tipus N s’anomena càtode i es marca mitjançant un anell de color i la zona P es denomina ànode.

A la figura següent es representen les dues zones de la unió, on s’indiquen amb signe positiu els buits formats per les impureses trivalents afegides a la zona   P, i amb signe negatiu, els electrons lliures de les impureses pentavalents afegides a la zona   N.

Repartiment de càrrega

El vidre tipus   N   es caracteritza per tenir un nombre ampli d’electrons lliures (portadors majoritaris) i un nombre força menor de buits creats per agitació tèrmica (portadors minoritaris),   romanent en el seu conjunt elèctricament neutre.

El vidre tipus   P   es caracteritza per tenir un nombre ampli de buits (portadors majoritaris) i un nombre bastant menor d’electrons lliures creats per agitació tèrmica (portadors minoritaris),   romanent en el seu conjunt elèctricament neutre.

En unir els dos vidres, té lloc un efecte de difusió, pel qual els electrons lliures de la zona N tendeixen a difondre cap a la zona P buscant un repartiment uniforme per tot el vidre.

Aquest efecte comença pels electrons lliures més propers a la unió dels dos vidres.

Quan un electró lliure abandona la zona N, deixa l’àtom que abandona descompensat elèctricament amb una càrrega positiva. En arribar a la zona P, l’electró ocupa un buit d’aquest vidre, desapareixent el buit i deixant a l’àtom descompensat elèctricament amb una càrrega negativa.

Com a resultat d’aquest procés es va formant a la zona de la unió un esgotament d’electrons lliures i de buits, formant-se el que s’anomena   capa d’esgotament   o   zona de difusió.

L’aparició de càrregues positives a la zona de difusió del vidre N i negatives a la zona de difusió del vidre P, dóna lloc a una diferència de potencial, anomenada   barrera de potencial.

La barrera de potencial s’oposa al corrent de difusió, cada cop és més difícil que un electró pugui passar la capa d’esgotament des de la zona N a la P.

S’aconsegueix així un equilibri entre el corrent de difusió i la barrera de potencial. Un electró ha de tenir una energia suficient per travessar la barrera d’ions negatius de la zona P per passar a recombinar amb un buit, i en fer-ho incrementa l’amplada de la capa d’esgotament, fent que sigui més difícil que un altre electró pugui aconseguir-ho.

Zona de difusió

L’efecte de difusió d’electrons del cristall N al P forma en l’entorn de la unió una zona lliure de portadors majoritaris anomenada capa d’esgotament   o   zona de difusió.

Barrera de potencial

Els àtoms de la zona de difusió del vidre N queden descompensats elèctricament en perdre la seva electró lliure formant-se un potencial positiu en aquesta zona de la unió.

Els àtoms de la zona de difusió del vidre P queden descompensats elèctricament en guanyar un electró lliure que es recombina amb el seu buit, formant-se un potencial negatiu en l’entorn de la unió del vidre P.

La diferència de potencial entre la zona de difusió del vidre N i el P es denomina   barrera de potencial.

Aquesta barrera de potencial depèn de la temperatura i del tipus de semiconductor, sent de aproximadament   0,7 V en els díodes de silici  i de   0,3 V en els de germani   per a una temperatura de 25 º C .

 

Polarització del díode

El díode és un element semiconductor que només permet la circulació de corrent en un sentit únic i està format per la unió de dos vidres semiconductors amb diferent dopat. La zona amb dopat tipus   P   s’anomena ànode i la zona amb dopat   N   càtode.

Perquè un díode condueixi en polarització directa l’ànode ha de superar la tensió del càtode en uns 0,7 volts. En aquest cas es converteix en un "interruptor tancat" amb l’excepció de presentar una caiguda de tensió entre els seus extrems d’uns 0,7 volts gairebé constants per a qualsevol intensitat ..

En molts díodes el càtode ve marcat sobre el díode per un anell de color. En altres, com els LED, el càtode correspon a la patilla més curta.

Resistència d’un díode

Ve donada pel quocient de la tensió del díode entre el corrent que el recorre. Teòricament hauria de ser zero en polarització directa i infinita en polarització inversa.

Com es veurà en les gràfiques característiques hi ha diferents valors de tensió i corrent per a cada punt de funcionament del díode. La resistència variarà per a cada cas. Aquesta variació va des d’algunes desenes de ohm en polarització directa a diversos mega-ohms en polarització inversa.

Comprovació de l’estat d’un díode

Només cal comprovar la resistència en ambdós sentits, i ha de donar molt baixa en un sentit i molt gran en l’altre.

Alguns polímetres permeten comprovar díodes. Donen infinit en un sentit i la caiguda de tensió en polarització directa en l’altre (uns 0,7 V per al silici).

 

Corbes característiques

Característica de polarització directa

Per representar la intensitat directa a través del díode en funció de la tensió en els seus extrems, hem d’aplicar a l’ànode una tensió més positiva que al càtode (polarització directa).

La corba té forma exponencial en les proximitats del zero per créixer molt ràpidament després. Això indica que la resistència del díode és de molt baix valor.

Tensió llindar

En polaritzar directament el díode, aquest no comença a conduir fins que apliquem una certa diferència de potencial. En el cas del germani aquesta tensió és de 0,3 V i en el silici 0,7 V. Per sota d’aquesta tensió el corrent és molt petita i per sobre augmenta considerablement.

Característica de polarització inversa

En sotmetre al díode a una polarització inversa (més negatiu l’ànode que el càtode) apareix un corrent de fuga I R, a la qual s’anomena corrent invers. Aquest corrent és de l’ordre d’uns mA.

Si es força aquesta tensió inversa s’arriba a la tensió de ruptura del díode V Z. En aquest moment apareix un efecte d’allau i augmenta bruscament la intensitat de corrent invers, el que provoca la destrucció del díode per excessiva dissipació de calor.

Perquè això no passi s’ha de dissenyar les condicions de treball del díode de manera que la tensió inversa sigui sempre menor a la de ruptura.

Potència nominal

Els díodes tenen una certa capacitat de dissipar la calor que es produeix en el mateix. Aquest calor depèn de la potència a la qual treballa, que depèn, al seu torn, del producte del corrent per la tensió en el mateix.

N’hi haurà prou amb no sobrepassar la potència nominal donada pel fabricant, o bé, no arribar a la corrent màxim de polarització directa per evitar la seva destrucció.

Característica aproximada

Es considera que quan el díode està polaritzat amb una tensió inversa, aquest es comporta com un interruptor obert i no deixa passar cap corrent elèctric. D’altra banda, se suposa que, es necessiten aproximadament uns 0,7 V de polarització directa per que condueixi com un interruptor tancat.

 

El díode LED

El díode LED (díode emissor de llum) és un díode contaminat d’una forma especial, de manera que quan es polaritza de forma directa els electrons que es recombinen amb un buit emeten energia en forma de radiació dins de l’espectre lluminós visible en passar d’un nivell d’energia superior a un altre inferior.

Utilitzant diferents materials de contaminació de la unió s’aconsegueixen diferents freqüències de radiació i amb això diferents colors.

La resta del funcionament és igual que un díode normal, encara que la seva caiguda de tensió en polarització directa sol ser una mica més gran ( 1,5 a 2,2 V) prenent com a mitjana un valor de   2 volts.

El corrent d’excitació directa depèn del tipus de díode LED i el seu color, estant compreses entre   10dt i 50 mA.

Tenen l’avantatge enfront de les llums tradicionals de la seva gran durada i resistència a impactes i vibracions, encara que la seva intensitat lluminosa és limitada pel que solen utilitzar més com senyalització que com a font lluminosa.

Una aplicació específica són els   displays   de 7 segments per a representacions alfanumèriques, que no són més que 7 díodes col·locats de forma especial, existint dues modalitats de connexió: en ànode comú i en càtode comú.

 

Concepte de rectificació

Atès que la distribució d’energia es realitza per motius tècnics i econòmics en forma de corrent altern, es planteja la necessitat de convertir aquest corrent en corrent continu mitjançant algun sistema senzill i econòmic.

ALTERNA

CONTINUA

La missió de convertir o   rectificar   el corrent altern en corrent continu necessita d’un primer pas que és el de transformar la successió de períodes positius i negatius d’aquest corrent en un corrent polsant d’una única polaritat.

Aquesta missió la fan els anomenats circuits rectificadors, constituïts fonamentalment per díodes.

Més tard mitjançant l’aplicació d’altres circuits anomenats filtres i reguladors s’obté una tensió contínua constituint en la seva totalitat el que es coneix com a fonts d’alimentació de corrent continu.

 

Rectificador de mitja ona

Es parteix d’una font de tensió alterna, és a dir, amb semicicles de tensió positiva i negativa alternatius:

Es pretén aprofitar la característica de conducció en un únic sentit dels díodes.

Per a això connectem una resistència de càrrega R a la font de tensió alterna a través del díode.

En el circuit de la figura, en el moment en què els valors de tensió a l’entrada són positius, i superiors a la tensió de llindar del díode, aquest es polaritza directament i, per tant, apareix un corrent elèctric per la càrrega.

En l’instant en què la tensió a l’entrada es fa negativa, el díode queda polaritzat inversament i el corrent s’interromp. Per això, aquest semicicle no apareix a la sortida.

Menyspreant la caiguda de tensió directa en el díode, la tensió de sortida té la forma:

El valor mitjà de la tensió de sortida pren el valor:

Com el díode no comença a conduir fins que es superen uns 0,7 volts, no es produeix la conducció durant tot el semiperíode. A més a causa de la caiguda de tensió constant de 0,7 volts durant tota la conducció, el ​​senyal de sortida s’assembla més a la imatge següent:

En aquest cas, el valor mitjà de la tensió de sortida pren el valor:

  

Quan el díode no condueix està connectat directament a la tensió d’entrada per un extrem i a través de la resistència de càrrega per l’altre extrem. Atès que la intensitat és nul · la en aquest moment, la caiguda de tensió en la resistència també serà nul · la i, per tant, la tensió inversa màxima (de bec) a la qual es veurà sotmès el díode pren el valor:

En realitat, durant el període de no conducció, hi ha un petit corrent de fuites d’alguns microampers, però que és comparativament menyspreable per a la majoria de les aplicacions.

A la figura següent es representa una simulació del circuit rectificador de mitja ona i els senyals que tenen lloc en el seu funcionament:

 

Rectificadors de doble ona

Aquest circuit anomenat pont rectificador consta de quatre díodes, que en molts casos es tanquen en un sol component compacte.

En el semicicle positiu, dos díodes es polaritzen directament, el que provoca la circulació d’un corrent per la càrrega a l’adreça que es mostra a la figura. D’altra banda, els altres dos díodes estan polaritzats inversament i no condueixen.

En el semicicle negatiu, els altres dos díodes comencen a conduir per estar polaritzats directament, i deixen de fer-ho els dos primers.

La direcció del corrent que s’estableix per la càrrega és la mateixa en els dos casos.

En conclusió, la tensió que apareix en la càrrega presenta sempre la mateixa polaritat, i té la forma que s’aprecia en la figura següent:

El valor mitjà de la tensió rectificada serà el doble que amb un rectificador de mitja ona:

  

Si volem tenir en compte les caigudes de tensió en els díodes, hem de considerar que en un rectificador en pont la intensitat travessa dos díodes en el seu recorregut:

  

Cada díode que no condueix està connectat directament a la tensió d’entrada per un extrem i a través d’un díode en conducció per l’altre extrem, de manera que la tensió inversa màxima (de bec) a la qual es veurà sotmès pren el valor:

A més del rectificador de doble ona amb quatre díodes, que s’anomena configuració en pont, hi ha una altra modalitat que utilitza únicament dos díodes, però que necessita l’auxili d’un transformador amb presa intermèdia.

Aquest transformador, en reduir la tensió de la xarxa a un valor adequat a la tensió de sortida obté, gràcies a la seva presa intermèdia, dues tensions alternes simètriques però oposades. Configurat el circuit com s’aprecia en la figura següent, es produeix la conducció de cada díode en semiperíodes consecutius, mantenint, com en la configuració en pont, la mateixa polaritat en ambdós semiperíodes sobre la càrrega.

Per considerar les caigudes de tensió en els díodes en el rectificador amb transformador de presa intermèdia hem de tenir en compte que la intensitat travessa un sol díode cada vegada en el seu recorregut encara que canviï de díode en cada semicicle:

  

El díode que no condueix està connectat directament a la tensió d’entrada per un extrem i a la tensió inversa a través de l’altre díode en conducció per l’altre extrem, de manera que la tensió inversa màxima (de bec) a la qual es veurà sotmès pren el valor:

 

Filtratge

Són elements destinats a convertir la sortida polsant d’un rectificador (semi sinoides) en una tensió contínua gairebé constant amb el mínim arrissat residual possible.

El filtre més senzill està format per un únic condensador.

Durant el temps en què puja la tensió d’entrada el condensador es carrega ràpidament.

En descendir la tensió d’entrada el condensador es descarrega a través de la resistència de càrrega, però ho fa lentament a causa de la constant de temps R · C. En ser més gran la tensió en el condensador que la d’entrada dels díodes estan bloquejats durant aquest període.

En superar la tensió d’entrada a la del condensador en el cicle següent, el díode es polaritza directament i condueix, carregant de nou el condensador.

Perquè el condensador es descarregui lentament (corba més horitzontal) la constant de temps R · C ha de ser gran, havent utilitzar condensadors de gran capacitat.

Això queda de manifest en la fórmula que ens dóna la arrissat o tensió residual pic a pic, que disminueix en augmentar la capacitat i que augmenta en fer-ho la intensitat sol · licitada per la càrrega (en disminuir la resistència).

La freqüència de la arrissat és igual a la de la xarxa d’alimentació en el cas de rectificadors de mitja ona i el doble en el cas dels rectificadors de doble ona.

Se solen dissenyar aquests circuits amb condensadors que obtinguin un arrissat del 10% de la tensió de pic màxima. En aquest cas, la tensió mitjana val:

Altres filtres més eficaços són el filtre en "L" i filtres a "PI". Aquests milloren la tensió de sortida però resulten més cars, voluminosos i pesats per contenir bobines. Amb l’aparició dels circuits regulats seu ús en petites potències s’ha reduït, quedant relegats únicament a fonts d’alimentació de gran potència.

 

El díode Zener

Si es polaritza inversament un díode normal, tot just circula corrent, uns pocs microampers o nanoampers a màxim.

En augmentar en excés la tensió inversa, es produeix l’efecte allau, amb un augment brusc del corrent invers que destrueix el díode.

El   díode Zener   és un díode fabricat de manera especial per treballar en aquestes condicions sense que es destrueixi.

SÍMBOL DEL ZENER

Polaritzat directament es comporta com un díode normal, amb una caiguda de tensió directa d’uns 0,7 V.

Polaritzat inversament, pràcticament no condueix fins a arribar a l’anomenada   tensió de Zener, a la qual es produeix l’efecte allau o  efecte Zener, amb un augment molt gran de la intensitat per a petits augments de la tensió.

Es fabriquen díodes Zener per gammes de tensions de Zener (V Z) des de 2 fins 200 volts:

03/09 V, 4.7 V, 5.6 V, 6.8 V, 8.2 V, 10 V, 12 V ..


A la zona de treball la V Z   roman pràcticament constant per a qualsevol I Z.

 

Estabilitzador amb Zener

En el cas del díode Zener interessa la característica de polarització inversa que, per comoditat, es representa de forma invertida.

A la figura següent es representen les corbes per díodes Zener de tensions de Zener de 3,9 a 12 volts:

El díode Zener s’utilitza per mantenir estable una tensió de sortida a partir d’una tensió d’entrada que fluctua entre determinats valors.

Com a exemple es representa a continuació un circuit amb un díode Zener de 6,8 volts de tensió de Zener per estabilitzar una tensió d’entrada que varia entre 10 i 12 volts a través d’una resistència de 60 ohms.

Aplicant les lleis de Kirchhoff al circuit:

V i   = V Rs   + Vs   = R s · I z   + V z

I z   = (V i   - V z   ) / R s

Per V I   = 10 V.

Quan I z   = 0 ===> V z   = V i   = 10

Quan V z   = 0 ===> I z   = V i / R s   = 10/60 = 0,166 A

Per V I   = 12 V.

Quan I z   = 0 ===> V z   = V i   = 12

Quan V z   = 0 ===> I z   = V i / R s   = 12/60 = 0,200 A

Com podem apreciar, la tensió de sortida amb prou feines varia en fer-ho la d’entrada.

S’ha de procurar no acostar-se al colze de la corba i, sobretot, no reduir la intensitat pel Zener d’una certa intensitat mínima de Zener, ja que per a intensitats molt baixes la tensió de Zener no es mantindria i s’anul·laria ràpidament.

En el cas dels reguladors de tensió, se sol prendre una intensitat mínima de Zener del 10% del corrent màxim per la càrrega.

Disseny d’un regulador amb Zener

La forma més senzilla de regular la tensió de sortida és mitjançant un díode Zener, tal com es pot apreciar a la figura següent, on s’ha col·locat un condensador de "petita" capacitat per posar de manifest l’ondulació o arrissat de la tensió al condensador en comparació amb la tensió sense arrissat en la resistència de càrrega (comprovi per a 100 microfarads).

Exemple

Es tracta de dissenyar la resistència   R S   del circuit de la figura següent. La tensió a la sortida del rectificador oscil·la de   12-16 volts   i la càrrega absorbeix una   intensitat màxima de 50 mA   a la tensió de   8 volts.

V min   = 12 V

V màx   = 16 V

I màx   = 50 mA

V Z   = 8,2 V

I Zmax   = 130 mA

I Zmin   = 5 mA

Utilitzarem un díode   Zener de 8,2 volts   que admet una   intensitat màxima de 130 mA.

Com intensitat mínima per al Zener prendrem el 10% de la màxima per la càrrega, de manera que sempre treballi a la zona de  efecte Zener   i mai deixi de conduir.

I Zmin   = 0,1 · Imax = 0,1 · 50 = 5 mA

El valor màxim de R S   ha de ser tal que per a la tensió mínima i el corrent de càrrega màxima segueixi circulant el corrent mínima pel Zener:

Prendrem el valor comercial inferior més pròxim, és a dir, de 68 ohms.

La màxima potència que ha de dissipar aquesta resistència tindrà lloc quan la càrrega estigui desconnectada i la tensió sigui màxima.

En aquest últim cas, la intensitat màxima que proporciona el rectificador passa íntegrament pel díode. Cal comprovar que pot suportar sense destruir.