MÓDULO 2.
CIRCUITOS CON DIODOS
OBJETIVOS DE ESTE CAPÍTULO:
Conocer otros circuitos con diodos.
Estudiar los limitadores.
Estudiar los cambiadores.
Estudiar los dobladores de tensión
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MATERIAL EXTRA:
Diodos de propósito específico.
Diodo Zener.
Diodo emisor de luz (Led).
Diodo laser.
PRÁCTICA
Construcción de una fuente de alimentación regulada.
NOTA DEL AUTOR:
Este curso, y su material es de conocimiento universal, lo puedes copiar, imprimir, estudiar, y transpasar, pero no puedes modificar el contenido si lo publicas en otra Web, o cualquier medio de difusión educativo. Si quieres publicarlo en tu Web, por favor, deja el nombre del autor original, para que por lo menos tenga el reconocimiento del curso, ya que sin duda se lo ha ganado al invertir un tiempo para ponerlo a vuestra disposición.
“El conocimiento humano, pertenece al mundo”
Antitrush.
Introducción
Litadores en continua
El cambiador de nivel en continua
Detector pico a pico
Multiplicadores de tensión
Diodos de propósito específicos
El diodo Zener
Regulador Zener
Efecto de la carga Zener
Extra
Diodo Emisor de Luz
Fotodiodo
Optoacoplador
El diodo Laser
En este tema vamos a estudiar los circuitos básicos para tratar una baja señal y como manipularla parcialmente.
Algunos de los circuitos que vas a estudiar ahora, son el adelanto de lo que estudiarás en el curso de radiofrecuencia y que establecerán técnicas del sintonizado heterodino.
Además nos adentraremos en el estudio de otros componentes derivados del diodo y con los que se pueden obtener circuitos de amplia acción
.
Este curso está redactado, diseñado y compilado enteramente por el autor deimoshack.
LIMITADORES DE NIVEL EN CONTINUA
Ya hemos estudiado una aplicación del diodo.
El diodo rectificador, es un buen componente para realizar el rectificado de una corriente alterna, ya que está diseñado para potencias superiores a medio vatio y grandes corrientes. El problema es que está diseñado para funcionar a bajar frecuencias, lo que su uso para rectificar es muy adecuado, pero para otras funciones, lo hace inadecuado.
Esto condiciona el uso de otros tipos de diodos en los cuales, no es tan importante la potencia con la que pueda trabajar, sino la frecuencia con la que trabajará.
Para estos circuitos que vamos a estudiar utilizaremos diodos de pequeña potencia (potencias de milivatios), pero que trabajarán mejor con frecuencias mayores de 60 Hz al ser de constitución ligera y mas pequeños que los diodos rectificadores.
Un limitador, es un circuito que elimina partes de los semiciclos de una señal alterna o forma de onda.
Como he mencionado antes, estos circuitos son muy usados en comunicaciones, protección de circuitos, detectores de señal, y tratamiento de señales, entre otros.
El limitador también suele llamarse recortador y se suele indicar también el tipo de limitador que es, siendo de 2 tipos según el recorte de la señal que realice; o recorta el semiciclo positivo o el negativo.
El limitador positivo.
Este limitador, simplemente es un rectificador de media onda conectado de forma que no permita el paso de la corriente alterna positiva, y permita que por la carga solo circule el semiciclo negativo.
Primera aproximación.
El funcionamiento es sencillo:
Cuando llega el semiciclo positivo, el diodo D1, se polariza directamente cortocircuitando el circuito al ofrecer el diodo menos resistencia que la que ofrece la carga.
En estas condiciones, el semiciclo positivo, no pasa por la carga, sino que vuelve a través del diodo al generador. La función de Rs es que cuando esto ocurre, debe de existir una resistencia que limite la corriente por el diodo, pues de lo contrario podría inutilizarlo, ya que este diodo es de baja potencia.
Cuando llega el semiciclo negativo, el diodo se polariza inversamente, por lo que la corriente negativa vuelve al generador a través de la carga Rc que acusa el paso de corriente negativa.
En ambos casos, la corriente alterna pasa por Rs, y realiza la misma función de protección. Se diseña el circuito para que esta resistencia sea mucho menor que la resistencia de carga, para que no afecte mucho a la salida de señal.
Segunda aproximación.
En una segunda aproximación, la tensión del diodo es de 0,7 voltios, lo que modifica el resultado de la salida de la carga.
Como puedes ver en la imagen, existe un nivel positivo por el cual pasa la corriente positiva por la carga hasta que el diodo empieze a conducir.
Esto es debido a que hasta que el diodo no entra en saturación, la carga Rc ofrece menos resistencia al paso de la corriente que el diodo.
Condiciones
Estos diodos de pequeña potencia, tienen una resistencia interna mayor que los diodos rectificadores, ya que tienen una unión mas pequeña para poder trabajar a frecuencias elevadas.
Recuerda que para calcular la resistencia interna en un diodo, debes de mirar la hoja de característica del diodo en concreto, pero así puedes calcularla como la diferencia de tensión entre la tensión aplicada al diodo menos su diferencia de potencial y ello dividido entre la corriente en ese momento.
Por ejemplo, para una corriente directa de 10mA y 1 voltio de ensión aplicada:
Ri = (1V - 0,7V) ÷ 0,010A = 30 ohmios
La resistencia interna tiene una función importante en este tipo de circuitos, ya que para que no afecte al resultado del recorte de la señal, la resistencia de limitadora Rs debe ser mucho mayor que la resistencia interna del diodo; pero además la resistencia limitadora Rs, debe ser mucho menor que la resistencia de carga Rc.
Para que un limitador funcione correctamente debe de cumplirse esta regla:
Rc = 100Rs
Y
Rs = 100Ri
Así por esta regla y, según el anterior valor de 30 ohmios, la resistencia limitadora debería de ser de:
Rs = 100 x Ri = 100 x 30 = 3K
Y la resistencia de carga:
Rc = 100 x Rs = 100 x 3000 = 300k
El limitador negativo.
El circuito del limitador negativo es similar al del limitador positivo, pero el diodo se posiciona en sentido contrario. Esto acarrea que bloquee la componente alterna negativa, en vez de la positiva, como hacia el anterior, ya que en el semiciclo negativo, el diodo se comporta como un cortocircuito.
Se aplica todo lo demás expuesto.
EL CAMBIADOR DE NIVEL EN CONTINUA
El cambiador de nivel en continua, añade una tensión continua a la señal alterna, lo que ocasiona que la señal alterna se desplace en vertical sobre la tensión de entrada.
El cambiador de nivel positivo.
El cambiador, cuando tiene una onda sinuidal a la entrada, añade una tensión continua positiva a la onda sinuidal, lo que produce que se desplace el nivel de referencia de la señal alterna según el valor de la tensión positiva.
Para obtener ese efecto, utilizamos el siguiente circuito:
Este circuito es similar al anterior estudiado, aunque la única diferencia es que se ha sustituido la resistencia limitadora por un condensador.
El funcionamiento es sencillo:
En el semiciclo negativo, el diodo conduce comportandose como un cortocircuito y cargando el condensador C que se carga a la tensión de pico VP. No pasa corriente por la carga en una primera aproximación.
Cuando se cambia la polaridad de la señal, el diodo pasa al corte, pero el condensador, que está cargado a +VP, se suma a la tensión alterna del semiciclo positivo, lo que hace que las 2 fuentes de corriente estén en serie.
El resultado es un semiciclo positivo que acusa en la carga el doble valor de entrada de la salida del generador, ya que se amplificado el valor de la señal de entrada gracias al valor del condensador.
Condiciones
Para que se produzca este hecho se debe de dar unas condiciones adecuadas.
El condensador, debe de permanecer cargado en todo momento, y debe de cargarse rápidamente.
Esto se hace calculando la constante de tiempo RC según el periodo de la señal de entrada; hay que hacer que la constante de tiempo sea grande en relación al periodo de la señal.
Para que el circuito sea adecuado, se calcula que la constante de tiempo debe de ser:
RC = 100T
Siendo T el periodo, y Rc la constante de tiempo.
Por esta razón, este tipo de circuitos debe de tener una constante de tiempo 100 veces superior que el periodo, que es el tiempo que tarda en completar un ciclo completo una señal alterna.
En estas condiciones, el condensador se carga en el primer cuarto de ciclo, y cuando el diodo se encuentra abierto, se descarga muy poco, porporcionando a la carga casi toda su tensión +VP. El condensador vuelve a coger la pequeña carga perdida en ciclos en los que conduzca el diodo.
Segunda aproximación
En una segunda aproximación, el diodo tiene una barrera de potencial de 0,7 voltios que hay que vencer. Eso condiciona que la salida representada por la carga sea de la manera siguiente:
Como vés se muestra un recorte en la base de la señal debido a que hasta que el diodo hasta que no alcance los o0,7 voltios, no conduce; eso se traduce en que el condensador tarda mas tiempo en cargarse, y de ahí ese recorte en los picos de la carga de valor de 0,7 voltios.
El cambiador de nivel negativo
Este circuito es similar al anterior, pero la única diferencia es el sentido del diodo:
Si te has fijado, para conocer si un cambiador es positivo o negativo, solo hay que fijarse en el sentido del diodo, el cual, marca la dirección de la onda.
CUn rectificador de media onda con filtro por condensador a la entrada, produce una tensión continua de valor cercano a la tensión de pico de la fuente.
Cuando el mismo circuito se usa con un diodo de pequeña potencia (menor de 0,5W), llamamos al circuito detector de picos.
Un detector pico, opera a mas de 1KHz y su salida se utiliza en otros circuitos.
Cuando unimos un detector de pico y un cambiador de nivel continua, obtenemos un detector pico a pico.
En el esquema, se puede ver que la salida de un cambiador de nivel continua es la entrada de un detector de pico (rectificador de media onda con filtro).
La salida del cambiador de continua es el doble de Vp, por lo que en el condensador de picos, tiene un valor de 2Vp.
La constante de tiempos en este circuito debe de ser mayor que el periodo de la señal, lo que aplicamos la formula anterior de un valor de 100 periodos al valor mínimo de la constante de tiempo.
Como puedes ver, el rizado que produce la salida del detector pico a pico es similar al rizado del rectificador de media onda con filtro, pero el valor de salida es el doble.
Cuando en un detector pico a pico se utiliza un diodo normal rectificador (W > 0,5w), obtenemos un duplicador de tensión, ya que dobla la tensión de entrada.
Pero con el ajuste de condensadores y diodos podemos obtener triplicadores, y cuadriplicadores de tensión.
Duplicador de tensión.
El duplicador de tensión, obtiene a la salida el doble de la tensión de entrada.
La única diferencia es el tipo de diodo, ya que en este caso debe de ser de mayor potencia.
Triplicador de tensión.
Si a un cambiador de nivel en continua le agregamos otras dos secciones, obtendremos un triplicador de tensión.
En el semiciclo negativo D1 y D3 tiene polarización directa, con lo que se carga C1 a una tensión Vp y C3 a la polaridad mostrada y a una tensión doble de la entrada.
La salida del triplicador se obtiene de los condensadores C1 y C3.
Aunque no se muestra en el esquema, la resistencia de carga se conecta a la salida del triplicador.
Y al igual que en los circuitos anteriores, mientras se cumpla que la constante de tiempo sea elevada en proporción al periodo de la señal, se garantiza que la tensión de salida sea el triple de la de entrada.
Cuadriplicador de tensión.
Al circuito anterior, se le añade una nueva sección y obtenemos un cuatriplicador de tensión.
La salida del cuatriplicador de tensión se obtiene entre C2 y C4, los cuales tienen el doble de la tensión de entrada.
A la salida del cuatriplicador se le agrega la carga.
También se debe de tener en cuenta los factores de la constante de tiempo.
Generalmente en los circuitos electrónicos, hay una masa. Los circuitos multiplicadores estudiados hasta ahora, no tenían masa, por lo que la carga es flotante (se puede poner o quitar a voluntad sin que modifique el circuito).
A continuación te muestro como quedaría los circuitos estudiados si estuviesen conectado a masa y a la carga:
DIODOS DE PROPÓSITO ESPECÍFICO
Hemos visto como los diodos de poca potencia y los diodos de pequeña potencia, trabajan con las señales para obtener diversas características en función de su potencia y la frecuencia de trabajo. En este apartado nuevo, vamos a estudiar otros tipos de diodos que nos permitirán ampliar el rango de acción y crear otros circuitos rectificadores, detectores, reguladores, entre otros.
Este diodo de propósito especial se utiliza principalmente para circuitos de regulación de tensión y estabilización.
Este diodo está diseñado exclusivamente para trabajar en la zona de ruptura, cosa que los anteriores diodos normales, no podían hacer debido a que no están preparados y se romperían.
Al trabajar en la zona de ruptura, se denominan también diodos de avalancha, pues trabajan en el momento en que las cargas minoritárias producen una avalancha debido a la tensión inversa que lo polariza.
Efecto Zener de avalancha:
Este efecto se consigue cuando el diodo Zener se polariza inversamente.
Un diodo Zener se puede polarizar directamente, lo que ocasionando que permita el paso de la corriente por su interior para tensiones superiores a 0,7 voltios.
Esta caracteristica es común a la de todos los diodos.
Cuando se polariza inversamente, el diodo Zener, inicialmente aumenta la barrera de potencial y solo existe la pequeña circulación de carga minoritária por su interior.
En cuando la tensión inversa de polarización alcanza un valor establecido, que llamamos valor Zener, el diodo comienza a conducir de manera inversa (ahora las cargas minoritarias son las cargas predominantes).
Este hecho condiciona que la corriente en la zona de ruptura es muy grande, frente a la tensión inversa del diodo que se mantiene casi constante.
La tensión Zener, viene dada por las características de fabricación del diodo, así que hay infinidad de diodos Zener con diferentes valores Zener.
Así pues, podemos tener Zener que a partir de los 12 voltios de polarización inversa, empiezen a conducir de manera inversa, manteniendo una caida de tensión de 12 voltios y produciendo una corriente elevada por su interior.
Como se puede ver, cuando el diodo alcanza la tensión inversa de Zener, comienza a conducir, manteniendo casi constante la tensión de Zener, proporcionandonos una ventaja para la creación de nuevos circuitos.
Resistencia Zener:
Es la resistencia interna de un diodo Zener trbajando en polarización inversa.
En el gráfico anterior, vemos una zona de ruptura totalmente vertical; esto es lo ideal. Pero en una tercera aproximación (teniendo en cuenta la resistencia interna del diodo), esta línea no es totalmente vertical, sino que posee una cierta pendiente.
Pues bién, mientras menos pendiente tenga (mas vertical sea), menor será su resistencia interna, y por lo tanto, mas estable será su tensión Zener.
Al igual que los otros estudios, prescindiremos de esta resistencia para nuestro aprendizaje, pero ten en cuenta que existe.
Como hemos hablado ya, este diodo mantiene constante la tensión entre sus terminales, lo cual le hace ideal para su uso como regulador de tensión.
En el circuito tenemos una fuente de alimentación que debe ser superior a la tensión Zener, pues sino no pondrá a este en la tensión de ruptura.
Para el ejemplo hemos elegido un diodo Zener de la serie 1N9041 de una tensión Zener de 9,1 voltios, lo que quiere decir que cuando el valor de la fuente de alimentación llegue a este valor, el diodo comenzará a conducir y mantendrá este valor, por muy grande que sea la ensión de la fuente de alimentación.
Así pues, en este circuito, la tensión de salida después del Zener es de 9,1 voltios, tensión que se mantendrá constante aunque suba el valor de la fuente.
La resistencia en serie Rs, se utiliza para que el diodo no supere la corriente máxima inversa que podría destruir al mismo.
Este circuito se usa cuando se quiere que la tensión de salida sea menor que la de entrada y a la vez, sea de tensión constante.
La mejor aplicación es de regulación de tensión, pero existen otros circuitos en los que es necesario este elemento.
Primera aproximación.
Para una primera aproximación, el diodo Zener se comporta como una fuente de alimentación estable en la cual no existe un nivel de polarización directa de 0,7 voltios ni una resistencia interna que deriva en una zona de ruptura constante sin variaciones de tensión.
Por tanto en esta aproximación se considera constante la tensión de ruptura aunque varíe la corriente por su interior.
Eso quiere decir que si un diodo zener tiene una tensión zener de 9,1 voltios, a partir de esa tensión conducirá en inversa.
En una primera aproximación el diodo Zener se comporta como una fuente de alimentación a la tensión zener.
Segunda aproximación.
En una segunda aproximación, el diodo Zener tiene una resistencia interna que hay que vencer para poder poder usarlo como regulador de tensión. Esta resistencia, hará que se produzca una diferencia de potencial en ella, por lo que la tensión total que se aplica al diodo Zener está compuesta por la diferencia de potencial de esta resistencia y la tensión de ruptura.
Por fortuna, la resistencia interna es pequeña, por lo que afecta localmente a la tensión total del diodo.
La tensión en la carga, en un regulador Zener, siempre se va a mantener constante cuando al circuito se le aplica una carga.
Como ya sabrás, una carga es, por así decirlo, un consumidor que puede modificar los valores del circuito si su valor es superior al valor Thevenin del circuito sin carga.
Es importante siempre calcular los valores del circuito teniendo en cuenta la carga que tendrá.
Un diodo Zener condiciona el funcionamiento de la zona de ruptura según la formula:
Vth = ( Rc ÷ Rs + Rc ) Vs
Siendo:
Rc, la carga del circuito.
Rs, la resistencia limitadora.
Vs, la tensión de la fuente.
Y en condiciones normales, la corriente Zener del circuito se establece como:
Is = Iz + Ic
Y la corriente por la carga:
Ic = Vc ÷ Rc
Ten en cuenta que el diodo Zener se puede sustituir por una fuente de alimentación, por lo que puedes realizar cálculos de variables independientes, o realizar un cálculo de la intensidad por mallas de Kitchoff.
Ejercicio resuelto:
Resuelve los valores básicos en el circuito siguiente si los valores de la resistencia de fuente es de 1K, y la resistencia de carga es de 1M.
Teniendo en cuenta que la tensión de Zener es de 9,1 voltios y, para un Zener ideal (sin resistencia interna), sustituimos los valores por sus fuentes. Tenemos en cuenta el sentido real:
MALLA 1
-9,1V + Rs x I1 + 12V = 0
2,9V + Rs x I1 = 0
Rs x I1 = -2,9V
I1 = -2,9V ÷ 1000 = 0,029A
MALLA 2
-Rc x Ic + 9,1V = 0
-Rc x Ic = -9,1V
Ic = -9,1V ÷ 1000000 = -9,1 uA
Observa que el resultado de la corriente de carga es negativo. Eso es correcto debido que la corriente que circula por la carga es la corriente de Zener, la cual es inversa a la de la fuente.
Ahora para calcula la corriente por el Zener:
De la formula Is = Iz + Ic:
Iz = Ic - Is
Sustituyendo:
Iz = -0,0000091A - 0,029A = -0,0290091A
Lo cual resulta obvio, pues la suma de las 2 corrientes parciales y de sentido contrario, ya que el diodo funciona en la zona inversa.
Efecto Zener.
El efecto avalancha es la causa de la tensión de ruptura.
Los portadores minoritarios, se aceleran a velocidades suficientemente altas, como para tener energía para romper el enlace de otros portadores minoritarios, produciendo una cadena que produce un gran aumento de la corriente inversa.
El efecto Zener depende del dopaje del mismo, ya que cuando un diodo está fuertemente dopado, la zona de deplexión es estrecha y con un campo eléctrico muy intenso.
Cuando el valor del campo eléctrico, alcanza unos 300000 V/cm, el campo eléctrico tiene suficiente fuerza como para empujar a los electrones fuera de la capa de valencia, creando electrones libres.
No es lo mismo el efecto Zener, que el efecto avalancha.
El primero, desliga electrones de sus orbitas debido al intenso campo eléctrico de las cargas; y el segundo desliga electrones al producirse el choque de otros portadores minoritarios de alta velocidad.
Para tensiones Zener superiores a 6 voltios, se porduce el efecto avalancha en el diodo Zener (siempre que esté habilitado para ello).
Cuando la tensión de ruptura es inferior a 4 voltios, solo se produce el efecto Zener.
Coeficiente de temperatura.
El aumento de la temperatura afecta a la tensión Zener, aunque en pequeña medida y se puede despreciar.
En las hojas de características de los diodos podemos ver como coeficiente de temperatura al cambio de la tensión de ruptura según el aumento de la temperatura.
Para diodos con efecto Zener (tensión de ruptura inferior a 4 voltios), el coeficiente de temperatura es negativo; es decir, que a mayor temperatura, menor será la tensión de ruptura por cada grado centígrado.
Sin embargos, para diodos Zener de efecto avalancha ( tensión de ruptura superior a 6 voltios), el coeficiente de temperatura es positivo, lo que indica, que a mayor temperatura, mayor tensión de ruptura para ese diodo.
Como puedes observar, entre 4 y 6 voltios, la temperatura cambia de negativo a positivo.
Esto acondiciona que se puede encontrar un valor adecuado para hallar un diodo que no modifique su tensión de ruptura según la temperatura y que se utilize en aplicaciones que requieran una estabilidad del punto de ruptura para un amplio margen de temperaturas.
Segunda aproximación.
Junto a la batería ideal, en serie se agrega una resistencia en serie llamada Rz. La tensión total en el Zener es igual a la tensión de ruptura mas la caida de tensión en esta resistencia.
La resistencia Zener es muy pequeña, lo que ocasiona poco efecto sobre la tensión total del diodo.
En una primera aproximación, la tensión en la carga es igual a la tensión Zener, pero en una segunda aproximación se produce una pequeña discrepancia en este hecho, pues la caida de tensión en la carga aumenta ligeramente la tensión en la carga.
La tensión en la carga viene dada por:
Vc = Vz + Iz x Rz
Efecto rizado.
Despreciando la resistencia interna del diodo en comparación con la resistencia de carga, las dos únicas resistencias que se ven afectadas por el rizado son la resistencia limitadora de corriente y la resistencia Zener.
Como estas resistencia forman un divisor de tensión, la siguiente ecuación muestra el rizado del circuito:
Vriz(salida) = [Rz ÷ (Rs + Rz )] x Vriz(entrada)
Recta de carga
La corriente en el diodo viene dada por:
Iz = (Vcc - Vz) ÷ Rs
Siendo Vz, la caida de tensión zener.
Para obtener el punto de saturación se hace poniendo a Vz = 0, y suponiendo Rs = 1K, obtenemos una Iz de 12mA (primera aproximación). De la misma manera, para obtener el corte hacemos que Iz sea cero con lo que la tensión zener será de 9,1V, que es la tensión de ruptura. Esto condiciona que existan 2 puntos Q en la recta de carga del Zener.
Para una recta de carga de Vz a 9,1V y Iz de 12mA, obtenemos un Q1.
La tensión en el zener será mayor que la tensión en el codo de la curva, al estar inclinada.
Ahora imagina que Vcc cambia a 20V, lo que los extremos de la recta de carga son Vz = 9,1V y Iz = 20mA.
Incluyendo esta nueva recta de carga, en la misma gráfica nos da un nuevo punto Q2, manteniendo la misma tensión que el anterior, pero aumentando la corriente ligeramente.
Este principio es el fundamento de la regulación de tensión, porque se ha pasado de 12V a 20V y se ha mantenido la tensión en el zener, aumentando la corriente por su interior.
El diodo LED se comporta con la característica básica de un diodo y que al conectarlo en inversa bloquea la corriente, pero en directa, al pasar corriente por su interior, emite una cantidad de luz.
Esto se debe a que en el interior del diodo se utiliza como elementos dopadores otras sutancias como el Galio, el Arsenico, o el Fósforo entre los más usados.
En polarización directa, cuando los electrones atraviesan la unión y se recombinan con los huecos; como pasan de niveles energéticos altos a niveles energéticos bajos, emiten energía, que como el LED tiene otro tipo de elementos, en vez de calor, la energía se libera en forma de luz. Dependiendo del tipo de elemento del cual esté fabricado el LED, la luz será de un color diferente.
Por lo general un diodo Led tiene una menor sensibilidad que un diodo normal, y son mas propensos a quedar inutilizados, por lo que hay que diseñar el circuito, con un limitador de corriente adecuado. Suelen aguantar poca tensión inversa, por lo general de 3V a 5V.
La cida de tensión en este tipo de diodos varía de 1,5V a 2,5V dependiendo del tipo de material utilizado, el color, la tolerancia, el nivel de dopaje, etc. pero por norma general, utilizaremos una media de 2 voltios de caida de tensión.
El rango de corriente que admite varía entre 10mA y 50mA, pero un LED se ilumina a los pocos mili amperios.
El brillo de un LED depende de la corriente, pues es lógico que para excitar un diodo LED y que mantenga su luminosidad, es mejor usar una fuente de corriente.
Indicador de segmentos
Un indicador de segmentos tiene siete diodos LED rectangulares y sirve para representar un símbolo.
El diagrama esquemático muestra su funcionamiento llevando a masa los diodos específicos formarán el símbolo adecuado. Así por ejemplo, llevando a masa los segmentos A, B y C obtenemos el número 7.
Pueden representar números de 0 a 9 y letras A, b, C, d, E, F.
Este display, es de ánodo común, ya que todos los ánodos de los segmentos, están unidos a la fuente de alimentación.
También existe un cátodo común.
Cada resistencia en serie con el segmento en concreto, sirve para limitar la corriente por cada segmento y protegerlo por exceso de corriente.
Hoy en día se utilizan otros tipos de displays, mas eficaces, de mejores rendimientos y mas "alegres"; pero este tipo de display, se sigue usando por su robusted, fiabilidad, gran potencia de luminosidad y bajo coste.
Como ya hemos hablado, uno de los motivos por el cual se produce una corriente de fuga en un diodo normal es debido a la temperatura, que produce la rotura de los pares electrones huecos, energizando a los electrones que suben de nivel orbital y se convierten en una breve corriente de fuga.
Pero si en vez de obtener estos electrones libres por el calor de la corriente del diodo, se obtienen por una energía lumínica, estamos hablando de un Fotodiodo.
Cuando la energía lumínica se proyecta sobre una unión PN, esta energía puede crear electrones libres al romper pares electricos. Mientras mayor sea la fuente de luz y, dependiendo de la sensibilidad, mayor será la creación de electrones libres.
A mayor intensidad de luz, mayor será la corriente inversa del diodo.
El simbolo del fotodiodo representa un diodo normal en el cual se aplica una fuente de luz.
Las aplicaciones de este tipo de componente son muy variadas y muy comunes, como sensores de control, sensores de proximidad, sensores de corte, fotocélulas de corte, etc.
Cuando se combina un diodo Led y un fotodiodo, optenemos un optoacoplador o adaptador acoplado ópticamente.
Queda decir, que este elemento está integrado dentro de una única carcasa y aislada luminicamente con el medio.
El funcionamiento es muy sencillo:
V1 produce sobre una corriente sobre el Led que emite una luz en función de la corriente.
D2, que es el fotodiodo, conduce en inversa y produce una caida de tensión en R2. Ten en cuenta que la salida de este fotodiodo depende del valor de la bateria V2, por lo tanto la tensión de salida de este segundo circuito es la tensión de V2 menos la caida de tensión en R2.
Si varía la tensión de V1, variará la luminosidad del Led y también la corriente inversa y la tensión de salida del segundo circuito.
Por este circuito, acoplando una señal de entrada al primer circuito, se obtendrá un acoplamiento que se reflejará en el segundo circuito.
Se suele usar este tipo de circuitos en aplicaciones de alta tensión utilizando la resistencia real que existe entre los dos circuitos conectados mediante luz.
Antes de continuar, un diodo laser NO ES UN LASER.
El diodo laser tiene la misma particularidad del laser de producir luz coherente, es decir hacer que todas las ondas de luz estén en fase.
No me voy a meterme en los detalles físicos que conlleva la coherencia del espectro de la luz porque no lo creo necesario para el curso, pero puedes consultar el siguiente enlace para saber mas sobre la coherencia electromagnética de la luz.
Un diodo laser produce un haz de luz muy estrecho, enfocado y visible o infrarrojo (según uso).
Su principal mercado de consumo son las comunicaciones de banda ancha y equipos de consumo como los reproductores / grabadores Blue rays, DVDs, CDs o impresoras laser por mencionar algunos.
En banda ancha se utilizan junto con la fibra óptica para aumentar la velocidad de internet.
De momento hasta aquí puedo llegar con este tema, pero en temas posteriores repasaremos y ampliaremos estos elementos estudiados.
PRÁCTICA.
DISEÑO Y CREACIÓN DE UNA FUENTE DE ALIMENTACIÓN REGULADA.
La creación de un circuito complejo no tiene por qué ser complejo, pero si se debe de calcular cada fase del mismo y la entrada debe de estar acoplada a la salida de la fase anterior según el principio de máxima transferencia energética.
Eso nos dice que es muy importante la impedancia de los circuitos a unir cuando se quiere que se realice una etapa conjunta.
Este concepto es muy importante en amplificación y que pronto lo estudiarás y practicarás.
Por esta regla podemos unir casi cualquier tipo de circuito y hacer que las funciones de un circuito independiente se conviertan en un circuito completo.
Para nuestro ejemplo y sirviendo de practica, vamos a juntar un circuito rectificador en puente, un filtro pasa altos que constará de un único condensador, pues para este tipo de fuente es suficiente, y un regulador de tensión zener para formar una fuente de alimentación estabilizada.
Primero.
Primero elegimos el transformador que vamos a utilizar teniendo en cuenta la tensión de salida que queremos que tenga nuestra fuente de alimentación.
Teniendo en cuenta que el rectificador en puente entrega todo el ciclo rectificado de la señal alterna de la red eléctrica, nos proporcionaremos de un transformador con relación de espiras de 15:1 para que nos proporcione una salida en el secundario de unos 15 voltios.
Una referencia para un modelo de 230V / 15V a 0,3A es CE 10.064.
Este transformador, tiene una resistencia física en el secundario de 3,1 óhmios.
Si aún así no has encontrado ese transformador, no te preocupes y si tienes algún equipo electrónico roto (caset, radio cd, DVD, etc.) puedes desmontar y utilizar dicho transformador.
Segundo.
Elección del puente rectificador.
Vamos a elegir un modelo integrado en el cual ya viene todos los diodos y sus conexiones establecidas, por lo que solo lo tendremos que conectar a la salida del secundario y conectar correctamente la salida del puente a la entrada del filtro.
El componente B250C es un integrado rectificador en puente.
De sus cuatro patíllas, la mas larga indica el positivo rectificado, lo que habrá que conectar ese electródo al filtro pasa alto.
Tiene en su parte superior un gráfico en el cual se establecen las conexiones para la entrada de señal alterna, lo cual facilita la cosa enormemente.
Si no encontrarás ese gráfico, tendrías que utilizar un tester y comprobar las patillas una respecto a las otras para averiguar cuales son las conexiones.
No te voy a enseñar como averiguar esas conexiones, pues no es el cometido de la práctica.
Tercero.
Elección del semiconductor regulador.
Para esta fuente he elegido el C9V1PH como diodo Zener cuya hoja de características nos dice que el diodo tiene una tensión Zener de 9,1 voltios, y que la máxima intensidad zener debe de ser de 32mA para una potencia de 300mW, lo que calcularemos el circuito para que trabaje el diodo en valores inferiores a esos.
Ten en cuenta que el transformador elegido proporciona unos 15 voltios pico a pico, pudiendo alcanzar valores de hasta 18 voltios en continua, por lo que tendremos que utilizar resistencias limitadoras.
Como puedes ver, y al igual que casi todos los diodos, una marca indica su cátodo (terminal negativo).
He elegido este tipo de semiconductor, para que véas precisamente el efecto deseado de la regulación:
La fuente, proporcionará casi el doble de la tensión que el diodo Zener necesita para conducir en inversa, por lo que el efecto se verá de manera significativa.
Cuarto.
Los demás componentes necesarios para crear el filtro, así como las resistencias (incluyendo una carga), y los condensadores.
NOTA: Por norma general junto al diodo Zener se suele utilizar un transistor semiconductor que hará de conmutador al diodo, protegiendolo de sobretensiones de la fuente.
No he considerado oportuno introducir este elemento en el circuito debido a que aún no lo hemos estudiado en profundidad.
CALCULO DE LA FASE.
La tensión continua de entrada.
Empezando por el tranformador, y teniendo en cuenta que su relación de espiras es de 15:1, si se introduce 230V, nos proporcionará de 15,3333 voltios de alterna pico a pico, lo que significa que una vez rectificada por el puente tendremos una tensión continua de:
15,333 - 1,4V= 13,93V
Recuerda que restamos el valor de 1,4V que es el valor de la tensión de los diodos del circuito, y que el valor 15,333V es la tensión pico de la señal en el secundario.
Calculando el filtro pasa alto.
Un filtro pasa altos, se utiliza en radiofrecuencia y permite el paso de frecuencias altas, bloqueando las bajas frecuencias.
Nuestra tensión continua, es pulsante, lo que significa que si la conectáramos a un altavoz, escucharíamos un montón de ruido que proviene de la corriente rectificada.
Esta corriente pulsante, no nos molestaría, para trabajar con valores estáticos y cálculos de segmentos de circuitos, pero no nos serviría para usarlos en circuitos de radiofrecuencia, de audio, video, comunicaciones, etc.
Para eliminar el rizado lo máximo posible vamos a introducir un filtro pasa alto, el cual reducirá considerablemente el rizado de la señal pulsante.
Para calcular el filtro, debes de conocer la frecuencia de la señal. Recuerda que un rectificador de doble onda y en puente, rectificaban todo el ciclo de la señal, lo que consegían que la frecuencia de salida fuese el doble de la de entrada, por lo que tenemos que la frecuencia de resonancia que queremos obtener del filtro es de 120Hz.
Un filtro pasa alto, a la baja frecuencia, ofrece baja resistencia a la señal, lo que la parte alterna de la corriente pulsante se deriva a masa, mientras que la parte continua continua al regulador mas filtrada.
Para ello, necesitamos un condensador en serie con una inducción, y además que ambos estén en paralelo con la entrada de la fuente.
El valor del condensador para una reactancia capacitiva próxima a unos 3,1 óhmios (la resistencia de salida del condensador) para la frecuencia de resonancia:
C = 1 ÷ 2 x 3,1415 x 120Hz x 3,1 = 0,000427F
El valor del condensador para una reactancia de 3,1 óhmios a la frecuencia de resonancia es de 427 microFaradios.
Vamos a utilizar en nuestro circuito un condensador de 330uF y 25V, que tendrá una reactancia de 4 óhmios a la frecuencia de resonancia.
La inductancia para la frecuencia de resonancia es de:
L = 2 x 3,1415 x 120Hz x 3 = ¡¡¡UNA BARBARIDAD!!!!
Aquí uno de los problemas de los filtros pasa altos para baja frecuencia. Necesitaríamos una bobina ENORME, y el circuito tiene que ser pequeño;
Por lo tanto, descartamos el filtro pasa alto con bobina y utilizaremos el filtro por condensador únicamente.
La solución para el uso de estos filtros conjuntos es realizar una fuente conmutada, en la cual la frecuencia de salida ya es de miles de hercios, y se pueden utilizar bobinas pequeñas para tal fin. Pero de momento esa es otra práctica que mas adelante podrás hacer.
Como te habrás dado cuenta, hemos hecho que la reactancia capacitiva del condensador que vamos a utilizar como filtro, tenga el mismo valor de resistencia que el secundario del transformador. Eso hará que la tranferencia de energía sea máxima entre el secundario y el filtro, y así exista la mínima perdida de potencia en el filtro.
La nueva etapa.
Hemos juntado dos circuitos independientes; a saber:
Un transformador y un filtro, a los cuales les hemos acoplado resistivamente.
Esta nueva etapa se acoplará a la siguiente, el regulador, como si fuese un único circuito teniendo ahora en cuenta que la salida de la fuente es de 13,93V y la resistencia interna es de unos 4 óhmios.
El regulador Zener.
En este instante, el rizado de la señal se ha aplanado bastante, y la tensión continua es mas o menos estable.
Ahora el problema es la intensidad.
Hasta entonces, la intensidad dependía de la reactancia del filtro y la resistencia del secundario, lo que la hace demasiada alta para el zener, ya que la baja reactancia del circuito anterior, dispara la intensidad.
Vamos a utilizar una resistencia reguladora o lo que es una resistencia de fuente.
Recuerda que en en capítulos anteriores, hemos hablado que en una segunda aproximación, para que no haya que tener en cuenta la resistencia interna de la fuente (los 4 óhmios), la resistencia de fuente debe de ser por lo menos cien veces mayor que ella para poder despreciarla.
Entonces:
Rs = 100 x Ri = 100 x 4 = 400
Lo cual utilizaremos una resistencia estandar de 510 óhmios de un cuarto de potencia (convencional).
Esta resistencia nos limitará la intensidad a:
I = 13,93V / 510 = 27,3mA
Lo que está dentro del valor máximo de la corriente por el diodo.
Después de esta resistencia conectamos el diodo Zener por un extremo a la resistencia, y por el otro extremo a la masa del circuito.
Introducir una carga.
Como paso final, nos queda introducir una carga en la cual se reflejará la caida de tensión del Zener. Para ello, y en paralelo con el Zener, introduce una carga, en este caso resistiva cuyo valor nos interesa que sea alto para que toda la tensión caiga en ella.
Se suele calcular la resistencia para la máxima corriente por el diodo, pero eso haría que utilizaramos la carga como fuente de corriente, lo que no nos interesa.
Para la carga, utilizaremos como ya hemos visto la formula de fuentes de tensión en la que dice que la resistencia de carga debe de ser cien veces superior a la resistencia de fuente, para que se produzca la máxima transferencia y poder despreciar ésta para el cálculo.
Con esto:
Rc = 100 x Rs = 100 x 510 = 51K
Esta es la carga mínima que necesitamos en nuestro circuito para que la fuente de alimentación pueda ser práctica.
Como puedes ver con pocos componentes (5) hemos rectificado, filtrado y regulado la tensión alterna de entrada.
Si, este circuito es demasiado simple, pero creo que es una buena práctica para empezar a crear fuentes de alimentación reguladas.
Mas adelante con el estudio del transistor, ampliaremos nuestra fuente y le agregaremos módulos mas estables de estabilización y un mejor filtrado de ruido.
El esquema de nuestra fuente regulada se muestra en la imagen siguiente.
Vs = 15V ac
Cs = 330uF
Rs = 510Ω 1/2
Dz = 9,1V
Rc = 56KΩ1/2
Hasta aquí hemos llegado, y doy por terminado la parte de los diodos, y dejo paso al estudio de los transistores que abordaremos en el tema siguiente.
Si quieres seguir los pasos de la práctica de la fuente de alimentación regulada, puedes seguirlo desde el video de inicio, o pulsando Aquí.
Teoría de los diodos. By deimoshack
