Circuitos electrónicos: diodo como interruptor

El diodo es una unión PN de dos terminales que se puede utilizar en varias aplicaciones. Una de esas aplicaciones es un interruptor eléctrico. La unión PN, cuando está polarizada hacia adelante actúa como circuito cerrado y cuando está polarizada hacia atrás actúa como circuito abierto. Por lo tanto, el cambio de estados polarizados hacia adelante y hacia atrás hace que el diodo funcione como un interruptor, elforward siendo ON y el reverse siendo OFF estado.

Interruptores eléctricos sobre interruptores mecánicos

Los interruptores eléctricos son una opción preferida sobre los interruptores mecánicos debido a las siguientes razones:

• Los interruptores mecánicos son propensos a la oxidación de metales, mientras que los interruptores eléctricos no.
• Los interruptores mecánicos tienen contactos móviles.
• Son más propensos al estrés y la tensión que los interruptores eléctricos.
• El desgaste y el desgarro de los interruptores mecánicos a menudo afectan su funcionamiento.

Por tanto, un interruptor eléctrico es más útil que un interruptor mecánico.

Funcionamiento del diodo como interruptor

Siempre que se excede un voltaje especificado, la resistencia del diodo aumenta, lo que hace que el diodo tenga polarización inversa y actúe como un interruptor abierto. Siempre que el voltaje aplicado está por debajo del voltaje de referencia, la resistencia del diodo disminuye, haciendo que el diodo esté polarizado hacia adelante y actúa como un interruptor cerrado.

El siguiente circuito explica el diodo que actúa como interruptor.

Un diodo de conmutación tiene una unión PN en la que la región P está ligeramente dopada y la región N está muy dopada. El circuito anterior simboliza que el diodo se enciende cuando la tensión positiva directa polariza el diodo y se apaga cuando la tensión negativa inversa polariza el diodo.

El sonar

A medida que la corriente directa fluye hasta entonces, con un voltaje inverso repentino, la corriente inversa fluye por un momento en lugar de apagarse inmediatamente. Cuanto mayor sea la corriente de fuga, mayor será la pérdida. El flujo de corriente inversa cuando el diodo tiene polarización inversa repentinamente, a veces puede crear pocas oscilaciones, llamadas comoRINGING.

Esta condición de timbre es una pérdida y, por lo tanto, debe minimizarse. Para hacer esto, deben entenderse los tiempos de conmutación del diodo.

Tiempos de cambio de diodo

Al cambiar las condiciones de polarización, el diodo experimenta un transient response. La respuesta de un sistema a cualquier cambio repentino desde una posición de equilibrio se denomina respuesta transitoria.

El cambio repentino de polarización de avance a retroceso y de retroceso a avance afecta al circuito. El tiempo necesario para responder a cambios tan repentinos es el criterio importante para definir la eficacia de un interruptor eléctrico.

• El tiempo que tarda el diodo en recuperar su estado estable se denomina Recovery Time.

• El intervalo de tiempo que toma el diodo para cambiar del estado de polarización inversa al estado de polarización directa se denomina Forward Recovery Time.($t_{fr}$)

• El intervalo de tiempo que toma el diodo para cambiar del estado de polarización directa a un estado de polarización inversa se denomina Reverse Recovery Time. ($t_{fr}$)

Para entender esto más claramente, intentemos analizar qué sucede una vez que se aplica el voltaje a un diodo PN de conmutación.

Concentración de portadores

La concentración de portadores de carga minoritarios se reduce exponencialmente cuando se ve lejos de la unión. Cuando se aplica el voltaje, debido a la condición de polarización directa, la mayoría de los portadores de un lado se mueven hacia el otro. Se convierten en portadores minoritarios del otro lado. Esta concentración será más en el cruce.

Por ejemplo, si se considera el tipo N, el exceso de agujeros que entran en el tipo N después de aplicar polarización directa se suma a los portadores minoritarios ya presentes de material de tipo N.

Consideremos algunas notaciones.

• La mayoría de los portadores en tipo P (agujeros) = $ P_ {po} $
• La mayoría de los portadores de tipo N (electrones) = $ N_ {no} $
• Los portadores minoritarios en tipo P (electrones) = $ N_ {po} $
• La mayoría de los portadores en tipo N (agujeros) = $ P_ {no} $

During Forward biased Condition- Los transportistas minoritarios están más cerca del cruce y menos lejos del cruce. El siguiente gráfico explica esto.

Exceso de cargo de transportista minoritario en tipo P = $ P_n-P_ {no} $ con $ p_ {no} $ (valor de estado estable)

Exceso de cargo de transportista minoritario en tipo N = $ N_p-N_ {po} $ con $ N_ {po} $ (valor de estado estable)

During reverse bias condition- Los transportistas mayoritarios no conducen la corriente a través del cruce y, por lo tanto, no participan en la condición actual. El diodo de conmutación se comporta como un cortocircuito, por ejemplo, en dirección inversa.

Los transportistas minoritarios cruzarán el cruce y conducirán la corriente, que se llama como Reverse Saturation Current. El siguiente gráfico representa la condición durante el sesgo inverso.

En la figura anterior, la línea de puntos representa los valores de equilibrio y las líneas continuas representan los valores reales. Como la corriente debida a los portadores de carga minoritarios es lo suficientemente grande para conducir, el circuito estará ENCENDIDO hasta que se elimine este exceso de carga.

El tiempo necesario para que el diodo cambie de polarización directa a polarización inversa se denomina Reverse recovery time ($t_{rr}$). Los siguientes gráficos explican en detalle los tiempos de conmutación de diodos.

De la figura anterior, consideremos el gráfico de corriente del diodo.

En $ t_ {1} $, el diodo se lleva repentinamente al estado OFF desde el estado ON; se conoce como tiempo de almacenamiento.Storage timees el tiempo necesario para eliminar el cargo excedente del operador minoritario. La corriente negativa que fluye del material de tipo N a P es considerable durante el tiempo de almacenamiento. Esta corriente negativa es,

$$ - I_R = \ frac {-V_ {R}} {R} $$

El próximo período de tiempo es el transition time”(De $ t_2 $ a $ t_3 $)

El tiempo de transición es el tiempo que tarda el diodo en llegar completamente a la condición de circuito abierto. Después de $ t_3 $, el diodo estará en condición de polarización inversa de estado estable. Antes de que el diodo $ t_1 $ esté en condición de polarización directa de estado estable.

Entonces, el tiempo necesario para llegar completamente a la condición de circuito abierto es

$$ Reverse \: \: recovery \: \: time \ left (t_ {rr} \ right) = Almacenamiento \: \: time \ left (T_ {s} \ right) + Transición \: \: time \ left ( T_ {t} \ right) $$

Mientras que para llegar a la condición de ENCENDIDO desde APAGADO, lleva menos tiempo llamado como Forward recovery time. El tiempo de recuperación inverso es mayor que el tiempo de recuperación directo. Un diodo funciona como un interruptor mejor si este tiempo de recuperación inversa se reduce.

Definiciones

Repasemos las definiciones de los períodos de tiempo discutidos.

• Storage time - El período de tiempo durante el cual el diodo permanece en el estado de conducción incluso en el estado de polarización inversa se denomina Storage time.

• Transition time - El tiempo transcurrido para volver al estado de no conducción, es decir, polarización inversa en estado estable, se denomina Transition time.

• Reverse recovery time - El tiempo necesario para que el diodo cambie de polarización directa a polarización inversa se denomina Reverse recovery time.

• Forward recovery time - El tiempo necesario para que el diodo cambie de polarización inversa a polarización directa se denomina como Forward recovery time.

Factores que afectan los tiempos de conmutación de diodos

Hay algunos factores que afectan los tiempos de conmutación de diodos, como

• Diode Capacitance - La capacitancia de la unión PN cambia dependiendo de las condiciones de polarización.

• Diode Resistance - La resistencia que ofrece el diodo para cambiar su estado.

• Doping Concentration - El nivel de dopaje del diodo afecta los tiempos de conmutación del diodo.

• Depletion Width- Cuanto más estrecha sea la anchura de la capa de agotamiento, más rápido será el cambio. Un diodo Zener tiene una región de agotamiento estrecha que un diodo de avalancha, lo que hace que el primero sea un mejor interruptor.

Aplicaciones

Hay muchas aplicaciones en las que se utilizan circuitos de conmutación de diodos, como:

• Circuitos rectificadores de alta velocidad
• Circuitos de conmutación de alta velocidad
• Receptores de RF
• Aplicaciones de propósito general
• Aplicaciones de consumo
• Aplicaciones automotrices
• Aplicaciones de telecomunicaciones, etc.