Diodo Varicap

El Varicap (Epicap, capacidad controlada por tensión o diodo de sintonía) es un diodo que se comporta como un condensador donde la capacidad esta controlada por la tensión. El diodo de capacidad variable o Varactor (Varicap) es un tipo de diodo que basa su funcionamiento en el fenómeno que hace que la anchura de la barrera de potencial en una unión PN varíe en función de la tensión inversa aplicada entre sus extremos. Al aumentar dicha tensión, aumenta la anchura de esa barrera, disminuyendo así la capacidad del diodo. De este modo se obtiene un condensador variable controlado por tensión. Los valores de capacidad obtenidos van desde 1 a 500 pF. La tensión inversa mínima tiene que ser de 1 V.

La aplicación de estos diodos se encuentra, sobre todo, en la sintonía de TV, modulación de frecuencia en transmisiones de FM y radio y en los osciladores controlados por voltaje (oscilador controlado por tensión).

En tecnología de microondas se pueden utilizar como limitadores: al aumentar la tensión en el diodo, su capacidad varía, modificando la impedancia que presenta y desadaptando el circuito, de modo que refleja la potencia incidente.


Las regiones p y n se comportan como las placas de un condensador y la zona de deplexión es como el dieléctrico.

En inversa la anchura de la "Zona de deplexión" aumenta con la tensión inversa y la capacidad disminuye.

Rectificador de onda completa

Un Rectificador de onda completa es un circuito empleado para convertir una señal de corriente alterna de entrada (Vi) en corriente directa de salida (Vo) pulsante. A diferencia del rectificador de media onda, en este caso, la parte negativa de la señal se convierte en positiva o bien la parte positiva de la señal se convertirá en negativa, según se necesite una señal positiva o negativa de corriente continua.

Existen dos alternativas, bien empleando dos diodos o empleando cuatro (puente de Graetz).

Rectificador con dos diodos.

En el circuito de la figura, ambos diodos no pueden encontrarse simultáneamente en directa o en inversa, ya que las diferencias de potencial a las que están sometidos son de signo contrario; por tanto uno se encontrará polarizado inversamente y el otro directamente. La tensión de entrada (Vi) es, en este caso, la mitad de la tensión del secundario del transformador.


Tensión de entrada positiva.

El diodo 1 se encuentra en directa (conduce), mientras que el 2 se encuentra en inversa (no conduce). La tensión de salida es igual a la de entrada. El diodo 2 ha de soportar en inversa la tensión máxima del secundario.


Tensión de entrada negativa.

El diodo 2 se encuentra en directa (conduce), mientras que el diodo 1 se encuentra en inversa (no conduce). La tensión de salida es igual a la de entrada pero de signo contrario. El diodo 1 ha de soportar en inversa la tensión máxima del secundario .


Puente de Graetz o Puente Rectificador de doble onda

En este caso se emplean cuatro diodos con la disposición de la figura. Al igual que antes, sólo son posibles dos estados de conducción, o bien los diodos 1 y 3 están en directa y conducen (tensión positiva) o por el contrario son los diodos 2 y 4 los que se encuentran en directa y conducen (tensión negativa)..

A diferencia del caso anterior, ahora la tensión máxima de salida es la del secundario del transformador (el doble de la del caso anterior), la misma que han de soportar los diodos en inversa, al igual que en el rectificador con dos diodos. Esta es la configuración usualmente empleada para la obtención de onda continua.

Tensión rectificada.

Vo = Vi = Vs/2 en el rectificador con dos diodos.
Vo = Vi = Vs en el rectificador con puente de Graetz.

Si consideramos la caida de tensión típica en los diodos en conducción aproximadamente 0,6 v, tendremos que para caso del rectificador de doble onda la Vo= vi - 1,2v.

Rectificador de media onda

El rectificador de media onda es un circuito empleado para eliminar la parte negativa o positiva de una señal de corriente alterna de entrada (Vi) convirtiéndola en corriente directa de salida (Vo).

Es el circuito más sencillo que puede construirse con un diodo.

Análisis del circuito (diodo ideal)

Los diodos ideales, permiten el paso de toda la corriente en una única dirección, la correspondiente a la polarización directa, y no conducen cuando se polarizan inversamente. Además su voltaje es positivo.

Polarización directa (Vi > 0)

En este caso, el diodo permite el paso de la corriente sin restricción, provocando una caída de potencial que suele ser de 0,7 V. Este voltaje de 0,7 V se debe a que usualmente se utilizan diodos de silicio. En el caso del germanio, que es el segundo mas usado el voltaje es de pena al maximo 0,3 V

Vo = Vi - VD → Vo = Vi - 0,7

la intensidad de la corriente puede fácilmente calcularse mediante la ley de Ohm:

Polarización inversa (Vi <0)
En este caso, el diodo no conduce, quedando el circuito abierto. La tensión de salida es igual a la tensión de entrada, y la intensidad de la corriente es nula:

Vo = Vi
I = 0


Tensión rectificada

Aplicaciones del Multiplicador

Los circuitos multiplicadores son redes de diodos y condensadores que a partir de una tensión alterna proporcionan una tensión continua muy alta. Normalmente se suelen denominar por el factor multiplicador que tienen (triplicador, cuatriplicador...)

Existen controladores integrados para multiplicadores de tensión, que sólo necesitan condensadores externos para proporcionar tensiones reguladas con o sin limitación de corriente.

También se les llama "bombas de tensión", pudiendo proporcionar tanto tensiones positivas como negativas. Su principal inconveniente consiste en que sólo permitan corrientes medias bajas, debido a que utilizan condensadores como elementos de paso de corriente y con valores razonables de condensadores, se obtienen impedancias bastante elevadas.
Los diodos y condensadores forman un multiplicador de tensión para obtener la Vgg (-28V) de la EAROM. Atari, 1982.

Aplicaciones

Se suelen usar para conseguir altas tensiones partiendo de tensiones bajas. Normalmente trabajan como parte de los circuitos polarizadores de las válvulas termoiónicas y siempre acompaña a los tubos de rayos catódicos de los televisores en color (últimas válvulas que todavía siguen utilizándose extensamente).

Se han utilizado ampliamente para proporcionar las tensiones estándar RS232 a partir de 5V solamente. El oscilador y la bomba de tensión van integrados en el circuito de interfaz. Los primeros (como el MAX232 y similares) necesitaban condensadores externos, pero el aumento de la frecuencia del oscilador ha permitido integrarlos también en el mismo chip.

Circuitos nmos como el microprocesador NS16032 (posteriormente NS32016) contenía uno para generar una polarización interna y funcionar a 5V; Necesitaba un condensador externo. También algunas EEPROM incluían un multiplicador de tensión con el mismo fin. Estas no necesitaban condensador externo y permitían la grabación de datos a 5V .

Multiplicador de frecuencia

Es un dispositivo que cambia la frecuencia de una señal, obteniendo a su salida una frecuencia más alta, siendo su relación con la de entrada un número entero.

Están formados por circuitos no lineales, con ganancia o no, de modo que se crean armónicos de la señal de entrada. Se diseña para potenciar la aparición del armónico deseado y cancelar en lo posible la aparición de los demás. La señal se filtra a la frecuencia de salida para evitar armónicos indeseables y, eventualmente, se amplifica.

Multiplicador digital

Es un circuito digital capaz de multiplicar dos palabras de m y n bits para obtener un resultado de n+m bits. A veces el tamaño del resultado está limitado al mismo tamaño que las entradas. Se distinguen:

* Multiplicador paralelo. Es el más rápido y está formado por una matriz de lógica combinatoria que, a partir de todas las combinaciones posibles de las entradas, genera sus productos a la salida.
* Suma y desplazamiento. Está formado por un sumador y un registro de desplazamiento. El sumador comienza con el valor el multiplicando y lo va desplazando y le vuelve a sumar el multiplicando cada vez que el bit correspondiente del multiplicador vale 1. Necesita un reloj y tarda en realizar la multiplicación la longitud en bits del multiplicador multiplicada por el periodo de reloj.

Multiplicador analógico

Es un dispositivo que multiplica dos señales de forma que a la salida se tiene una cuyo valor es igual al producto de los valores de las señales de entrada. Estas señales habitualmente son tensiones, corrientes o tensión por corriente. Habitualmente se emplean pares diferenciales, de modo que una señal se aplica a una de las entradas del diferencial y la otra a su polarización. Pueden trabajar con señales diferenciales combinando tres pares diferenciales (El MC1498 es un ejemplo de esto). Otra estrategia consiste en utilizar otras propiedades, como el efecto Hall, que proporciona una tensión proporcional a la corriente y a un campo magnético.

Diferentes diodos recortadores y Fijador de nivel

Diferentes configuraciones de diodos recortadores


Fijadores de Nivel

Una de las aplicaciones prácticas de los diodos semiconductores son los llamados fijadores de nivel o restauradores de componente continua. Estos circuitos basan su funcionamiento en la acción del diodo, pero al contrario que los limitadores no modificarán la forma de onda de la entrada, sino que le añaden a ésta un determinado nivel de corriente continua. Esto puede ser necesario cuando las variaciones de corriente alterna deben producirse en torno a un nivel concreto de corriente continua. Existen cuatro tipos básicos:

-Fijador positivo: hace que el menor nivel alcanzado por la señal sea 0, fijando el nivel de referencia en un valor positivo.

-Fijador negativo: el mayor nivel alcanzado es 0 ,en otras palabras desplaza el nivel de referencia hacia un valor menor que 0.

Fijador positivo polarizado: Añade el efecto de la polarización de una batería pudiendo ser de dos tipos, según la disposición de la fuente de polarización:

1)Polarizado positivo.Desplaza la señal hacia niveles positivos, permaneciendo la salida incluso en sus valores más bajos por encima de 0.

2)Polarizado negativo. Desplaza la señal hacia un nivel más positivo, pero parte del semiciclo negativo de la señal de entrada Vi sigue teniendo valores negativos.

Fijador negativo polarizado: Se diferencia del polarizado positivo en la inversión del diodo; existen dos tipos igualmente, polarizado positivo y polarizado negativo. Ahora en ambos casos el desplazamiento es hacia valores negativos.

Formas de onda de los limitadores

Ahora estudiaremos más a fondo qué es lo que hace el limitador estudiando las distintas formas de onda de la tensión en la entrada y en la carga, en el caso concreto en el que nuestra carga no soporta tensiones mayores de 10 V o menores de -10 V.



Imaginemos que alimentamos el circuito con una tensión de entrada Vi senoidal de 30 V eficaces, en el dibujo es la línea sinusoidal de color verde. Esta tensión de entrada tiene picos cuyo valor alcanza los 42 y -42 V respectivamente. El caso es que si estos valores de tensión llegaran a la carga esta quedaría dañada o se destruiría.

Para evitar que esto ocurra, conectamos la resistencia limitadora, los diodos y las baterías o diodos zener, como hemos visto antes.

* Estudiemos cuando comienza a conducir el diodo D1:

La batería que está conectada al diodo D1 polariza su cátodo a 10 V, considerando el diodo ideal, comenzará a conducir cuando la tensión en su ánodo sea mayor que en su cátodo, esto ocurre sólo cuando la tensión de entrada es superior a 10 V.

Cuando Vi supera los 10 V, se convierte en una tensión peligrosa para la carga RL, no obstante en ese mismo momento la tensión en el ánodo del diodo D1 comienza a ser superior que la tensión en su cátodo, con lo que el diodo D1 queda polarizado directamente y comienza a conducir la corriente eléctrica, a partir de este momento la tensión sobrante de la tensión de entrada Vi se ve recortada y no puede llegar a la carga tal y como se ve en la figura de la derecha.

* Estudiemos cuando comienza a conducir el diodo D2:

Este caso es igual al anterior. La batería polariza el ánodo de D2 a -10 V. Cuando la tensión de entrada Vi es más baja de lo que la carga puede soportar (en nuestro caso menor que -10 V), el cátodo del diodo D2 queda a un potencial menor que -10 V, con lo que el diodo se polariza directamente y recorta en este caso, las tensiones negativas de entrada que podrían resultar perjudiciales para la carga, tal y como se aprecia en la gráfica.tos voltajes para experimentos de física de alta energía.

Limitador

Un limitador o recortador es un circuito que permite, mediante el uso de resistencias y diodos, eliminar tensiones que no nos interesa que lleguen a un determinado punto de un circuito. Mediante un limitador podemos conseguir que a un determinado circuito le lleguen únicamente tensiones positivas o solamente negativas, no obstante esto también puede hacerse con un sólo diodo formando un rectificador de media onda, de forma que nos vamos a centrar en un tipo de limitador que no permite que a un circuito lleguen tensiones que podrían ser perjudiciales para el mismo.


Recortador sin polarizar

Imaginemos que en un caso como en el de la figura, no nos interesa que al circuito que estamos protegiendo (en este caso el elemento que vamos a proteger es la resistencia de carga RL) le lleguen tensiones superiores a 0.7 V, tanto positivos como negativos. Montando los dos diodos y la resistencia limitadora como se vé en la figura, nosotros conseguimos que cualquier tensión que exceda de 0.7 V o disminuya de -0.7 V, se vea recortada por los diodos. Estos 0.7 V de los que hablamos son la barrera de potencial del diodo. Hay que tener en cuenta que la resistencia limitadora (Rlim) es mucho menor que la resistencia de carga (RL), de este modo la tensión que cae en la resistencia limitadora es prácticamente nula y podemos despreciarla.

Aunque la resistencia limitadora pueda parecer innecesaria, es importante entender que en realidad es parte imprescindible del limitador, ya que si no estuviera conectada, al polarizarse uno de los diodos directamente (los dos diodos no pueden estar polarizados directamente al mismo tiempo), este comenzaría a conducir la corriente eléctrica sin control y se destruiría. Como su propio nombre indica, la resistencia limitadora tiene como función limitar la corriente que atraviesa los diodos.

De este modo, si la tensión de entrada supera por cualquier motivo los 0.7 V el diodo D1 quedará polarizado directamente y recortará el exceso de tensión. De igual forma, cuando la tensión de entrada disminuya de -0.7 V, el diodo D2 quedará polarizado directamente y recortará el exceso de tensión que podría dañar nuestra carga.


Recortador polarizado


Muchas veces no nos interesa que los diodos recorten las tensiones de entrada a los 0.7 V o a los -0.7 V. Por ejemplo, puede que lo que estemos buscando es que a la entrada no le lleguen tensiones superiores a los 10 V o inferiores a los -10 V (estas tensiones son aleatorias, nosotros elegimos las que más nos interesen), en ese caso no podemos usar el circuito antes mencionado, ahora necesitamos un limitador polarizado. La única diferencia respecto al anterior limitador es que en este caso vamos a polarizar los diodos con baterías, a fin de que sea necesaria una tensión de entrada mayor que 0.7 V para que los diodos se polaricen directamente.

Si lo que buscamos es que la tensión en la carga no sea mayor de 10 V ni inferior de -10 V, montaremos el siguiente circuito.


Veamos cómo funciona el circuito:

* Cuando la tensión de entrada se mantiene dentro de sus límites normales, esto es, entre 10 V y -10 V, ninguno de los diodos hace nada.
* En el momento en que la tensión es superior a los 10.7 V (los 10 V de la batería más los 0.7 V de la barrera de potencial del diodo), el diodo D1 queda polarizado directamente y empieza a conducir, de esta forma no permite que la tensión en la carga aumente.
* Si la tensión de entrada disminuye de los -10.7 V, en este caso es el diodo D2 el que se polariza directamente y comienza a conducir, no permitiendo que la tensión en la carga disminuya hasta niveles peligrosos.

Hay que destacar que en lugar de baterías, también podrían conectarse diodos zener polarizados inversamente cuya tensión zener fuera igual a la de las baterías que necesitamos colocar. Además las dos baterías o diodos zener no tienen por que tener el mismo potencial, todo depende de qué niveles de tensión queramos proteger el circuito. Es muy importante tener en cuenta que, en este último caso, en el que queremos recortar de forma diferente el semiciclo positivo y el negativo, se debe tener la precaución de que la segunda fuente sea mayor que la primera. No puede ser la primera mayor que la segunda, pues, llegado el caso en el que ambos diodos se cierren, cosa que puede ocurrir si (Vi-I.Rlim)>E1 (y por ende si E1>E2, (Vi-I.Rlim)>E2), con lo que ambos diodos están en polarización directa, o cortocircuitados, y la E1 intentará llevar a E2 al potencial que ella posee, con lo que se destruirá la batería.