Un diodo de potencia es un dispositivo semiconductor cristalino utilizado principalmente para convertir corriente alterna (CA) en corriente continua (CC), un proceso conocido como rectificación. Encontrado en los circuitos de suministro de energía de prácticamente todos los equipos eléctricos y electrónicos modernos, la función de un diodo de potencia es similar a una válvula mecánica de una vía. Conduce corriente eléctrica con resistencia mínima en una dirección, conocida como su dirección de avance, mientras evita que la corriente fluya en la dirección opuesta. Típicamente capaces de pasar hasta varios cientos de amperios hacia adelante, los diodos de potencia tienen uniones PN mucho más grandes y, por lo tanto, una mayor capacidad de carga de corriente directa que sus parientes de diodos de señal más pequeños utilizados en la electrónica de consumo para regular y reducir la corriente. Esto hace que los diodos de potencia sean más adecuados para aplicaciones donde intervienen corrientes más grandes y voltajes más altos.
¿Qué es un diodo de potencia?
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¿Qué es un diodo rectificador? ¿Es lo mismo que un diodo de unión PN?
Una aplicación ampliamente utilizada de esta característica y los diodos en general es en la conversión de un voltaje alterno (AC) en un voltaje continuo (DC). En otras palabras, la rectificación.
Pero los diodos de señal pequeños también se pueden usar como rectificadores en aplicaciones o rectificadores de baja potencia y baja corriente (menos de 1 amperio), pero donde las corrientes de polarización directa más grandes o los voltajes de bloqueo de polarización inversa más altos están involucrados en la unión PN de un diodo de señal pequeño eventualmente se sobrecalentaría y derretiría, de modo que en su lugar se usan diodos de potencia más grandes y robustos.
El diodo semiconductor de potencia, conocido simplemente como el diodo de potencia, tiene un área de unión PN mucho más grande en comparación con su primo de diodo de señal más pequeño, lo que resulta en una alta capacidad de corriente directa de hasta varios cientos de amperios (KA) y un voltaje de bloqueo inverso de hasta a varios miles de voltios (KV).
Dado que el diodo de alimentación tiene una unión PN grande, no es adecuado para aplicaciones de alta frecuencia por encima de 1MHz, pero están disponibles diodos especiales y costosos de alta frecuencia y alta corriente. Para aplicaciones de rectificadores de alta frecuencia, los diodos Schottky se usan generalmente debido a su corto tiempo de recuperación inversa y baja caída de voltaje en su condición de polarización directa.
Los diodos de alimentación proporcionan una rectificación incontrolada de la energía y se utilizan en aplicaciones como la carga de la batería y las fuentes de alimentación de CC, así como los rectificadores e inversores de CA. Debido a sus altas características de corriente y voltaje, también se pueden usar como diodos de libre circulación y redes amortiguadoras.
Los diodos de potencia están diseñados para tener una resistencia hacia adelante “ENCENDIDO” de fracciones de un Ohm mientras su resistencia de bloqueo inverso está en el rango de mega-Ohmios. Algunos de los diodos de potencia de mayor valor están diseñados para ser “montados en montantes” en disipadores térmicos, lo que reduce su resistencia térmica entre 0.1 y 1oC / vatio.
Si se aplica un voltaje alterno a través de un diodo de potencia, durante el semiciclo positivo, el diodo conducirá corriente de paso y durante el semiciclo negativo, el diodo no conducirá bloqueando el flujo de corriente. Entonces, la conducción a través del diodo de potencia solo ocurre durante el medio ciclo positivo y, por lo tanto, es unidireccional, es decir, CC, como se muestra.
Rectificador de diodo de potencia
rectificador de diodos de potencia
Los diodos de potencia se pueden usar individualmente como se indicó anteriormente o se pueden conectar entre sí para producir una variedad de circuitos rectificadores como “Half-Wave”, “Full-Wave” o como “Bridge Rectifiers”. Cada tipo de circuito rectificador puede clasificarse como no controlado, medio controlado o totalmente controlado cuando un rectificador no controlado usa solo diodos de potencia, un rectificador completamente controlado usa tiristores (SCR) y un rectificador medio controlado es una mezcla de diodos y tiristores.
El diodo de potencia individual más comúnmente utilizado para aplicaciones de electrónica básica es el diodo rectificador de vidrio de tipo pasivado serie 1N400x de uso general con clasificaciones estándar de corriente continua rectificada directa de 1.0 amp y clasificaciones de voltaje de bloqueo inverso de 50v para el 1N4001 hasta 1000v para el 1N4007, con el pequeño 1N4007GP siendo el más popular para la rectificación de voltaje de red de uso general.
Rectificación de media onda
Un rectificador es un circuito que convierte la potencia de entrada de corriente alterna (CA) en una potencia de salida de corriente continua (CC). La fuente de alimentación de entrada puede ser monofásica o multifásica, siendo el más simple de todos los circuitos rectificadores el del Rectificador de media onda.
El diodo de potencia en un circuito rectificador de media onda pasa solo la mitad de cada onda sinusoidal completa del suministro de CA para convertirlo en un suministro de CC. Entonces, este tipo de circuito se llama un rectificador de “media onda” porque solo pasa la mitad de la fuente de alimentación de CA entrante como se muestra a continuación.
Circuito rectificador de media onda
circuito rectificador de media onda
Durante cada medio ciclo “positivo” de la onda sinusoidal de CA, el diodo se polariza hacia adelante ya que el ánodo es positivo con respecto al cátodo, lo que resulta en una corriente que fluye a través del diodo.
Dado que la carga de CC es resistiva (resistencia, R), la corriente que fluye en la resistencia de carga es, por lo tanto, proporcional a la tensión (Ley de Ohm), y la tensión a través de la resistencia de carga será, por lo tanto, igual a la tensión de alimentación, Vs (menos Vf), es decir, el voltaje “CC” a través de la carga es sinusoidal para la primera mitad del ciclo solamente, entonces Vout = Vs.
Durante cada medio ciclo “negativo” de la forma de onda de entrada sinusoidal de CA, el diodo se polariza inversamente ya que el ánodo es negativo con respecto al cátodo. Por lo tanto, NO fluye corriente a través del diodo o circuito. Luego, en el semiciclo negativo del suministro, no fluye corriente en la resistencia de carga ya que no aparece voltaje a través de ella, por lo tanto, Vout = 0.
La corriente en el lado de CC del circuito fluye en una dirección solo haciendo que el circuito sea unidireccional. A medida que la resistencia de carga recibe del diodo una mitad positiva de la forma de onda, cero voltios, una mitad positiva de la forma de onda, cero voltios, etc., el valor de este voltaje irregular sería igual en valor a un voltaje de CC equivalente de 0.318 x Vmáx. de la forma de onda sinusoidal de entrada o 0,45 x Vrms de la forma de onda sinusoidal de entrada.
Luego, el voltaje DC equivalente, VDC a través de la resistencia de carga se calcula de la siguiente manera.
forma de onda del rectificador de media onda
ecuación de voltaje de cc rectificada
Donde Vmax es el valor de voltaje máximo o pico del suministro sinusoidal de CA, y VS es el valor RMS (Root Mean Squared) del suministro.
Diodo de potencia Ejemplo No1
Calcule el voltaje a través de VDC y el IDC actual, que fluye a través de una resistencia de 100Ω conectada a un rectificador de media onda monofásico de 240 Vrms como se muestra arriba. Calcule también la potencia de CC consumida por la carga.
ecuación de corriente de diodos de potencia
Durante el proceso de rectificación, el voltaje y la corriente de salida de CC resultantes, por lo tanto, están “ENCENDIDOS” y “APAGADOS” durante cada ciclo. Como el voltaje a través de la resistencia de carga solo está presente durante la mitad positiva del ciclo (50% de la forma de onda de entrada), esto da como resultado un valor de CC promedio bajo que se suministra a la carga.
La variación de la forma de onda de salida rectificada entre esta condición de “ENCENDIDO” y “APAGADO” produce una forma de onda que tiene grandes cantidades de “ondulación” que es una característica indeseable. La ondulación de CC resultante tiene una frecuencia que es igual a la de la frecuencia de suministro de CA.
Muy a menudo, al rectificar un voltaje alterno, deseamos producir un voltaje de CC “estable” y continuo, libre de cualquier variación de voltaje o ondulación. Una forma de hacerlo es conectar un condensador de gran valor a través de los terminales de voltaje de salida en paralelo con la resistencia de carga como se muestra a continuación. Este tipo de condensador se conoce comúnmente como un “depósito” o condensador de suavizado.
Rectificador de media onda con condensador de suavizado
diodo de potencia con condensador de suavizado
Cuando se utiliza la rectificación para proporcionar una fuente de alimentación de voltaje directo (CC) desde una fuente alterna (CA), la cantidad de voltaje de ondulación puede reducirse aún más mediante el uso de condensadores de mayor valor, pero existen límites tanto en costo como en tamaño para los tipos de suavizado condensadores utilizados.
Para un valor de condensador dado, una corriente de carga mayor (menor resistencia de carga) descargará el condensador más rápidamente (constante de tiempo RC) y aumentará la ondulación obtenida. Luego, para un circuito rectificador de media onda monofásico que utiliza un diodo de potencia, no es muy práctico intentar reducir el voltaje de ondulación mediante el suavizado del condensador solo. En este caso, sería más práctico utilizar la “Rectificación de onda completa”.
En la práctica, el rectificador de media onda se usa con mayor frecuencia en aplicaciones de baja potencia debido a sus principales desventajas. La amplitud de salida es menor que la amplitud de entrada, no hay salida durante el semiciclo negativo, por lo que se desperdicia la mitad de la potencia y la salida es CC pulsada, lo que produce una ondulación excesiva.
Para superar estas desventajas, se conectan varios diodos de potencia para producir un rectificador de onda completa, como se explica en el siguiente tutorial.
El diodo está compuesto básicamente por semiconductores que tienen dos características, tipo ‘P’ y tipo ‘N’. Los semiconductores de tipo ‘P’ y ‘N’ representan semiconductores de tipo positivo y negativo. El semiconductor tipo ‘P’ tendrá una cantidad excesiva de agujeros en la configuración y el semiconductor tipo ‘N’ tendrá una cantidad excesiva de electrones. Si ambos tipos de características están presentes en un solo cristal, entonces puede denominarse diodo.
Las corrientes de polarización directa más grandes o los voltajes de bloqueo de polarización inversa más altos están involucrados, la unión PN de un pequeño diodo de señal eventualmente se sobrecalentaría y fundiría, por lo que se utilizan diodos de potencia más grandes y robustos.
El diodo semiconductor de potencia, conocido simplemente como el diodo de potencia, tiene un área de unión PN mucho más grande en comparación con su primo de diodo de señal más pequeño, lo que resulta en una alta capacidad de corriente directa de hasta varios cientos de amperios (KA) y un voltaje de bloqueo inverso de hasta a varios miles de voltios (KV).
Consulte aquí los tipos de diodos, el funcionamiento del diagrama funcional y las características.
Por ahora, espero que haya llegado a saber cómo se fabrican los diodos a partir de las respuestas anteriores. Como una pequeña comparación, estoy dando una visión general básica.
Principalmente hay dos clasificaciones en diodos.
- Diodo de potencia
- Diodo de señal
Para los diodos de potencia, es una ventaja que manejen alta potencia pero … a baja frecuencia Ex. SCR
Para los diodos de señal, operan en frecuencias muy altas (rangos de MHz, GHz) pero tienen una capacidad de transferencia de potencia muy baja. Ej: MOSFET’s
Finalmente para obtener ambos a un nivel promedio, surgieron los IGBT que tienen una capacidad de manejo de potencia y velocidad comparable.
Así que aquí está la relación en diodos … Potencia inversamente proporcional a la frecuencia. es decir, si quieres operar a alta potencia, olvídate de la frecuencia.
Por lo general, el diodo destinado a transportar alta corriente y / o operar en aplicaciones de alto voltaje son diodos de potencia. Son algunos más grandes que los diodos rectificadores normales. Sus clasificaciones actuales son más grandes, en pocos amperios. Las clasificaciones de PIV pueden ser de cientos de voltios.
El diodo semiconductor de potencia es la contraparte de “nivel de potencia” de los “diodos de señal de baja potencia” con los que la mayoría de nosotros tenemos algún grado de familiaridad. Sin embargo, se requiere que estos dispositivos de potencia transporten hasta varios kA de corriente en condiciones de polarización directa y bloqueen hasta varios kV en condiciones de polarización inversa. Estos requisitos extremos requieren cambios estructurales en un diodo de potencia, que afectan significativamente sus características de funcionamiento.
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