Ejercicios: El diodo y sus aplicaciones

Un diodo de silicio puede encontrarse en tres situaciones: (a) polarizado en directa por encima de su tensión umbral, (b) polarizado en directa por debajo del umbral, (c) polarizado en inversa. Relaciona cada situación con su comportamiento —conduce una corriente apreciable y caen en él unos $0{,}7\ \text{V}$; prácticamente no conduce aunque el ánodo sea más positivo que el cátodo; no conduce salvo una corriente de fuga despreciable— y justifica cada correspondencia con la curva característica.

Indica si son verdaderas o falsas estas afirmaciones sobre un diodo de silicio, justificando cada respuesta: (a) en directa conduce por pequeña que sea la tensión aplicada; (b) en inversa soporta cualquier tensión sin dañarse; (c) una vez en conducción, la tensión entre sus terminales se mantiene aproximadamente constante; (d) el diodo ideal no deja pasar la corriente en ningún sentido.

Explica qué significa rectificar una corriente alterna y en qué se diferencian la rectificación de media onda y la de onda completa: cuántos semiciclos de la entrada se aprovechan en cada caso, qué aspecto tiene la tensión de salida de cada una y cuál de las dos entrega más energía a la carga.

Un transformador alimenta, a través de un único diodo en serie, una carga resistiva. Dibuja la onda senoidal de entrada y, debajo y a la misma escala de tiempos, la onda que aparece en la carga, explicando qué ocurre en cada semiciclo y por qué.

Tras un puente rectificador se conecta un condensador en paralelo con la carga. Explica cómo actúa ese condensador de filtro: cuándo se carga, cuándo cede su carga a la carga, qué es la tensión de rizado y qué le ocurre al rizado si el equipo consume más corriente.

El diodo Zener trabaja deliberadamente en la zona de ruptura. Explica en qué polarización se conecta en un circuito regulador, qué tensión mantiene entre sus terminales mientras regula y qué ocurre si se conecta al revés (en directa). ¿Para qué se usa esa propiedad?

Un LED es un diodo que emite luz al conducir en directa. Explica qué tensión cae en él en conducción según su color (valores orientativos: unos $1{,}8\ \text{V}$ en un rojo y unos $3{,}4\ \text{V}$ en uno azul o blanco) y razona por qué un LED nunca debe conectarse a una fuente sin su resistencia en serie.

Relaciona cada componente con su aplicación típica y justifica la elección: (a) diodo rectificador 1N4007, (b) diodo Zener, (c) LED, (d) fotodiodo; con estas aplicaciones: convertir alterna en continua, mantener constante una tensión, señalización luminosa de un panel y detectar el nivel de luz ambiental.

Una tensión senoidal de $12\ \text{V}$ eficaces se rectifica en media onda con un diodo de silicio ($0{,}7\ \text{V}$ de umbral). a) Calcula el valor máximo de la tensión de entrada. b) Calcula el valor máximo que alcanza la tensión en la carga. c) Calcula el valor medio de la salida sabiendo que en media onda $V_{med} = \frac{V_{max}}{\pi}$, y comenta el resultado.

En un puente de diodos conducen siempre dos diodos a la vez, por lo que la salida pierde dos umbrales. Si la entrada senoidal tiene un valor máximo de $18\ \text{V}$, calcula el valor máximo de la salida rectificada y explica, siguiendo el camino de la corriente, por qué en cada semiciclo atraviesa dos diodos distintos del puente.

La figura muestra un rectificador de onda completa con puente de diodos, con las ondas de entrada y de salida. a) Indica qué dos diodos conducen en el semiciclo positivo de la entrada y cuáles en el negativo. b) Calcula el valor máximo de la salida, marcado con el interrogante, si la entrada es de $12\ \text{V}$ eficaces y cada diodo en conducción cae $0{,}7\ \text{V}$. c) Razona por qué la frecuencia de la onda de salida es el doble que la de entrada.

Una fuente sin estabilizar entrega $15\ \text{V}$ y se quiere alimentar un circuito a $5{,}1\ \text{V}$ mediante un diodo Zener. La carga consume $30\ \text{mA}$ y el Zener necesita al menos $5\ \text{mA}$ para regular bien. a) Calcula la corriente que debe atravesar la resistencia serie. b) Calcula su valor con $R = \frac{V_{ent} - V_Z}{I}$ y elige el valor comercial más próximo.

La figura muestra un regulador con diodo Zener. a) Calcula la resistencia serie $R$, marcada con el interrogante, para que con la carga conectada queden al menos los $5\ \text{mA}$ de Zener indicados. b) Calcula la corriente que atraviesa el Zener si se desconecta la carga y razona por qué ese es su peor caso. c) Calcula la potencia que disipa entonces el Zener y comenta si sirve uno de $0{,}5\ \text{W}$.

Se quiere conectar un LED rojo ($2\ \text{V}$, $15\ \text{mA}$) a una pila de $9\ \text{V}$. a) Calcula la resistencia de protección con $R = \frac{V_{cc} - V_{LED}}{I}$. b) Elige el valor comercial normalizado más próximo por encima, calcula la corriente real que circulará y comenta si el LED queda bien protegido.

Un LED azul de $3{,}2\ \text{V}$ se alimenta desde $5\ \text{V}$ con una resistencia de $150\ \Omega$. a) Calcula la corriente del circuito. b) Calcula la potencia disipada en la resistencia y en el LED. c) Explica qué ocurre si se sustituye por un LED rojo de $1{,}9\ \text{V}$ manteniendo la misma resistencia.

En una fuente con puente y condensador de filtro, explica cualitativamente cómo cambia el rizado cuando: (a) se duplica la capacidad del condensador; (b) se duplica la corriente que consume la carga; (c) se pasa de media onda a onda completa manteniendo todo lo demás. Razona cada respuesta con los tiempos de carga y descarga del condensador entre picos.

Diseña sobre el papel una fuente de alimentación de $9\ \text{V}$ estabilizada a partir de la red: enumera sus cuatro etapas (transformador, puente rectificador, condensador de filtro y regulador con Zener), explica la función de cada una y calcula la tensión eficaz que conviene pedir al secundario del transformador si tras el puente y el filtro se quieren unos $13\ \text{V}$ de continua (no olvides la caída de $1{,}4\ \text{V}$ del puente ni que el condensador se carga aproximadamente al valor máximo).

En un puente de diodos uno de los cuatro se funde y queda en circuito abierto. Analiza las consecuencias: qué semiciclos llegan ahora a la carga, qué forma tiene la tensión de salida, en cuánto se reduce aproximadamente su valor medio respecto al funcionamiento correcto y por qué empeora el rizado aunque el condensador de filtro sea el mismo.

Un regulador Zener alimenta una carga que varía entre $10\ \text{mA}$ y $40\ \text{mA}$. La fuente entrega $12\ \text{V}$ y el Zener es de $5{,}1\ \text{V}$ y $1\ \text{W}$, con un mínimo de $5\ \text{mA}$ para regular. a) Calcula la resistencia serie que garantiza la regulación en el peor caso (carga máxima). b) Comprueba que con la carga mínima el Zener no supera su potencia máxima. c) Explica qué ocurre si la carga supera el máximo de diseño.

Diseña un regulador Zener completo: se dispone de una fuente de $18\ \text{V}$ y hay que alimentar un circuito de $12\ \text{V}$ que consume entre $5\ \text{mA}$ y $25\ \text{mA}$. Elige la tensión del Zener, fija su corriente mínima en $10\ \text{mA}$, calcula la resistencia serie, elige un valor comercial E12 y comprueba las potencias máximas que disiparán el Zener (con la carga al mínimo) y la resistencia.

Compara cuantitativamente la media onda y la onda completa para una entrada senoidal de $10\ \text{V}$ de valor máximo con diodos ideales: calcula el valor medio de cada salida ($\frac{V_{max}}{\pi}$ frente a $\frac{2 \cdot V_{max}}{\pi}$), indica la frecuencia del rizado en cada caso con red de $50\ \text{Hz}$ y razona por qué la onda completa se filtra mejor con el mismo condensador.

La figura muestra un limitador con dos diodos Zener en oposición y las ondas de entrada y salida. a) Explica cómo se comporta la serie de los dos Zener en cada polaridad de la entrada (uno en directa y el otro en su región Zener). b) Calcula el nivel de recorte, marcado con el interrogante, sabiendo que cada Zener es de $3{,}3\ \text{V}$ y la caída en directa es de $0{,}7\ \text{V}$. c) Cita una aplicación práctica de este circuito (protección de entradas sensibles, conformado de señal) y razona el papel de la resistencia $R$.

Una fuente de alimentación casera presenta averías. Relaciona cada síntoma con su causa más probable, explica el mecanismo y describe la comprobación con el polímetro que lo confirma: (a) la salida tiene el valor correcto pero con un rizado enorme; (b) no hay tensión de salida y el fusible aparece fundido; (c) la salida tiene aproximadamente la mitad del valor esperado y muy rizada; (d) el LED indicador no enciende pero la fuente funciona. Causas: condensador de filtro deteriorado, cortocircuito a la salida o diodo del puente en corto, un diodo del puente abierto, LED montado al revés o su resistencia abierta.

Diseña la señalización de un equipo alimentado a $12\ \text{V}$ con dos LED: uno verde ($2{,}1\ \text{V}$) que debe lucir a $10\ \text{mA}$ y uno rojo ($1{,}9\ \text{V}$) a $20\ \text{mA}$. a) Calcula las dos resistencias de protección y elige valores comerciales E12. b) Calcula las corrientes reales y la potencia que disipa cada resistencia. c) Razona por qué los dos LED en paralelo no pueden compartir una única resistencia común (sus umbrales distintos reparten mal la corriente).