Tiempo de Recuperación en Inversa del Diodo

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Generalmente, seamos honestos, cuando diseñamos circuitos electrónicos rara vez prestamos atención a todos los parámetros que vienen en la hoja de datos, esto es asi porque “lo mismo funciona” ¿para que perder tiempo considerando todo?.

¿Pero que sucede cuando trabajamos con circuitos mas complejos, de alta potencia (alta en serio por ej 750A) y con frecuencias elevadas? ahhh… la cosa ya no es tan simple,  hay que prestar atención al minimo detalle.

Uno de estos parámetros es el Tiempo de Recuperacion Inversa de un Diodo. Cuando trabajamos en conmutación es muy importante tener presente este tiempo, ya que una mala elección del diodo seguro que nos trae problemas al punto tal de que el circuito directamente no funcione.

Analicemos que es este tiempo y a que hace referencia…

Tiempo de Recuperacion en Inversa del Diodo

Cuando se aplica una polarización directa a una unión p-n, la densidad de portadores minoritarios es la indicada por la figura 1, donde se observa el incremento de los portadores minoritarios en las adyacencias de la unión provenientes de la inyección desde el otro lado de la unión donde están en exceso por ser mayoritarios.
Si la polarización de un circuito con un diodo polarizado en sentido directo,  pasa a ser en sentido inverso, la corriente no podrá pasar inmediatamente al valor que corresponde a la polarización inversa. La corriente no puede anularse a su valor de equilibrio hasta que la distribución de portadores minoritarios, que en el momento de invertir la tensión era la indicada en la figura 1.1.a., pase a ser la distribución de la figura 1.1.b., correspondiente a la distribución en polarización inversa

Concentracion de Portadores

Tiempo de transición y de almacenamiento

En la figura 2 se indica la secuencia que acompaña la inversión del sentido directo al inverso, en la polarización del diodo. Consideremos que la tensión de la figura 2.b se aplica al circuito resistencia diodo de la figura 2.a. Durante largo tiempo y hasta t1, se ha aplicado la tensión de polarización en el sentido directo vi = VF. La resistencia RL se supone lo suficientemente grande como para que la diferencia de potencial entre sus extremos sea elevada comparada con la del diodo. En este caso la corriente será i = VF/RL = IF. En el instante t = t1, la tensión de entrada se invierte bruscamente al valor v = -VR. Por las razones descritas anteriormente , la corriente no baja a cero, sino que se invierte y permanece a un valor i = -VR/RL = -IR hasta que transcurre un tiempo t = t2. En ese momento, tal como se observa en la figura 3.c, la densidad de portadores minoritarios pn a x = 0 ha alcanzado su estado de equilibrio pno. Si la resistencia óhmica del diodo es Rd. la tensión del diodo desde t1 cae lentamente pero no se invierte. Para t = t2, cuando el exceso de portadores minoritarios en las inmediaciones de la unión ha pasado a través de ella, la tensión en el diodo empieza a invertirse y la corriente a decrecer. El intervalo de t1 a t2 en el que la carga de minoritarios llega a ser cero, se denomina tiempo de almacenamiento ts.
El lapso de tiempo transcurrido entre t2 y el momento en que el diodo se ha recuperado totalmente, se denomina tiempo de transición ttr. Este intervalo de recuperación se completa cuando los portadores minoritarios que se hallan a cierta distancia de la unión lleguen a difundirse a través de ella, atravesándola, y, a la vez, cuando la capacidad de transición de la unión polarizada en inversa se cargue a la tensión -VR a través de la resistencia RL.

trr_diodo_fig2

Recombinación de la carga, Qrr

Durante el tiempo de almacenamiento la disminución de la concentración de minoritarios (figura 2.c.) no se debe solamente a la corriente inversa sino que se presenta también el fenómeno de recombinación de cargas por el cual la concentración de minoritarios tiende a pno  con el tiempo. Este hecho puede contribuir positivamente a mejorar el tiempo trr de un diodo, puesto que cargas que se recombinan son cargas que no formarán corriente inversa. Resulta interesante mencionar que un método tecnológico para aumentar la velocidad de recombinación en un semiconductor dopado consiste en agregar pequeñas cantidades de metales como el oro para crear centros de recombinación.

Especificaciones de los fabricantes:

Originalmente los diodos rectificadores registrados en el JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council of the Electronic Industries Association, EIA, and National Electrical manufacturer Association, NEMA) no requerían especificaciones de conmutación ya que las principales aplicaciones eran de 50-60 Hz. Actualmente la amplia aplicación de los diodos en conmutación de altas potencias requiere de especificaciones precisas que aseguren la compatibilidad entre dispositivos de distintos fabricantes; para esto se utiliza normalmente un circuito de “test” para obtención de los valores límites de trr como el mostrado en la figura 3 originalmente proyectado por JEDEC en 1970. Los componentes del circuito se deben ajustar a las condiciones especificadas para el test como por ejemplo:

* Tc = 25°C
* frecuencia de repetición de pulsos = 60 Hz
* di/dt = 25 A/us
* Corriente directa pico 4 veces mayor que la nominal
* Duración del pulso pequeña para minimizar la disipación de potencia.

trr_diodo_fig3

Este circuito es difícil de adaptar a las condiciones necesarias para medir diodos ultrarrápidos, por ejemplo, en los que el trr está por debajo de los 100 ns. El problema principal lo presenta el inductor que se usa para generar el pulso de corriente positiva que provoca oscilaciones cuando el diodo entra en la zona de alta impedancia (tb) de la recuperación dificultando con esto la medición de esta zona.
Debido a esto la nueva versión del Standard ANSI-EIA-282-A-1989 desarrollado por el comité JEDEC en diodos rectificadores y tiristores, y aprobado por ANSI en Septiembre de 1989, presenta la manera de manejar el diodo con pulsos cuadrados derivados de un circuito con MOSFETs de potencia. El circuito mostrado en la figura 4 permite valores altos de di/dt, típicos de los circuitos de potencia modernos, manteniendo los valores de inductancia bajos.

trr_diodo_fig4

La figura 5 muestra la forma de onda idealizada de la corriente en el dominio del tiempo resultante del circuito de la figura 4. El tiempo de recuperación inversa es normalmente medido entre el momento en que la corriente (previamente polarizada a IF)  pasa por cero, en el flanco descendente, y el momento en que la corriente inversa alcanza un valor menor al 10% de la corriente pico inversa IRM. Observando la figura 5, trr está dividido en dos partes. ta es el tiempo que tarda la concentración de minoritarios en llegar al valor de equilibrio y tb es el tiempo que tarda en formarse la zona de deplexión. El total de la carga desalojada se llama carga de recuperación inversa Qrr  que es la suma de Qa y Qb (Qf) representadas por las áreas debajo de la forma de onda durante ta y tb respectivamente. Asumiendo que Qrr está predominantemente formado Qa entonces el trr es aproximadamente igual a ta.
Tiempo de recuperación en inversa, trr

trr_diodo_fig5

Al final del periodo denotado como ta, la impedancia del diodo comienza a crecer provocando el decaimiento de la corriente inversa. La naturaleza del decaimiento durante tb depende de las impurezas del diodo y del circuito de testeo. Si la forma de onda decae suavemente de manera exponencial como se muestra en la figura 5.a, se dice que el diodo es de recuperación suave. Si en algún punto durante tb la forma de onda exhibe una variación rápida en la pendiente como se muestra en las otras figuras, la recuperación es abrupta. Este hecho provoca ciertas dificultades para establecer un parámetro estándar de medición por lo que se deberá especificar la forma en que se toma la medición para cada dispositivo en particular.
El método de medir ta coincide con los fabricantes, pero el método de medir tb no. En el caso de la figura 5.b y c el método es el cruce por cero, debido a que en esta zona está la principal cantidad de carga evacuada.

Relaciones entre Qrr y trr

Es la cantidad de portadores de carga que fluyen a través del diodo durante el tiempo de recuperación en inversa, trr debido a un cambio de conducción directa a inversa. Su valor queda determinado por el área encerrada por la trayectoria de recuperación en inversa.

trr_diodo_fig51

Pero, debido a crecimientos lentos de   es pequeño comparado con tf  , las fórmulas se simplifican en:

trr_diodo_fig52

El tiempo trr depende de la carga inversa, y de la velocidad de decrecimiento de la corriente, además de la temperatura.

Ejemplo

trr_diodo_fig6

Recuperación en Directa

Si un diodo está en condición de polarización inversa, fluye una corriente de fuga debido a los portadores minoritarios.

Si ahora se  le aplica una polarización directa, se obligaría al diodo a conducir. Pero, se requiere un cierto tiempo, conocido como “tiempo de recuperación en directa”, antes de que los portadores mayoritarios de toda la unión puedan contribuir al flujo de la corriente. Si el valor de   es alto, la corriente podría estar concentrada en forma no homogénea en la zona de la unión y el diodo podría fallar. Por lo tanto, el tiempo de recuperación en directo limita la velocidad de elevación de la corriente directa. Respecto a las limitaciones de la velocidad de conmutación, es despreciable frente al trr.

5 thoughts on “Tiempo de Recuperación en Inversa del Diodo”

  1. Que tal! Quisiera saber acerca de cuales son los diodos rapidos en tiempo de recuperacion en inversa y tambien los mas lentos. Espero puedan colaborar por favor. Saludos

  2. Hola.

    No sabria decirte cual es el diodo más lento, pero son los que vienen para trabajar en alterna como el 1N4007 (rectificador). Entre lo más rapidos yo conosco al 1N4148 que tiene un tiempo de recuperación inversa de tán solo 4ns, tiempo que se puede achicar si se emplea un sistema como los descriptos.

  3. Excelente página la que tienes aquí, por favor manten tu soporte a la comunidad de estudiantes, yo estoy preparando algo pero mucho mas modesto, guias de estudio para materias de la carrera y cosas por el estilo.

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