🤓 Los DIODOS CONECTADOS en SERIE

Esquema de conexión de diodos en serie

✋   En muchas aplicaciones de alto voltaje (por ejemplo, líneas de transmisión de corriente directa en alto voltaje (HVDC), un diodo de los que se consiguen en el mercado no puede cumplir con las especificaciones de voltaje, y los diodos se conectan en serie para aumentar sus posibilidades de bloqueo inverso.

👉  Consideremos dos diodos conectados en serie, como se ve en el circuito de la siguiente figura (a). 

Circuito de dos diodos conectados en serie con polarización en sentido inverso 

👧  Las variables I_D y v_D son la corriente y el voltaje, respectivamente, en sentido directo; v_D1 y v_D2  son los voltajes en sentido inverso compartidos de los diodos D₁ y D₂, respectivamente. En la práctica, las características v-i en diodos de un mismo tipo difieren, debido a las tolerancias de sus procesos de producción. En la figura (b) se ven dos características v-i para tales diodos. En la condición de polarización directa, ambos diodos conducen la misma cantidad de corriente, y la caída de voltaje de cada diodo en sentido directo sería casi igual. Sin embargo, en la condición de bloqueo inverso, cada diodo debe conducir la misma corriente de fuga, y en consecuencia los voltajes de bloqueo pueden ser distintos en forma apreciable.

👉Una solución sencilla para este problema es, como se ve en la siguiente imagen (a), forzar la partición a voltajes iguales conectando un resistor en paralelo con cada diodo. 

Esquema de diodos conectados en serie con características de voltaje de estado estable compartido

✌  Debido a la partición igual de voltajes, la corriente de fuga de cada diodo sería distinta, lo cual se ve en la anterior figura (b). Como la corriente total de fuga debe compartirse por un diodo y su resistor,

I_s = I_s1 + I_R1 = I_s2 + I_R2

💥  Sin embargo, I_R1 = V_D1 / R₁ , e I_R2 = V_D2 / R₂ = V_D1 / R₂ . Esta ecuación determina la relación entre R₁ y R₂, para voltajes compartidos iguales, que es:

I_s1 + V_D1 / R₁ = I_s2 + V_D1 / R₂

Si las resistencias son iguales, entonces R = R₁ = R₂, y los voltajes en los dos diodos serían un poco diferentes, dependiendo de las desigualdades entre las dos características v-i. Los valores de V_D1 y V_D2 se pueden determinar con las ecuaciones anteriores  quedando a continuación:  👇

I_s1 + V_D1 / R = I_s2 + V_D2 / R       

V_D1 + V_D2 = V_s

Los voltajes compartidos bajo condiciones transitorias (por ejemplo, debidas a cargas conmutantes,y las aplicaciones iniciales del voltaje de entrada) se obtienen conectando condensadores en paralelo con cada diodo, como se ve en la siguiente imagen. 

Esquema de diodos en serie con redes de voltaje compartido bajo condiciones de estado estable y estado transitorio

R_S limita la velocidad de aumento del voltaje de bloqueo. 

Ejemplo práctico. Determinación de resistores para compartir voltaje

Se conectan dos diodos en serie, como vimos en la figura anterior, para compartir un voltaje total de corriente continua (cd) en sentido inverso de V_D = 5kV. Las corrientes de fuga inversas de los dos diodos son I_s1 = 30 mA e I_s2 = 35 mA. 

a) Determinar los voltajes de diodo, si las resistencias de voltaje compartido son iguales, 

R₁ = R₂ = 100k Ω. 

b) Determinar las resistencias de voltaje compartido R₁ y R₂ para que los voltajes en los diodos sean iguales, V_D1 = V_D2 = V_D / 2 . 

c) Usar PSpice para comprobar los resultados del apartado (a). Los parámetros del modelo PSpice de los diodos son BV = 3 kV a IS = 30 mA para el diodo D₁, e IS = 35 mA para el diodo D₂.

Solución

a) I_s1 30 mA, I_s2 = 35 mA y R₁ = R₂ = R = 100k Ω.  - V_D = - V_D1 – V_D2 , es decir:

V_D2 = V_D – V_D1. De la ecuación vista anteriormente podemos exponer,

I_s1 + V_D1 / R = I_s2 + V_D2 / R

Sustituyendo V_D2 = V_d – V_D1 y despejando el voltaje del diodo D₁ se llega a

V_D1 = V_D / 2 + R / 2(I_s2 – I_s1) = 5kV / 2 + 100k Ω / 2(35 x 10^-3 – 30 x 10^-3) = 2750 V

y V_D2 = V_D – V_D1 = 5kV – 2750 = 2250V.

b) I_s1 = 30 mA, I_s2 = 35 mA y V_D1 = V_D2 = V_D / 2 = 2.5 kV. De acuerdo con la ecuación explicada anteriormente, 

I_s1 + V_D1 / R₁ = I_s2 + V_D2 / R₂

donde se obtiene la resistencia R₂ para un valor conocido de R1 como sigue:

R₂ = V_D2 R₁ / V_D1 – R₁(I_s2 – I_s1)

Suponiendo que R1 = 100 kΩ , se obtiene

R₂ = 2,5kV x 100k Ω / 2,5kV – 100k Ω x (35 x 10^-3 – 30 x 10^-3) = 125k Ω

c) El circuito con diodos para simulación con PSpice se ve en la siguiente imagen. El archivo del circuito es el siguiente:  👇

Circuito de diodo para simulación con PSpice

Nota: SPICE proporciona los mismos voltajes que los esperados. Se inserta una pequeña resistencia 

R = 10 mΩ para evitar un error de SPICE por un lazo de voltaje con resistencia cero.

Resumiendo los puntos claves de este post

Cuando se conectan en serie diodos del mismo tipo, no comparten el mismo voltaje inverso, por la falta de coincidencia en sus curvas características v-i. Las redes de voltaje compartido se necesitan para igualar las repeticiones de voltaje.

💥   En la próxima publicación vamos a ver el estudio de los diodos conectados en paralelo.

Escrito por Archie Tecnology