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ELECTRÓNICA I. APUNTES DE CLASE
UNIDAD TEMÁTICA NO 1. DIODOS SEMICONDUCTORES Y
APLICACIONES
1.1 FISICA DE LOS SEMICONDUCTORES, NIVELES DE ENERGÍA Y
MATERIALES EXTRÍNSECOS.
La palabra semiconductor se aplica normalmente a un rango de nivel entre dos
límites. Los materiales se clasifican de acuerdo con la facilidad para permitir el flujo
de carga o conductividad cuando una fuente de voltaje de magnitud limitada se
aplica a sus terminales, así: conductores, cuando hay un gran flujo de carga;
aislante o dieléctrico cuando ese flujo es nulo o casi nulo y semiconductor cuando
el flujo de carga es mucho mayor al dieléctrico y mucho menor al de un conductor.
La resistividad o resistencia al flujo de carga es una magnitud relacionada
inversamente con la conductividad.
Mientras mayor sea la conductividad del material menor será la resistividad del
mismo.
Se define la resistividad (ƿ) como la magnitud característica que mide la capacidad
de un material para oponerse al flujo de una corriente eléctrica. También recibe el
nombre de resistencia específica. Es la inversa de la conductividad eléctrica (σ). La
resistividad se mide en ohmímetro.
La resistividad eléctrica de un material viene dada por la expresión R · S/l, donde R
es la resistencia eléctrica del material, l la longitud y S la sección transversal.
Entonces:
En la tabla 1 se visualizan los valores de la resistividad en los diferentes clases de
materiales
Tabla 1. Valores representativos de la resistividad
Conductor
p=10-6Q-m. Cobre
Semiconductor
ρ ≈ 50 Ω- cm. Germanio
ρ ≈ 50 * 103 Ω- cm. Silicio
Dieléctrico
ρ ≈ 1012 Ω- cm. Mica
Fuente: https://books.google.co
Nos centraremos en los semiconductores advirtiendo que el germanio (Ge) y el
silicio (Si) no son los únicos dos materiales semiconductores, pero ellos son los que
más se han trabajado en el desarrollo de dispositivos semiconductores. Pues estos
materiales poseen una consideración especial, se pueden fabricar con un alto nivel
de pureza. Se ha logrado una razón de una parte de impureza en diez mil millones
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de partes de material (1:10.000.000.000). Esto es fundamental, porque si los niveles
de impurezas son mayores se puede pasar de un material semiconductor a uno
conductor.
La otra razón importante para que el silicio y el germanio sean tenidos en cuenta
en la fabricación de semiconductores está en la habilidad para transformar
significativamente las características del material en un proceso
llamado dopaje. Además, pueden ser modificados por otros métodos como la
aplicación de luz o de calor.
El silicio y el germanio tienen una estructura atómica bien definida que por
naturaleza es periódica, es decir, que se repite continuamente. El patrón completo
se denomina cristal y el arreglo periódico se denomina red. En un cristal puro de
germanio o de silicio, los átomos están unidos entre sí en disposición periódica,
formando una rejilla cúbica tipo diamante perfectamente regular. Cada átomo del
cristal tiene cuatro electrones de valencia, cada uno de los cuales interactúa con el
electrón del átomo vecino formando un enlace covalente. Al no tener los electrones
libertad de movimiento, a bajas temperaturas y en estado cristalino puro, el material
actúa como un aislante.
Pero es posible que estos electrones adquieran suficiente energía cinética de origen
natural para romper el enlace y asumir el estado de “libre”.
El término libre manifiesta que su movimiento será muy sensible a la aplicación de
potenciales eléctricos. Las causas naturales incluyen efectos como la energía
luminosa en forma de fotones o energía térmica que proviene del entorno.
El silicio tiene alrededor de 1,5 X 1010 portadores libres en un centímetro cuadrado
de material intrínseco de silicio. Los electrones libres generados por causas
naturales se denominan portadores intrínsecos.
Los cristales de germanio o de silicio contienen pequeñas cantidades de impurezas
que conducen la electricidad, incluso a bajas temperaturas. Las impurezas tienen
dos efectos dentro del cristal. Las impurezas de fósforo, antimonio o arsénico se
denominan impurezas donantes porque aportan un exceso de electrones. Este
grupo de elementos tiene cinco electrones de valencia, de los cuales sólo cuatro
establecen enlaces con los átomos de germanio o silicio.
Por lo tanto, cuando se aplica un campo eléctrico, los electrones restantes de las
impurezas donantes quedan libres para desplazarse a través del material cristalino.
Por el contrario, las impurezas de galio y de indio disponen de sólo tres electrones
de valencia, es decir, les falta uno para completar la estructura de enlaces
interatómicos con el cristal. Estas impurezas se conocen como impurezas
receptoras, porque aceptan electrones de átomos vecinos. A su vez, las deficiencias
resultantes, o huecos, en la estructura de los átomos vecinos se rellenan con otros
electrones y así sucesivamente.
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Mientras más distante se encuentre un electrón del núcleo, mayor será su estado
de energía. La región prohibida se encuentra entre la banda de valencia y la banda
de ionización. Donde ionización es el mecanismo por medio del cual un electrón
puede absorber energía suficiente para escapar de la estructura atómica e ingresar
a la banda de conducción. Aparece el término de electrón volts. El cuál es la medida
con la cual se mide la energía asociada a cada electrón.
Se define la energía como el producto entre voltaje y carga asociada a cada
electrón y está dada en electrón voltios (eV).
En la figura No. 2 se visualizan las bandas de conducción y de valencia para las
diferentes clases de materiales
Fuente: http://cursos.tecmilenio.edu.mx/
Si sustituimos la carga de un electrón y una diferencia de potencial de 1 voltio en
ese producto, obtendremos como resultado un nivel de energía referido como un
electrón voltio. La energía se expresa también en joules y la carga de un electrón
en 1,6 X 10-19 coulomb, entonces:
W= QV = (1,6 X 10-19 C) * (1 V) (1.3)
1 Ev = 1,6 X 10-19 J (1.4)
Cuando la temperatura es de 0 K o cero absolutos (-273,15 °C), todos los electrones
de valencia de un material semiconductor estarán ligados a la estructura atómica.
Pero si la temperatura llegase a 300 K o 25 °C, un número alto de electrones de
valencia habrán adquirido la suficiente energía para abandonar la banda de
valencia, cruzar la banda de energía vacía definida por Eg e ingresar a la banda de
conducción. En la figura 2 se establece una tabla para diferentes materiales
semiconductores y el valor de Eg. Es evidente que a temperaturas ambiente
existirán portadores libres, más que suficiente para mantener un flujo constante de
carga o corriente.
Entre los semiconductores comunes se encuentran elementos químicos y
compuestos, como el silicio, el germanio, el selenio, el arseniuro de galio, el
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seleniuro de zinc y el telururo de plomo. El incremento de la conductividad
provocado por los cambios de temperatura, la luz o las impurezas se debe al
aumento del número de electrones conductores que transportan la corriente
eléctrica. En un semiconductor característico o puro como el silicio, los electrones
de valencia (o electrones exteriores) de un átomo están emparejados y son
compartidos por otros átomos para formar un enlace covalente que mantiene al
cristal unido. Estos electrones de valencia no están libres para transportar corriente
eléctrica.
Para producir electrones de conducción, se utiliza la luz o la temperatura, que excita
los electrones de valencia y provoca su liberación de los enlaces, de manera que
pueden transmitir la corriente. Las deficiencias o huecos que quedan contribuyen al
flujo de la electricidad (se dice que estos huecos transportan carga positiva). Éste
es el origen físico del incremento de la conductividad eléctrica de los
semiconductores a causa de la temperatura
Clases de materiales semiconductores


Material intrínseco: material semiconductor refinado para reducir sus
impurezas a un nivel tan bajo que sea esencialmente puro (tecnología
moderna).
Material extrínseco: material semiconductor que ha sido sujeto a un dopado,
con la finalidad de alterar sus características eléctricas mediante la adición
de átomos de impurezas.
Clases de materiales extrínsecos: tipo n y tipo p

Material tipo n: se forman añadiendo elementos de impureza con cinco
electrones de valencia (pentavalentes) como arsénico (As), antimonio (Sb) y
fósforo (P). Ejemplo: Figura No.3 Impureza de antimonio
Fuente: http://cursos.tecmilenio.edu.mx/
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A las impurezas difundidas con cinco electrones de valencia se les llama átomos
donadores.
El agregado de impurezas no hace que el átomo pierda su neutralidad, aunque
existan un gran número de portadores libres (electrones), # de electrones = # de
protones en las órbitas del átomo.
Ahora, los electrones libres pasan de la banda de valencia a la banda de conducción
con menor dificultad a temperatura ambiente, dando como resultado un gran
número de portadores (electrones) en el nivel de conducción y aumentando la
conductividad del material de forma significante.
Material tipo p: se forma añadiendo elementos de impureza con tres electrones de
valencia; como el boro (B), galio (Ga) e indio (In). Ejemplo: Figura No. 4: impureza
del boro
Fuente: http://cursos.tecmilenio.edu.mx/
A las impurezas difundidas con tres electrones de valencia se les conoce como
átomos aceptadores.
El agregado de impurezas no hace que el átomo pierda su neutralidad, aunque
exista un gran número de portadores libres (huecos), # de electrones = # de
protones en las órbitas del átomo.
En un material tipo n al electrón se le llama portador mayoritario y el hueco es el
portador minoritario.
En un material tipo p al hueco se le llama portador mayoritario y el electrón es el
portador minoritario.
La corriente convencional está establecida por el movimiento de huecos.
Una unión pn está formada por la aleación metálica de un material semiconductor
tipo p y n.
Una unión pn se convierte en diodo, agregando contactos óhmicos que permiten
que la unión quede conectada a otros elementos del circuito. Es decir un diodo
semiconductor está formado por materiales tipo p y tipo n así:
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Símbolo eléctrico
Fuente:www.asifunciona.com
1.2 APROXIMACIONES DE LOS DIODOS SEMICONDUCTORES.
1.2.1 Primera Aproximación (el diodo ideal)
La exponencial se aproxima a una vertical y una horizontal que pasan por el origen
de coordenadas. Este diodo ideal no existe en la realidad, no se puede fabricar por
eso es ideal.
Figura No. 5 Curva característica del diodo ideal
Fuente: http://www.sc.ehu.es/
Polarización directa: En polarización directa el diodo ideal actúa como un
interruptor cerrado, es decir se visualiza como un corto circuito.
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Figura No.6. Diodo ideal en polarización directa
Fuente: Fuente: http://www.sc.ehu.es/
Polarización inversa: en polarización inversa el diodo ideal actúa como un
interruptor abierto, es decir se visualiza como un circuito abierto.
Figura No. 7 diodo ideal en polarización inversa
Fuente: http://www.sc.ehu.es/
EJEMPLO: en el siguiente circuito hallar la corriente del circuito y el voltaje en la
resistencia de carga usando la primera aproximación del diodo semiconductor
Figura No. 8
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Fuente: http://www.sc.ehu.es/
En polarización directa:
Fuente: Fuente: http://www.sc.ehu.es/
1.2.2 Segunda Aproximación
La exponencial se aproxima a una vertical y a una horizontal que pasan por 0,7 V
(este valor es el valor del voltaje de umbral para el silicio y para el germanio se
toma el valor de 0,3 V como voltaje de umbral).
Figura No. 9. Curva característica del diodo de silicio en su segunda aproximación
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Fuente: Fuente: http://www.sc.ehu.es/
Hasta que el diodo de silicio llegue a su voltaje de umbral ( 0.7v) hay corriente de
conducción , antes de esto, el diodo está abierto y su corriente de conducción es de
0A.
Polarización directa: en polarización directa el diodo de silicio actúa como una
fuente de voltaje de 0,7 V.
Figura No. 10
Fuente: Fuente: http://www.sc.ehu.es/
Polarización inversa: en polarización inversa el diodo de silicio actúa como un
interruptor abierto.
Figura No. 11
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Fuente: Fuente: http://www.sc.ehu.es/
EJEMPLO: Resolver el mismo circuito anterior pero utilizando la segunda
aproximación que se ha visto ahora. Como en el caso anterior se analiza en
polarización directa:
Figura No. 12
Fuente: Fuente: http://www.sc.ehu.es/.
1.2.3 Tercera Aproximación
La curva del diodo se aproxima a una recta que pasa por 0,7 V y tiene una pendiente
cuyo valor es la inversa de la resistencia interna.
Figura No. 13. Curva característica del diodo semiconductor en su tercera
aproximación
ELECTRÓNICA I. APUNTES DE CLASE
Fuente: http://www.sc.ehu.es/
En polarización directa:
Figura No. 14
Fuente: http://www.sc.ehu.es
EJEMPLO: En el ejemplo anterior usando la 3ª aproximación, se toma 0,23 Ω como
valor de la resistencia interna.
Figura No. 15
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Fuente: http://www.sc.ehu.es
Figura No. 16 Curva característica de cualquier diodo semiconductor ( diodo
1N4001, diodo led, diodo zener)
Vu Tensión umbral
Vs Tensión de saturación
Vr Tensión de ruptura
OA Zona de baja polarización directa, pequeña corriente
AB Zona de conducción
OC Corriente inversa de saturación
Fuente: http://www.ifent.org
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1.3 APLICACIONES DE LOS DIODOS SEMICONDUCTORES
1.3.1 Circuitos Recortadores de Voltaje
Los circuitos recortadores se utilizan para eliminar parte de una forma de onda que
se encuentre por encima o por debajo de algún nivel de referencia. También se
conocen como limitadores, selectores de amplitud o rebanadores.
1.3.1.1Circuitos Recortadores de voltaje sin polarizar

Serie: en este circuito el diodo semiconductor está en serie con la salida.
Figura No. 17. Circuito recortador serie sin polarizar
Fuente: Principios de Electrónica. Boylestad . Décima edición, pag 77

Paralelo: en este circuito el diodo está en paralelo con la salida
Figura No. 18 Circuito recortador paralelo sin polarizar
ELECTRÓNICA I. APUNTES DE CLASE
E
Fuente: Principios de Electrónica. Boylestad . Décima edición, pág. 88
1.3.1.2 Circuitos Recortadores polarizados

Serie: este circuito usa la fuente de voltaje DC para darle un recorte diferente
de cero a la señal de salida.
La fuente de DC debe tener un valor mucho menor que la fuente de
alimentación de alterna.
Figura No. 19 Circuitos recortadores serie polarizados
V<< Vi
Fuente: Principios de Electrónica. Boylestad . Décima edición, pág. 107

Paralelo
Figura No. 20. Circuito recortador polarizado paralelo
ELECTRÓNICA I. APUNTES DE CLASE
V<< Vi
Fuente: Principios de Electrónica. Boylestad . Décima edición, pág. 107
1.3.2 Circuitos Sujetadores o fijadores de nivel
Un circuito sujetador añade un nivel de DC al voltaje de AC.
Hay dos tipos de sujetadores, los de nivel positivo y los de nivel negativo.

Sujetador o cambiador de nivel positivo
Figura No. 21. Circuito sujetador de nivel positivo
Fuente: http://datateca.unad.edu.co/
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Durante los semiciclos negativos el diodo esta polarizado en directa
permitiendo que el capacitor C se cargué aproximadamente a VP – 0.7V
donde VP es el voltaje pico de la señal de entrada. Después del pico negativo
el diodo queda polarizado en inversa y esto es porque la carga positiva
adquirida por el condensador bloquea al cátodo del diodo y busca
descargarse a través de R.
La idea es que el capacitor no se descargue totalmente cuando el diodo esta
en inversa para así mantener una corriente continua aproximada a VP – 0.7V
que por superposición cambie el nivel DC de la señal de entrada.
Para calcular la constante de tiempo de carga y descarga del condensador
se emplea la fórmula: T= R∙C
Una regla práctica de diseño es hacer que la constante de tiempo RC sea 10
veces el valor del periodo de la señal de entrada.

Sujetador o limitador de nivel negativo
Si se invierta la polaridad del diodo y la del capacitor obtenemos un Sujetador
de nivel negativo.
Figura 22. Circuito sujetador de nivel negativo
Fuente: http://datateca.unad.edu.co
Los circuitos Sujetadores son frecuentemente utilizados en receptores de
televisión como restauradores del nivel DC de señales de video.
1.3.3 Circuito rectificador de media onda
Este circuito puede ser cualquier circuito recortador sea serie o paralelo,
polarizado o sin polarizar cuya señal de salida está compuesta por una
componente AC y una componente DC, es decir:
Figura No. 23 Circuito rectificador de media onda
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Fuente: Principios de Electrónica. Boylestad. Décima edición, pág. 77
Vdc = 0.318 vp
Vac = 0.385 vp
T = 16.666ms
F = 60Hz
componente DC del voltaje de salida
componente AC del voltaje de salida
periodo señal rectificada
Frecuencia de la señal rectificada
El proceso de eliminar la señal de entrada de media onda para establecer
un nivel de DC se llama rectificación de media onda.
PIV (PRV) (voltaje de pico inverso)
La capacidad de voltaje de pico inverso (PIV) o PRV (voltaje reverso pico)
del diodo es de primordial importancia en el diseño de sistemas de
rectificación.
El valor nominal de PIV requerido para el rectificador de media onda se
determina con la figura No. 24, la cual muestra el diodo polarizado en inversa
con un voltaje máximo aplicado. Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff,
ELECTRÓNICA I. APUNTES DE CLASE
que el valor nominal de PIV del diodo debe ser igual a o exceder el valor pico
del voltaje aplicado. Por consiguiente:
Figura No. 24 PIV circuito rectificador media onda
Análisis matemático: por LVK se tiene: Vm + Vo + PIV = 0 , pero Vo = 0v
Entonces: PIV = Vm
Fuente: Principios de Electrónica. Boylestad. Décima edición, pág. 79
1.3.4 Rectificador onda completa
El nivel de cd obtenido a partir de una entrada senoidal se puede mejorar al
100% mediante un proceso llamado rectificación de onda completa cuyo
circuito más usado para tal fin es el denominado puente de cuatro diodos.
1.3.4.1 Rectificador onda completa con puente de cuatro diodos
Figura No. 25 circuito rectificador de onda completa con puente de cuatro
diodos
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Fuente: Principios de Electrónica. Boylestad. Décima edición, pág. 80
ELECTRÓNICA I. APUNTES DE CLASE
La señal de salida con rectificación de onda completa está compuesta por
una componente DC y una componente AC, así:
Vdc = 0.636 vp
Vac = 0.308 vp,
Además el periodo y la frecuencia en una señal con rectificación onda
completa está dada por:
Periodo
(T) = 8.33mseg
Frecuencia (F) = 120Hz
PIV: El PIV requerido de cada diodo (ideal) se determina en la figura No. 26
obtenida en el pico de la región positiva. Para el lazo indicado el voltaje
máximo a través de R es Vm y el valor nominal del PIV está definido por: PIV
≥ Vm
Figura No. 26. PIV circuito rectificador onda completa con puente de 4
diodos
Análisis matemático: por LVK se tiene que: - PIV + Vm = 0
Entonces: PIV = Vm
1.3.4.2 Rectificador onda completa con Tab central
Figura No. 27 Circuito rectificador onda completa con tab central
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Fuente: Principios de Electrónica. Boylestad. Décima edición, pág. 81
PIV: en la red de la figura No. 28 se determina el PIV neto para cada diodo
de este rectificador de onda completa. Insertando el valor máximo del voltaje
secundario y Vm como se establece en la malla adjunta el resultado es: PIV
= Voltaje del secundario + VR
Figura No. 28 Gráfica PIV circuito rectificador onda completa con tab central
ELECTRÓNICA I. APUNTES DE CLASE
PIV = Vm + Vm
PIV = 2Vm
Fuente: Principios de Electrónica. Boylestad. Décima edición, pág. 82
1.3.5 Circuitos Multiplicadores de voltaje
Un circuito multiplicador aumenta los valores de voltaje sin necesidad de cambiar el
transformador de la fuente principal. Multiplicando por 2, 3 y 4 el valor de voltaje a
su entrada.
El principio de operación de estos circuitos es la carga sucesiva de condensadores
debido a la habilitación en cascada de diodos.
Estos circuitos se implementan cuando hay cargas que necesitan una tensión muy
alta y que absorben una corriente pequeña.
Una aplicación común se da en los circuitos que elevan el voltaje para alimentar el
Tubo de rayos catódicos de Televisores, Monitores y Osciloscopios.
Existen varios tipos de multiplicadores de tensión:




El Doblador de voltaje de media onda
El Triplicador
El Cuadriplicador
El Doblador de tensión de onda completa
1.3.5.1 Circuito Doblador de voltaje de media onda
Un doblador de voltaje de media onda es la combinación de un rectificador de media
onda con un multiplicador de voltaje con factor de multiplicación 2.
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Figura No. 29 Circuito doblador de media onda
Fuente: http://datateca.unad.edu.co/
El circuito funciona de la siguiente manera:
Durante el semiciclo positivo el diodo D1 está polarizado en directa y el diodo D2
está polarizado en inversa y el condensador C1 se carga aproximadamente al valor
pico del voltaje en la entrada menos la caída de voltaje del diodo (VP – 0.7V).
Durante el semiciclo negativo el diodo D2 está polarizado en directa y el diodo D1
está polarizado en inversa. En este punto el voltaje almacenado en C1 se suma al
voltaje de entrada cargando el condensador C2 a (2VP).
D2 rectifica a media onda y C2 filtra la onda pulsante, el resultado es una salida de
corriente continua de voltaje aproximadamente el doble de la entrada (2VP).
Demostración por ley de Kirchhoff:
VC1 − VC2 + VP = 0
VC1 = VP – 0.7V
VC2 = VP + VC1
Despreciando la caída del diodo de:
VC2 = VP + VP = 2VP
1.3.5.2 Circuito Triplicador de voltaje
Figura No. 30 Circuito Triplicador de voltaje
ELECTRÓNICA I. APUNTES DE CLASE
http://datateca.unad.edu.co/
El circuito funciona de la siguiente manera:
Durante el semiciclo positivo el diodo D1 está polarizado en directa y el condensador
C1 se carga aproximadamente al valor pico del voltaje en la entrada.
Durante el semiciclo negativo el diodo D2 está polarizado en directa. En este punto
el voltaje almacenado en C1 se suma al voltaje de entrada cargando el condensador
C2 a (2VP).
La descarga de C2 carga C3 mientras D3 esta polarizado en directa.
La salida del circuito es aproximadamente 3VP.
1.3.5.3 Circuito Cuadriplicador de voltaje
Figura No. 31 Circuito Cuadriplicador de voltaje
.
http://datateca.unad.edu.co/
Si a un circuito Triplicador se le agrega un Diodo y un Condensador adicional en
cascada se obtiene un circuito cuadriplicador de voltaje que multiplica por 4 el
valor del voltaje de entrada.
En este caso C4 se carga durante el semiciclo negativo a través de D4; la salida
del voltaje cuadriplicado se toma en los extremos de C2 y C4.
ELECTRÓNICA I. APUNTES DE CLASE
1.3.5.4 Circuito Doblador de tensión de onda completa
Figura No. 32 Circuito Doblador de tensión de onda completa
http://datateca.unad.edu.co/
El circuito funciona de la siguiente manera:
Durante los semiciclos positivos D1 esta polarizado en directa y C1 se carga
aproximadamente al valor de VP, luego durante los semiciclos negativos D2 esta
polarizado en directa y C2 se carga aproximadamente también al valor de VP; la
salida se toma de un extremo de C1 y C2 y el voltaje resultante es 2VP.