Electrónica Básica: Diodos

El descubrimiento y utilización de los semiconductores, trajo como consecuencia una verdadera revolución en la electrónica, y con éstos se logró obtener un mayor rendimiento en los circuitos electrónicos, tanto así que al día de hoy no existe ningún circuito ni sistema electrónico que no los utilice.

Uno de estos principales dispositivos semiconductores es el diodo, que es un componente semiconductor que permite la circulación de corriente eléctrica en un sentido pero la bloquea en el contrario. Consta de dos terminales llamados ánodo y cátodo de forma que la corriente circula desde el primero al segundo. La figura 1 muestra el símbolo usado para representar un diodo y el sentido de la corriente, que viene determinado por la dirección de la punta del triángulo.

Fig 1. Símbolo del diodo

Tipos de diodos

Según su fabricación, funcionamiento y características eléctricas, hay diferentes tipos de diodos los cuales podríamos dividir en dos grupos principales. Los más comunes o utilizados en todo tipo de aparatos electrónicos son: los diodos rectificadores, los diodos LED y los diodos Zener, y los otros, no tan comunes, como: los diodos láser, tunnel, Schottky, PIN, Gunn y los fotodiodos, a continuación de muestra la simbología de los diodos más utilizados en la electrónica figura 2.

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Fig 2. Simbología de los diodos

Unión P-N

Un diodo es esencialmente la unión de un material tipo P (ánodo – A) con un material tipo N (cátodo – C) lo cual se ha llamado unión PN figura 3. En este tipo de unión, cuando el diodo NO está polarizado o conectado a una fuente de voltaje, inicialmente hay un exceso de electrones en el lado N y un exceso de huecos en el lado P. Por lo tanto,al unir dos capas de material semiconductor, algunos electrones del lado N son atraídos por algunos huecos del lado P y viceversa, mediante un proceso de difusión.

Fig 3. Unión PN en un diodo

La unión PN continúa hasta que se forma entre ellos una barrera eléctrica de voltaje que impide el paso de un gran número de portadores mayoritarios de un lado a otro, dicha barrera es llamada zona de agotamiento y tarda poco tiempo en formarse. Figura 4 así, en el límite de la unión, el material tipo N queda cargado positivamente y el material tipo P queda cargado negativamente creando una diferencia de potencial pequeña, pero de gran importancia para el diodo.

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Fig 4. Región de agotamiento o depletion zone

Por lo tanto en un diodo de silicio tenemos una barrera de potencial de aproximadamente 0.6V, mientras que en diodo de germanio es de aproximadamente 0,3V. Las características de la zona de agotamiento pueden controlarse aplicando una diferencia de potencial o voltaje externo, lo que hace realmente útil esta unión.

Polarización de un diodo

Cuando tenemos un diodo y se le aplica un voltaje de corriente continua, hay dos posibilidades:

  • A) Si el voltaje positivo se aplica al ánodo (+) se dice que hay una polarización directa, bajo estas condiciones la unión PN presenta una resistencia muy baja al paso de la corriente, comportándose como un conductor (Interruptor cerrado).
  • B) Si el voltaje positivo se aplica al cátodo (-), se establece una polarización inversa por lo que la unión presenta una alta resistencia al paso de la corriente, comportándose como un aislante (Interruptor abierto) y solo unos pocos portadores minoritarios logran atravesar la barrera formando la denominada corriente de fuga que es muy pequeña y que en algunos casos no se toma en cuenta.

Teóricamente los diodos deberían comportarse como interruptores perfectos, es decir, no deberían permitir el paso de ninguna corriente cuando están polarizados inversamente y no deberían ofrecer ninguna resistencia al paso de la misma cuando se encuentran polarizados directamente. Sin embargo, en la realidad se observan algunas características especiales que se ilustran en la figura 5.

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Fig 5. Grafica característica del diodo

En la figura 5 podemos apreciar los siguientes puntos:

  • Cuando el diodo está polarizado inversamente, la corriente a través de él no es cero, hay una pequeña corriente de fuga.
  • Cuando el diodo está polarizado directamente, la conducción no empieza en 0V, sino cuando se supera el voltaje de umbral o la barrera de potencial. Por esta razón, existe una pequeña caída de voltaje.

Principales características de un diodo

Como ya lo sabemos existen diversos tipo de diodos semiconductores que se pueden clasificar con base a sus características eléctricas, funcionamiento o incluso tamaño esto propicia que algunos sean los ideales para ciertas aplicaciones y otros no, pero nunca hay que dejar de lado características básicas que generalmente nos proporciona el fabricante en sus fichas técnicas, a continuación se describen las más importantes:

  • Corriente máxima (If): es el valor máximo de la corriente promedio que pueden conducir en polarización directa sin destruir el diodo por sobrecalentamiento.
  • Voltaje de conducción directa (Vf): es el valor de la caída de voltaje en un diodo semiconductor polarizado directamente, como resultado de la corriente que circula a través de él. Dicho valor es ligeramente superior al potencial de la barrera.
  • Voltaje de ruptura o de avalancha (Vbr): indica el nivel de voltaje, que aplicado a un diodo polarizado inversamente, puede hacerlo conducir llegando incluso a destruir el dispositivo, ya que en el momento de la conducción la corriente inversa de fuga crece bruscamente. Su valor es generalmente alto, del orden de 100V o más, excepto en los diodos Zener.
  • Corriente inversa de fuga (Ir): es la corriente que circula a través de un diodo polarizado inversamente.Teóricamente es igual a cero, pero en realidad ésta tiene un valor muy pequeño, del orden de los microamperios o nanoamperios.
  • Tiempo de recuperación inverso (Trr): expresa el tiempo que tarda la unión PN en desalojar la carga eléctrica que acumula, cuando se encuentra polarizado inversamente.

Estas características se deben tener en cuenta al momento de elegir un diodo para nuestras aplicaciones, procure no acercarse tanto a los valores máximos ya que esa elección afectaría la vida útil del componente o bien puede elegir valores sobrados cuando la aplicación se lo permita.

Identificación y clasificación de los diodos

Generalmente los diodos, y otros semiconductores, se identifican mediante una nomenclatura. Para estas referencias hay tres sistemas: el americano, el europeo y el japonés. En el sistema americano, la referencia consta del prefijo IN seguido de un número de serie, por ejemplo: 1N4001. La N significa que se trata de un semiconductor, el 1 indica el número de uniones PN y el 4001 las características propias del dispositivo; en este caso una corriente de trabajo de 1.0 amperes y un voltaje de ruptura inverso de 200 volts. En el sistema europeo o continental. se utiliza un prefijo de dos letras, por ejemplo BY255. En este caso la letra B indica el material y la Y el tipo. Estas reglas no siempre se cumplen ya que muchos fabricantes utilizan sus propias referencias. El sistema japonés asigna el 1 como primer dígito para diodos, seguido de las letras SS y un número que indica las características propias de ese diodo. Por ejemplo, 1SS244.

En cuanto a al uso los tipos de diodos más utilizados son los siguientes:

  • Diodos Rectificadores: A esta familia pertenecen todos los diodos que han sido diseñados especialmente para convertir CA en CC. en las fuentes de potencia lineales (rectificación). De acuerdo a la potencia manejada (corriente y voltaje), éstos se dividen en diodos de señal y diodos de potencia. Los de señal o baja potencia son aquellos que manejan menos de 1 amper, y los de potencia, los que trabajan con corrientes superiores a 1 amper. El encapsulado de éstos depende de la potencia que deben disipar.
    En los de baja potencia se usa el plástico y para las potencias superiores a 5W, el encapsulado debe ser metálico; cuando las potencias son muy altas el encapsulado debe ofrecernos la posibilidad de conectarlo a un disipador de calor, figura 6.
  • Diodo Zener: Este diodo es un diodo similar al diodo RF pero que cuando se polariza inversamente presenta una tensión umbral, llamada tensión Zener, a partir de la cual el diodo comienza a conducir una determinada cantidad de corriente. Este tipo de diodos se emplean en circuitos reguladores figura 7.
  • Fotodiodo: Este tipo de diodo tiene una fabricación que hace que las condiciones lumínicas afecten a su capacidad de conducción figura 8.
Fig 8. Fotodiodos
  • Diodo LED (Light Emitting Diode): Este tipo de diodos debido a los materiales con los que se fabrica son luminiscentes cuando se polarizan de forma directa. El principio básico es que cuando se produce una ocupación de un hueco por parte de un electrón se produce una liberación de energía que dependiendo del material puede provocar una radiación en forma de luz. Los diodos LED se usan de forma muy habitual, y aunque es una tecnología relativamente antigua hoy en día se están empezando a usar en muy distintos ámbitos incluyendo la fabricación de semáforos, alumbrado publico o focos para uso doméstico. La figura 9 muestra algunos diodos LED típicos.
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Fig 9. Diodos LED de diferentes colores
  • Displays o indicadores con diodos LED: Los diodos LED se pueden agrupar para formar indicadores numéricos los cuales son muy utilizados para expresar cantidades en diferentes tipos de circuitos o aparatos digitales,como instrumentos (multímetros, voltímetros, amperímetros, etc.) o en proyectos como termómetros, contadores, velocímetros, medidores de otros tipos de magnitudes, etc.
    Los más conocidos son los llamados displays de siete segmentos en los cuales hay siete LED (segmentos) organizados en una forma tal, que al encenderlos con diferentes combinaciones, se pueden mostrar o indicar todos los números dígitos (0 a 9), figura 10.
Fig 10. Display de 7 segmentos

Hasta aquí con lo mas relevante en diodos semiconductores, esperemos les sea de utilidad para sus proyectos y despejar sus dudas en este tema, pueden dejarnos un comentario para sugerirnos algún tema adicional, y recuerden seguirnos en nuestras redes sociales, hasta la próxima.

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