Electrónica Básica -Diodo (VI)

Una vez conocidos los componentes pasivos, vamos a ver una serie de elementos, los cuales, amplían el rango de posibilidades de la electrónica. Estos se basan en los semiconductores. Con ellos, podremos modificar, procesar o tratar una señal, a nuestro antojo, de acuerdo a nuestras necesidades.

Componentes

Ya dijimos, que los componentes pasivos, nos permiten ciertos tratamientos de la corriente eléctrica. A continuación, veremos cómo combinando los componentes pasivos, a los nuevos activos, como diodos, transistores o circuitos integrados, el abanico de posibilidades que se puede abarcar, es casi infinito.
El motivo de llamarse activos, es por que requieren una fuente de alimentación para entregar la señal de entrada procesada o tratada. Es decir, son capaces de excitar los circuitos, o aplicar ganancias o de controlar el mismo. Se suele decir que su comportamiento no es lineal, lo que significa que la relación entre la tensión aplicada y la corriente demandada, no es lineal.
Estos componentes activos, engloba a los semiconductores, materiales que se comportan como conductores solo en determinadas condiciones, y en otras condiciones se comportan como aislantes. Actualmente hay una inmensa variedad de componentes activos, muchos de ellos fabricados para aplicaciones muy concretas. En estas secciones, veremos los más genéricos y utilizados para aprender electrónica básica.

Semiconductores

Pero antes veamos que es un semiconductor. Como la propia palabra que los define indica, son materiales que se comportan como conductores eléctricos en determinadas condiciones, y en otras condiciones se comportan como aislantes.
Por ejemplo, hay materiales que a partir de una cierta temperatura son conductores, pero por debajo de esa temperatura, son aislantes. Otros factores que pueden influir en la conductividad de los semiconductores son la presión, campos magnéticos o eléctricos, o una radiación sobre el semiconductor.
Originalmente, los primeros tipos de semiconductores, se construían dentro de ampollas de cristal al vacío, llamadas Válvulas de Vacío. Resumiéndolo mucho, eran como una lámpara, en la que un filamento, calentaba el cátodo, de forma que emitía electrones. Al estar en un entorno vacío (o con gases especiales), estos se movían hacia el ánodo, generando un paso de corriente. Este era el diodo de Fleming (1904).
Más tarde sobre esta idea, se aplico una rejilla intermedia, entre cátodo y ánodo, de forma que esta, podía controlar o modular el paso de electrones, acelerándolos o frenándolos. Se invento el tríodo de Lee de Forest (1906), antecesor del transistor. Luego, se fueron añadiendo rejillas, creando tetrodos, pentodos, etc. según el número de estas.

Esto cambio radicalmente, cuando el 1940 Rusell Ohl, descubrió que las propiedades eléctricas de ciertos cristales, cambiaban al aplicarles pequeñas cantidades de impurezas. En 1947 William Shockley y Walter Houser Brattain, junto a John Bardeen, desarrollaron el primer dispositivo semiconductor de germanio (Ge), al que denominaron “transistor” y que se convertiría en la base del desarrollo de la electrónica moderna.
Hoy día se han convertido en componentes muy importantes, debido a su fiabilidad, eficiencia y bajo coste, además de su alta miniaturización. De todas maneras, se siguen utilizando válvulas de vacío, en amplificadores que proporcionan sonidos más “cálidos”. La física de su funcionamiento atómico, es algo compleja. Por ello, tan solo nos interesa saber, que estos, suelen construirse con Silicio y Germanio, generalmente dopados (o mezclados con pequeñas “impurezas” de otro material), que les convierte semiconductores de tipo N o tipo P.
Los de tipo N, son a los que en la red cristalina de Si o Ge se introducen elementos del grupo 15 (Arsenio, Antimonio, Fosforo,…), que aportan un electrón más en su capa de valencia, y se comportan como impurezas donadoras de electrones o portadores negativos.
Los de tipo P, son los que se introducen en su red cristalina, elementos del grupo 13 (Aluminio, Boro, Galio,…), que presentan un electrón menos en su capa de valencia, por lo que se comportan como captadores de electrones. A partir de las uniones de varios cristales de tipo N y P, es cuando obtenemos los diodos, transistores y circuitos integrados usados hoy día.

Diodo

Diodo Un diodo es un dispositivo semiconductor, que permite el paso de la corriente eléctrica en una única dirección. De forma simplificada, la curva característica de un diodo consta de dos regiones, por debajo de cierta diferencia de potencial, se comporta como un circuito abierto (no conduce), y por encima de ella como un circuito cerrado con muy pequeña resistencia eléctrica. Debido a este comportamiento, se les suele denominar rectificadores, ya que son dispositivos capaces de convertir una corriente alterna en corriente continua.

Los diodos también se conocen como rectificadores porque cambian corriente alterna (CA) a corriente continua (CC) pulsante. Los diodos se clasifican según su tipo, tensión y capacidad de corriente.
La estructura de un diodo, lo compone un cristal semiconductor tipo P y uno tipo N, de forma que el exceso de cargas negativas en la zona P dificultará progresivamente el traslado de huecos a la N y análogamente el exceso de cargas positivas en la zona N hará cada vez más difícil el paso de electrones a la P.
Al conectar una batería polarizada directamente (positivo al P y negativo al N), disminuye la barrera de potencial de la zona de carga espacial, permitiendo el paso de la corriente de electrones a través de la unión, es decir, el diodo conduce la electricidad. En el caso contrario, el polo negativo de la batería se conecta a la zona p y el polo positivo a la zona n, lo que hace aumentar la zona de carga espacial, y la tensión en dicha zona hasta que se alcanza el valor de la tensión de la batería.

i	Los Diodo en un circuito, se montan para limitar el paso de la corriente en un sentido, o para rectificar la corriente alterna. Lo constituye un elemento tipo N y uno tipo P. Polarizado directamente, conduce la corriente, mientras que polarizado inversamente, no deja pasar a esta.

En los esquemas, el símbolo para representar Diodos es el siguiente:

En la representación, no se suele marcar la A y la K, que representan en Ánodo (A o terminal positivo) y el Cátodo (K o terminal negativo). Para que un diodo conduzca la corriente, como ya se ha apuntado, se tiene que polarizar. Es decir, conectar el positivo al Ánodo (+, o cristal tipo P), y el negativo al Cátodo (-, o cristal tipo N).
Cuando un diodo permite un flujo de corriente, tiene polarización directa.
Cuando un diodo tiene polarización inversa, actúa como un aislante y no permite que fluya la corriente. En este gráfico se muestran ambas configuraciones de los diodos:

Tipos de Diodos

Según la función que realizan los diodos, existen diversos tipos. Estos pueden diferir en su aspecto físico, impurezas, uso de electrodos, o que tienen características eléctricas particulares usados para una aplicación especial en un circuito. Vamos a conocer algunos de ellos.

DIODOS RECTIFICADORES

Los diodos rectificadores son los que facilitan el paso de la corriente continua en un sólo sentido (polarización directa), de modo que si hacemos circular corriente alterna a través de un diodo rectificador esta solo lo hará en la mitad de los semiciclos positivos, por lo que a la salida del mismo obtenemos una señal de tipo pulsatoria pero continua.
La caída de voltaje para este tipo de diodos de Silicio es de 0.7 voltios aproximadamente, y para los diodos de Germanio es de 0.3 voltios.

DIODOS ZENER

Si polarizamos inversamente un diodo estándar y aumentamos la tensión llega un momento en que la corriente es tan alta que destruye el diodo a. Este punto se da por la tensión de ruptura.
Se puede conseguir controlar este fenómeno y aprovecharlo. De manera que este fenómeno se dé dentro de márgenes que se puedan controlar. El diodo zener se comporta como un diodo normal, a no ser que alcance la tensión zener para la que ha sido fabricado, momento en que dejará pasar a través de él una cantidad determinada de corriente. Este tipo de diodo se suele usaren reguladores, limitadores y recortadores de tensión.

DIODOS DE TRATAMIENTO DE SEÑAL (RF)

Los diodos de tratamiento de señal necesitan algo más de calidad de fabricación que los rectificadores. Estos diodos están destinados a formar parte de etapas moduladoras, demoduladoras, mezcla y limitación de señales, etc.
los diodos más preparados para lidiar con las altas frecuencias destaca el diodo denominado Schottky. Este diodo fue desarrollado a principio de los sesenta por la firma Hewletty, deriva de los diodos de punta de contacto y de los de unión PN de los que han heredado el procedimiento de fabricación.
Un Diodo de señal de silicio tiene una caída de voltaje alta en el acoplamiento de aproximadamente 0.6 a 0.7 voltios y el de germanio de entre 0,2 y 0,3 voltios

DIODOS DE CAPACIDAD VARIABLE (VARICAP)

Actúa como condensador variable por voltaje. Como el diodo zener, principalmente actúan en el estado de polarización inversa. Estos diodos son muy famosos debido a su capacidad de cambiar los rangos de capacitancia dentro del circuito en presencia de flujo de voltaje constante.
Pueden variar la capacidad hasta valores altos. Cambiando la tensión de polarización inversa podemos disminuir o aumentar la, por lo que se suelen aplicar como oscilador controlado por voltaje para teléfonos móviles, módulos sintonizadores de TV, prefiltros satelitales, etc.

FOTODIODOS

La característica particular de este diodo es que es muy sensible a la luz. La forma correcta de utilizarlo es conectarlo de manera inversa, permitiendo el flujo de corriente en este mismo sentido, ya que al incidir la luz en el diodo, este aumentará la intensidad de corriente.
Las aplicaciones de este tipo de diodo son similares a la de un LDR o un fototransistor, ya que va a responder a los cambios de oscuridad a luz muy rápidamente

DIODOS LED (LUMINISCENTES)

los LED (Light Emmiting Diode )Este es, tal vez, el tipo de diodos más popular. Está prácticamente montado en cualquier equipo electrónico. Podemos encontrarlos en diferentes formas, tamaños y colores diferentes. Estos diodos convierte la energía eléctrica en energía luminosa. Se somete a un proceso de electroluminiscencia en el que los huecos y los electrones se recombinan para producir energía en forma de luz en condiciones de polarización directa.
Un diodo LED tiene una caída de voltaje entre 1.5 a 2.5 volts y una intensidad de corriente entre 20 y 40 mA. Por lo que si se exceden estos valores, el diodo no funcionará. Además existen otros diodos con diferente emisión, como la infrarroja, denominados IRED (Diodo emisor de Infra-rojos).
Anteriormente se usaban tan solo como indicadores de encendido, pero ahora se están usando en aplicaciones de iluminación doméstica o de aviación, señales de tráfico, flashes de cámara etc.

DIODOS LÁSER

Similar al LED en el que la región activa está formada por la unión p-n. En los diodos láser, la generación de luz láser, el cristal semiconductor del diodo tiene la forma de una lámina delgada con un lado totalmente reflectante y otro solo reflectante de forma parcial, lográndose así una unión PN, con las caras exteriores perfectamente paralelas y reflectantes, muy similar a los láseres de rubí.
Este tipo son muy utilizados en comunicaciones de fibra óptica, lectores de códigos de barras, punteros láser, lectura y grabación de discos ópticos, impresión láser, etc.

OPTOACOPLADORES

Por último, hemos de hacer mención de un tipo especial, el cual combina en su interior un diodo LED, que emite luz y satura un componente optoelectrónico, que suele ser un fototransistor. De este modo se combinan en un solo dispositivo semiconductor, un fotoemisor y un fotorreceptor, cuya conexión entre ambos es óptica.
Además de para aislar o separar circuitos, se pueden utilizar optoacopladores para, Interfaces en circuitos lógicos, Interfaces entre señales de corriente alterna y circuitos lógicos, en sistemas de telefonía, control de motores, control de potencia, a modo de relé, etc.

Aplicación de los Diodos

Ahora que sabemos qué es un diodo y cómo funciona. Pasemos a ver algunas de sus aplicaciones principales.

Rectificador

La aplicación más común e importante de un diodo es la rectificación de la alimentación de CA a CC. Usando los diodos, podemos construir diferentes tipos de circuitos rectificadores. Los tipos básicos de estos circuitos rectificadores son rectificadores de puente de media onda, de onda completa central y puente completo. Se usa una sola o combinación de cuatro diodos en la mayoría de las aplicaciones de conversión de energía. La figura siguiente muestra el funcionamiento del diodo en un rectificador.

-Durante el medio ciclo positivo del suministro de entrada, el diodo se polariza directamente. Esto hace fluir una corriente en la carga. Como la carga es resistiva, la tensión en la resistencia de carga será la misma que la tensión de alimentación, lo que significa que la tensión sinusoidal de entrada aparecerá en la carga. Y el flujo de corriente de carga es proporcional al voltaje aplicado.
-Durante el semiciclo negativo de la onda sinusoidal de entrada, el ánodo se vuelve negativo con respecto al cátodo, por lo que el diodo se polariza inversamente. Por lo tanto, no fluye corriente a la carga. El circuito se convierte en circuito abierto y no aparece voltaje en la carga.
-Tanto el voltaje como la corriente en el lado de la carga son de una polaridad, lo que significa que la tensión de salida es de CC pulsante. Muy a menudo, este circuito de rectificación tiene un condensador en paralelo a la carga para suprimir el rizado y producir corrientes continuas constantes.

Si combinamos cuatro diodos, formando un puente rectificador, obtendremos en la salida una señal positiva continua. Esta es la configuración del puente de diodos.

-Durante el medio ciclo positivo de entrada, los diodos D1 y D3 se polarizan directamente y fluye una corriente a la carga Rl (flechas verdes). La tensión sinusoidal de entrada aparecerá en la carga. Y el flujo de corriente de carga es proporcional al voltaje aplicado.
-Durante el semiciclo negativo de entrada, se polarizan directamente los diodos D2y D4 y fluye la corriente a la carga (flechas azules). La tensión sinusoidal de entrada aparecerá en la carga, pero de signo positivo.
-Tanto el voltaje como la corriente en el lado de la carga son de una polaridad, teniendo una señal rizada positiva de CC. Este circuito de rectificación, se monta con un condensador en paralelo a la carga para suprimir el rizado y producir corrientes continuas constantes.

En el mercado, existen puentes de diodos, con los cuatro diodos encapsulados, y que dependiendo de la potencia requerida, varían su tamaño, como los de la siguiente imagen:

Multiplicador de tensión

El multiplicador de tensión consta de dos o más circuitos rectificadores de diodos que se conectan en cascada para producir una tensión de salida de CC igual a multiplicar del voltaje de entrada aplicado. Estos circuitos multiplicadores son de diferentes tipos, como duplicador de voltaje, triplicador, cuádruplicador, etc. Mediante el uso de combinación de diodos con condensadores, obtenemos el múltiplo de la tensión de pico de entrada en la salida.

La figura superior muestra un circuito duplicador de voltaje de media onda cuya tensión de salida de CC es dos veces la tensión de entrada CA máxima.
-Durante el semiciclo positivo de la entrada de CA, el diodo D1 está polarizado directamente y D2 está polarizado en sentido inverso. Entonces, el condensador C1 carga hasta el voltaje máximo Vin de entrada a través del diodo D1.
- Durante el semiciclo negativo de la entrada de CA, D1 tiene polarización inversa y D2 está polarizado directamente. Entonces, el condensador C2 comienza a cargarse a treves de D2 y C1. Por lo tanto, la tensión total en el C2 es igual a 2xVin.
-Durante el siguiente semiciclo positivo, el diodo D2 está polarizado inversamente, por lo que el condensador C2 se descargará a través de la carga.

Este tipo de circuitos, se pueden conectar en cascada, obteniendo diferentes múltiplos del valor de voltaje de entrada en la salida. La aplicación de este circuito es para generar altas tensiones en tubos de rayos catódicos, detectores de rayos gamma e incluso para trampas de insectos.

Protección de corriente inversa

La polaridad inversa o la protección de corriente, son usados para evitar el daño que se produce al conectar la batería de forma incorrecta o al invertir la polaridad de la batería.
Si se produce accidentalmente, fluye una gran cantidad de corriente, a través del circuito con el posible daño de estos. Por lo tanto, un diodo de protección o bloqueo se conecta en serie con el lado positivo de la entrada para evitar el problema de conexión inversa.

Supresión de picos de voltaje

En el caso de un inductor o cargas inductivas, la eliminación repentina de la alimentación, produce un voltaje más alto debido a la energía almacenada en el campo magnético. Estos picos inesperados en el voltaje pueden causar un daño considerable a los componentes del circuito. Para evitarlo, se conecta un diodo en paralelo al inductor o cargas inductivas para limitar los grandes picos de voltaje. Un lugar muy común donde se montan, es en bornes de la bobina de un relé.

Puertas lógicas

Los diodos también pueden realizar operaciones de lógica digital. Los estados de baja y alta impedancia del interruptor lógico son análogos a las condiciones de polarización directa e inversa del diodo, respectivamente. Por lo tanto, el diodo puede realizar operaciones lógicas como Y, O, etc. Aunque la lógica de diodos es un método anterior con algunas limitaciones, estas se utilizan en algunas aplicaciones. E la siguiente figura, los dos diodos, componen una puerta lógica OR, ya que si hay una señal positiva en la entrada A, Ó en la entrada B, las salida será positiva.

En la próxima publicación, continuaremos con los componente activos, viendo el Transistor.

Y aquí tienes la publicaciones anteriores, por si os perdisteis alguna:
Electrónica Básica, Conceptos Básicos (I)  
Electrónica Básica, Circuitos Básicos (II)
Electrónica Básica, Resistencias (III)
Electrónica Básica, Condensadores (IV)
Electrónica Básica, Inductores (V)

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