Diodos

Éste tema es más bien de aplicación práctica, no quiero introducir la teoría porque es  espesa e inútil en su mayoría. La estructura interna de un diodo no nos interesa.

El diodo tal como lo conocemos se conforma de dos semiconductores, uno tipo P y otro tipo N, para nosotros tiene dos partes: ánodo (A) y cátodo (K). El diodo normal conducirá de ánodo a cátodo cuando la tensión Vak sea mayor que la tensión de codo Vd. Ésta tensión la podemos encontrar fácilmente haciendo la resta Vak= Vanodo - Vcatodo.

En esquemáticos de circuitos electrónicos lo encontraremos representado de la siguiente forma:

simdio

 

Y su componente real es tal como se ve. Es decir, no he visto yo componente más parecido a su símbolo. Es un pequeño cilindro en cuyo cátodo (K) tiene un anillo de diferente color. Los hay de varios tipos. Por lo general los de silicio tienen la pinta de un 1n4148 o 1n4007. Dos series muy utilizadas y conocidas como diodos de propósito general. En dicho orden:

1n4007

Se puede ver perfectamente la banda o anillo que distingue el ánodo del cátodo. Y luego están los diodos de germanio, cuya pinta más común es:

¿Y a qué viene ésta distinción? Bien, los diodos pueden estar mayoritariamente hechos de distintos materiales, los predominantes son de silicio y de germanio. Los de silicio tienen mayor tensión de codo que los de germanio. Ésta diferencia es útil si queremos que la caída de tensión en el circuito sea menor. También hay otros componentes, como en los diodos LED, mayoritariamente arseniuro de galio (GaAs) junto con otros con los que se dopan para cambiar la longitud de onda en la que emiten (color). Su tensión de codo es mucho más alta y va desde 1'2 a 2'2 voltios.

La definición de diodo es: dispositivo semiconductor unidireccional. Es decir, la corriente siempre va de ánodo a cátodo. ¿Qué ocurre si hay más de la que el diodo puede soportar? Se fríe. ¿Qué ocurre si va de cátodo a ánodo? La tensión máxima inversa que puede soportar un diodo varía mucho y viene en las hojas de características. Si se excede dicho valor, hay una avalancha de corriente inversa que fríe el diodo.

Luego tenemos diodos Zener, que están hechos a posta para conducir inversamente cuando la tensión Vka (fijaos que está al revés) tiene o excede determinado valor, que suele venir inscrito en su encapsulado. Su símbolo es:

También hay unos diodos llamados "diodos rápidos" o diodos Schottky, cuya tensión de codo es de entre 0'2 y 0'4 voltios y son capaces de pasar entre estado de conducción y de corte mucho más rápidamente sin problemas. Por supuesto ésta facultad les hace subir en precio y si realmente no lo necesitas, no vale la pena ni rascarse el bolsillo. Y su símbolo es:

Ahora viene una parte más densa: las especificaciones y cálculos.

El diodo común no tiene un funcionamiento completamente lineal, es decir, no pasas de la tensión de codo y empieza a conducir toda la corriente que tengas en el circuito y ya está. Presenta más bien una curva, y cada diodo tiene una curva distinta:

En la imagen se puede ver la curva y los valores de tensión de codo (Vd) y tensión de ruptura (Vr). Muy exagerados, pero efectivamente, entre el 0 y la tensión de codo hay una pequeña conducción y entre el 0 y la tensión de ruptura hay una pequeña conducción que se llama corriente de fuga o corriente inversa. Ésta corriente normalmente es del orden de los nanoamperios, despreciable respecto a los valores que un circuito normal va a mostrar.

¿Y cómo vamos a hacer cálculos con ésta curva? La respuesta es otra pregunta: ¿Quién ha dicho que los vayamos a hacer? Lo que haremos será, siempre y cuando Vak en nuestro circuito supere la tensión Vd, marcar Vak en su eje, y calcular la corriente que pasaría por nuestro circuito si el diodo no existiese, y marcar el valor en el eje de la corriente, normalmente llamado Id, aquí Ia. Trazaremos una recta que una los dos puntos y hallaremos el punto donde corta con la curva del diodo, que es el punto de polarización. Dado ése punto, trazaremos una recta hacia el eje de Id, y con ello hallaremos la corriente que realmente pasa por él. Con ésto nos damos cuenta de que tiene una pequeña resistencia. ¿Pero hasta qué punto podemos hacer ésto? Normalmente, las gráficas de los fabricantes están en intervalos pequeños, y en valores de uso normal la corriente que pasa por el diodo está en un punto en el que la curva es casi una recta vertical, por lo que no se va a poder usar casi nunca. Tomamos modelos.

El modelo más correcto de un diodo sería el de un interruptor abierto o cerrado (según esté en conducción o no), una fuente de tensión igual a la tensión de codo del diodo, con el positivo en el ánodo, y una resistencia. El modelo sencillo es interruptor y fuente, que es el que voy a usar. Voy a analizar el siguiente circuito:

d1

Vin es positiva y la tensión del codo es... No nos importa. ¿Por qué? fijaos, la tensión de cátodo es Vin, y la de ánodo es 0. Vak = 0 - Vin < 0. El diodo no se polariza y por lo tanto no conduce hacia tierra. La tensión Vout es igual a Vin. Otro:

d2

¡Es el mismo pero le he dado la vuelta! En éste caso, la tensión en el ánodo es mayor que en el cátodo y se polariza. La tensión de codo es 0.7V, vamos a sustituirlo por su equivalente:

d3

Si medimos en Vout respecto de tierra, lo que vamos a obtener es 0.7. Es decir, la tensión de codo. Vout = Vd. Otro más:

d4

Va > Vk, conduce. Sustituimos por equivalente. Cálculo: Vout = Vin - Vd. Y esto es todo lo que puede hacer un diodo común. No hay sustos. Otro tema es que esté acompañado.

El zener se comporta igual con la excepción del tema de la región inversa. En vez de una tensión de ruptura, en su curva se marca la tensión de zener. Voy a hacer un, y sólo un, ejercicio sobre éste, que quisiera que intentéis hacer antes de leer la respuesta. Calcular la corriente que circula por R2 dado el siguiente circuito, la tensión de zener es 8.2V y Vin son 12V.

d5

¿Y bien? La solución es simple: las resistencias conforman un divisor de tensión, la tensión en el cátodo es de 6 voltios, no se supera la tensión de zener y no polariza como tal. La corriente es la misma en R1 que en R2, igualito que si no existiera la rama del diodo ¿Os he pillado? Si Vin fuera 20 voltios el tema ya cambia, el diodo "se traga" una parte de corriente, por lo que si medimos la tensión en el cátodo, siempre será de 8.2V.

Parece brillante y sencillo pero los diodos, más bien la gente que los utiliza, esconden maldad en sí. Es la rectificación. Si tomamos Vin como senoidal alterna en el tercer ejemplo, obtendremos sólo la parte positiva de la señal, menos (en nuestra cruda realidad) un pedacito que corresponde a la tensión de codo. Es el rectificador de media onda:

En ésta aplicación el diodo soporta toda la corriente inversa que le viene. Dato a tener en cuenta. Luego podemos hacer una combinación de los ejemplos 1 y 2, poniendo 2 diodos en antiparalelo. Es decir, uno con el cátodo al circuito y el ánodo a tierra, y el otro al revés. En distintas ramas, o no, depende del diodo. Es lo que llamamos un recortador de onda y es más útil hacerlo con zener o LED. Y obtenemos ésto:

Es igualito a una señal salida de un operacional saturado.

La maldad continuaría con la conjunción de fuentes en distintas posiciones y orientaciones. Otra aplicación es con 4 diodos, para hacer un rectificador de onda completa. Es tal que:

rectif

Como se ve, durante el semiciclo positivo de la onda conducirán 2 diodos de tal forma que en la carga veremos una tensión positiva, y durante el semiciclo negativo conducen los otros 2 diodos de tal forma que en la carga veremos una tensión positiva ¡Otra vez! Aquí la corriente inversa que soporta cada diodo es de la mitad de la total. Obtenemos la onda:

Y ésto es lo que hacemos para obtener una corriente continua con un transformador de alterna. Pero la corriente continua no tiene picos y bajadas. Añadamos un zener al circuito de carga. ¡Ups! Ahora hay llanos en vez de picos, pero los picos bajos siguen estando. Lo que hacemos es añadir un condensador de tal forma que eliminamos los picos bajos, quedando sólo los picos altos y ligeras pendientes entre ellos. El zener se añade luego, con una tensión de zener menor a la mínima de las pendientes. Con ésto obtenemos una corriente completamente contínua. Por cierto, si tenemos un transformador de dos secundarios podemos hacer lo siguiente, y ya de paso os enseño la señal tras un condensador:

Lo siguiente son los transitores...

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