Los diodos

El diodo El diodo es un componente que se desarrolló como una solución al problema de la transformación de cualquier tipo de corriente alterna en corriente continua (incluyendo en este ámbito la función, imprescindible en cualquier receptor de radio, de la detección o demodulación). Aunque en la actualidad, los diodos empleados en cualquier aplicación están fabricados con materiales semiconductores; hasta épocas relativamente recientes se ha empleado el denominado de vacío, cuya sencilla forma de funcionamiento permite tomarla como base para comprender el comportamiento de este componente. Diodos de vacío El diodo de vacío, así como otros componentes de su misma generación para los que se utiliza la denominación común de válvulas o tubos de vacío, aprovecha para su función la propiedad que tienen algunos materiales de producir una emisión de electrones, cuando están sometidos a una temperatura próxima a la de incandescencia, que se alcanza entre el rojo y el rojo blanco, siendo esta última la que tiene cualquier bombilla usada para el alumbrado ordinario. Tanto las bombillas como las válvulas, funcionan exento de aire, debido a que estas temperaturas tan elevadas producirían una oxidación muy rápida del material y se destruirían rápidamente; esto se consigue introduciendo todas las partes de la válvula en una cápsula de vidrio transparente a la que se le extrae el aire y se sella posteriormente. La emisión de electrones del cátodo o filamento se recoge en una lámina conductora que envuelve a este elemento y separada a una cierta distancia, denominada ánodo o placa, para lo que hay que someterla a una tensión positiva con respecto a cátodo, lo que la permite atraer a los electrones (con carga negativa), estableciéndose una corriente eléctrica entre ambos, a través del vacío. A pesar de que esta corriente formada en la válvula presenta un sentido de circulación de cargas negativas entre el cátodo y el ánodo, se utiliza en la práctica el sentido contrario, o circulación de cargas positivas de ánodo a cátodo. Como lógicamente, este diodo de vacío no permite el paso de corriente en sentido contrario al descripto, se obtiene la propiedad, muy interesante en la práctica, de realizar la conversión de corriente alterna en continua, tal como se mencionó anteriormente; a este proceso se le denomina rectificación. En efecto, si se aplica a este diodo una tensión alterna, únicamente se producirá circulación de corriente en las ocasiones en que el ánodo sea más positivo que el cátodo, es decir, en las alternancias positivas, quedando bloqueado en las alternativas negativas, lo que impide el paso de la corriente por ser en estas ocasiones el ánodo más negativo que el cátodo y no es capaz de atraer electrones. La corriente resultante será “pulsante”, ya que sólo circulará en determinados momentos, pero mediante los dispositivos o circuitos adecuados situados a continuación puede ser convertida en una corriente continua constante. Diodos Semiconductores Los modernos diodos semiconductores, que presentan un componente análogo ante la corriente eléctrica están compuestos por dos zonas de material semiconductor (silicio, germanio, etc.) formando lo que se denomina una unión P-N. Para ello el material de la zona P está tratada química y térmicamente con objeto de difundir sobre el otro, cuyos átomos tengan escasez o defecto de electrones; al material de la zona N se le agrega otro que presenta exceso de electrones, empleando el mismo procedimiento, quedando ambos en contacto físico y eléctrico. A cada una de estas zonas o pedazos de material se le agrega un terminal de conexión en forma de hilo y el conjunto se aísla eléctricamente del exterior mediante un recubrimiento de vidrio o resina plástica. Entre las dos partes de la unión P-N y en la zona de contacto entre ambas, se produce una región denominada de transición , donde se genera una pequeña diferencia de potencial, de forma que la zona N queda a una tensión más alta que la zona P, con lo que no se puede efectuarse ningún paso de electrones de una a la otra. Si se aplica una tensión exterior con el positivo aplicado en la zona P y el negativo a la N, una pequeña parte de ella se empleará en vencer la diferencia de potencial anterior, con lo que ambas partes quedarán “niveladas” en tensión y el resto, producirá una corriente eléctrica entre ambas zonas, circulando los electrones de la zona N a la P y la corriente del lado P al N. Lógicamente, si la tensión externa se aplica en sentido contrario, con el positivo en la zona N y el negativo en la zona P, a la pequeña tensión que existía entre ellas se le sumará la exterior y no se producirá ninguna circulación de corriente. Como puede observarse, este diodo puede ser aplicado de una forma análoga al de vacío para la conversión de corriente alterna en continua. Este tipo de diodo, que es el que se emplea actualmente, casi en exclusiva, presenta sobre el vacío algunas ventajas fundamentales: •Es de tamaño mucho más reducido, lo que contribuye a la miniaturización de los circuitos. •Únicamente tiene dos terminales, lo que facilita mucho su montaje, sobre todo en circuito impreso. •La cantidad de calor generado durante el funcionamiento es menor, ya que no necesita ningún calentamiento de filamento. •Funciona con tensiones mucho más bajas, lo que posibilita su empleo en circuitos alimentados a pila o baterías. •Pueden ser utilizados en equipos que manejan grandes corrientes, aplicación que con diodos de vacío resultaba prohibitiva en ocasiones por el gran tamaño de estos. Existen diodos semiconductores de muy pequeño tamaño para aplicaciones que no requieran conducciones de corrientes altas, tales como la demodulación en receptores de radio. Estos suelen estar encapsulados en una caja de vidrio con los terminales en los extremos, aunque también se utiliza para ellos el encapsulado plástico. Clasificación Dentro del amplio conjunto de modelos y tipos diferentes de diodos semiconductores que actualmente existe en el mercado, se puede realizar una clasificación de forma que queden agrupados en varias familias, teniendo en cuenta aquellas características más destacadas y que de hecho son las que determinan sus aplicaciones. De esta forma se pueden encontrar las siguientes: •Diodos rectificadores de toda gama de potencias, con encapsulado individual o en puente. •Diodos de señal de uso general. •Diodos de conmutación. •Diodos de alta frecuencia. •Diodos estabilizadores de tensión. •Diodos especiales. Diodos rectificadores La familia de rectificadores está concebida especialmente para esta aplicación, aunque los tipo de baja potencia también pueden ser empleados como diodos de señal o conmutación en circuitos de continua o baja frecuencia y en aquellos de tipo digital que no requieran unas velocidades muy elevadas. El encapsulado de estos diodos depende de la potencia que hayan de disipar. Para los de baja y media potencia se emplea el plástico hasta un límite de alrededor de 1 vatio. Por encima de este valor se hace necesario un encapsulado metálico y en potencias más altas deberá estar la cápsula preparada para que pueda ser instalado el diodo sobre un radiador de calor, por medio de un sistema de sujeción a tornillo. Cualquier sistema rectificador de corrientes, tanto monofásicas como trifásicas o polifásicas, se realiza empleando varios diodos según una forma de conexión denominada en puente. No obstante, también se utiliza otro sistema con dos diodos, como alternativa del puente, en algunos circuitos de alimentación monofásicos. Debido al gran consumo a nivel mundial de diodos que más tarde son empleados en montajes puente, los fabricantes decidieron, en un determinado momento, realizar ellos mismos esta disposición, uniendo en fábrica los cuatro diodos y cubriéndolos con un encapsulado común. Esto dio lugar a la aparición de diversos modelos de puentes de diodos con diferentes intensidades máximas de corriente y, por lo tanto, con disipaciones de potencia más o menos elevadas, en la misma forma que los diodos simples. En los tipos de mayor disipación, la cápsula del puente es metálica y está preparada para ser montada sobre un radiador. Características Cualquier diodo rectificador está caracterizado por los siguientes factores: •Corriente directa máxima (if). •Tensión directa (Vd), para corriente if determinada. •Tensión inversa máxima de pico de trabajo (VRWM). •Tensión inversa máxima de pico repetitiva (VRRM). •Corriente máxima de pico (lfsm). •Corriente inversa máxima de pico (IRM), medida a VRRM. •Potencia total (P/tot). Estas características deberán ser tenidas en cuenta en el momento de la elección del modelo más adecuado para cada aplicación, procurando no ajustarse demasiado a los valores límites, ya que ello acortaría excesivamente la duración del componente. Diodos de señal Los diodos de señal se uso general se emplean en funciones de tratamiento de la señal, dentro de un circuito o bien para realizar operaciones de tipo digital formando parte de “puertas lógicas” y circuitos equivalentes. Son de baja potencia. Las características de estos diodos son: •Tensión inversa (Vr), hasta 75 V como máximo. •Corriente directa (if), 100 mA. •Potencia máxima (P/tot), 200 milivatios (mW). El encapsulado es en forma de un cilindro miniatura, de plástico o vidrio, estando los dos terminales de conexión situados en los extremos. Sobre el cuerpo deberá estar marcado el hilo de conexión que corresponde al cátodo, mediante un anillo situado en las proximidades de éste. Diodos de conmutación Los diodos de conmutación o rápidos se caracterizan por ser capaces de trabajar con señales de tipo digital o “lógico” que presenten unos tiempos de subida y bajada en sus flancos muy breves. El factor o parámetro que caracteriza a estos diodos es el tiempo de recuperación inverso (TRR) que expresa el tiempo que tarda la unión P-N en desalojar la carga eléctrica que acumula, cuando se encuentra polarizada inversamente (efecto similar a la acumulación de carga de un capacitor), y recibe súbitamente un cambio de tensión que la polariza en sentido directo. Pueden ser considerados rápidos aquellos diodos con un TRR inferior a 400 nanosegundos, en modelos de media potencia, para los de baja potencia este tipo es del orden de los 5 nanosegundos. Diodos de alta frecuencia Los diodos de alta frecuencia se emplean en aquellas partes de un circuito que deben de funcionar con frecuencias superiores a 1 megaherz (1 millón de ciclos por segundo). Se caracterizan por presentar una baja capacidad (Cd) entre las dos zonas semiconductoras que forman la unión P-N, cuando éstas están polarizadas en sentido directo. Diodos estabilizadores de tensión Los diodos estabilizadores de tensión se emplean, como su nombre indica, para producir una tensión entre sus extremos muy constante y relativamente independiente de corriente que lo atraviesa. Aprovechan, para su funcionamiento, una propiedad muy interesante que presenta la unión semiconductora cuando se polariza inversamente, por encima de un determinado nivel. Normalmente un diodo que recibe una polarización inversa no permite el paso de la corriente o lo hace dejando pasar una intensidad debilísma. Sin embargo, al alcanzar una determinada tensión, denominada zener se produce un aumento de la cantidad de corriente, de forma tal que esta diferencia de potencial entre sus extremos se mantiene prácticamente constante, aunque se intente aumentar o disminuir a base de variar la intensidad que lo atraviesa. Existe una amplia gama de tipos clasificados por una serie de tensiones zener normalizadas que son capaces de disipar, desde 250 milivatios hasta decenas de vatios, con encapsulado plástico o metálico. Los parámetros que caracterizan a un diodo zener son: •Tensión zener (Vz). •Corriente mínima para alcanzar la Vz (lz). •Potencia máxima (P/tot). Diodos especiales Dentro del grupo de diodos especiales están comprendidos los diodos varicap, diodos túnel y diodos led. Los primeros se construyen buscando acentuar al máximo la propiedad que presenta la unión P-N de comportarse de forma análoga a un capacitor, cuando se la polariza inversamente. La capacidad resultante es, además, variable con la tensión aplicada, lo cual permite disponer de una forma muy simple de capacitores variables, controlados por una diferencia de potencial. Su empleo está muy generalizado en etapas de sintonía de receptores de radio y TV.