La electricidad y la electrónica son dos tecnologías que están relacionadas. Puedes aprender electricidad y no dar el próximo paso al aprendizaje de la electrónica, pero no puedes aprender electrónica sin conocer los principios básicos de la electricidad.
Si alguien pregunta: ¿cuál es el punto en el cual se dividen estas disciplinas del conocimiento? muchos dirán que ocurre a partir del estudio de los diodos.
Dentro de la electrónica podemos encontrar componentes como las resistencias, condensadores o bobinas pero los componentes que dieron paso a la miniaturización de la tecnología actual fueron los semiconductores. Entre ellos se encuentran los diodos.
Sin que lo sepas, utilizas los diodos en muchos equipos eléctricos y en casi todos los equipos electrónicos de tu hogar u oficina. Si sabes electricidad y quieres pasar a la electrónica, este artículo es un buen comienzo. Vamos a conocer los detalles de este componente, fundamental en circuitos electrónicos.
Acompáñame con tu lectura.
Indice de contenidos
¿Qué es un diodo?
Un diodo es un dispositivo semiconductor que actúa como si se tratase de un interruptor que permite el paso de la corriente eléctrica en una sola dirección.
Puedes imaginarlo como una válvula que solo permite la circulación de la corriente de agua en un solo sentido, pero que no deja que se devuelva. También se asemeja a un interruptor que cuando está cerrado permite el paso de la corriente pero si está abierto, no lo permite.
Puede que te preguntes ¿y ese dispositivo puede tener alguna utilidad? sigue leyendo y lo entenderás.
No pienses que el diodo es un dispositivo que ha sido creado hace 30 o 40 años, en realidad fue concebido a principios del siglo pasado casi simultáneamente con los diodos de tubo de vacío. Si no has oído hablar de estos tubos o válvulas termoiónicas, seguro que eres una persona joven, pero debes saber que los mismos dieron origen a la electrónica mucho antes de que se desarrollaran los dispositivos que conocemos actualmente, como los transistores y circuitos integrados.
Aunque los tubos de vacío eran grandes, frágiles y calentaban demasiado, fueron muy utilizados inicialmente, ya que la tecnología de esa época no permitió la masificación del uso del diodo detector que ya estaba patentado en 1906. Solo con el avance científico en el uso de semiconductores el diodo de unión empezó a usarse a mediados del siglo XX.
¿Cómo funciona un diodo?
Para entender mejor el funcionamiento de los diodos debemos conocer, así sea someramente, las características eléctricas de la materia.
Los materiales, según sus características eléctricas, pueden clasificarse en conductores, aislantes y semiconductores.
No hace falta ser un ingeniero para darnos cuenta de que el electricista sujeta entre sus dedos la parte aislante de un alambre de los que se usan en instalaciones eléctricas y deja expuesta una parte del cobre conductor. Podemos también decir con seguridad que los materiales conductores permiten el paso de la corriente eléctrica y los aislantes no permiten el paso de la misma.
Pero… ¿y los semiconductores? ¿Qué son y para qué se utilizan? Ejemplos de semiconductores son el silicio (Si) y el germanio (Ge).
Semiconductores
El silicio es el segundo elemento más abundante en la corteza de nuestro planeta, se encuentra principalmente en algunos tipos de arena, pero no se encuentra en estado puro sino en forma de dióxido de silicio (SiO2), en 1823 Jacob Berzelius obtuvo silicio puro y hoy en día es el material más usado por la industria en la fabricación de semiconductores.
El número atómico del silicio es 14, eso quiere decir que posee 14 electrones y según leyes naturales estos electrones se ubicarán en niveles. En el primer nivel habrá 2 electrones, en el segundo nivel 8 y en el último nivel o nivel de valencia 4. Todos los semiconductores poseen 4 electrones en su nivel de valencia.
Según la conocida regla del octeto los átomos de silicio se unirán entre sí formando cristales en enlaces covalentes, o sea entre átomos no metálicos, de esta forma llena con ocho electrones su nivel de valencia y alcanza así su estabilidad.
Hagamos un resumen.
- Según la regla del octeto los átomos forman compuestos al ganar, perder o compartir electrones para adquirir 8 electrones de valencia y así tener una configuración electrónica estable.
- Un átomo con un solo electrón en su nivel de valencia, como la plata o el cobre, tiende a liberar fácilmente ese electrón y se considera conductor de la electricidad.
- Un átomo o un compuesto que logre reunir 8 electrones en su nivel de valencia se considera un aislante ya que ha logrado su estabilidad y no permitirá que sus electrones sean arrancados fácilmente.
- Un átomo con 4 electrones en su nivel de valencia se denomina semiconductor y al unirse con otros átomos semejantes forma cristales, como el silicio. Por tanto un cristal semiconductor puro es un aislante.
Ahora bien, un semiconductor es un aislante, pero si deseamos obtener un beneficio adicional de los mismos se deben someter a un procedimiento químico especial llamado dopaje.
Dopaje de un semiconductor
El dopaje de semiconductores consiste en añadir a un semiconductor puro elementos con cinco o tres electrones de valencia.
Estos elementos de cinco o tres electrones de valencia se les llaman también impurezas. Pero se quiere dar a entender que son ajenos al semiconductor.
Hay dos tipos de dopajes.
- Con átomos de 5 electrones de valencia (pentavalentes) como el fósforo, el antimonio o el arsénico.
Átomos de silicio son dopados con átomos de fósforo, cuyo número atómico es 15 y posee 5 electrones de valencia. Al realizar los enlaces según la regla del octeto, resulta que un electrón por cada átomo de fósforo quedará libre ya que no encuentra forma de lograr enlaces con átomos de silicio. Así se formará un semiconductor de tipo n ya que la impureza es donadora de electrones.
2. Con átomos de tres electrones de valencia (trivalentes) como el boro, el aluminio o el galio.
Átomos de silicio son dopados con átomos de aluminio, cuyo número atómico es 13 y posee 3 electrones de valencia. Al realizar los enlaces según la regla del octeto, resulta que faltará un electrón por cada átomo de aluminio ya que no hay electrón en el aluminio para formar el enlace con un átomo de silicio. Así se formará un semiconductor de tipo p ya que la impureza es aceptor de electrones al tener un espacio vacío o hueco.
En realidad hay millones de átomos de silicio y también millones de átomos trivalentes o pentavalentes, por tanto hay millones de huecos en un material semiconductor de tipo p y millones de electrones libres en un semiconductor de tipo n.
Y es aquí donde se va a producir la magia. Los semiconductores tipo p y tipo n separados no tienen ninguna utilidad, pero… ¿qué sucede si unimos un semiconductor de tipo p a un semiconductor de tipo n?
Pues hemos creado un diodo de unión o unión pn y sus propiedades son muy útiles.
Barrera de potencial
Al unirse los dos tipos de material semiconductor p y n, los electrones libres del material n ocupan rápidamente los huecos del material p que están más próximos a la unión y crean en esa zona un campo eléctrico que no permite a casi ningún electrón cruzar la unión para seguir recombinándose con los huecos del material p.
El campo eléctrico en la unión pn es equivalente a una barrera de potencial de 0.3 V para los diodos de germanio (Ge) y de 0.7 V para los diodos de silicio (Si).
Símbolo del diodo
En electricidad y electrónica utilizamos muy a menudo los símbolos esquemáticos para representar los diferentes dispositivos que se emplean en los circuitos, veamos el símbolo del diodo y su aspecto físico.
El ánodo o terminal positivo corresponde al semiconductor de tipo p y el cátodo o terminal negativo corresponde al terminal de tipo n. Físicamente al diodo se le pinta una raya de color blanco, plata o negro para que podamos reconocer el cátodo o terminal negativo.
El símbolo del diodo es parecido a una flecha indicando el sentido convencional de la corriente de ánodo a cátodo, el sentido real de circulación de los electrones en el diodo es contrario, de cátodo a ánodo.
Polarización
Polarizar en electricidad y electrónica significa colocar tensión eléctrica o voltaje a un dispositivo. Entonces, si colocamos tensión a un diodo, por ejemplo el voltaje de una pila o batería eléctrica podemos obtener dos tipos de polarización del diodo.
Polarización directa
En la imagen vemos un circuito eléctrico con una batería de 9 VDC como fuente de energía eléctrica, una bombilla como carga eléctrica y un diodo que hará las veces de interruptor o elemento de control. Los conductores eléctricos completan el circuito.
La tensión positiva de la batería está colocada en el ánodo del diodo, que es el semiconductor de tipo p y la tensión negativa, está en el cátodo del mismo a través de la bombilla.
Características.
- La polarización directa refuerza el flujo de electrones que producirán la conducción a través del diodo.
- El diodo producirá una caída de tensión equivalente a su barrera de potencial. En el ejemplo son 0.7 VDC.
- El diodo con polarización directa se comporta como un interruptor cerrado.
- La carga eléctrica del circuito tomará el resto de la tensión de la fuente. La bombilla es de 9 VDC, pero solo le llegarán 8.3 VDC.
Polarización inversa
La tensión positiva de la batería está colocada en el cátodo del diodo, que es el semiconductor de tipo n y la tensión negativa, está en el ánodo del mismo a través de la bombilla.
Características.
- La polarización inversa refuerza el campo eléctrico que se produce en la unión pn del diodo y evitará completamente la recombinación de los huecos y los electrones impidiendo la circulación de corriente en el circuito eléctrico.
- El diodo tendrá toda la tensión de la fuente de energía. En el ejemplo son 9 VDC.
- El diodo con polarización inversa se comporta como un interruptor abierto.
- La carga eléctrica del circuito no tomará tensión de la fuente. La bombilla que es de 9 VDC, al tener 0 VDC no iluminará.
Características de un diodo
Vamos a analizar las características intrínsecas de los diodos.
Al iniciar el artículo dijimos que el comportamiento de un diodo es parecido a un interruptor, es decir presenta dos estados uno de conducción (polarización directa) y otro de no conducción o bloqueo (polarización inversa). Este sería el caso de un diodo ideal.
La representación en el plano cartesiano de las características de un componente se utiliza siempre que se necesite comprender mejor el funcionamiento del mismo o de un circuito electrónico.
Esta es la característica para un diodo ideal.
En el eje X se representa la tensión aplicada al diodo V y en el eje Y la corriente a través del mismo I.
Las líneas verdes nos indican una presencia de corriente con polarización directa y una ausencia de la misma con polarización inversa.
Pero un diodo no se comporta en forma ideal ya que debemos tener en cuenta al menos cuatro factores.
- Para que un diodo conduzca, la tensión de polarización directa debe superar la barrera de potencial de la juntura pn. Hemos tomado un valor aproximado de 0.7 VDC para un diodo de silicio. Este voltaje se conoce como tensión umbral.
- El diodo con polarización directa no es conductor perfecto, presenta una resistencia equivalente de unos 0.2 Ω.
- La variación de la corriente respecto a la tensión en un diodo no es lineal como sí lo es en una resistencia, por lo tanto no se puede utilizar líneas rectas en su representación.
- El diodo al ser polarizado inversamente no dejará circular corriente eléctrica (solo una despreciable cantidad de electrones logra hacerlo, corriente de fuga) pero hasta cierto nivel de tensión inversa, llegado este punto la corriente podrá fluir en avalancha y destruirá el diodo.
Esta es la curva característica para un diodo real.
Llevando a la práctica los conceptos vistos hasta acá, en el momento de escoger un diodo cuando realizamos un circuito electrónico debemos tener en cuenta estas características.
- Tipo de diodo. Hasta ahora nos hemos ocupado del diodo común o rectificador.
- Máxima corriente que soporta con polarización directa.
- Máxima tensión con polarización inversa.
- Frecuencia de conmutación
Dos de los diodos más utilizados en electrónica son el 1N4004 y el 1N4007, comparemos sus características principales según su hoja de datos técnica (datasheet).
Ambos diodos son prácticamente iguales, solo difieren en una característica.
- Tipo de diodo. Ambos son de propósito general.
- Voltaje pico inverso repetitivo (PRRV por sus siglas en inglés). Hace referencia a la máxima tensión de pico inversa que podemos aplicar al diodo sin que entre en la zona de conducción inversa por avalancha. En este parámetro el diodo 1N4007 es superior.
- Corriente directa rectificada promedio (ARFC por sus siglas en inglés). Es la intensidad de corriente que dejará fluir el diodo en polarización directa.
- Tensión directa. Es el voltaje aproximado que tomará el diodo antes de conducir para romper la barrera de potencial. Hay que tener en cuenta esta tensión ya que se restará de la señal de entrada, el resto pasará a la carga eléctrica.
- Corriente inversa nominal. Recuerda que el diodo con polarización inversa solo permite el paso de pocos electrones, en este caso solo 50 µA.
- Capacitancia total. En polarización inversa los diodos presentan una capacitancia muy pequeña que puede ser aprovechada en algunos circuitos. Para estos diodos es de 15 picoFaradios.
- Cuando se trabaja con señales de alta frecuencia es importante que los diodos estén diseñados para tal fin. Los diodos 1N4004 y 1N4007 no son para altas frecuencias.
Hemos analizado el diodo común o rectificador, pero hay otros tipos de diodos de fabricación especial para aprovechar sus características y que también son muy utilizados en electrónica.
Tipos de diodos
Existen muchos tipos de diodos, vamos a listar los más utilizados.
- Diodo rectificador
Es el diodo que hemos estado analizando y se le llama rectificador ya que su principal uso es en los circuitos rectificadores de corriente, en los cuales la corriente alterna se convierte en corriente directa. Se aprovecha la característica del diodo de permitir la circulación de corriente en una dirección.
- Diodo Emisor de Luz, LED (Light Emitting Diode)
Es un diodo que emite luz debido a los materiales usados en su construcción. Los primeros LED eran rojos, pero ahora se fabrican de múltiples colores, incluso en el mismo encapsulado puede haber tres LED, como es el caso de los LED RGB.
También se construyen LED de luz no visible llamados LED infrarrojos, incluso hay LED de luz roja o infrarroja concentrada o láser, esta palabra es un acrónimo inglés (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) o amplificación de luz por emisión estimulada de radiación, como la que encontramos en los indicadores lumínicos.
- Fotodiodo
Es un diodo sensible a la incidencia de la luz visible o infrarroja. Trabaja en la zona de polarización inversa, tensión negativa al ánodo y tensión positiva al cátodo. Habrá circulación de corriente cuando el fotodiodo sea excitado por una luz incidente sobre él, por tanto es de gran utilidad cuando se desea sensar cambios de intensidad en la luz.
- Diodo Zener
El nombre de este diodo se debe a su inventor Clarence Melvin Zener. Este diodo se caracteriza por mantener una tensión constante en sus terminales cuando se polariza inversamente, por eso se utilizan como reguladores de tensión. Para realizar correctamente su función, la tensión de la fuente que lo alimenta debe ser superior a su voltaje de estabilización.
Tenemos en cuenta la tensión de estabilización y la potencia que puede disipar. Como ejemplo puede ser un diodo Zener de 5 VDC y 1 W.
- Diodo Schottky
Cuando la frecuencia de la tensión que se requiere rectificar es baja, como el caso del voltaje de la red domiciliaria que tiene una frecuencia de 50 o 60 HZ, los diodos pueden conmutar de apagado a encendido con facilidad. Para frecuencias mucho más altas se utilizan diodos de alta frecuencia como el Schottky.
Este diodo debe su nombre a su inventor Walter Schottky y es un dispositivo que puede conmutar rápidamente en menos de 1ns. No se construye con una unión de semiconductores pn sino con una unión metal semiconductor que lo hace ser mucho más rápido.
- Diodo Varactor o Varicap
El diodo de capacidad variable (varicap) o de reactancia variable (varactor) aprovecha la pequeña capacidad que posee un diodo con la tensión de polarización inversa.
El varactor es un dispositivo controlado por tensión, su capacidad varía en función de la tensión inversa aplicada. La capacitad del varactor es muy pequeña, sin embargo es de mucha utilidad en circuitos de alta frecuencia o radiofrecuencia (RF).
- Diodo de señal
También son conocidos como diodos detectores. Algunos diodos de señal son construidos de germanio, ya que su barrera de potencial es más baja que la del silicio y tienen una unión pn muy pequeña. Pueden trabajar con señales de alta frecuencia y de muy baja intensidad. Son utilizados en circuitos de radiofrecuencia (RF).
- Diodo de Potencia
Los diodos de potencia tienen un comportamiento similar a los diodos rectificadores, pero sus características de diseño les permiten manejar corrientes de polarización directa del orden de cientos o miles de amperios y pueden bloquear varios miles de voltios en polarización inversa.
Los diodos de potencia se utilizan en rectificación, cargadores de baterías, UPS, soldadores, entre otros.
¿Dónde se usan los diodos?
- Rectificadores
Un rectificador es un circuito que convierte la corriente alterna (CA) en corriente directa (DC). Es un circuito muy útil y lo utilizan la mayoría de equipos electrónicos. Se toma la tensión alterna de un tomacorriente y obtenemos tensión directa para alimentar la electrónica de nuestros electrodomésticos.
La corriente generada por la tensión directa desplaza los electrones del circuito del polo negativo al polo positivo de la batería.
La corriente generada por la tensión alterna desplaza los electrones del circuito de un lado al otro del circuito.
Se toma tensión alterna (VAC) de un tomacorriente o de un transformador y utilizando un diodo como mínimo, rectificamos la tensión. En la resistencia de carga del circuito (R), la tensión ya no será alterna, sino directa pulsante (VDC). El diodo solo permitirá el paso de los semiciclos positivos. Posteriormente esa tensión pulsante se «aplanará» un poco con una sección de filtraje con condensador.
Si no existieran los circuitos rectificadores tendríamos que alimentar nuestros equipos electrónicos con baterías y resultaría sumamente costoso.
- Puertas lógicas
Si conoces un poco de electrónica digital has escuchado hablar de las puertas lógicas, de lo contrario tal vez no hayas escuchado el término o sea confuso para ti.
Resumiendo podemos decir que las puertas lógicas permiten o no el paso de señales digitales. Estas señales tienen solo dos estados: alto y bajo (1, 0). Estas puertas lógicas son la base del funcionamiento de todos los equipos electrónicos digitales que utilizamos.
La imagen muestra el símbolo de la puerta lógica Y (AND) y su tabla de verdad.
La tabla muestra las posibles combinaciones en las entradas A y B con su correspondiente salida S.
Un 0 equivale a cero voltios y un 1 a una tensión positiva, puede ser 5V.
La tabla de verdad nos indica que la salida S solo tendrá una tensión alta (1) cuando las dos entradas A y B sean también altas.
Un circuito con diodos puede satisfacer ese requerimiento.
Las entradas A y B se colocan en los cátodos de los diodos, por tanto si uno de ellos o los dos, tienen un nivel bajo o de 0 voltios conducirá y la salida S tendrá 0 voltios ya que existirá una caída de tensión en la resistencia R.
En el caso de que las entradas A y B sean altas o de 5 V ambos diodos estarán polarizados inversamente y no conducirán, por lo tanto la salida S será alta o de 5 V ya que no habrá caída de tensión en la resistencia. Se cumple así el requerimiento de la tabla de verdad de la puerta lógica Y, se expresa S = A.B (se lee: S igual a A y B).
- Supresión de picos de voltaje
Uno de los graves problemas en electrónica son las descargas electrostáticas, ESD (Electro Static Discharge) que se pueden producir en un circuito electrónico incluso cuando tocamos las tarjetas con nuestras manos sin tener colocadas pulseras antiestáticas. También se pueden producir descargas indeseadas al tocar los cables de conexión de los equipos electrónicos o sus botones cuando los presionamos o tensiones inducidas en los mismos cables del circuito. Es decir, las tensiones transitorias indeseadas pueden aparecer en cualquier momento y lugar.
Una forma de minimizar los riesgos por ESD en los circuitos electrónicos sensibles es usar diodos supresores de voltaje transitorios, TVS (Transient Voltage Suppression). Estos se colocan en sitios estratégicos de los circuitos para protegerlos. No interfieren en el funcionamiento de los circuitos, pero si aparece un evento ESD el TVS alcanza su tensión de ruptura y desvía la corriente a tierra protegiendo los componentes del circuito.
El comportamiento de los diodos TVS es similar al diodo Zener cuando son unidireccionales para VDC, aunque también hay diodos TVS bidireccionales para VAC.
- Protección de corriente inversa
Uno de los usos más populares de los diodos es proteger contra corrientes inversas.
Veamos un ejemplo con el uso de motores DC.
El esquemático muestra a una tarjeta Arduino uno controlando un motor DC.
Como la corriente que entrega el Arduino es pequeña no puede conectarse al motor DC directamente, necesita utilizar un controlador o driver, en este caso un transistor NPN para elevar la corriente.
Sin embargo, conectado en paralelo al motor hay un diodo rectificador 1N4004 inversamente polarizado.
Cuando el transistor está trabajando o encendido el diodo no realiza ninguna función y la bobina genera un campo magnético, pero cuando el transistor está en corte o apagado el campo magnético se corta repentinamente e induce un alto voltaje instantáneo que puede dañar al transistor, en ese momento el diodo descarga esa corriente a través de él y protege al transistor.
Este diodo protector contra corrientes inversas también es llamado flyback.
Conclusiones
Terminamos aquí el estudio de los diodos, uno de los componentes básicos de la electrónica pero como habrás podido apreciar también uno de los más importantes.
Con más de 100 años de historia el diodo, desde los primeros detectores de radio hasta el diodo Josephson o diodo superconductor, nos ha acompañado en la evolución de la tecnología electrónica.
Espero que el tema haya sido de tu agrado y te sirva de incentivo para seguir profundizando en tus estudios de los componentes electrónicos.
Hasta pronto.
Gracias a Depositphotos por la cesión de las imágenes.
