Diodos
El diodo, es un dispositivo electrónico, basado en materiales semiconductores tipo P y tipo N. Cabe señalar que tiene diversas aplicaciones, que van desde la rectificación, protección de dispositivos y regulación de voltaje, hasta la iluminación.
Esta última es la que mas se ha desarrollado y diversificado los últimos 10 años. Por lo que ahora tenemos lámpara o luminarias tipo LED en diversos ámbitos y escenarios de nuestra vida cotidiana.
En esta publicación te voy a explicar que es un diodo y sus características principales y principio de funcionamiento. Asimismo, te voy a explicar los tipos que existen y sus aplicaciones mas comunes.
Los materiales semiconductores son aquellos que tienen la capacidad de comportarse como conductores o aislantes. Son la base de la mayor parte de los dispositivos electrónicos modernos.
Cabe señalar que aunque existen diversos elementos que se pueden comportar de esta forma, los mas utilizados son el silicio y germanio, principalmente para la producción de diodos y transistores. En una publicación anterior te explico con mas detalle sobre los materiales semiconductores.
Construcción de un diodo
Un diodo esta construido por la unión de un material tipo P y un material tipo N. Recuerda que ambos son materiales semiconductores extrínsecos, el material tipo P tiene mayor cantidad de huecos o espacios disponibles para electrones. Por otro lado, el material tipo N tiene mayor cantidad de electrones, en comparación con la cantidad de huecos.
Para explicar el funcionamiento del diodo debemos centrarnos en la unión física del material tipo P y del material tipo N. Sin aplicar al diodo algún tipo de energía como térmica o eléctrica, en la unión de los materiales se genera una recombinación de portadores.
Es decir, como se une un material al que le sobran electrones y por otro lado está un material al que le sobran huecos, los electrones de material tipo N ocuparán los lugares disponibles del material tipo P.
Por lo tanto, en donde ocurre esa recombinación se tiene un material que puede considerarse intrínseco, ya que el número de huecos es igual al número de electrones. Cabe señalar que la parte del material donde ocurre lo anterior es pequeña, sin embargo, debe considerarse en el análisis del funcionamiento del diodo.
El símbolo del diodo
A el lado donde se encuentra el material tipo P se le llama ánodo y a el lado donde está el material tipo N se le llama Cátodo. Ambos materiales se indican en el símbolo esquemático del diodo como puedes ver a continuación:
Físicamente, en un diodo real, se puede saber cual terminal es el ánodo y cual es el cátodo. Por ejemplo, en los diodos comunes de menores capacidades, como los de la imagen principal de esta publicación, el cátodo se encuentra del lado de color gris, por lo tanto el ánodo es la otra terminal.
Asimismo, en diodos con encapsulados como los que se muestran en la siguiente imagen, se puede ver que se indica sobre el encapsulado las dos terminales o en algunos otros, se coloca la letra K de lado de la terminal que corresponde al cátodo.
Funcionamiento básico del diodo
Anteriormente, se explico que cuando el diodo no está energizado, existe una recombinación de materiales, generando una parte de material intrínseco. A esta parte se le llama barrea de potencial, que afecta al funcionamiento del diodo, dependiendo de la polarización.
Cuando el diodo se alimenta con una fuente de alimentación de tal forma que el ánodo se conecta al polo positivo y el cátodo al polo negativo, se le conoce como polarización directa. Por otro lado, si el polo positivo de la fuente se conecta el cátodo del diodo y el polo negativo de la fuente al ánodo, se le llama polarización inversa.
Cabe señalar que generalmente se añade una resistencia en serie al diodo en sus circuitos o aplicaciones mas básicas, esto es para limitar el flujo de corriente del diodo y no exceder la corriente máxima que puede soportar y que indica el fabricante en su hoja de datos.
En polarización directa el diodo requiere al menos 0.7 volts, si es de silicio, para que conduzca corriente de ánodo a cátodo ó 0.3 volts, si es de germanio. Cabe señalar que estos pequeños voltajes mínimos requeridos para que comience a conducir corriente se deben a la barrera de potencial. Es decir, es la energía mínima que requieren los electrones, que fluirán a través del diodo, para atravesar la unión de los materiales P y N.
En polarización inversa, el diodo se comporta como un circuito abierto. Es decir, no permite el flujo de electrones o corriente de ánodo a cátodo, aún si se incrementa la magnitud del voltaje aplicado. C
abe recalcar que aunque no existe corriente hay una magnitud máxima de voltaje que soporta el diodo en polarización inversa. Si se excede, se dañará y entonces permitirá el flujo de corriente.
Rectificadores de voltaje
La principal aplicación del diodo es en circuitos rectificadores. Cabe señalar que su principal objetivo es convertir un voltaje alterno o de ca, en un voltaje de tipo continuo. Este tipo de circuitos son la base de funcionamiento de las fuentes de voltaje y cargadores de baterías, principalmente.
Rectificador de media onda
El circuito del rectificador de media onda se muestra a continuación. Como se puede ver incluye únicamente un diodo y una resistencia, alimentados por una fuente de voltaje de corriente alterna Vca.
Recuerda que el voltaje de ca es periódico, de tipo senoidal y en un instante de tiempo tiene polaridad positiva y en otro instante tiene polaridad negativa. Cuando el voltaje de ca tiene polaridad positiva, el diodo se encuentra en polarización directa. Es decir, conduce corriente y la media onda de entrada se verá reflejada en la resistencia, menos un pequeño voltaje, igual al que se requiere para vencer la barrera de potencial.
Ahora, cuando el voltaje de entrada de ca tiene polaridad negativa el diodo se encuentra polarizado inversamente. Por lo tanto, no conduce corriente, es como si no existiera el diodo y el circuito se encontrara abierto en el lugar donde está el diodo. Al no conducir, no existe corriente en el circuito, generando que no exista voltaje en la resistencia.
Entonces, el propósito de este circuito es entregar una señal de media onda positiva un instante de tiempo. Es decir, elimina o recorta la polaridad negativa de la entrada. Por otro lado, si se invierte la posición del diodo en el diagrama anterior ahora el diodo recortará la parte positiva de la entrada y sólo permitirá el paso del voltaje cuando la entrada sea negativa.
Rectificador de onda completa
El circuito rectificador de onda completa es el que se muestra en la siguiente imagen. Como se puede ver, consta de cuatro diodos y se debe tener especial cuidado en su conexión. Ya que, si un diodo es conectado de forma inversa puede existir un corto circuito y generar daño en algunos dipositivos.
Al igual que en el rectificador de media onda, este circuito de sebe analizar por separado. Es decir, determinar que pasa con los diodos cuando el voltaje de entrada de ca tiene polaridad positiva y que sucede con la polaridad de los diodos cuando el voltaje de entrada tiene polaridad negativa.
En el primer caso, cuando la entrada tiene polaridad positiva, sólo los diodos 1 y 3 están polarizados directamente. Por otro lado, los diodos 2 y 4 están polarizados inversamente, por lo que no conducen corriente. Sin embargo, gracias a los diodos 1 y 3 el voltaje de entrada se ve reflejado en la salida como voltaje con polaridad positiva.
Ahora, cuando el voltaje de entrada tiene polaridad negativa, los diodos 1 y 3 se encuentran polarizados inversamente. Por lo tanto, se consideran circuito abierto y no conducen corriente. Sin embargo, los diodos 2 y 4 ahora se encuentran polarizados directamente, por lo que conducen corriente. En consecuencia, el voltaje de entrada se verá reflejado en la salida en forma de voltaje positivo.
Entonces, analizando el párrafo anterior, el rectificador de onda completa toma una señal de voltaje alterno o de ca y entrega un voltaje de cc. Es decir, el voltaje de salida tendrá únicamente una polaridad, no alternará entre positivo y negativo.
Otros tipos de diodos
Existen diodos que se fabrican con el mismo principio que comenté al principio de esta publicación. Es decir, son de materiales semiconductores de tipo N y de tipo P. Sin embargo, se altera o modifica algún parámetro de diseño y construcción, permitiendo aprovechar alguna característica en especial. A continuación te menciono los más usados.
Diodo zener
Este tipo tiene la particularidad de que en polarización directa se comportan igual que el diodo básico o común. Es decir, permiten el paso de corriente. Sin embargo, cuando son polarizados inversamente y se alcanza un voltaje específico llamado zener mantienen constante voltaje entre sus terminales.
Cabe señalar que aunque se incremente el voltaje aplicado en polarización directa, siempre mantendrán constante el voltaje entre ánodo y cátodo. Se diseñan y venden para distintos voltajes zener y su mayo aplicación es como reguladores de voltaje. Así como se describió, mantienen constante el voltaje entre ánodo y cátodo.
Diodo LED
Este tipo de componentes son diodos emisores de luz (light emitting diode). Al igual que en los casos anteriores, de fabrican de material tipo P y tipo N, con la particularidad de que el encapsulado es de un material transparente. Esto permite que cuando existe un flujo de electrones en el diodo, se presente el efecto fotoeléctrico.
Por lo tanto, los electrones dejan el diodo emitiendo luz. Dependiendo el material con el que se encapsula el diodo se logra dar el color de la luz emitida, permitiendo tener la gran gama con la que contamos de forma comercial en la actualidad. Por lo tanto, su mayor aplicación es como luminaria, que no se calienta, con alta eficiencia y gran vida útil.
Diodo varicap o varactor
Este es un tipo que en particular aprovecha el efecto capacitivo que existe en el diodo debido a su fabricación. Recuerda que un capacitor es un dispositivo con dos placas o materiales con cierta polaridad (materiales tipo P y tipo N), separados por un material dieléctrico o aislante (barrera de potencial). Es decir, se puede ver como un capacitor, que al ser polarizado inversamente con un voltaje que se modifica, se comporta como un capacitor variable.
Es decir, al modificar el voltaje de polarización inversa, se modifica el material intrínseco que existe en la unión de los materiales tipo P y tipo N. Lo anterior equivale a modificar el dieléctrico del capacitor y por lo tanto, ajustar su valor de capacitancia.
Su mayor aplicación es en circuitos sintonizados, es decir, aquellos circuitos utilizados para sintonizar o recibir una señal variable en especial. El mejor ejemplo son los auto estereos de los vehículos modernos, donde con botones vamos ajustando la frecuencia de sintonización para escuchar alguna estación de radio en especial.
Conclusiones
En esta publicación te expliqué como está fabricado un diodo y su principio de funcionamiento básico. Aprendiste que con polarización directa conduce corriente y por otro lado, en polarización inversa se comporta como circuito abierto y no conduce corriente. Expliqué que existen circuitos electrónicos en los que se aprovecha este comportamiento, como los rectificadores.
En el rectificador de media onda, se tiene sólo un diodo y una resistencia. Asimismo, entra un voltaje de corriente alterna y en la resistencia, que se encuentra en serie con el diodo, se obtiene un voltaje rectificado.
Es decir sólo la mitad del voltaje que entró y generalmente, es el ciclo o parte positiva. Por otro lado, en el rectificador de onda completa, donde se tienen 4 diodos, de igual forma entra un voltaje de corriente alterna y en la salida se obtiene únicamente voltaje con una polaridad.
Finalmente, te platiqué sobre otro tipo de diodos, como el zener, varicap y led. El zener generalmente tiene la aplicación de regulador de voltaje y se utiliza en polarización inversa.
El varicap se considera un capacitor variable y su uso en en circuitos sintonizados. Por último, el led, sirve como luminaria y gracias a su bajo consumo de corriente, actualmente se encuentra en diversos ámbitos con ese propósito.