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Diodos
Por: Ariel Palazzesi @ martes, 08 de agosto de 2006 Nota vista 25941 veces
Siguiendo con la descripción de los componentes básicos de cualquier circuito
electrónico, veremos las características de los diodos, siendo la más destacada la
alinealidad que presenta cuando son travesados por una corriente eléctrica en
uno u otro sentido.
Al igual que los resistores o condensadores, los diodos disponen de dos
terminales. Pero a diferencia de aquellos, en que ambos terminales se pueden
intercambiar libremente al momento de conectarlos al resto del circuito, en los
diodos cada terminal tiene un nombre propio, estando debidamente señalados
en el componente. Existe una característica de no-linealidad que los hace
asimétricos. Esto implica que no es lo mismo conectarlos al circuito del que
forman parte de una u otra manera, por lo que cada terminal tiene un nombre
particular.
Físicamente, un diodo consiste en la unión de dos materiales semiconductores,
uno de tipo P y otro de tipo N, llamada comúnmente “unión PN”, a la que se han
unido eléctricamente dos terminales. Al que se encuentra unido eléctricamente
al cristal P, se le denomina ánodo, y se lo representa en los diagramas mediante
la letra A; y el que es solidario con la zona N se lo llama cátodo, simbolizado por
la letra K.
El diodo es un componente que se desarrollo como solución al problema de
transformar corriente alterna en corriente continua, por lo que se encuentra
presente en prácticamente cualquier fuente de alimentación. Dentro de esta
función, se incluye la tarea indispensable que desempeñan en cualquier receptor
de radio o TV: la detección o desmodulación.
Símbolo del diodo, y correspondencia con el componente.
Cuando ambos semiconductores en forma de cristal se unen, algunos electrones
de la zona P se difunden hacia la zona N. Esta corriente de electrones provoca la
aparición de cargas fijas a ambos lados de la unión, en una zona que recibe
como nombres como “zona de deplexión” o “zona de carga espacial”. El espesor
de esta zona ronda la media millonésima parte de un metro (1/2 micra), aunque
en algunos diodos de construcción especial puede ser bastante mayor,
dependiendo de la función que deba cumplir ese tipo de diodo en el circuito.
Cuando se conecta un diodo a una fuente de tensión externa, se produce un
movimiento de cargas, positivas (huecos) y negativas (electrones) entre la fuente
y los cristales de la unión PN. En estas condiciones, se dice que el diodo está
polarizado, existiendo dos posibilidades: la polarización directa y la polarización
inversa.
Si la corriente que traviesa el diodo lo hace en el sentido de la flecha, con el
positivo de la fuente de alimentación conectado al ánodo, y el negativo en el
cátodo se dice que esta polarizado en forma directa. En estas condiciones, el
diodo se comporta casi como un conductor, y presenta una resistencia muy baja,
por lo que los electrones atraviesan la juntura sin dificultad, comportándose
prácticamente como un cortocircuito.
En el segundo caso, es decir, cuando se intenta hacer circular la corriente desde
el cátodo hacia el ánodo, en el sentido opuesto al de la flecha que simboliza al
diodo, podremos ver que los electrones son incapaces de saltar a través de la
juntura, y se comporta como un circuito abierto o de altísima resistencia.
Todo lo expresado hasta aquí se refiere al funcionamiento de un diodo ideal.
Esto quiere decir que el diodo se toma como un elemento perfecto, de manera
de simplificar su entendimiento, tanto en polarización directa como en
polarización inversa. En la practica, el diodo en directa presenta una pequeña
resistencia, y en inversa un resistencia alta, pero no infinita.
Las uniones entre cristales semiconductores son la base de la electrónica
moderna, ya que son la base no solo de los modestos diodos, si no también de
transistores, tiristores, triacs y circuitos integrados de todo tipo.
Un diodo es escencialmente una unión PN.
Debido a que solo permiten el paso de la corriente en un sentido, el diodo se
comporta como un interruptor que solo permite el paso de uno de los semiciclos
de la corriente alterna, y mediante dos o cuatro de estos componentes se puede
transformar una corriente alterna sinusoidal en una corriente pulsante, que con
la ayuda de condensadores (generalmente electrolíticos) se transforma en una
tensión continua. Este es el principio de funcionamiento de casi todas las
fuentes de alimentación.
Un uso a veces no muy conocido de los diodos es como parte de algunos tipos de
memorias ROM, donde cada celda de memoria consiste en uno o más diodos.
En muchos modelos de ROM, se comienza con un chip “virgen”, donde toda la
matriz de diodos esta intacta, y mediante una tensión elevada se funden los que
sean necesarios para simbolizar el contenido de la memoria. Cuando se lleva a
cabo el proceso de lectura, se leerá un “0” o un “1” dependiendo si el diodo
correspondiente esta intacto o fundido.
De acuerdo a la forma en que se fabrican, o a sus características intrínsecas,
existen varios tipos de diodos. Se puede realizar una clasificación de forma que
queden agrupados en familias, donde sus integrantes tienen características
similares.
En primer lugar, tal y como mencionábamos antes, tenemos a los diodos
rectificadores. Esta familia esta compuesta por un número enorme de diodos
especialmente concebidos para convertir una corriente alterna en continua. El
encapsulado de estos diodos depende básicamente de la potencia que deban
manejar. Si están pensados para potencias bajas, menores a un vatio, se
encapsulan en plástico. Por encima de este valor se hace necesario un
encapsulado metálico para que sea capaz de evacuar el calor generado en su
interior, y para potencias aún mas altas se incluye en la capsula algún agujero o
aleta que permita la fijación de un radiador mediante tornillos. En el capitulo
dedicado a las fuentes de alimentación volveremos a hablar de este tipo de
diodos.
Otra familia numerosa es la de los diodos de señal, que engloba a aquellos
dispositivos dedicados al tratamiento de las señales dentro de un circuito
analógico o para realizar funciones de tipo digital en las compuertas lógicas. Son
de baja potencia, debido a que las corrientes implicadas son generalmente muy
pequeñas. La capsula que protege a estos diodos suele ser también plástica, o
muy frecuentemente de vidrio, con el cátodo indicado mediante una banda
continua que rodea el extremo correspondiente.
Los diodos de conmutación o rápidos están especialmente concebidos para
trabajar con señales del tipo digital o lógicas que presenten tiempos muy cortos,
inferiores a unos pocos nanosegundos. El parámetro que caracteriza a estos
diodos es el tiempo de recuperación inverso, que expresa el tiempo que tarda la
unión PN en desalojar las cargas que se ubican a ambos lados de la juntura
cuando esta polarizado en forma inversa y súbitamente recibe un cambio de
tensión que lo polariza en forma directa.
Los diodos estabilizadores de tensión, también llamados diodos zener, se
emplean para producir una tensión entre sus terminales muy constante y
relativamente independiente de la corriente que los atraviesan. Se aprovecha
para su funcionamiento una propiedad muy interesante que presentan las
uniones PN. Normalmente, polarizados en forma inversa no permite
prácticamente el pasaje de corriente, pero al alcanzar una determinada tensión,
llamada tensión zener, se produce un aumento de la cantidad de corriente que lo
atraviesa, manteniendo la tensión entre sus terminales prácticamente
constante, aunque se intente hacerla variar aumentando o disminuyendo la
corriente que por el circula. También suelen formar parte de las etapas de
alimentación de muchos circuitos.
También existe un tipo muy especial de diodo, conocido como diodo varicap,
que presentan la particularidad de variar la capacidad parasita que aparece en
su juntura a medida que varía la tensión aplicada a sus terminales, y que suele
emplearse en circuitos de sintonía.
Por ultimo, hay un tipo muy particular de diodo, que es sensible a la incidencia
de luz (visible o infrarroja), la que produce una separación entre los huecos y
electrones que se acumulan en la juntura, variando las características de
conducción del dispositivo. Utilizado ampliamente como receptor de controles
remotos de la gran mayoría de los electrodomésticos, reciben el nombre de
fotodiodos.
Diodo de potencia, metálico.
Pequeños diodos para montaje SMD.
En NeoTeo ya hablamos de estos componentes y sus aplicaciones, aunque no en
este contexto. Igualmente, es interesante ver la nota correspondiente.
Efectivamente, los LEDs son un tipo de diodo, en el que se aprovecha un efecto
físico llamado “efecto fotoeléctrico” que predice la emisión de cuantos de luz
(fotones) desde la juntura PN cuando esta es atravesada por una corriente. Este
efecto se da en casi todos los diodos, pero en el LED se lo construye de manera
especial para que se maximice este efecto, y se encapsula la juntura en plástico
transparente, para que la luz resultante sea visible desde el exterior. Los fotones
son el resultado de la recombinación de electrones y huecos dentro de la unión
PN que forma el diodo.
De acuerdo a los materiales utilizados en su fabricación, la luz emitida es de
diferentes colores, siendo los mas frecuentes el rojo, verde y amarillo, aunque es
posible encontrarlos de casi cualquier color, incluso blancos.
Algunos LED son capaces de emitir luz en una frecuencia que esta más allá del
color rojo, típicamente en 940 nanómetros, banda denominada infrarrojo y que
se emplean como emisores en aparatos de control remoto o como barreras
luminosas en tareas de automatismo y control.
Como decíamos, pueden proporcionar luz de varios colores. El material
generalmente utilizado es algún compuesto de galio. El GaP se utiliza en los
LEDs de color rojo o verde; el GaAsP para los que emiten luz roja, naranja o
amarilla y el GaAlAs para los de luz roja. Para los de color azul, mas recientes, se
han estado usando materiales como SiC, GaN, ZnSe y ZnS.
Su amplia difusión se debe seguramente a un puñado de factores, entre los que
se pueden destacar un costo prácticamente insignificante; un consumo de
energía muy bajo, típicamente de unos 10 miliamperes aunque los hay de menor
consumo aún; gran variedad de colores e intensidad luminosa; prácticamente
nula generación de calor; y una vida útil que en algunos casos alcanza las
100.000 horas. Todas estas características han propiciado su uso, en los últimos
años, para la construcción de luminarias que reemplazan a las bombillas
comunes en oficinas u hogares.
Debido a que la corriente que debe atravesar la juntura del LED para que emita
luz sin destruirse debe ser mantenida dentro de ciertos valores, se utiliza en
serie con el una resistencia limitadora de corriente. El cálculo de su valor se
realiza empleando la siguiente formula:
V - Vled
R = -----------I
donde R es el valor de la resistencia buscada (en ohms), V es la tensión de
alimentación (en voltios), Vled la tensión requerida por el LED (en voltios), e I
la corriente que debe circular por el (en amperes).
Es posible encontrar en el mercado LED individuales, como los ya mencionados
para cumplir funciones de luz piloto o testigo, y también en grupo, dentro de
una misma capsula, como los indicadores de 7 segmentos, muy frecuentemente
utilizados para representar datos numéricos. Hace algún tiempo, ante de la
aparición de los displays LCD, se empleaban arreglos de 16 LEDs que permiten
representar cualquier carácter alfanumérico. Otra agrupación muy común es la
matriz de 7x5 o de 8x8 LEDs, que se emplean para representar textos en carteles
luminosos o datos especiales
Los diodos emisores de luz forman parte de un grupo de componentes
electrónicos que se destacan por su interacción con la luz, ya sea como emisores
o receptores, denominado optoelectrónica.
Los LEDs también son diodos.
Adorno construido con diodos LED.