El diodo

No existe un modo de definir fácilmente el porque a algunos componentes se los llama pasivos y a otros activos, con absoluta precisión. Para definir perfectamente la cosa yo acostumbro a decir que los componentes pasivos son el resistor, el capacitor y el inductor con dos variantes que aun no conocemos llamadas transformador y autotransformador. Y los activos son los otros. Otros autores dicen que:

Los componentes activos son aquellos que son capaces de excitar los circuitos o de realizar ganancias o control del mismo. Fundamentalmente son los generadores eléctricos y ciertos componentes semiconductores. Estos últimos, en general, tienen un comportamiento no lineal, esto es, la relación entre la tensión aplicada y la corriente que circula no es lineal como en un resistor, un capacitor o un inductor.

Los componentes activos semiconductores derivan del diodo de Fleming y del triodo de Lee de Forest. En una primera generación aparecieron las válvulas que permitieron el desarrollo de aparatos electrónicos como la radio o la televisión. Posteriormente, en una segunda generación, aparecerían los semiconductores que más tarde darían paso a los circuitos integrados (tercera generación) cuya máxima expresión se encuentra en los circuitos programables (microprocesador y microcontrolador) que nuestros alumnos ya conocen y que pueden ser considerados como componentes, aunque en realidad son circuitos que llevan en su interior millones de componentes.

En la actualidad existe un número elevado de componentes activos, siendo usual, que un sistema electrónico se diseñe a partir de uno o varios componentes activos que condicionaran el funcionamiento del circuito. Esto no sucede con los componentes pasivos. Dentro de los componentes activos mas importantes se pueden nombrar a los diodos en primer termino cuya función es rectificar y limitar las señales; luego los transistores cuya función es amplificar o controlar la corriente de un circuito; los amplificadores operacionales cuya función principal es amplificar pero que tienen otros usos como sumadores restadores, etc y por ultimo los circuitos integrados en general de los cuales existen versiones programables y no programables y que tienen un uso general.

Analicemos el componente activo más elemental que es el diodo. Esta palabra significa “que tiene dos terminales”. Los primeros diodos que se utilizaron fueron los diodos termoiónicos que ya pertenecen a la historia de la electrónica. En lo que sigue analizaremos el diodo semiconductor de silicio y lo aplicaremos a un rectificador primero y la construcción de una radio elemental en la próxima entrega.

Representaciones gráficas

En la ciencia electrónica todo se representa en gráficos del tipo X-Y (coordenadas cartesianas ortogonales). Un resistor puede ser representado en una gráfica en donde se indica la corriente que circula por él en función de la tensión que se le aplica. En la figura 1 se puede observar como ejemplo el gráfico correspondiente al resistor de 1Kohm.

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Fig.1 Representación de un resistor de 1K

Observe que la recta representativa del comportamiento del resistor ocupa el primer y tercer cuadrante, que significa que a valores de tensión positivos (por ejemplo 2V) responde haciendo circular una corriente en el sentido positivo (2 mA); en cambio si se aplica una tensión negativa, el resistor cambia el sentido de circulación de la corriente pero mantiene su valor absoluto.

El gráfico correspondiente a un capacitor conectado a una fuente de tensión de C.A. de frecuencia fija sigue un gráfico similar. Por ejemplo el correspondiente a un capacitor de 1> F, a 1KHz se puede representar luego de calcular su reactancia capacitiva:

Xc= 1/(2¶ x F x C) = 1/(6.28x103x10-6) = 103/6.28 = 1000/6.28 ≈ 159.23 Ω

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Fig.2 Representación de la reactancia capacitiva de un C de 1 uF a 1KHz

Observe que no representamos el valor negativo de las tensiones porque en una C.A. la tensión está cambiando constantemente y lo que representamos en el eje Y es el valor de pico de la señal. Del mismo modo se podría representar la gráfica de la corriente por un inductor.

Representación gráfica de un diodo semiconductor

En nuestro curso básico de electrónica estudiamos a los componentes en función de sus características externas sin atender a cómo funcionan internamente. Considero que el alumno deberá entender el funcionamiento interno con posterioridad a la aplicación del componente en el circuito.

Considere al diodo como un resistor cuya resistencia interna depende del sentido de circulación de la corriente. En un sentido presenta un bajo valor de resistencia en tanto que en el sentido contrario presenta una resistencia muy elevada.

Un gráfico vale por mil palabras. El gráfico de un diodo semiconductor se puede observar en la figura 3.

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Fig.3 Curva de un diodo 1N4148)

Como se puede observar al incrementar la tensión directa sobre el diodo no circula corriente hasta que se llega a una tensión de 0.6V en donde la corriente comienza a circular aumentando bruscamente. Es decir que después de los 0.6V la curva corresponde a un resistor de bajo valor (unos 100 Ohm para el 1N4148). Por debajo de los 0.6V el diodo es casi un circuito abierto, es decir que posee una resistencia muy grande y muy variable diodo a diodo, llamada resistencia de fuga del diodo. A un valor muy alto de tensión inversa el diodo entra en la llamada tensión de ruptura; simplemente se produce un arco como el de la perforación de un dieléctrico y que para el diodo considerado es de aproximadamente 75V. Ese arco es destructivo y el diodo por lo general se transforma en un cortocircuito.

Este tipo de gráfico no es el único posible de realizar. La elección de los ejes es evidentemente informal. Podría realizarse la curva usando el eje Y para representar la corriente y el eje X para la tensión.

Cuando Ud. diseña un circuito con resistores, capacitores o inductores por lo general no necesita la especificación de los componentes. Pero cuando se utilizan componentes activos es necesario averiguar sus características a través de la correspondiente especificación (Data Sheet).

Especificación del diodo 1N4148

Como ejemplo vamos a estudiar la especificación del diodo de señal más común utilizado en electrónica.

Esta especificación que antiguamente se obtenía del manual del fabricante, actualmente se obtiene por Internet. Ingrese a cualquier buscador (por ejemplo el Google) y pida 1N4148.pdf, seguramente va a tener muchos links a diferentes fabricantes; yo seleccioné Fairchild y obtuve una especificación en formato pdf que comienza con una descripción general o features.

Lo primero que se indica es que se trata de un diodo encapsulado en vidrio, del cual se puede observar su versión clásica y tipo SMD en la figura 4.

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Fig.4 Forma del diodo 1N4148

Observe que el diodo tiene una banda que marca el terminal negativo o cátodo para diferenciarla del positivo o ánodo. Junto al dibujo del diodo se puede observar que se trata de un diodo que puede conmutar a alta velocidad entre los estados de alta impedancia y baja impedancia (4ns).

A continuación se ven los dos valores más importantes de un diodo que son la máxima tensión inversa y la máxima corriente directa. En nuestro caso puede observar que nuestro diodo es de 200mA y 75V. Esto significa que cuando está en directa puede conducir permanentemente hasta 200mA sin calentarse excesivamente a una temperatura ambiente de 25ºC. Por otro lado cuando está en inversa admite una tensión máxima de 75V. Luego se puede producir la ruptura del chip por exceso de tensión.

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Fig. 5 Curvas características del 1N4148

Con referencia a los gráficos Fairchild prefiere generar gráficos separados para cada parámetro como por ejemplo el gráfico 5 que contiene la curvas de tensión inversa, directa a 20ºC y directa en función de la temperatura. La primera curva observamos como la corriente inversa se mantiene casi constante en 20 nA hasta que comienza a crecer a unos 60V de modo que a 100V ya tiene 100 nA. Debajo se encuentra la curva de corriente directa a 25ºC.

Observe que a 500 mV circula una pequeña corriente de 100 uA que se transforma en una importante corriente de 700 mA al llegar a aplicar 700 mV. Esta curva parece recta solo porque la escala de corriente es logarítmica si fuera lineal se observaría un codo neto a unos 600 mV. Como trabajo práctico el lector deberá trazar esta curva en un grafico lineal en ambos ejes considerando que el primer punto a ubicar es 0V/0A.

Arriba a la derecha se puede observar como la tensión de barrera cambia con la temperatura. Si mantenemos la corriente circulante por el diodo en 10 mA (por ejemplo con una fuente de 12V y un resistor serie de 1,2 Kohms) podremos observar que la tensión variará entre 320 y 520 mV cuando la temperatura varíe de -40 a +65 ºC. Si el lector está pensando que un diodo se puede usar como termómetro le decimos que precisamente esa es una de sus funciones secundarias.

Por último se observa una curva que nos indica que tan rápidamente opera nuestro diodo cuando se lo usa como llave; el eje inferior representa a la “corriente de recuperación inversa” o Irr en función del tiempo de recuperación “Tr”. El concepto de esta medición es el siguiente: si Ud. aplica una tensión directa por el diodo circulará una corriente apreciable. Cuando invierta la tensión, el diodo debería abrirse de inmediato, pero en realidad demora un tiempo que depende de la corriente directa que se había establecido inicialmente. Si esta corriente es de 60 mA el diodo demorará 1,25 nS en abrirse. Este parámetro caracteriza la velocidad del diodo de modo que existirán diodos adecuados para la frecuencia de red y otros tan rápidos como para ser usados en la banda de microondas a frecuencias de 10 GHz.

Se considera a un diodo como ideal cuando tiene una resistencia nula en directa, una barrera nula y una resistencia infinita en inversa; es decir, un dispositivo que conduce perfectamente en un sentido y se abre en el otro. Y podríamos agregar: que no demora en abrirse.

Cicruitos con diodos

Los diodos de silicio (que son los más utilizados) se emplean como rectificadores (conversores de CA en CC), como limitadores de señal y como protectores de tensiones inversas.

Un sencillo circuito como el de la figura 11.5.1 es perfectamente capaz de evitar la circulación del semiciclo negativo de una señal de CA, transformándola en una CC pulsante tal como se puede observar con el osciloscopio del WB Multisim.

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Fig. 6 Conversor CA/CC

Este circuito tal como está no sirve de mucho, ya que la señal de salida no es una continua pura (tiene aplicaciones en electrónica industrial porque una señal pulsante puede alimentar a un motor de CC tan bien como una CC pura).

Para que el circuito se transforme en un verdadero conversor C.A./C.C., se debe agregar un componente que ya conocemos: el capacitor electrolítico. Tome el circuito anterior; agregue un electrolítico cada vez más grande y observe el resultado sobre la forma de señal de la carga.

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Fig. 7 Circuito rectificador

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Fig.8 B C=47uF

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Fig.9 D=470 uF

¿Cómo funciona el capacitor?

Consideramos primero un diodo ideal. El primer flanco ascendente carga al capacitor hasta el valor de pico ya que con el capacitor descargado el diodo siempre está en directa. Luego del primer pico el capacitor conserva la carga. Como la señal de entrada baja rápidamente, el diodo se abre y no se vuelve a cerrar hasta que aparece el siguiente pico positivo. Es decir que por el diodo circula un pulso de corriente muy corto cuya duración depende del valor del capacitor electrolítico.

Como trabajo práctico virtual el alumno analizará el pulso de corriente por el diodo a medida que cambia el valor de C.

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Fig. 10 Pulsos de corriente con C1 de valor elevado

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Fig.11 Pulsos de corriente con C2 de valor reducido

El alumno observará que los pulsos de corriente tienen menor amplitud y mayor duración a medida que el capacitor se achica y que el ángulo de circulación de corriente es realmente muy pequeño (2,26 mS sobre 20 mS de periodo total en el primer caso).

También observará que el primer pulso de corriente es mucho mayor que los siguientes porque el capacitor está totalmente descargado. Luego el capacitor conserva una buena parte de la tensión de carga inicial y por lo tanto hay una doble contribución hacia el resistor de carga, a saber un pulso desde el generador y un valor uniforme desde el electrolítico.

¿Cuál es la aplicación real de los conversores C.A./C.C? Todos los dispositivos electrónicos, salvo los que tienen pilas no recargables, poseen una etapa llamada fuente de alimentación que convierte la tensión de la red domiciliaria de 220/110V C.A. en una tensión de C.C. adecuada al dispositivo.

Las fuentes de alimentación tendrán su capítulo especial dada su importancia en la electrónica. Aquí trataremos el uso primigenio de los diodos semiconductores que fue reemplazar a la galena en las primeras radios comerciales.

Otros diodos especiales

En realidad existen muchos tipos de diodos especiales para que cumplan con una función determinada. Aquí realizaremos una rápida recorrida por ellos en función de su uso común.

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Fig.12 Encapsulados de diodos

  • Diodos rápidos: existen dos tipos característicos; los diodos rápidos de potencia y los diodos rápidos de señal. Los de potencia se utilizan en las modernas fuentes de switching que trabajan a frecuencias de hasta 500 Khz. y pueden manejar corrientes de varios amperes y tensiones de varios cientos de bolas. Los mas rápidos llamados diodos pueden llegar a velocidades de conmutación similares a las de un 1N4148 pero conmutando varios amperes y a tensiones de algunos cientos de voltios.
  • Luego vienen los diodos rápidos de señal incluyendo los diodos Schottky que tienen tiempos de conmutación del orden de 1 nS o menos. El diodo Schottky llamado así en honor del físico alemán Walter H. Schottky, es un dispositivo que proporciona conmutaciones muy rápidas entre los estados de conducción directa e inversa (menos de 1nS en dispositivos pequeños de 5 mm de diámetro) y muy bajas tensiones de barrera.
  • Diodos Zener: los diodos zener son diodos especialmente construidos como para que su tensión de ruptura ocurra a un valor relativamente bajo (1 a 40V) y que sea un valor muy exacto. De este modo el diodo se transforma en un regulador de tensión o fuente regulada de tensión con una gran cantidad de aplicaciones.

Conclusiones

En esta entrega estudiamos a los diodos y sus características como un previo a su utilización en circuitos convertidores de CA en CC con su variante detectora utilizada en la radio que pensamos presentarle en la próxima entrega.

Este es el primer componente activo que le presentemos, el más simple de usar y aquel que se utilizó por primera ves en nuestra querida ciencia de la electrónica. Por supuesto que si Fleming volviera hoy a nuestro mundo y observara un pequeño diodo de silicio no podría reconocer su viejo dispositivo.

En realidad el que construyó el primer diodo no fue Fleming sino Tomas Alva Edison, solo que no supo reconocer su utilidad y simplemente anotó en sus famosos cuadernos de bitácora que había construido una lámpara incandescente pero que tenía el problema de que el vidrio se oscurecía y espejaba con el uso. La colocación de una pequeña plaquita metálica en su interior conectada al positivo de la batería solucionaba el problema y como Edison solucionó su problema simplemente anotó la solución y se olvidó. Fleming se encontró con ese cuaderno años mas tarde, sintió curiosidad y repitió la experiencia que resultó totalmente cierta.

El estudio de este hecho olvidado por Edison y la sagacidad de Fleming que lo aplicó a los receptores de radio, fue uno de los grandes pasos de nuestra ciencia electrónica sino el más grande de todos.

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