Introducción
Una vez que domines bien con los componentes pasivos como las resistencias, capacitores, y los inductores, es hora de ver el maravilloso mundo de los semiconductores. Uno de los componentes semiconductores más ocupado es el diodo.
En este tutorial veremos:
- ¿Qué es un diodo?
- Teoría de funcionamiento de los diodo
- Propiedades importantes de los diodo
- Diferentes tipos de diodos
- Apariencia de los diodos
- Aplicaciones típicas de diodo
Lecturas Sugeridas
Algunos de los conceptos en este tutorial se basan en conocimiento electrónico previo. Antes de empezar este tutorial, considera leer los siguientes tutoriales primero:
- ¿Qué es la electricidad?
- ¿Qué es un Circuito?
- Voltaje, Corriente, Resistencia y la Ley de Ohm
- Circuitos Serie y Paralelo
- Como usar un multimetro
Diodos Ideales
La función principal de un diodo ideal es controlar la dirección del flujo de corriente. La corriente que pasa por un diodo solo puede ir en un sentido, que se llama la dirección hacia adelante. La corriente que trate de fluir en sentido contrario es bloqueada. Son como las electroválvulas de un sentido.
Si el voltaje en un diodo es negativo, no puede fluir corriente*, y el diodo ideal se comporta como un circuito abierto. En esta situación, el diodo se dice que está apagado o en polarización inversa.
Mientras el voltaje del diodo no sea negativo, el diodo se “encenderá” y conducirá corriente. Idealmente* un diodo actuaría como un corto circuito (tendría 0V) si estuviese conduciendo corriente. Cuando un diodo está conduciendo corriente esta polarizado (o en otras palabras “encendido”).
La relación corriente-voltaje de un diodo ideal. Cualquier voltaje negativo produce cero corriente – un circuito abierto. Mientras el voltaje es no-negativo el diodo se ve como un corto circuito.
| Características del Diodo Ideal | ||
| Modo de Operación | Encendido (Polarizado) | Apagado (Polarizado inversamente) |
| Corriente | I>0 | I=0 |
| Voltaje | V=0 | V<0 |
| Diodo parece | Corto circuito | Circuito abierto |
Símbolo de un Diodo
Todos los diodos tienen dos terminales (conexiones a cada lado del componente), y esos terminales son polarizados, lo que significa que los dos terminales son claramente distintos. Es importante no equivocarse con el conexionado de un diodo. El pin positivo de un diodo se llama el ánodo, y el pin negativo se llama cátodo. La corriente puede ir del ánodo al cátodo, pero no en el sentido contrario.
El símbolo de un diodo estándar es un triángulo junto a una línea. Como veremos más adelante en este tutorial, hay una variedad de tipos de diodos, pero generalmente sus símbolos de circuito se van a ver de la siguiente manera:
El terminal que entra por la base del triángulo representa el ánodo. La corriente fluye en el sentido que apunta el triángulo o la flecha, pero no puede ir en el sentido contrario.
Arriba hay ejemplos de circuitos de diodos simples. En el lado izquierdo, el diodo D1 está polarizado y permite que fluya corriente al circuito. En esencia esto se ve como un corto circuito. En el lado derecho, el diodo D2 está inversamente polarizado. La corriente no puede fluir al circuito y esencialmente parece ser un circuito abierto.
*¡Advertencia! Esto no es del todo verdad…Desafortunadamente, no hay tal cosa como un diodo ideal. ¡Pero no te preocupes! Los diodos son reales, solo tienen algunas características que los hacen operar de forma un poco distinta que nuestro modelo de diodo ideal…
Características de los Diodos reales
Idealmente, los diodos van a bloquear toda la corriente que fluye en sentido inverso, o van a actuar como un corto circuito si esta polarizado. Desafortunadamente el comportamiento de los diodos no es del todo ideal. Los diodos si conducen algo de corriente cuando están polarizados, y no bloquearan toda lo corriente cuando están inversamente polarizados. Los diodos reales son un poco más complicados, y todos tienen características únicas que definen como operan.
Relación Corriente-Voltaje
La característica más importante de un diodo es la relación corriente-voltaje (c-v). Esto define cual es la corriente que fluye a través de un componente, dado el voltaje que se encuentra en él. Las resistencias, por ejemplo, tienen una relación c-v linear (Ley de Ohm). La curva c-v de un diodo, sin embargo, es completamente no-lineal. Se ve algo como esto:
La relación corriente-voltaje de un diodo. Con el fin de exagerar algunos puntos importantes en el gráfico, las escalas, tanto en las mitades positivas y negativas no son iguales.
Dependiendo de la tensión aplicada, un diodo operará en una de las siguientes tres formas:
- Polarizado: Cuando el voltaje en el diodo es positivo, el diodo esta “encendido” y la corriente puede fluir a través del. El voltaje debería ser más grande que el voltaje directo (VF) para que la corriente adquiera valores significativos.
- Inversamente Polarizado: Este es el modo “apagado” del diodo, cuando el voltaje es menos que VF pero más que VBR. En este modo el flujo de corriente esta (mayormente) bloqueada, y el diodo está apagado. Una muy pequeña cantidad de corriente (de el orden de los nA), que se llama corriente de saturación inversa, es capaz de fluir inversamente a través del diodo.
- Ruptura: Cuando el voltaje aplicado en el diodo es muy grande y negativo, va a poder pasar mucha corriente en sentido inverso, de cátodo a ánodo.
Voltaje Directo
Para poder “encender” y conducir corriente en dirección hacia adelante, un diodo requiere que se aplique cierta cantidad de voltaje positivo a través de él. El voltaje típico que se requiere para encender un diodo se llama Voltaje Directo (VF). También se denomina caída de voltaje.
Como sabemos de la curva c-v, la corriente y el voltaje a través de un diodo son independientes. Más corriente significa más voltaje, menos voltaje significa menos corriente. Una vez que el voltaje llega al mismo nivel que el voltaje directo, los grandes aumentos de corriente deberían solo significar un pequeño aumento. Si un diodo está conduciendo completamente, se puede asumir que el voltaje que lo atraviesa es el mismo que el voltaje directo.
El voltaje directo de un diodo específico depende del material de fabricación del semiconductor. Típicamente, un diodo de silicio tendrá un voltaje directo de alrededor de 0.6-1V. Un diodo de germanio puede ser más bajo, alrededor de 0.3V. El tipo de diodo también tiene cierta importancia en la definición de la caída de tensión en el propio diodo; los diodos emisores de luz tienen un voltaje directo más alto, mientras los diodos Schottky son diseñados específicamente para tener un voltaje directo más bajo de lo normal.
Voltaje de Ruptura
Si una cantidad de voltaje negativo suficientemente grande es aplicada al diodo, este va a ceder y va a permitir que la corriente fluya en el sentido inverso. Este gran voltaje negativo se denomina voltaje de ruptura. Algunos diodos son diseñados para operar en la región de ruptura, pero para la mayoría de los diodo, no es muy saludable ser sometidos a grandes voltajes negativos.
Para la mayoría de los diodos, el voltaje de ruptura esta entre los -50V hasta -100V, o incluso valores más negativos.
Datasheets de los Diodos
Todas las características anteriores deberían estar detalladas en el datasheet de cada diodo. Por ejemplo, este datasheet para un diodo 1N4148 muestra el voltaje directo máximo como 1V y el voltaje de ruptura como 100V (entre mucha otra información):
Un datasheet puede incluso presentar un gráfico de corriente-voltaje, para detallar aún más cómo se comporta el diodo. Este gráfico del datasheet del diodo agranda la parte curva que corresponde al voltaje directo en la curva c-v. Nótese que si quieres usar mas corriente necesitaras más voltaje:
Ese gráfico nos ayuda a descifrar otra característica importante del diodo, la máxima corriente directa. Como cualquier componente, los diodos solo pueden disipar cierta cantidad de potencia antes de que estallen. Todos los diodos deberían mostrar corriente máxima, voltaje de polarización inversa, y la disipación de potencia. Si se le aplica más voltaje o corriente de la que un diodo puede soportar, se puede esperar que este se caliente (o incluso peor, que tire humo, se derrita, etc.).
Algunos diodos son más aptos para corrientes altas, 1A o más, mientras otros diodos de señales pequeñas como el diodo 1N4148, que es mostrado arriba, solo es apto para corrientes de alrededor de 200mA.
El 1N4148 es solo un ejemplo de los distintos tipos de diodos que existen. Ahora, vamos a explorar la sorprendente variedad de diodos que existen, y que propósito tiene cada uno.
Tipos de Diodos
Diodos de señal
Los diodos de señal están entre los miembros básicos de la familia de los diodos. Generalmente tienen una caída de voltaje directo media-alta, y un valor de corriente máxima bajo. Un ejemplo común de un diodo de señal es el 1N4148. Tiene un propósito bien general, con una caída de voltaje directo típica de 0.72V con 300mA de corriente directa máxima.
Un pequeño diodo de señal, el 1N4148. Fíjese en el círculo negro alrededor del diodo. Eso marca cuál de los terminales es el cátodo.
Un diodo rectificador o de potencia es un diodo estándar con una corriente máxima más alta. Este valor de corriente máxima más alta, generalmente viene como consecuencia de un voltaje directo más alto. El 1N4001, por ejemplo, tiene un valor de corriente de 1A y un voltaje directo de 1.1V.
Y, por supuesto, la mayoría de los tipos de diodos vienen también en encapsulado para montaje en superficie. Se puede apreciar que cada diodo tiene una forma (no importa que pequeña o difícil sea de verla) para indicar cuál de los dos pines es el cátodo.
Diodos Emisores de Luz (LEDs)
El miembro más ostentoso de la familia de los diodos tiene que ser el diodo emisor de luz (LED). Estos diodos se encienden cuando un voltaje positivo es aplicado.
Una variedad de LEDs de agujeros pasantes. Desde la izquierda a la derecha: un amarillo de 3mm, azul de 5mm, verde de 10mm, rojo súper brillante de 5mm, RGB de 5mm y un Led de 7 segmentos azul.
Como los diodos normales, los LED solo permiten el flujo de corriente en una dirección. También tienen un valor de voltaje directo, que es el voltaje requerido para que ellos se enciendan. El voltaje directo de un LED es generalmente más alto que el de un diodo normal (1.2-3V), y depende del color que emite el LED. Por ejemplo, el valor de voltaje directo de un LED súper brillante azul es de alrededor de 3.3V, mientras que el de un LED súper brillante rojo de igual tamaño es de solo 2.2V.
Obviamente vas a encontrar la mayoría de los LED en aplicaciones de alumbrado. ¡Destellan y son entretenidos! Pero mucho más que eso, su alta eficiencia ha contribuido en su masificación y son usadas en alumbrado de calles, pantallas, iluminación de fondo, y muchas otras aplicaciones. Otros LED emiten una luz que no es visible al ojo humano, como los LED infrarrojo, que son la parte clave de muchos controles remotos. Otro uso común de los LED es para aislar ópticamente un sistema de alto voltaje de un circuito de voltaje bajo. Los optoaisladores agrupan un LED infrarrojo con un foto sensor, el cual permite que fluya corriente cuando detecta luz del LED. Abajo se muestra un ejemplo de un circuito con un optoaislador. Fíjate como el símbolo esquemático del diodo varia con respecto al de un diodo normal. Los símbolos LED agregan un par de flechas que se extienden desde el símbolo normal de un diodo.
Diodos Schottky
Otro diodo muy común es el diodo Schottky. La composición semiconductora de un diodo Schottky es un poco distinta a la de un diodo normal, y esto resulta en una caída de voltaje directo más pequeña, la cual generalmente se encuentra entre 0.15V y 0.45V. Aún tienen un voltaje de ruptura bastante grande.
Los diodos Schottky son especialmente útiles en limitar perdidas, cuando hasta el último bit de la tensión se debe escatimar. Son tan únicos que tienen un símbolo de circuito propio, con un par de dobleces al final de la línea del cátodo.
Diodos Zener
Los diodos Zener son los más extraños de la familia de los diodos. Generalmente son utilizados para intencionalmente conducir corriente inversa. Los Zener son diseñados para tener un voltaje de ruptura muy preciso, que se llama la ruptura Zener o el voltaje Zener. Cuando la corriente fluye inversamente en un Zener, la caída de voltaje a través del se mantendrá estable en el voltaje de ruptura.
Para aprovechar su propiedad de ruptura, los diodos Zener son utilizados en gran medida para crear un voltaje de referencia conocido exactamente en su voltaje Zener. Pueden ser usados como voltajes reguladores para pequeñas cargas, pero no están hechos para regular voltajes en circuitos que utilizan cantidades significantes de corriente.
Los Zener son tan especiales que obtienen su propio símbolo de circuito, con puntas onduladas en la línea del cátodo. Este símbolo incluso puede definir cuál es el voltaje Zener exacto del diodo. Aquí hay un diodo Zener de 3.3V actuando para crear un voltaje de referencia de 3.3V:
Fotodiodos
Los fotodiodos capturan energía de fotones de luz para generar corriente eléctrica. Operan algo así como un anti LED.
Un fotodiodo BPW34 (no la moneda, la cosa pequeña sobre la moneda). ¡Póngalo al sol y puede generar unos pocos µW de potencia!
Las celdas solares son las mayores beneficiadas de la tecnología del fotodiodo. Pero estos diodos también pueden ser utilizados para detectar luz, o incluso comunicarse ópticamente.
Aplicaciones de Diodos
Para ser un componente tan simple, los diodos tienen un gran rango de usos. Puedes encontrar algún tipo de diodo en casi todos los circuitos. Pueden ser utilizados en circuitos digitales lógicos de pequeñas señales, hasta circuitos de conversión de potencia de alto voltaje. Exploremos algunas de estas aplicaciones.
Rectificadores
Un circuito rectificador es uno que convierte corriente alterna (CA) a corriente continua (CC). Esta conversión es crítica para todo tipo de electrónica doméstica. De los enchufes de pared salen señales de corriente alterna, pero la corriente continua es lo que utilizan la mayoría de los computadores y otras microelectrónicas.
La corriente en los circuitos CA literalmente altera, cambia rápidamente entre correr en sentido positivo y negativo, pero las corrientes CC solo corren en una dirección. Entonces para convertir de CA a CC necesita asegurarse que la corriente no pueda correr en el sentido negativo. ¡Suena como un trabajo para los diodos!
Un rectificador de media onda se puede hacer de solo un diodo. Si una señal AC, como una onda sinusoidal por ejemplo, se envía a través del diodo, cualquier componente negativo de la señal es eliminado.
Entrada (roja/izquierda) y salida (azul/derecha) onda de voltaje. En el medio está el circuito rectificador de media onda.
Un Puente rectificador de onda completa usa cuatro diodos para convertir las ondas negativas de la señal AC en ondas positivas.
El circuito de puente rectificador (medio), y la onda de salida que crea (azul/derecho)
Estos circuitos son componentes críticos en fuentes de poder AC a CC, las cuales convierten los 120/240 VAC de los enchufes de pared a señales CC de 3.3V, 5V, 12V, etc. Si desarmas un adaptador, lo más probable es que veas un montón de diodos adentro.
Protección de Corriente Inversa
¿Alguna vez ha puesto una batería al revés o mezclado los cables de poder rojos y negros? Si es así, un diodo puede ser el culpable de por qué su circuito aún está vivo. Un diodo puesto en serie con el lado positivo de la fuente de poder se llama un diodo de protección inversa. Se asegura que su corriente solo pueda fluir en un sentido positivo, y de esta forma la fuente de poder solo aplica un voltaje positivo a su circuito.
Esta aplicación de diodo es útil cuando los conectores de la fuente de poder no están polarizados, lo cual lo hace fácil equivocarse y accidentalmente conectar el negativo a la entrada positiva del circuito.
La desventaja de los diodos de protección inversa es que va a inducir algunas perdidas de voltaje debido a la caída de voltaje directa. Esto hace que los diodos Schottky sean una excelente opción para esto.
Compuertas Lógicas
¡Olvídate de los transistores! Las compuertas lógicas digitales simples como el AND o el OR, se pueden construir de diodos.
Por ejemplo, una compuerta OR puede ser construida de dos diodos con nodos de cátodos compartidos. La salida del circuito lógico también puede ser ubicada en ese nodo. Cuando alguna de las entradas (o las dos) sea un 1 lógico (alto/5V) la salida también será un 1 lógico. Cuando las dos salidas son un 0 lógico (bajo/0v), la salida va a tierra por una resistencia.
Y una compuerta AND es construida de similar forma. Los ánodos de los dos diodos son conectados juntos, y es donde se encuentra la salida del circuito. Las dos entradas deben ser un 1 lógico lo cual hace que la corriente fluya al pin de salida y lo fuerza a un estado alto. Si cualquiera de las entradas está baja, la corriente de la fuente de 5V corre a través del diodo.
Para conectar mas entradas de compuertas lógicas, puedes agregar más diodos al circuito.
Diodos Flyback y Supresor de Pico de Voltaje (TVS)
Los diodos son comúnmente utilizados para limitar el daño potencial de altos picos de voltajes inesperados. Los diodos de supresión de transitorios de voltaje (TVS) son diodos especiales, parecidos a los diodos zener, con voltajes de ruptura medianamente bajos (a menudo cercano a los 20V), pero con valores de potencias altos (comúnmente en el rango de los kilowatts). Son diseñados para derivar la corriente y absorber energía cuando los voltajes exceden sus voltajes de ruptura.
Los diodos Flyback hacen un trabajo similar de supresión de picos de voltaje, específicamente los que son inducidos por un componente inductivo, como un motor. Cuando la corriente en un inductor cambia repentinamente, un pico de voltaje es creado, posiblemente uno muy grande y negativo. Un diodo transformador de línea puesto a través de la carga inductiva, le va a dar un camino seguro para que se descargue la señal de voltaje negativa, de hecho, va pasando una y otra vez por el inductor y el diodo hasta que eventualmente se muere.
Estas son solo algunas aplicaciones de este pequeño componente semiconductor.