Diodos ASIGNATURA: Electrónica I Universidad Pontificia Bolivariana

TEMA: Diodos
ASIGNATURA: Electrónica I
Universidad Pontificia Bolivariana - Bucaramanga
En la actualidad, la totalidad de los equipos y dispositivos electrónicos que utilizamos cotidianamente
incluyen en sus circuitos varios tipos de “semiconductores” de estado sólido, entre los que se
encuentran los “diodos”, elementos imprescindibles para que todos esos equipos puedan funcionar.
Sin embargo, antes del uso masivo de esos pequeños elementos tal como lo conocemos hoy en día,
durante la primera mitad y principios de la segunda mitad del siglo pasado era muy común emplear
“válvulas electrónicas de vacío” en los circuitos electrónicos analógicos de radios, televisores y otros
dispositivos domésticos e industriales.
Diferentes diodos de silicio como los empleados en circuitos de equipos y
dispositivos electrónicos actuales: A.- Diodo de unión o juntura p-n. B.Diodo de punta de contacto.
Esas válvulas se conocían también por el nombre de “válvulas
termoiónicas”, debido a que requerían un calentamiento previo y constante
de un cátodo situado en el interior de una ampolla de vidrio al vacío (o
también con revestimiento metálico en lugar de vidrio en algunos tipos de
válvulas), para que comenzara la emisión electrónica que las ponía en
funcionamiento. La emisión electrónica se establecía siempre desde el
cátodo (negativo) en dirección a un ánodo (positivo), que se encontraba
también colocado en el interior de la válvula.
Antigua válvula electrónica o termoiónica de vacío del tipo
“doble diodo”. Esta válvula que se muestra en la foto era de
cristal y medía 12 cm del alto aproximadamente (sin
considerar. las patas). Fue una válvula muy utilizada en los
radiorreceptores domésticos de los años 40 del siglo pasado
para rectificar la corriente alterna y convertirla en directa.
Uno de los primeros tipos de válvulas de vacío que se emplearon en el siglo pasado en los primeros
circuitos electrónicos analógicos fue la “válvula diodo”, inventada por Sir Ambrose Fleming (1849 –
1845). Esa válvula sólo se podía emplear en las siguientes funciones:
1.- Cómo “rectificadora”, para convertir la corriente alterna (C.A.) en corriente directa (C.D.)
2.- Como “detectora” de las señales moduladas de alta frecuencia o radiofrecuencia que emiten las
estaciones de radio, televisión y otras emisiones inalámbricas. La detección consiste en separar o
demodular el sonido de baja frecuencia (audiofrecuencia) que viaja con las ondas portadoras de alta
frecuencia, para que se puedan convertir de nuevo en audibles después de ser amplificadas.
Alrededor de la década de los años 50 del siglo pasado y paralelamente al
empleo de las válvulas de vacío, se comenzaron a emplear también diodos
semiconductores de selenio (Se) como rectificadores de corriente alterna
solamente. Estos rectificadores tenían la ventaja sobre las válvulas de
vacío que podían soportar el paso de cargas de corriente eléctrica de
mayor amperaje sin necesidad de tener que calentarlos previamente.
Rectificador de onda completa formado por varios grupos de
chapas o placas semiconductoras individuales de selenio
(Se).
Estos rectificadores se componían de un conjunto de chapas o placas de aluminio rectangulares que
empleaban selenio (Se) como elemento semiconductor. De igual forma se emplearon también otros
rectificadores similares a los de selenio, pero compuestos por chapas redondas, con la diferencia que
empleaban óxido de cobre (CuO2) como elemento semiconductor. Para unir todas las chapas que
podían contener esos dos tipos diodos rectificadores, se atravesaba un tornillo a través de un orificio
que tenía abierto cada una de sus placas en el centro y a continuación se fijaban y apretaban todas
firmemente por medio de una tuerca que se enroscaba a cada uno de los extremos del propio tornillo.
La capacidad de carga en amperes que podían soportar esos rectificadores dependía del tamaño o
área de cada chapa en particular, así como de la cantidad total que se colocaban unidas en el mismo
sentido de circulación de la corriente. Cada placa individual o cada grupo de ellas unidas en el mismo
sentido de circulación de la corriente eléctrica constituía un diodo rectificador de media onda. Sin
embargo, cuando se unían cuatro placas en el mismo eje o tornillo, o en su defecto, cuatro grupos de
placas unidas y propiamente interconectadas, se obtenía un “puente rectificador” de onda completa. En
la actualidad el empleo de los rectificadores de selenio en los circuitos electrónicos ha caído en
desuso.
DIODOS DE SILICIO DE ESTADO SÓLIDO
Hoy en día las mismas funciones de rectificación y detección de corrientes alternas, así como muchas
otras funciones más, se realizan empleando diodos semiconductores de estado sólido, fabricados en
su mayoría a partir del cristal de silicio (Si). Estos semiconductores de uso tan común en la actualidad,
poseen la ventaja sobre las antiguas válvulas termoiónicas de tener un tamaño muchísimo más
pequeño, poseer muy poco peso, no requerir del calentamiento del cátodo para que se efectúe la
emisión electrónica y tener un costo de fabricación y precio de venta al usuario muchísimo más bajo.
Arriba.- Símbolo gráfico general de identificación de un
semiconductor diodo. Abajo.- Aspecto externo real de un
diodo de silicio de estado sólido en el cual el ánodo (positivo)
sería el.extremo que se ha señalado con la letra “A” y el
cátodo (negativo) el extremo opuesto, señalado con la
letra “K”. Este extremo está siempre rodeado por una franja
color plata para identificar que corresponde al cátodo.
Las antiguas válvulas electrónicas recibieron esa denominación debido a la similitud existente entre su
funcionamiento y el de una “válvulas de retención” o “antirretorno” empleada en algunos circuitos
hidráulicos. Una válvula antirretorno evita en todo momento que el líquido que circula por el circuito de
la tubería en el sentido que indica la flecha estampada en su propio cuerpo pueda retornar y atravesar
la válvula en sentido contrario.
En una válvula de retención o
antirretorno,
el
líquido (A)la
atravesará siempre que circule en
el mismo sentido que indica la
flecha estampada en su cuerpo. Si
posteriormente el propio líquido
tratara de circular en sentido
inverso
como
en (B),
el
mecanismo interno de la válvula
se bloquea y lo impide.
En el caso de las antiguas válvulas electrónicas de vacío ocurría algo similar a lo que ocurre con un
fluido que atraviesa una válvula de retención. Como es conocido, el flujo de corriente electrónica se
establece siempre en un solo sentido, o sea, del cátodo (negativo) al ánodo (positivo) una vez que el
cátodo se ha calentado y nunca en sentido contrario, obedeciendo al principio físico del sentido real de
circulación de la corriente eléctrica.
Esquema de una antigua válvula termoiónica de vacío, cuyos
dos.electrodos (cátodo y ánodo) se encuentran encerrados al
vacío.dentro de un bulbo de cristal (aunque en algunos tipos de
válvulas.ambos elementos se pueden encontrar ubicados también
dentro de.un cuerpo metálico). En las válvulas termoiónicas de
vacío el flujo.de. corriente electrónica se establece siempre del
cátodo al ánodo.después que el cátodo se ha calentado por medio
de un pequeño.filamento de caldeo similar al empleado en las
lámparas.incandescentes.. Algunos tipos de válvulas de vacío
carecen de.cátodo metálico y es. su propio filamento (F) quien
realiza también.esa función al. calentarse.. En ese caso la
válvula se denomina.“de calentamiento. directo” y la emisión
electrónica comienza.mucho más rápido,. prácticamente en cuanto
se enciende el.filamento. Si, por el. contrario, el cátodo es metálico
y lo.debe.calentar el filamento para que comience la emisión de
electrones,.
la válvula se denomina “de. calentamiento indirecto” y. demora mucho más en establecerse el
flujo.electrónico en su interior. Aunque.los semiconductores de. estado sólido han sustituido
prácticamente a.las válvulas termoiónicas en la. mayoría de los equipos. electrónicos, todavía se
prefiere el uso de éstas.en equipos amplificadores de. sonido de alta fidelidad y. gran potencia de
salida, por ser menos.propensas a producir distorsiones acústicas.
Es necesario aclarar que por un error histórico todavía en algunos textos de electricidad teórica se
expone que la corriente eléctrica fluye del polo positivo al polo negativo de la fuente de suministro de
energía eléctrica, identificándose como “sentido convencional de circulación de la corriente”. Sin
embargo, desde hace años los físicos descubrieron que todos los cuerpos existentes en la naturaleza
están formados por moléculas y éstas, a su vez, por átomos. Cada átomo, por su parte, se compone
de un núcleo y una o varias órbitas (según el elemento químico de que se trate) donde gira una nube
de electrones con carga negativa. A partir de ese descubrimiento se estableció que el verdadero
sentido de circulación de la corriente eléctrica era del polo negativo al polo positivo de la fuente de
suministro de energía, lo que se conoce hoy como “sentido real de circulación de la corriente eléctrica”.
A.- Diodo polarizado de forma “directa”.
La corriente eléctrica comienza a circular
a través del circuito externo a partir del
polo negativo de la batería, atraviesa el
diodo desde el cátodo hacia el ánodo y
retorna a la batería por su polo
positivo. B.- Diodo polarizado de forma
“inversa”. Bajo esas condiciones de
polarización, la corriente que suministra la
batería no puede circular.porque el ánodo
impide o bloquea prácticamente el paso
de los electrones que tratan de moverse,
en ese caso, en dirección al cátodo.
De igual forma que ocurría con las antiguas válvulas electrónicas, los semiconductores diodos de
estado sólido permiten el paso de la corriente eléctrica únicamente del cátodo al ánodo, o sea, desde
la parte negativa “N” hacia la positiva “P” cuando se encuentran polarizados de forma “directa” (ver
ilustración). Teóricamente, cuando un diodo semiconductor diodo de estado sólido se polariza en
sentido inverso, la corriente no debe circular. No obstante y contradictoriamente, se produce siempre
una pequeña fuga de corriente desde el ánodo hacia el cátodo, que a fines prácticos se considera
despreciable. Sin embargo, esa propiedad se explota en algunos tipos especiales de diodos de silicio
fabricados en la actualidad con el fin de realizar diferentes funciones que no son posibles ejecutar
empleando diodos de silicio convencionales.
DIODOS PARA DIFERENTES APLICACIONES
Gracias a los avances de la ciencia y la técnica que han tenido lugar en los últimos años, sobre todo en
lo referido a electrónica digital, las funciones de los diodos que se fabrican hoy en día responden a un
campo de aplicaciones mucho más amplio y variado que el que realizaban las antiguas válvulas
termoiónicas. Sin embargo, el principio físico de funcionamiento para los diodos semiconductores es
prácticamente el mismo para todos. En la actualidad, además del empleo de los diodos de silicio más
comunes y convencionales para aplicaciones generales como ya se ha explicado en este tema, la
industria electrónica produce también una amplia variedad de otros tipos destinados a su uso en
aplicaciones y funciones específicas. Entre esos otros tipos de diodos se destacan los siguientes:
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Diodo Zener
Diodo Schottky (o de barrera)
Diodo Túnel (o Esaki)
Diodo Varicap o Varactor
Diodo Zener
Diodo Zener.- Tipo de diodo semiconductor diseñado para trabajar en
polarización inversa y con corrientes más elevadas que las admitidas por
los diodos comunes. Esa característica evita que este diodo se destruya
cuando alcanza el punto denominado “tensión de ruptura”, cuestión que
ocurriría si se empleara un diodo normal en determinados circuitos. El diodo
Zener posee un amplio uso como regulador de tensión o voltaje, ya que
permite mantener en todo momento los valores constantes de tensión en
los circuitos electrónicos donde se emplea.
Diodo Schottky o de barrera.- El diodo Schottky en lugar de
construirse a partir de dos cristales semiconductores de unión tipo
p-n, utiliza un metal como el aluminio (Al) o el platino (Pt) en
contacto con un cristal semiconductor de silicio (Si) menos dopado
que el empleado en la fabricación de un diodo normal. Esta unión
le proporciona características de conmutación muy rápida durante
los cambios de estados que ocurren entre la polarización directa y
la inversa, lo que posibilita que pueda rectificar señales de muy
altas frecuencias, así como suprimir valores altos de sobrecorriente
Diodo Schottky
en circuitos que trabajan con gran intensidad de corriente.
Los diodos Schottky se emplean ampliamente en la protección de las descargas de las celdas solares
en instalaciones provistas de baterías de plomo-ácido, así como en mezcladores de frecuencias entre
10
MHz
y
1000
GHz
instalados
en
equipos
de
telecomunicaciones.
Nota.- No se debe confundir el diodo Schottky con el Shockley, ya que ambos poseen características
diferentes.
Diodo Túnel o Esaki.- El diodo túnel guarda cierto parecido con el Zener, con la diferencia que los
cristales de silicio que forman la unión p-n se fabrican más dopados. Esta característica le otorga
propiedades diferentes debido a que la “zona de deplexión” que normalmente se forma alrededor de la
unión o juntura p-n es más reducida, cuestión que lo hace idóneo para su uso en aplicaciones de alta
velocidad de conmutación. Se emplean en osciladores de alta frecuencia, en circuitos amplificadores
con bajo nivel de ruido que operan a frecuencias por debajo de los mil megahertz y como interruptores
electrónicos.
Diodo Varicap o Varactor
Diodo Varicap o Varactor.- En general todos los diodos poseen cierta
capacitancia en el mismo punto de unión p-n. En el caso de los diodos
varicap estos permiten que su capacitancia varíe a medida que la tensión
que se les aplica en polarización inversa se incrementa. Esta característica
se explota para utilizarlos en sustitución de los tradicionales condensadores
variables del tipo mecánico (formado por chapas metálicas fijas y movibles,
o por bobinas o inductancias), para sintonizar las estaciones de radio y los
canales de televisión.
DIODOS PARA APLICACIONES ESPECIALES
Existen también otros tipos de diodos completamente diferentes a todos los anteriormente expuestos,
destinados a realizar funciones especiales en los circuitos electrónicos, como son los que se
relacionan a continuación:
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Diodo LED (emisor de luz)
Diodo láser
Diodo IR (infrarrojo)
Fotodiodo
Diodo LED (Light Emitting Diode – Diodo emisor de luz).- Como su nombre
indica, este diodo emite luz al igual que una lámpara pequeña cuando se
conectan a la corriente eléctrica. En la actualidad tienen amplio uso como
pilotos o testigos indicadores del funcionamiento de diferentes equipos,
dispositivos, y aparatos eléctricos y electrónicos; en lámparas de linternas,
en luminarias para alumbrado público de calles, en semáforos de control de
tráfico, en luces de posición y cruce de los coches, en alumbrado
doméstico, en paneles publicitarios y hasta en las pantallas de los últimos
modelos de televisores que sustituirán en lo adelante a las hasta ahora
populares pantallas planas LCD-TFT y de plasma.
Linterna provista de tres diodos LEDs de luz azul-blanca.
Los diodos LEDs tienen un consumo muy bajo de corriente
eléctrica y su empleo en las pantallas de televisores puede llegar a
ahorrar hasta un 80% del total de energía que consumen las
actuales LCD-TFT y de plasma.
Diodos LED color rojo, instalados como indicadores
del funcionamiento de un dispositivo electrónico.
Diodo láser.- Constituye un tipo especial de LED, cuya
característica es emitir un haz de “luz coherente”. Se emplea en
equipos lectores-grabadores de CDs y DVDs, punteros de
señalización, impresoras digitales, escáneres, lectores de código
de barras, equipos de cirugía, maquinaria industrial, etc.
En la foto la flecha señala el haz de un diodo láser de luz
roja instalado en un dispositivo lector de CDs y DVDs. Se ha
colocado un disco plástico transparente del mismo diámetro
que un DVD para que se pueda observar el impacto del haz
de luz sobre su superficie, tal como ocurre en un disco
real.durante el proceso de lectura.
Diodo IR (infrarrojo).- Representa otro tipo de LED, cuya
característica es emitir una luz correspondiente al espectro
infrarrojo, invisible para el ojo humano. Estos diodos funcionan
como dispositivos de visión nocturna cuando la luz ambiente
resulta ser insuficiente. Se emplean, ampliamente, en
videoporteros domésticos para ver y grabar imágenes en la
obscuridad, para grabaciones de noche con videocámaras con la
función “night-shot”, en mandos domésticos de control remoto para
el cambio de canales en los televisores y en muchas otras
aplicaciones enmarcadas dentro de los sectores de la electrónica
doméstica e industrial.
Grupo de seis diodos infrarrojos colocados
videoportero.doméstico para visión nocturna.
en
un
Fotodiodo.- Este es un elemento semiconductor de funcionamiento
opuesto a los LEDs, pues en lugar de emitir luz funciona sólo al recibirla.
Cuando sobre la superficie del elemento semiconductor incide algún rayo
de luz, la corriente eléctrica comienza a fluir por su circuito electrónico
externo, activando así al dispositivo al que está conectado. Su principal uso
es como sensor en circuitos automáticos.
Fotodiodo muy ampliado en el que se puede observar la
superficie del semiconductor de silicio que se activa cuando
recibe algún rayo de luz.