Todo sobre los diodos
Un diodo es un dispositivo eléctrico que permite que la corriente se mueva a través de él en una dirección con mucha más facilidad que en la otra. El tipo de diodo más común en el diseño de circuitos modernos es el diodo semiconductor, aunque existen otras tecnologías de diodos. Los diodos semiconductores se simbolizan en diagramas esquemáticos como el de la figura siguiente. El término «diodo» se reserva habitualmente para dispositivos de pequeña señal, I ≤ 1 A. El término rectificador se utiliza para dispositivos de potencia, I > 1 A.
Símbolo esquemático del diodo semiconductor: Las flechas indican la dirección del flujo de la corriente.
Cuando se coloca en un circuito simple de batería y lámpara, el diodo permitirá o impedirá el paso de la corriente a través de la lámpara, dependiendo de la polaridad de la tensión aplicada. (figura inferior)
Funcionamiento del diodo: (a) El flujo de corriente está permitido; el diodo está polarizado hacia adelante. (b) Se prohíbe el flujo de corriente; el diodo está polarizado hacia atrás.
Cuando la polaridad de la batería es tal que se permite el flujo de corriente a través del diodo, se dice que el diodo está polarizado hacia adelante. Por el contrario, cuando la batería está «hacia atrás» y el diodo bloquea la corriente, se dice que el diodo está polarizado hacia atrás. Un diodo puede considerarse como un interruptor: «cerrado» cuando está polarizado hacia delante y «abierto» cuando está polarizado hacia atrás.
La dirección de la «punta de flecha» del símbolo del diodo apunta a la dirección de la corriente en el flujo convencional. Esta convención es válida para todos los semiconductores que poseen «puntas de flecha» en sus esquemas. Lo contrario ocurre cuando se utiliza el flujo de electrones, donde la dirección de la corriente es contraria a la «punta de flecha».
Analogía de la válvula de retención hidráulica
El comportamiento del diodo es análogo al comportamiento de un dispositivo hidráulico llamado válvula de retención. Una válvula de retención permite el flujo de fluido a través de ella en una sola dirección, como en la figura siguiente.
Analogía de la válvula de retención hidráulica: (a) Flujo de corriente permitido. (b) Flujo de corriente prohibido.
Las válvulas de retención son esencialmente dispositivos accionados por presión: se abren y permiten el flujo si la presión a través de ellas es de la «polaridad» correcta para abrir la compuerta (en la analogía mostrada, mayor presión de fluido a la derecha que a la izquierda). Si la presión es de la «polaridad» opuesta, la diferencia de presión a través de la válvula de retención cerrará y retendrá la compuerta para que no se produzca el flujo.
Al igual que las válvulas de retención, los diodos son esencialmente dispositivos operados por «presión» (operados por tensión). La diferencia esencial entre la polaridad directa y la inversa es la polaridad de la tensión que cae a través del diodo. Echemos un vistazo más de cerca al sencillo circuito de batería-diodo-lámpara mostrado anteriormente, esta vez investigando las caídas de tensión a través de los distintos componentes en la figura siguiente.
Mediciones de tensión del circuito de diodo: (a) Con polarización directa. (b) polarización inversa.
Configuración del diodo polarizado hacia delante
Un diodo polarizado hacia delante conduce la corriente y deja caer un pequeño voltaje a través de él, dejando la mayor parte del voltaje de la batería caído a través de la lámpara. Si la polaridad de la batería se invierte, el diodo se convierte en un diodo de polarización inversa, y deja caer todo el voltaje de la batería sin dejar ninguno para la lámpara. Si consideramos que el diodo es un interruptor autoactivo (cerrado en el modo de polarización directa y abierto en el modo de polarización inversa), este comportamiento tiene sentido. La diferencia más sustancial es que el diodo deja caer mucha más tensión al conducir que el interruptor mecánico medio (0,7 voltios frente a decenas de milivoltios).
Esta caída de tensión de polaridad hacia delante que presenta el diodo se debe a la acción de la región de agotamiento formada por la unión P-N bajo la influencia de una tensión aplicada. Si no se aplica tensión a través de un diodo semiconductor, existe una fina región de agotamiento alrededor de la región de la unión P-N, que impide el flujo de corriente. (Figura siguiente (a)) La región de agotamiento está casi desprovista de portadores de carga disponibles, y actúa como un aislante:
Representaciones de los diodos: Modelo de unión PN, símbolo esquemático, parte física.
El símbolo esquemático del diodo se muestra en la figura anterior (b) de forma que el ánodo (extremo puntiagudo) corresponde al semiconductor tipo P en (a). La barra catódica, extremo no puntiagudo, en (b) corresponde al material de tipo N en (a). Observe también que la franja catódica en la parte física (c) corresponde al cátodo en el símbolo.
Configuración del diodo de polarización inversa
Si se aplica una tensión de polarización inversa a través de la unión P-N, esta región de agotamiento se expande, resistiendo aún más cualquier corriente a través de ella. (Figura siguiente)
La región de agotamiento se expande con la polarización inversa.
Tensión hacia delante
A la inversa, si se aplica una tensión de polarización hacia delante a través de la unión P-N, la región de agotamiento se colapsa haciéndose más fina. El diodo se vuelve menos resistente a la corriente que lo atraviesa. Sin embargo, para que pase una corriente sostenida a través del diodo, la región de agotamiento debe colapsarse completamente por la tensión aplicada. Esto requiere un cierto voltaje mínimo para lograrlo, llamado voltaje de avance, como se ilustra en la figura siguiente.
El aumento de la polarización de avance de (a) a (b) disminuye el espesor de la región de agotamiento.
Para los diodos de silicio, el voltaje de avance típico es de 0,7 voltios, nominal. Para los diodos de germanio, la tensión directa es de sólo 0,3 voltios. La composición química de la unión P-N que compone el diodo explica su cifra de tensión directa nominal, por lo que los diodos de silicio y de germanio tienen tensiones directas tan diferentes. La caída de tensión hacia delante permanece aproximadamente constante para una amplia gama de corrientes de diodo, lo que significa que la caída de tensión del diodo no es como la de una resistencia o incluso la de un interruptor normal (cerrado). Para la mayoría de los análisis de circuitos simplificados, la caída de tensión a través de un diodo conductor puede considerarse constante en la cifra nominal y no está relacionada con la cantidad de corriente.
Ecuación del diodo
En realidad, la caída de tensión hacia adelante es más compleja. Una ecuación describe la corriente exacta a través de un diodo, dada la tensión caída a través de la unión, la temperatura de la unión y varias constantes físicas. Se conoce comúnmente como la ecuación del diodo:
El término kT/q describe la tensión producida dentro de la unión P-N debido a la acción de la temperatura, y se denomina tensión térmica, o Vt de la unión. A temperatura ambiente, es de unos 26 milivoltios. Sabiendo esto, y asumiendo un coeficiente de «no idealidad» de 1, podemos simplificar la ecuación del diodo y reescribirla así:
No es necesario estar familiarizado con la «ecuación del diodo» para analizar circuitos de diodos simples. Sólo hay que entender que la tensión que cae a través de un diodo conductor de corriente cambia con la cantidad de corriente que lo atraviesa, pero que este cambio es bastante pequeño en un amplio rango de corrientes. Por eso muchos libros de texto dicen simplemente que la caída de tensión a través de un diodo semiconductor conductor permanece constante a 0,7 voltios para el silicio y a 0,3 voltios para el germanio.
Sin embargo, algunos circuitos utilizan intencionadamente la relación exponencial inherente a la unión P-N entre corriente y tensión y, por tanto, sólo pueden entenderse en el contexto de esta ecuación. Además, dado que la temperatura es un factor en la ecuación del diodo, una unión P-N con polarización hacia adelante también puede utilizarse como un dispositivo de detección de la temperatura y, por lo tanto, sólo puede entenderse si se tiene una comprensión conceptual de esta relación matemática.
Funcionamiento con polarización inversa
Un diodo con polarización inversa impide que la corriente pase a través de él, debido a la expansión de la región de agotamiento. En realidad, una cantidad muy pequeña de corriente puede pasar, y pasa, a través de un diodo con polarización inversa, llamada corriente de fuga, pero puede ser ignorada para la mayoría de los propósitos.
La capacidad de un diodo para soportar tensiones de polarización inversa es limitada, como lo es para cualquier aislante. Si la tensión de polarización inversa aplicada es demasiado grande, el diodo experimentará una condición conocida como ruptura (figura siguiente), que suele ser destructiva.
La capacidad máxima de tensión de polarización inversa de un diodo se conoce como tensión inversa máxima, o PIV, y puede obtenerse del fabricante. Al igual que la tensión directa, el valor nominal de la PIV de un diodo varía con la temperatura, excepto que la PIV aumenta con el aumento de la temperatura y disminuye a medida que el diodo se enfría, exactamente lo contrario que la tensión directa.
Curva del diodo: mostrando la rodilla a 0,7 V de polarización hacia adelante para el Si, y la ruptura inversa.
Típicamente, la clasificación PIV de un diodo «rectificador» genérico es de al menos 50 voltios a temperatura ambiente. Existen diodos con valores PIV de muchos miles de voltios a precios modestos.
REVISIÓN:
- Un diodo es un componente eléctrico que actúa como una válvula unidireccional para la corriente.
- Cuando se aplica tensión a través de un diodo de forma que éste permite la corriente, se dice que el diodo está polarizado hacia delante.
- Cuando la tensión se aplica a través de un diodo de tal manera que el diodo prohíbe la corriente, se dice que el diodo está polarizado hacia atrás.
- La tensión que cae a través de un diodo conductor polarizado hacia adelante se llama tensión hacia adelante. Forward voltage for a diode varies only slightly for changes in forward current and temperature, and is fixed by the chemical composition of the P-N junction.
- Silicon diodes have a forward voltage of approximately 0.7 volts.
- Germanium diodes have a forward voltage of approximately 0.3 volts.
- The maximum reverse-bias voltage that a diode can withstand without «breaking down» is called the Peak Inverse Voltage, or PIV rating.
RELATED WORKSHEETS:
- Rectigying Diodes Worksheet
- PN Junctions Worksheet