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3.1: Introducción a los diodos y rectificadores

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    Todo sobre el diodo

    Un diodo es un dispositivo eléctrico que permite que la corriente se mueva a través de él en una dirección con mucha mayor facilidad que en la otra. El tipo de diodo más común en el diseño moderno de circuitos es el diodo semiconductor, aunque existen otras tecnologías de diodos. Los diodos semiconductores están simbolizados en diagramas esquemáticos como la Figura a continuación. El término “diodo” se reserva habitualmente para dispositivos de señal pequeña, I ≤ 1 A. El término rectificador se utiliza para dispositivos de potencia, I > 1 A.

    03246.png

    Símbolo esquemático de diodo semiconductor: Las flechas indican la dirección del flujo de corriente electrónica.

    Cuando se coloca en un circuito simple de batería-lámpara, el diodo permitirá o evitará la corriente a través de la lámpara, dependiendo de la polaridad del voltaje aplicado. (Figura abajo)

    03247.png

    Funcionamiento del diodo: (a) Se permite el flujo de corriente; el diodo está polarizado hacia adelante. (b) El flujo de corriente está prohibido; el diodo está polarizado a la inversa.

    Cuando la polaridad de la batería es tal que se permite que los electrones fluyan 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 tiene polarización inversa. Un diodo puede pensarse como un interruptor: “cerrado” cuando está polarizado hacia adelante y “abierto” cuando está polarizado hacia atrás.

    Por extraño que parezca, la dirección de la “punta de flecha” del símbolo del diodo apunta contra la dirección del flujo de electrones. Esto se debe a que el símbolo de diodo fue inventado por ingenieros, quienes utilizan predominantemente notación de flujo convencional en sus esquemas, mostrando la corriente como un flujo de carga desde el lado positivo (+) de la fuente de voltaje al negativo (-). Esta convención es cierta para todos los símbolos semiconductores que poseen “puntas de flecha”: la flecha apunta en la dirección permitida del flujo convencional, y contra la dirección permitida del flujo de electrones.

    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 a continuación.

    03248.png

    Analogía de la válvula de retención hidráulica: (a) Flujo de corriente de electrones permitido. b) Circulación de corriente prohibida.

    Las válvulas de retención son esencialmente dispositivos operados 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 se cerrará y mantendrá la compuerta para que no se produzca flujo.

    Al igual que las válvulas de retención, los diodos son esencialmente dispositivos operados por “presión” (accionados por voltaje). La diferencia esencial entre la polarización directa y la polarización inversa es la polaridad del voltaje caído a través del diodo. Echemos un vistazo más de cerca al circuito simple de la batería-diodo-lámpara que se muestra anteriormente, esta vez investigando las caídas de voltaje en los diversos componentes en la Figura a continuación.

    03249.png

    Mediciones de voltaje del circuito de diodos: (a) Directo polarizado. b) Sesgo inverso.

    Un diodo de polarización directa conduce corriente y baja un pequeño voltaje a través de él, dejando la mayor parte del voltaje de la batería caído a través de la lámpara. Si se invierte la polaridad de la batería, el diodo se polariza hacia atrás y baja todo el voltaje de la batería sin dejar ninguno para la lámpara. Si consideramos que el diodo es un interruptor de accionamiento automático (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 baja mucho más voltaje al conducir que el interruptor mecánico promedio (0.7 voltios frente a decenas de milivoltios).

    Esta caída de voltaje de polarización directa exhibida por 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 voltaje a través de un diodo semiconductor, existe una región de agotamiento delgada alrededor de la región de la unión P-N, lo que evita el flujo de corriente. (Figura abajo (a)) La región de agotamiento está casi desprovista de portadores de carga disponibles, y actúa como aislante:

    03250.png

    Representaciones de diodos: Modelo de unión PN, símbolo esquemático, parte física.

    El símbolo esquemático del diodo se muestra en la Figura anterior (b) de tal manera que el ánodo (extremo apuntador) corresponde al semiconductor de tipo P en (a). La barra catódica, extremo no apuntante, en (b) corresponde al material de tipo N en (a). También tenga en cuenta que la banda catódica en la parte física (c) corresponde al cátodo en el símbolo.

    Si se aplica un voltaje 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 abajo)

    03251.png

    La región de agotamiento se expande con sesgo inverso.

    Por el contrario, si se aplica una tensión de polarización directa a través de la unión P-N, la región de agotamiento se colapsa y se vuelve más delgada. El diodo se vuelve menos resistivo a la corriente a través de él. Para que una corriente sostenida pase por el diodo; sin embargo, la región de agotamiento debe estar completamente colapsada por el voltaje aplicado. Esto requiere un cierto voltaje mínimo para lograr, llamado voltaje directo como se ilustra en la figura a continuación.

    03252.png

    Incediendo el sesgo hacia adelante de (a) a (b) disminuye el grosor de la región de agotamiento.

    Para los diodos de silicio, el voltaje directo típico es de 0.7 voltios, nominal. Para los diodos de germanio, el voltaje directo es de solo 0.3 voltios. La circunscripción química de la unión P-N que comprende el diodo explica su cifra de voltaje directo nominal, razón por la cual los diodos de silicio y germanio tienen tensiones directas tan diferentes. La caída de voltaje directo permanece aproximadamente constante para una amplia gama de corrientes de diodo, lo que significa que la caída de voltaje del diodo no es como la de una resistencia o incluso un interruptor normal (cerrado). Para el análisis de circuito más simplificado, la caída de voltaje a través de un diodo conductor puede considerarse constante en la cifra nominal y no relacionada con la cantidad de corriente.

    Ecuación de diodo

    En realidad, la caída de voltaje directo es más compleja. Una ecuación describe la corriente exacta a través de un diodo, dado el voltaje caído a través de la unión, la temperatura de la unión y varias constantes físicas. Se conoce comúnmente como la ecuación del diodo:

    13047.png

    El término Kt/q describe el voltaje producido dentro de la unión P-N debido a la acción de la temperatura, y se denomina voltaje térmico, o V t de la unión. A temperatura ambiente, esto es de aproximadamente 26 milivoltios. Sabiendo esto, y asumiendo un coeficiente de “no idealidad” de 1, podemos simplificar la ecuación del diodo y volver a escribirla como tal:

    13048.png

    No necesita estar familiarizado con la “ecuación de diodos” para analizar circuitos de diodos simples. Simplemente entienda que el voltaje caído 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 una amplia gama de corrientes. Es por esto que muchos libros de texto simplemente dicen que la caída de voltaje a través de una conducción, el diodo semiconductor permanece constante a 0.7 voltios para el silicio y 0.3 voltios para el germanio. Sin embargo, algunos circuitos utilizan intencionalmente la relación de corriente/voltaje exponencial inherente de la unión P-N y, por lo tanto, solo se pueden entender en el contexto de esta ecuación. Además, dado que la temperatura es un factor en la ecuación del diodo, también se puede usar una unión P-N con polarización directa como dispositivo de detección de temperatura y, por lo tanto, solo se puede entender si se tiene una comprensión conceptual de esta relación matemática.

    Un diodo de polarización inversa evita que la corriente pase a través de él, debido a la región de agotamiento expandida. En la actualidad, una cantidad muy pequeña de corriente puede pasar y pasa por un diodo polarizado inverso, llamado corriente de fuga, pero puede ignorarse para la mayoría de los propósitos. La capacidad de un diodo para soportar voltajes de polarización inversa es limitada, como lo es para cualquier aislante. Si el voltaje de polarización inversa aplicado se vuelve demasiado grande, el diodo experimentará una condición conocida como ruptura (Figura a continuación), que generalmente es destructiva. La clasificación máxima de voltaje de polarización inversa de un diodo se conoce como voltaje inverso pico, o PIV, y se puede obtener del fabricante. Al igual que el voltaje directo, la clasificación PIV de un diodo varía con la temperatura, excepto que el PIV aumenta con el aumento de la temperatura y disminuye a medida que el diodo se vuelve más frío, exactamente opuesto al del voltaje directo.

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    Curva de diodo: mostrando rodilla a 0.7 V de polarización directa para Si, y ruptura inversa.

    Por lo general, la clasificación PIV de un diodo genérico “rectificador” es de al menos 50 voltios a temperatura ambiente. Diodos con clasificaciones PIV en los muchos miles de voltios están disponibles a precios modestos.

    Revisar

    • Un diodo es un componente eléctrico que actúa como una válvula unidireccional para corriente.
    • Cuando se aplica voltaje a través de un diodo de tal manera que el diodo permite corriente, se dice que el diodo está polarizado hacia adelante.
    • Cuando se aplica voltaje a través de un diodo de tal manera que el diodo prohíbe la corriente, se dice que el diodo tiene polarización inversa.
    • El voltaje caído a través de un diodo conductor con polarización directa se llama voltaje directo. El voltaje directo para un diodo varía solo ligeramente para los cambios en la corriente directa y la temperatura, y se fija por la composición química de la unión P-N.
    • Los diodos de silicio tienen un voltaje directo de aproximadamente 0.7 voltios.
    • Los diodos de germanio tienen un voltaje directo de aproximadamente 0.3 voltios.
    • El voltaje máximo de polarización inversa que un diodo puede soportar sin “descomponerse” se denomina voltaje inverso pico o clasificación PIV.

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