TEORÍA DE LOS DIODOS
En la Teoría de los semiconductores, se destacan: LOS DIODOS
Los Diodos son elementos semiconductores o elementos de estado sólido, construido en base de germanio o silicio.
Los
diodos disponen de dos terminales: ÁNODO (+) y CÁTODO (-), estando debidamente señalados en el componente, una
franja blanca representa al cátodo. Existe una característica de no-linealidad
que los hace asimétricos. Esto implica que no es lo mismo conectarlos al
circuito del que forman parte de una u otra manera, por lo que cada terminal
tiene una función particular.
TEORÍA DE LOS SEMICONDUCTORES
De
acuerdo con la facilidad con que se mueven los electrones por el interior de
las sustancias se establecen tres (3) tipos de éstos: conductores, aislantes y
semiconductores. La facilidad del movimiento depende de la estructura atómica
de la sustancia.
SEMICONDUCTORES. Estas
sustancias tienen propiedades intermedias entre los conductores y los aislantes. La cantidad de electrones libres depende de determinado factor
(calor, luminosidad, etc.). En su última órbita tiene 4 electrones.
Los electrones de la capa más externa se conocen como electrones de valencia. Los electrones de valencia determinan la forma característica o estructura reticular del cristal resultante.
El
germanio y el silicio puros cristalizados son los cuerpos básicos utilizados
comúnmente en los diodos y transistores.
Los
átomos de silicio y germanio tienen cuatro electrones de valencia cada uno.
Aunque los electrones de valencia son retenidos con fuerza en la estructura
cristalina, pueden romper sus enlaces y, por tanto, moverse en forma de
conducción. Esto sucede si se proporciona suficiente energía externa (por
ejemplo, en forma de luz o calor).
A
causa de la estructura cristalina, los núcleos están alineados en disposición
simétrica y cada electrón externo comparte la órbita de otro electrón externo
de un átomo vecino. Es esta disposición de órbitas compartidas que mantiene
eficazmente cada electrón en su lugar y no algún fuerte encadenamiento extraño
entre el electrón y su núcleo. Estos cuerpos son excelentes aislantes porque la
estructura cristalina mantiene eficazmente en su lugar todos los electrones
externos que normalmente quedarían libres para entrar en la circulación de
corriente.
La estructura interna está conformada por dos elementos: Tipo N y Tipo P.
Se dispone de un
monocristal de silicio puro, dividido en dos zonas con una frontera nítida,
definida por un plano. Una zona se dopa con impurezas de tipo P y la otra de
tipo N. La zona P tiene un exceso de huecos. La zona N dispone de electrones en
exceso.
Físicamente, un diodo consiste en la unión de dos materiales SEMICONDUCTORES, uno de tipo P y otro de tipo N, llamada comúnmente "Unión PN", a la que se han unido eléctricamente dos terminales. Al que se encuentra unido eléctricamente al cristal P, se le denomina ÁNODO, y se le representa en los diagramas mediante la letra A; y el que está unido con la zona N se lo llama CÁTODO, simbolizado por la letra K. Cuando ambos semiconductores en forma de cristal se unen, algunos electrones de la zona P se difunden hacia la zona N. Esta corriente de electrones provoca la aparición de cargas fijas a ambos lados de la unión, en una zona que recibe como nombres: "zona de deplexión" o "zona de carga espacial".
Tipo N
Un
método para obtener circulación de corriente es añadir una pequeña cantidad de
átomos que tengan cinco electrones externos (pentavalentes). Los átomos
adecuados para este fin son los de fósforo, antimonio y más frecuentemente,
arsénico. Estos átomos son distribuidos a través del cuerpo básico puro
mientras se lo está tratando para que adquiera el estado cristalino y la
estructura que se representa en el esquema. La proporción de los átomos que
forman la impureza es del orden de una parte en cien millones de átomos de Ge o
Si.
Tipo P
Existe
otro método de modificar el cuerpo básico cristalino puro para obtener un flujo
de corriente que se pueda gobernar. Durante el tratamiento del cuerpo básico,
los átomos de la impureza, tales como los de aluminio, boro o indio, se añaden
en pequeñas cantidades. Estos átomos que forman la impureza tienen solamente
tres electrones externos (trivalentes) y se introducen en la estructura
cristalina.
La
estructura modificada le falta un electrón por cada átomo de impureza. El
espacio que deja en la estructura el electrón que falta, se denomina “poro”. Se
refiere al espacio existente entre las moléculas de los cuerpos. Durante el
tratamiento, el átomo de la impureza atrae un electrón externo próximo para
llenar el espacio de la estructura cristalina que le rodea y el poro “se mueve”
hacia algún lugar. Una serie de electrones externos puede abandonar sus núcleos
para llenar el espacio y el “poro” puede viajar una distancia considerable
antes de alcanzar una posición de equilibrio.
POLARIDAD DE LOS DIODOS
APLICACIONES DE LOS DIODOS
El
diodo es un componente que se desarrolló como solución al problema de
transformar CORRIENTE ALTERNA en CORRIENTE CONTINUA,
por lo que se encuentra presente en prácticamente cualquier fuente de
alimentación. Dentro de esta función, se incluye la tarea indispensable que
desempeñan en cualquier receptor de radio o TV: la detección o desmodulación.
Debido
a que solo permiten el paso de la corriente en un sentido, el diodo se comporta como un interruptor que solo permite el
paso de uno de los semiciclos de la corriente alterna,
y mediante dos o cuatro de estos componentes se puede transformar una corriente
alterna sinusoidal en una corriente pulsante, que con la ayuda de condensadores (generalmente electrolíticos) se transforma en una tensión continua.
TIPOS DE DIODOS
DIODOS RECTIFICADORES.
Esta familia está compuesta por un número enorme de diodos especialmente
concebidos para convertir una corriente alterna en continua.
DIODOS DE SEÑAL,
que engloba a aquellos dispositivos dedicados al tratamiento de las señales
dentro de un circuito analógico o para realizar funciones de tipo digital en
las compuertas lógicas. Son de baja potencia, debido a que las corrientes
implicadas son generalmente muy pequeñas.
LOS DIODOS DE CONMUTACIÓN
o rápidos están especialmente concebidos para trabajar con señales del tipo
digital o lógicas que presenten tiempos muy cortos, inferiores a unos pocos
nanosegundos.
LOS DIODOS ESTABILIZADORES DE TENSIÓN,
también llamados diodos ZENER,
se emplean para producir una tensión entre sus terminales muy constante y relativamente independiente de la corriente que los atraviesan.
PRUEBA DEL FUNCIONAMIENTO DE LOS DIODOS
Para comprobar el funcionamiento de los diodos, debe entenderse que estos se pueden polarizar de manera directa e inversa. Que la gran mayoría de la familia de los Diodos funcionan en polaridad directa, pero algunos lo hacen en la polaridad inversa, como es el caso del Diodo Zener.
Para una correcta comprobación del funcionamiento del Diodo, se toma como polaridad directa cuando la punta positiva del multímetro se conecta hacia el ánodo del diodo; y la polaridad inversa cuando la punta negativa del multímetro se conecta hacia el cátodo del diodo.
Para una correcta comprobación del funcionamiento del Diodo, se toma como polaridad directa cuando la punta positiva del multímetro se conecta hacia el ánodo del diodo; y la polaridad inversa cuando la punta negativa del multímetro se conecta hacia el cátodo del diodo.
Video: Los Diodos
PRUEBA DE UN DIODO RECTIFICADOR
Se puede comprobar su óptimo funcionamiento en un tester digital, en la escala de ohmios. En polaridad directa, tiende a cero; en polaridad inversa, marca infinito (OL).
De igual forma, se comprueba en la escala de Diodos. En polaridad directa, marca aproximadamente 0,6 Voltios; en polaridad inversa, marca infinito (1).
Finalmente, se comprueba su funcionamiento al conectarlo a una fuente de alimentación, que no importando el voltaje de esta, siempre tendrá un voltaje aproximado a 0,6 V.
Prueba con multímetro análogo
TEORÍA DEL FUNCIONAMIENTO DE LOS DIODOS
Una
resistencia es un dispositivo
lineal, porque la gráfica de su corriente
en función de su voltaje es una línea recta.
Un
diodo es diferente, es un dispositivo no lineal, porque la gráfica de la corriente
en función de la tensión no es una línea recta. La razón es la barrera
de potencial:
cuando la tensión del diodo es menor que la barrera de potencial, la corriente
del diodo es pequeña; si la tensión del diodo supera esta barrera de potencial,
la corriente del diodo se incrementará rápidamente.
Si el diodo está polarizado en
directa no hay corriente significativa hasta que la tensión en el diodo sea
superior a la barrera de potencial. Y cuando el diodo está polarizado en
inversa, casi no hay corriente inversa hasta que la tensión del diodo alcanza
la tensión de ruptura.
TENSIÓN DE UMBRAL
En la zona directa la tensión a
partir de la cual la corriente empieza a incrementar rápidamente se denomina tensión
umbral del diodo, que es igual a la
barrera de potencial.
Vk » 0,7 Voltios
RESISTENCIA INTERNA
Para tensión mayores que la tensión
umbral, la corriente del diodo crece rápidamente, lo que quiere decir que
aumentos pequeños en la tensión del diodo originarán grandes incrementos en su
corriente. La causa es la siguiente: después de superada la barrera de
potencial, lo único que se opone a la corriente es la resistencia de las zonas P y N.
La resistencia interna de los
diodos es menor que 1 Ohmio.
RB = RP + RN
MÁXIMA CORRIENTE
Si la corriente en un diodo es
demasiado grande, la temperatura excesiva destruirá el diodo. En el caso del diodo 1N456 tiene
una corriente máxima de 135 mA. (Imáx = 135 mA).
DISIPACIÓN DE POTENCIA
Un diodo tiene una limitación de
potencia de 5 W.
Si la tensión del diodo es de 1,2 V y la corriente del diodo
es 1,75 A, ¿Cuál es la disipación de potencia?¿Se destruirá el diodo?
PD = (VD)(ID) = (1,2V)(1,75 A) = 2,1 W.
El
resultado es inferior a la limitación de potencia. Por lo tanto el diodo no se
destruirá.
(1). EL DIODO IDEAL
Teóricamente, un diodo rectificador se comporta
como un conductor perfecto (resistencia
cero) cuando tiene polarización
directa, y lo hace
como un aislante perfecto (resistencia infinita) cuando su polarizaciones inversa.
Calcular la corriente y la tensión
en la carga empleando la aproximación del diodo ideal en el siguiente circuito.
(3). TERCERA APROXIMACIÓN
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Durante la
aplicación de un impulso de corriente, una determinada energía será disipada
por el varistor. La cantidad de la energía de disipación es una función de:
Como
el diodo está polarizado en directa, es equivalente a un interruptor cerrado.
Entonces toda la tensión de la fuente aparece a través de la resistencia de
carga: VRL = 10V
(2). SEGUNDA APROXIMACIÓN
La aproximación ideal es siempre
correcta o cierta en la mayoría de las situaciones de detección de averías,
pero no siempre estamos detectando averías. Algunas veces queremos un valor más
exacto para la corriente y la tensión en la carga.
El dibujo indica que no hay
corriente hasta que aparecen 0,7V en el diodo. En este punto el diodo se
activa. De ahí en adelante sólo aparecen 0,7V en el diodo, independiente del
valor de la corriente.
El diodo se asemeja a un
interruptor en serie con una barrera de potencial de 0,7V. Si la tensión de la
fuente es, por lo menos, de 0,7 V, el interruptor se cerrará. Cuando conduce,
la tensión en el dispositivo será de 0,7 V para cualquier corriente directa.
Por otro lado, cuando la tensión de Thévenin es menor que 0,7 V, el interruptor
se abrirá. En este caso, no hay corriente a través del diodo.
Calcular la corriente por la carga,
la tensión en la carga y el potencial en el diodo.
Como el diodo está polarizado en
directa, es equivalente a una batería de 0,7V, lo que significa que la tensión
en la carga es igual a la tensión de la fuente menos la caída de tensión en el
diodo.
(3). TERCERA APROXIMACIÓN
Se incluye la resistencia interna RB.
Después de que el diodo de silicio comienza a conducir, la tensión aumenta
lineal o proporcionalmente con los incrementos de la corriente. Cuanto mayor
sea la corriente, mayor es la tensión, al tener que incluirse la caída de
tensión en la resistencia interna a la tensión total del diodo.
Cuando la tensión aplicada es mayor
que 0,7V, el diodo conduce. La tensión total en el diodo es igual a: VD = 0,7 + (ID
RB)
A menudo, la resistencia interna es
menor que 1 Ohmios, y
fácilmente se puede ignorar para los cálculos.
El 1N4001 tiene una resistencia
interna de 0,23. ¿Cuál es la tensión en la carga, la corriente por la carga y
la potencia del diodo?
Como la resistencia interna es
suficientemente pequeña entonces se puede ignorar porque es menor que 1/100 de
la resistencia de la carga.
Se puede usar la segunda
aproximación: 9,3V; 9,3 mA y 6,51 mW respectivamente.
La hoja de
características del 1N4001 da una tensión con polaridad directa de 0,93V para
una corriente de 1A. Como se trata de un diodo de silicio, tiene una tensión
umbral de aproximadamente 0,7V, y una corriente cercana a cero. Por tanto, los
valores que hay que emplear son V2 = 0,93V; I2 = 1A; V1= 0,7V; I1 = 0.
Los fabricantes
han incluido dentro de una misma cápsula cuatro diodos rectificadores con
montaje llamado "en puente" (de Graetz), el físico que lo popularizó, pero su inventor fue Karol
Franciszek Pollak.
El símbolo tiene
dos terminales de entrada de corriente alterna (~) y dos de salida de corriente continua
(+/-).
Se utilizan en
fuentes de alimentación conectados a la salida de un transformador.
Cuando el Diodo Zener se polariza inversamente, la
corriente que circula es prácticamente despreciable, hasta que el voltaje
inverso alcanza un valor conocido como Voltaje Zener, Vz. Al llegar a
esta tensión, el diodo entra en conducción. A partir de este instante la
tensión entre sus terminales permanece prácticamente constante e igual a Vz
para un amplio margen de corriente.
Se
utiliza como limitador o regulador de tensión, para atenuar el rizado de
algunas señales.
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VIDEO: POLARIDAD DIRECTA E INVERSA EN LOS DIODOS
Autor: Alvaro Acosta Agón
YouTube: https://youtu.be/PyA0JHLviFo
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Es un dispositivo semiconductor utilizado para
absorber picos de alto voltaje desarrollados en las redes de alimentación
eléctrica. Cuando aparece un transitorio, el varistor cambia su resistencia de
un valor alto a otro valor muy bajo. El transitorio es absorbido por el
varistor, protegiendo de esa manera los componentes sensibles del circuito. Los
varistores se fabrican con un material no-homogéneo (Carburo de silicio).
Durante la
aplicación de un impulso de corriente, una determinada energía será disipada
por el varistor. La cantidad de la energía de disipación es una función de:ü La amplitud de la corriente.
ü El voltaje correspondiente al pico de
corriente.
ü La duración del impulso.
Con la
ayuda de los VARISTORES, se eliminan los transitorios de una señal de corriente
alterna.
Son dispositivos
semiconductores construidos con una unión PN, sensible a la incidencia de la
luz visible o infrarroja. Para que su funcionamiento sea correcto se
polarizarán inversamente, con lo que producirán una cierta circulación de
corriente cuando sean excitados por la luz. Debido a su construcción se
comportan como células fotovoltaicas, es decir, en ausencia de tensión
exterior, generan una tensión muy pequeña con el positivo en el ánodo y el
negativo en el cátodo. Tienen una velocidad de respuesta a los cambios bruscos
de luminosidad mayores a las células fotoeléctricas. Actualmente, y en muchos
circuitos estas últimas se están sustituyendo por ellos, debido a la ventaja
anteriormente citada.
Utilizado
ampliamente como receptor de controles remotos de la gran mayoría de los
electrodomésticos. Enfoque y control de exposición automático en cámaras.
Pueden utilizarse en la medida de temperaturas a distancia y combinados con una
fuente de luz se emplean en codificadores de posición, medidas de distancia,
etc.
Cuando los
fotodiodos se polarizan inversamente, dejan pasar una intensidad, proporcional
a la luz que incide sobre ellos. Pueden ser sensibles a luz del espectro
visible, infrarroja, ultravioleta, láser, etc.
Europea consta de dos letras y tres cifras para
los componentes utilizados en radio, televisión y audio, o de tres letras y dos
números para dispositivos industriales. La primera letra precisa el material
del que está hecho el dispositivo y la segunda letra el tipo de componente. El
resto del código, números generalmente, indica la aplicación general a la que
se aplica.
a) De tres cifras (entre 100 a 999) para dispositivos proyectados
principalmente en aparatos de aplicación doméstica (radio, TV, registradores,
amplificadores).
b) Una letra (X, Y, Z), seguida de dos cifras (de 10 a
99) para los dispositivos proyectados para usos principales en aplicaciones
industriales y profesionales.
Ejemplos:
BC 107 Transistor de silicio de baja
frecuencia, adaptado principalmente para usos generales.
BSX 51 Transistor de silicio de conmutación,
adaptado principalmente para aparatos industriales.
En Estados Unidos se utiliza la
nomenclatura de la JEDEC (Joint Electronic Devices Engineering Council)
regulado por la EIA (Electronic Industries Association), que consta de un
número, una letra y un número de serie (este último sin significado técnico).
Los fabricantes japoneses utilizan el código
regulado por la JIS (Japanese Industrial Standards), que consta de un
número, dos letras y número de serie (este último sin ningún significado
técnico).
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