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Electrónica Completa
Curso en línea gratis de Electrónica Completa por el Ing. Alberto Picerno
El diodo
No existe un modo de definir fácilmente el
porque a algunos componentes se los llama pasivos y a otros activos,
con absoluta precisión. Para definir perfectamente la cosa yo acostumbro
a decir que los componentes pasivos son el resistor, el capacitor y el
inductor con dos variantes que aun no conocemos llamadas transformador y
autotransformador. Y los activos son los otros. Otros autores dicen
que:
Los componentes activos son aquellos que son capaces de
excitar los circuitos o de realizar ganancias o control del mismo.
Fundamentalmente son los generadores eléctricos y ciertos componentes
semiconductores. Estos últimos, en general, tienen un comportamiento no
lineal, esto es, la relación entre la tensión aplicada y la corriente
que circula no es lineal como en un resistor, un capacitor o un
inductor.
Los componentes activos semiconductores derivan del diodo de Fleming y
del triodo de Lee de Forest. En una primera generación aparecieron las
válvulas que permitieron el desarrollo de aparatos electrónicos como la
radio o la televisión. Posteriormente, en una segunda generación,
aparecerían los semiconductores que más tarde darían paso a los
circuitos integrados (tercera generación) cuya máxima expresión se
encuentra en los circuitos programables (microprocesador y
microcontrolador) que nuestros alumnos ya conocen y que pueden ser
considerados como componentes, aunque en realidad son circuitos que
llevan en su interior millones de componentes.
En la actualidad existe un número elevado de componentes activos,
siendo usual, que un sistema electrónico se diseñe a partir de uno o
varios componentes activos que condicionaran el funcionamiento del
circuito. Esto no sucede con los componentes pasivos. Dentro de los
componentes activos mas importantes se pueden nombrar a los diodos en
primer termino cuya función es rectificar y limitar las señales; luego
los transistores cuya función es amplificar o controlar la corriente de
un circuito; los amplificadores operacionales cuya función principal es
amplificar pero que tienen otros usos como sumadores restadores, etc y
por ultimo los circuitos integrados en general de los cuales existen
versiones programables y no programables y que tienen un uso general.
Analicemos el componente activo más elemental que es el diodo. Esta
palabra significa “que tiene dos terminales”. Los primeros diodos que se
utilizaron fueron los diodos termoiónicos que ya pertenecen a la
historia de la electrónica. En lo que sigue analizaremos el diodo
semiconductor de silicio y lo aplicaremos a un rectificador primero y la
construcción de una radio elemental en la próxima entrega.
Representaciones gráficas
En la ciencia electrónica todo se representa en gráficos del tipo X-Y
(coordenadas cartesianas ortogonales). Un resistor puede ser
representado en una gráfica en donde se indica la corriente que circula
por él en función de la tensión que se le aplica. En la figura 1 se
puede observar como ejemplo el gráfico correspondiente al resistor de
1Kohm.
Fig.1 Representación de un resistor de 1K
Observe que la recta representativa del comportamiento del resistor
ocupa el primer y tercer cuadrante, que significa que a valores de
tensión positivos (por ejemplo 2V) responde haciendo circular una
corriente en el sentido positivo (2 mA); en cambio si se aplica una
tensión negativa, el resistor cambia el sentido de circulación de la
corriente pero mantiene su valor absoluto.
El gráfico correspondiente a un capacitor conectado a una fuente de
tensión de C.A. de frecuencia fija sigue un gráfico similar. Por ejemplo
el correspondiente a un capacitor de 1> F, a 1KHz se puede
representar luego de calcular su reactancia capacitiva:
Xc= 1/(2¶ x F x C) = 1/(6.28x103x10-6) = 103/6.28 = 1000/6.28 ≈ 159.23 Ω
Fig.2 Representación de la reactancia capacitiva de un C de 1 uF a 1KHz
Observe que no representamos el valor negativo de las tensiones
porque en una C.A. la tensión está cambiando constantemente y lo que
representamos en el eje Y es el valor de pico de la señal. Del mismo
modo se podría representar la gráfica de la corriente por un inductor.
Representación gráfica de un diodo semiconductor
En nuestro curso básico de electrónica estudiamos a los componentes
en función de sus características externas sin atender a cómo funcionan
internamente. Considero que el alumno deberá entender el
funcionamiento interno con posterioridad a la aplicación del componente
en el circuito.
Considere al diodo como un resistor cuya resistencia interna depende
del sentido de circulación de la corriente. En un sentido presenta un
bajo valor de resistencia en tanto que en el sentido contrario presenta
una resistencia muy elevada.
Un gráfico vale por mil palabras. El gráfico de un diodo semiconductor se puede observar en la figura 3.
Fig.3 Curva de un diodo 1N4148)
Como se puede observar al incrementar la tensión directa sobre el
diodo no circula corriente hasta que se llega a una tensión de 0.6V en
donde la corriente comienza a circular aumentando bruscamente. Es decir
que después de los 0.6V la curva corresponde a un resistor de bajo valor
(unos 100 Ohm para el 1N4148). Por debajo de los 0.6V el diodo es casi
un circuito abierto, es decir que posee una resistencia muy grande y muy
variable diodo a diodo, llamada resistencia de fuga del diodo. A un
valor muy alto de tensión inversa el diodo entra en la llamada tensión
de ruptura; simplemente se produce un arco como el de la perforación de
un dieléctrico y que para el diodo considerado es de aproximadamente
75V. Ese arco es destructivo y el diodo por lo general se transforma en
un cortocircuito.
Este tipo de gráfico no es el único posible de realizar. La elección
de los ejes es evidentemente informal. Podría realizarse la curva usando
el eje Y para representar la corriente y el eje X para la tensión.
Cuando Ud. diseña un circuito con resistores, capacitores o
inductores por lo general no necesita la especificación de los
componentes. Pero cuando se utilizan componentes activos es necesario
averiguar sus características a través de la correspondiente
especificación (Data Sheet).
Especificación del diodo 1N4148
Como ejemplo vamos a estudiar la especificación del diodo de señal más común utilizado en electrónica.
Esta especificación que antiguamente se obtenía del manual del
fabricante, actualmente se obtiene por Internet. Ingrese a cualquier
buscador (por ejemplo el Google) y pida 1N4148.pdf,
seguramente va a tener muchos links a diferentes fabricantes; yo
seleccioné Fairchild y obtuve una especificación en formato pdf que
comienza con una descripción general o features.
Lo primero que se indica es que se trata de un diodo encapsulado en
vidrio, del cual se puede observar su versión clásica y tipo SMD en la
figura 4.
Fig.4 Forma del diodo 1N4148
Observe que el diodo tiene una banda que marca el terminal negativo o
cátodo para diferenciarla del positivo o ánodo. Junto al dibujo del
diodo se puede observar que se trata de un diodo que puede conmutar a
alta velocidad entre los estados de alta impedancia y baja impedancia
(4ns).
A continuación se ven los dos valores más importantes de un diodo que
son la máxima tensión inversa y la máxima corriente directa. En nuestro
caso puede observar que nuestro diodo es de 200mA y 75V. Esto
significa que cuando está en directa puede conducir permanentemente
hasta 200mA sin calentarse excesivamente a una temperatura ambiente de
25ºC. Por otro lado cuando está en inversa admite una tensión
máxima de 75V. Luego se puede producir la ruptura del chip por exceso de
tensión.
Fig. 5 Curvas características del 1N4148
Con referencia a los gráficos Fairchild prefiere generar gráficos
separados para cada parámetro como por ejemplo el gráfico 5 que contiene
la curvas de tensión inversa, directa a 20ºC y directa en función de la
temperatura. La primera curva observamos como la corriente inversa se
mantiene casi constante en 20 nA hasta que comienza a crecer a unos 60V
de modo que a 100V ya tiene 100 nA. Debajo se encuentra la curva de
corriente directa a 25ºC.
Observe que a 500 mV circula una pequeña corriente de 100 uA que se
transforma en una importante corriente de 700 mA al llegar a aplicar 700
mV. Esta curva parece recta solo porque la escala de corriente es
logarítmica si fuera lineal se observaría un codo neto a unos 600 mV.
Como trabajo práctico el lector deberá trazar esta curva en un grafico
lineal en ambos ejes considerando que el primer punto a ubicar es 0V/0A.
Arriba a la derecha se puede observar como la tensión de barrera
cambia con la temperatura. Si mantenemos la corriente circulante por el
diodo en 10 mA (por ejemplo con una fuente de 12V y un resistor serie de
1,2 Kohms) podremos observar que la tensión variará entre 320 y 520 mV
cuando la temperatura varíe de -40 a +65 ºC. Si el lector está
pensando que un diodo se puede usar como termómetro le decimos que
precisamente esa es una de sus funciones secundarias.
Por último se observa una curva que nos indica que tan rápidamente
opera nuestro diodo cuando se lo usa como llave; el eje inferior
representa a la “corriente de recuperación inversa” o Irr en función del
tiempo de recuperación “Tr”. El concepto de esta medición es el
siguiente: si Ud. aplica una tensión directa por el diodo circulará una
corriente apreciable. Cuando invierta la tensión, el diodo debería
abrirse de inmediato, pero en realidad demora un tiempo que depende de
la corriente directa que se había establecido inicialmente. Si esta
corriente es de 60 mA el diodo demorará 1,25 nS en abrirse. Este
parámetro caracteriza la velocidad del diodo de modo que existirán
diodos adecuados para la frecuencia de red y otros tan rápidos como para
ser usados en la banda de microondas a frecuencias de 10 GHz.
Se considera a un diodo como ideal cuando tiene una resistencia nula
en directa, una barrera nula y una resistencia infinita en inversa; es
decir, un dispositivo que conduce perfectamente en un sentido y se abre
en el otro. Y podríamos agregar: que no demora en abrirse.
Cicruitos con diodos
Los diodos de silicio (que son los más utilizados) se emplean como
rectificadores (conversores de CA en CC), como limitadores de señal y
como protectores de tensiones inversas.
Un sencillo circuito como el de la figura 11.5.1 es perfectamente
capaz de evitar la circulación del semiciclo negativo de una señal de
CA, transformándola en una CC pulsante tal como se puede observar con el
osciloscopio del WB Multisim.
Fig. 6 Conversor CA/CC
Este circuito tal como está no sirve de mucho, ya que la señal de
salida no es una continua pura (tiene aplicaciones en electrónica
industrial porque una señal pulsante puede alimentar a un motor de CC
tan bien como una CC pura).
Para que el circuito se transforme en un verdadero conversor
C.A./C.C., se debe agregar un componente que ya conocemos: el capacitor
electrolítico. Tome el circuito anterior; agregue un electrolítico cada
vez más grande y observe el resultado sobre la forma de señal de la
carga.
Fig. 7 Circuito rectificador
Fig.8 B C=47uF
Fig.9 D=470 uF
¿Cómo funciona el capacitor?
Consideramos primero un diodo ideal. El primer flanco ascendente
carga al capacitor hasta el valor de pico ya que con el capacitor
descargado el diodo siempre está en directa. Luego del primer pico el
capacitor conserva la carga. Como la señal de entrada baja rápidamente,
el diodo se abre y no se vuelve a cerrar hasta que aparece el siguiente
pico positivo. Es decir que por el diodo circula un pulso de corriente
muy corto cuya duración depende del valor del capacitor electrolítico.
Como trabajo práctico virtual el alumno analizará el pulso de corriente por el diodo a medida que cambia el valor de C.
Fig. 10 Pulsos de corriente con C1 de valor elevado
Fig.11 Pulsos de corriente con C2 de valor reducido
El alumno observará que los pulsos de corriente tienen menor amplitud
y mayor duración a medida que el capacitor se achica y que el ángulo de
circulación de corriente es realmente muy pequeño (2,26 mS sobre 20 mS
de periodo total en el primer caso).
También observará que el primer pulso de corriente es mucho mayor que
los siguientes porque el capacitor está totalmente descargado. Luego el
capacitor conserva una buena parte de la tensión de carga inicial y por
lo tanto hay una doble contribución hacia el resistor de carga, a saber
un pulso desde el generador y un valor uniforme desde el electrolítico.
¿Cuál es la aplicación real de los conversores C.A./C.C? Todos los
dispositivos electrónicos, salvo los que tienen pilas no recargables,
poseen una etapa llamada fuente de alimentación que convierte la tensión
de la red domiciliaria de 220/110V C.A. en una tensión de C.C. adecuada
al dispositivo.
Las fuentes de alimentación tendrán su capítulo especial dada su
importancia en la electrónica. Aquí trataremos el uso primigenio de los
diodos semiconductores que fue reemplazar a la galena en las primeras
radios comerciales.
Otros diodos especiales
En realidad existen muchos tipos de diodos especiales para que
cumplan con una función determinada. Aquí realizaremos una rápida
recorrida por ellos en función de su uso común.
Fig.12 Encapsulados de diodos
- Diodos rápidos: existen dos tipos característicos;
los diodos rápidos de potencia y los diodos rápidos de señal. Los de
potencia se utilizan en las modernas fuentes de switching que trabajan a
frecuencias de hasta 500 Khz. y pueden manejar corrientes de varios
amperes y tensiones de varios cientos de bolas. Los mas rápidos llamados
diodos pueden llegar a velocidades de conmutación similares a las de
un 1N4148 pero conmutando varios amperes y a tensiones de algunos
cientos de voltios.
- Luego vienen los diodos rápidos de señal incluyendo los diodos
Schottky que tienen tiempos de conmutación del orden de 1 nS o menos. El
diodo Schottky llamado así en honor del físico alemán
Walter H. Schottky, es un dispositivo que proporciona conmutaciones muy
rápidas entre los estados de conducción directa e inversa (menos de 1nS
en dispositivos pequeños de 5 mm de diámetro) y muy bajas tensiones de
barrera.
- Diodos Zener: los diodos zener son diodos
especialmente construidos como para que su tensión de ruptura ocurra a
un valor relativamente bajo (1 a 40V) y que sea un valor muy exacto. De
este modo el diodo se transforma en un regulador de tensión o fuente
regulada de tensión con una gran cantidad de aplicaciones.
Conclusiones
En esta entrega estudiamos a los diodos y sus características como un
previo a su utilización en circuitos convertidores de CA en CC con su
variante detectora utilizada en la radio que pensamos presentarle en la
próxima entrega.
Este es el primer componente activo que le presentemos, el más simple
de usar y aquel que se utilizó por primera ves en nuestra querida
ciencia de la electrónica. Por supuesto que si Fleming volviera hoy a
nuestro mundo y observara un pequeño diodo de silicio no podría
reconocer su viejo dispositivo.
En realidad el que construyó el primer diodo no fue Fleming sino
Tomas Alva Edison, solo que no supo reconocer su utilidad y simplemente
anotó en sus famosos cuadernos de bitácora que había construido una
lámpara incandescente pero que tenía el problema de que el vidrio se
oscurecía y espejaba con el uso. La colocación de una pequeña plaquita
metálica en su interior conectada al positivo de la batería solucionaba
el problema y como Edison solucionó su problema simplemente anotó la
solución y se olvidó. Fleming se encontró con ese cuaderno años mas
tarde, sintió curiosidad y repitió la experiencia que resultó totalmente
cierta.
El estudio de este hecho olvidado por Edison y la sagacidad de
Fleming que lo aplicó a los receptores de radio, fue uno de los grandes
pasos de nuestra ciencia electrónica sino el más grande de todos.
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