INTRODUCCIÓN A LOS DIODOS Y DIODO IDEAL

Las décadas que siguieron a la introducción del transistor en los años cuarenta han atestiguado un cambio sumamente drástico en la industria electrónica. La miniaturización que ha resultado nos maravilla cuando consideramos sus límites. En la actualidad se encuentran sistemas completos en una oblea miles de veces menor que el más sencillo elemento de las primeras redes. Las ventajas asociadas con los sistemas semiconductores en comparación con las redes con tubos de los años anteriores son , en su mayor parte, obvias: más pequeños y ligeros, no requieren calentamiento ni se producen pérdidas térmicas (lo que sí sucede en el caso de los tubos), una construcción más resistente y no necesitan un periodo de calentamiento.

La miniaturización de los últimos años ha producido sistemas semiconductores tan pequeños que el propósito principal de su encapsulado es proporcionar simplemente algunos medios para el manejo del dispositivo y para asegurar que las conexiones permanezcan fijas a la oblea del semiconductor. Tres factores limitan en apariencia los límites de la miniaturización: la calidad del propio material semiconductor, la técnica del diseño de la red y los límites del equipo de manufactura y procesamiento.

El primer dispositivo electrónico que se presentará se denomina diodo. Es el más sencillo de los dispositivos semiconductores pero desempeña un papel vital en los sistemas electrónicos, con sus características que se asemejan en gran medida a las de un sencillo interruptor. Se encontrará en una amplia gama de aplicaciones, que se extienden desde las simples hasta las sumamente complejas. Aparte de los detalles de su construcción y características, los datos y gráficas muy importantes que se encontrarán en las hojas de especificaciones también se estudiarán para asegurar el entendimiento de la terminología empleada y para poner de manifiesto la abundancia de información de la que por lo general se dispone y que proviene de los fabricantes.

Antes de examinar la construcción y características de un dispositivo real, consideremos primero un dispositivo ideal, para proporcionar una base comparativa. El diodo ideal es un dispositivo de dos terminales que tiene el símbolo y las características que se muestran en la figura 1.1a y b, respectivamente.

(a)

(b)

Figura 1.1 Diodo ideal: (a) símbolo; (b) característica.

En forma ideal, un diodo conducirá corriente en la dirección definida por la flecha en el símbolo y actuará como un circuito abierto para cualquier intento de establecer corriente en la dirección opuesta. En esencia.

Las características de un diodo ideal son las de un interruptor que puede conducir corriente en una sola dirección.

En la descripción de los elementos que sigue, un aspecto muy importante es la definición de los símbolos literales, las polaridades de voltaje y las direcciones de corriente. Si la polaridad del voltaje aplicado es consistente con la que se muestra en la figura 1.1.a, la parte de las características que se consideran en la figura 1.1.b, se encuentra a la derecha del eje vertical. Si se aplica un voltaje inverso, las características a la izquierda son pertinentes. En el caso de que la corriente a través del diodo tenga la dirección que se indica en la figura 1.1.a, la parte de las características que se considerará se encuentra por encima del eje horizontal, en tanto que invertir la dirección requerirá el empleo de las características por debajo del eje.

Uno de los parámetros importantes para el diodo es la resistencia en el punto o región de operación. Si consideramos la región definida por la dirección de ID y la polaridad de VD en la figura 1.1.a (cuadrante superior derecho de la figura 1.1.b), encontraremos que el valor de la resistencia directa RF, de acuerdo a como se define con la ley de Ohm es:

 (corto circuito)

donde VF es el voltaje de polarización directo a través del diodo e IF es la corriente en sentido directo a través del diodo.

El diodo ideal, por consiguiente, es un corto circuito para la región de conducción.

Si consideramos la región del potencial aplicado negativamente (tercer cuadrante) de la figura 1.1.b,

(circuito abierto)

donde VR es el voltaje de polarización inverso a través del diodo e IR es la corriente inversa en el diodo.

El diodo ideal, en consecuencia, es un circuito abierto en la región en la que no hay conducción.

En síntesis, se aplican las condiciones que se describen en la figura 1.2.

Figura 1.2 Estados (a) de conducción y (b) de no conducción del diodo ideal.

En general, es relativamente sencillo determinar si un diodo se encuentra en la región de conducción o en la de no conducción observando tan solo la dirección de la corriente ID establecida por el voltaje aplicado. Para el flujo convencional (opuesto al de los electrones), si la corriente resultante en el diodo tiene la misma dirección que la de la flecha del mismo elemento, éste opera en la región de conducción. Esto se representa en la figura 1.3a. Si la corriente resultante tiene la dirección opuesta, como se muestra en la figura 1.3b, el circuito abierto equivalente es el apropiado.

Figura 1.3 (a) Estado de conducción y (b) de no conducción del diodo ideal determinados por la dirección de corriente de la red aplicada.

DIODO DE POTENCIA

Uno de los dispositivos más importantes de los circuitos de potencia son los diodos, aunque tienen, entre otras, las siguientes limitaciones : son dispositivos unidireccionales, no pudiendo circular la corriente en sentido contrario al de conducción. El único procedimiento de control es invertir el voltaje entre ánodo y cátodo.

Los diodos de potencia se caracterizan porque en estado de conducción, deben ser capaces de soportar una alta intensidad con una pequeña caída de tensión. En sentido inverso, deben ser capaces de soportar una fuerte tensión negativa de ánodo con una pequeña intensidad de fugas.

El diodo responde a la ecuación:

La curva característica será la que se puede ver en la parte superior, donde:

VRRM: tensión inversa máxima
VD: tensión de codo.

A continuación vamos a ir viendo las características más importantes del diodo, las cuales podemos agrupar de la siguiente forma:

• Características estáticas:

• Parámetros en bloqueo (polarización inversa).

• Parámetros en conducción.

• Modelo estático.

• Características dinámicas:

• Tiempo de recuperación inverso (trr).

• Influencia del trr en la conmutación.

• Tiempo de recuperación directo.

• Potencias:

• Potencia máxima disipable.

• Potencia media disipada.

• Potencia inversa de pico repetitivo.

• Potencia inversa de pico no repetitivo.

• Características térmicas.

• Protección contra sobreintensidades.

Características estáticas :

DIODO ZENER

La corriente en la región Zener tiene una dirección opuesta a la de un diodo polarizado directamente.

El diodo Zener es un diodo que ha sido diseñado para trabajar en la región Zener.

De acuerdo con la definición, se puede decir que el diodo Zener ha sido diseñado para trabajar con voltajes negativos (con respecto a él mismo).

Es importante mencionar que la región Zener (en un diodo Zener) se controla o se manipula variando los niveles de dopado. Un incremento en el número de impurezas agregadas, disminuye el potencial o el voltaje de Zener VZ.

Así, se obtienen diodos Zener con potenciales o voltajes de Zener desde 1.8 V a -200 V y potencias de 1/4 a 50 W.

El diodo Zener se puede ver como un dispositivo el cual cuando ha alcanzado su potencial VZ se comporta como un corto. Es un "switch" o interruptor que se activa con VZ volts. Se aplica en reguladores de voltaje o en fuentes.

En el circuito que se muestra, se desea proteger la carga contra sobrevoltajes, el máximo voltaje que la carga puede soportar es 4.8 volts. Si se elige un diodo Zener cuyo VZ sea 4.8 volts, entonces este se activará cuando el voltaje en la carga sea 4.8 volts, protegiéndola de esta manera.

DIODO EMISOR DE LUZ (LED)

El LED es un diodo que produce luz visible (o invisible, infrarroja) cuando se encuentra polarizado.

El voltaje de polarización de un LED varía desde 1.8 V hasta 2.5 V, y la corriente necesaria para que emita la luz va desde 8 mA hasta los 20 mA.

Principio de Funcionamiento:

En cualquier unión P-N polarizada directamente, dentro de la estructura y principalmente cerca de la unión, ocurre una recombinación de huecos y electrones (al paso de la corriente). Esta recombinación requiere que la energía que posee un electrón libre no ligado se transfiera a otro estado. En todas las uniones P-N una parte de esta energía se convierte en calor y otro tanto en fotones. En el Si y el Ge el mayor porcentaje se transforma en calor y la luz emitida es insignificante. Por esta razón se utiliza otro tipo de materiales para fabricar los LED's, como Fosfuro Arseniuro de de Galio (GaAsP) o fosfuro de Galio (GaP).

DIODO REAL

La curva de un diodo semiconductor (o diodo real) se puede definir por la siguiente ecuación:

  -------- K = 11,600/h -------- h = 1 para Ge

TK = TC° + 273° ----------------------------------------------- h = 2 para Si

Para un diodo de silicio la corriente de saturación inversa IS aumentará cerca del doble en magnitud por cada 10° C de incremento en la temperatura.

Debido a la forma que tiene la curva característica del diodo, mostrada anteriormente, y la forma compleja de la ecuación, con frecuencia se utiliza un modelo simplificado:

El modelo simplificado se puede utilizar siempre que la resistencia de la red y/o de los dispositivos junto a los cuales se conectará el diodo sea mucho mayor que la resistencia promedio del diodo rd, la cual se podría calcular como rd, en promedio, la resistencia de un diodo de pequeña señal es de 26W. Red >> rd.

DIODO OPTOACOPLADOR

Un optoacoplador combina un dispositivo semiconductor formado por un fotoemisor, un fotoreceptor y entre ambos hay un camino por donde se transmite la luz. Todos estos elementos se encuentran dentro de un encapsulado que por lo general es del tipo DIP.

Funcionamiento del Optoacoplador :

La señal de entrada es aplicada al fotoemisor y la salida es tomada del fotoreceptor. Los optoacopladores son capaces de convertir una señal eléctrica en una señal luminosa modulada y volver a convertirla en una señal eléctrica. La gran ventaja de un optoacoplador reside en el aislamiento eléctrico que puede establecerse entre los circuitos de entrada y salida.

Los fotoemisores que se emplean en los optoacopladores de potencia son diodos que emiten rayos infrarrojos (IRED) y los fotoreceptores pueden ser tiristores o transistores.

Cuando aparece una tensión sobre los terminales del diodo IRED, este emite un haz de rayos infrarrojo que transmite a través de una pequeña guía-ondas de plástico o cristal hacia el fotorreceptor. La energía luminosa que incide sobre el fotorreceptor hace que este genere una tensión eléctrica a su salida. Este responde a las señales de entrada, que podrían ser pulsos de tensión.

Diferentes tipos de Optoacopladores :

Fototransistor: se compone de un optoacoplador con una etapa de salida formada por un transistor BJT.

Fototriac: se compone de un optoacoplador con una etapa de salida formada por un triac

Fototriac de paso por cero: Optoacoplador en cuya etapa de salida se encuentra un triac de cruce por cero. El circuito interno de cruce por cero conmuta al triac sólo en los cruce por cero de la corriente alterna.