Introducción - ¿Qué son los diodos?

El diodo es un dispositivo semiconductor que permiten pasar la corriente eléctrica en un sentido y la bloquean en el sentido contrario. Es un componente básico de los circuitos electrónicos y eléctricos, muy presentes en nuestra vida diaria (ordenadores, equipos de música, televisores, móviles, radios, mandos a distancia, lavadoras, lavavajillas, etc).

Los diodos también se conocen como rectificadores porque cambian corriente alterna (CA) a corriente continua (CC) pulsante. Los diodos se clasifican según su tipo, tensión y capacidad de corriente.

Los diodos tienen una polaridad determinada por un ánodo (terminal positivo) y un cátodo (terminal negativo). (Véase la entrada de ánodo y cátodo). La mayoría de los diodos permiten que la corriente fluya solo cuando se aplica tensión al ánodo positivo.

Funccionamiento de los diodos

Cuando un diodo permite un flujo de corriente, tiene polarización directa. Cuando un diodo tiene polarización inversa, actúa como un aislante y no permite que fluya la corriente.

Como curiosidad, la flecha del símbolo del diodo apunta en sentido opuesto al sentido del flujo de electrones. La razón de esto, es que los ingenieros concibieron que el símbolo y sus esquemas muestran la corriente que fluye desde el lado positivo (+) de la fuente de tensión hacia el lado negativo (-). Es la misma convención que se utiliza para los símbolos de semiconductores que incluyen flechas; la flecha apunta en la dirección permitida del flujo "convencional" y contra la dirección permitida del flujo de electrones.

La curva característica de un diodo real es la siguiente:

Unión PN

Como vemos los diodos semiconductores tienen la valiosa propiedad de que los electrones solamente fluyen en una dirección a través de ellos y, como resultado, actúan como un rectificador. Son la estructura fundamental de los semiconductores y muchos otros componentes electrónicos se fabrican teniendo como base a los diodos. Los diodos tienen una estructura electrónica llamada Unión PN, es decir son la unión de un material semiconductor llamado N con otro llamado P. A modo más profundo, entramos un poco en el significado de estos semiconductores.

Los semiconductores extrínsecos del tipo N están formados por átomos de material semiconductor, Silicio o Germanio, al que se le añade impurezas con átomos de otro material con 5 electrones de valencia. Como los átomos del material semiconductor tienen 4 electrones de valencia y los átomos de la impurezas 5, se pueden formar 4 enlaces covalentes y  sobrará un electrón por cada átomo de impureza que quedará libre. Este electrón libre será el portador de electricidad. En los semiconductores del tipo N los electrones son los portadores de electricidad. Portadores mayoritarios = electrones.

Por otro lado, Los semiconductores extrínsecos del tipo P son material semiconductor a los que se les añade átomos de impurezas con 3 electrones de valencia. En este caso cada átomo del material semiconductor solo podrá formar 3 enlaces con los átomos de impurezas. Los átomos semiconductores tienen un hueco esperando a que llegue un electrón para formar el enlace que le faltará. En este tipo de semiconductores los huecos serán los portadores para la conducción. Portadores mayoritarios = huecos.

Se podría pensar que la unión se puede formar simplemente pegando un material semiconductor N con otro P, pero esto no es así, además de estar en contacto, deben tener contacto eléctrico.

Lógicamente, la suma de las cargas de los dos cristales, antes de la unión, será neutra.

Una vez unidas los dos semiconductores, tendremos dicha unión PN, donde la difusión mutua de portadores de carga libres da lugar a una región espacial de carga que se extiende una corta distancia hacia ambos lados de la unión. En ella no existen ni electrones ni huecos libres.

Resumiendo, en la zona N tenemos electrones libres y en la zona P tenemos huecos en espera de ser rellenados por electrones.

Cuando se le aplica una tensión, diferencia de potencial, a los semiconductores, la región espacial de carga en la unión causa un campo eléctrico que apunta del lado N hacia el P que se opone a los movimientos de difusión que la han generado.

Sin embargo los portadores minoritarios generados térmicamente en las proximidades de la unión pueden ser “arrastrados” por dicho campo eléctrico, generando una corriente de arrastre de portadores, la cual es equilibrada con la corriente de difusión de portadores mayoritarios en un estado de equilibrio. La explicación podría extenderse a largo y tendido, por lo que alanzaría un nivel superior de entendimiento del que vemos necesario.

Tipos de diodos

Existen varios tipos de diodos con diferentes aplicaciones o utilidades según su configuración y estructura. Algunos ejemplos son: 

·         Diodos LED (Light Emisor Diode)

Funcionan en polarización directa, y se caracterizan porque las recombinaciones de los portadores de carga generan fotones, las partículas elementales que forman la luz. Sus usos son clásicamente como indicadores y sistemas de iluminación. Dentro de estos hay de varios tipos:

o    DIP: Los DIP (Dual In-Line Package) LED son las luces LED tradicionales y en las que piensa la mayoría de la gente cuando se les pide que describan un LED. Del color de esta carcasa dependerá la luz que emite el LED. Tienen baja eficiencia lumínica, pero siguen siendo muy usados. Exiten tanto opacos como transparentes y de 3 o 5mm dependiendo su potencia.

o    SMD: Las siglas SMD significan “Surface Mounted Diode”, y en esta opción el diodo está encapsulado en una resina semi-rígida que se suelda al circuito de forma superficial. Son mucho más pequeños y eficientes que los originales chips DIP.

Los chips SMD producen entre 60 y 80 lúmenes por vatio, es posible conseguir un ángulo de apertura de 360º, otorgan una reproducción fiel del color, pero generan una temperatura en la unión de la placa haciendo no recomendable su funcionamiento continuado.

o    COB: Los LED COB (Chip on Board) son uno de los últimos avances en el desarrollo de la iluminación LED, y su diseño se basa en la inclusión de varios diodos LED en el mismo encapsulado, reduciendo hasta un 20% el coste de fabricación respecto a los chips SMD.

Generan una alta cantidad de lúmenes con una cantidad de energía muy pequeña, ideal para los flashes de dispositivos.

·         Diodos rectificadores

Se usan en polarización directa y se utilizan en la conversión de corriente alterna en corriente continua. Los puentes rectificadores están formados por varios diodos para realizar esa conversión. (Véase artículo del puente rectificador).

·         Diodo Varicap o varactor

Se usa en polarización inversa y es un diodo que aprovecha determinadas técnicas constructivas para comportarse, ante variaciones de la tensión aplicada, como un condensador variable. Polarizado en inversa, este dispositivo electrónico presenta características que son de suma utilidad en circuitos sintonizados (L-C), donde son necesarios los cambios de capacidad.

·         Diodos láser

Tiene multitud de aplicaciones. Se utilizan en comunicaciones de fibra óptica, lectores de códigos de barras, punteros láser, lectura y grabación de BlueRay/CD/DVD, impresión láser, etc.

·         Diodo Zener

Es un diodo de silicio fuertemente dopado​ que se ha construido para que funcione en las zonas de rupturas. Es prácticamente igual que el diodo de unión PN estándar, pero este está especialmente diseñado para aprovechar una configuración de polarización inversa. El diodo Zener es la parte esencial de los reguladores de tensión casi constantes con independencia de que se presenten grandes variaciones de la tensión de red, de la resistencia de carga y temperatura.

A diferencia de un diodo convencional que bloquea cualquier flujo de corriente a través de sí mismo cuando está polarizado al revés, tan pronto como la tensión inversa alcanza un valor predeterminado, el diodo Zener comienza a conducir en la dirección inversa. Esta es la característica más destacada de este elemento.

La corriente que fluye en ese punto, aumenta drásticamente al valor máximo del circuito. El punto de tensión en el que el voltaje se estabiliza se denomina «tensión zener» (Vz).

Esta tensión zener en la curva I-V es casi una línea recta vertical.

La función principal del Zener radica en el hecho de que la tensión a través de un diodo Zener permanece constante aunque haya un cambio importante de corriente.

Esto permite utilizar un diodo Zener como dispositivo de tensión constante.

·         Diodo Schottky

Es un dispositivo semiconductor 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 umbral. Por tanto, se usa en aplicaciones de conmutación.

·         Diodo Shockley

Diodo NPNP o trisistor, formado por cuatro capas alternativas de semiconductor tipo N y tipo P. Esencialmente es un dispositivo interruptor con aplicación en osciladores y dispositivos de disparo para los SCR (Rectificador Controlado de Silicio).

·         Diodo Gunn

Se emplean en electrónica de alta frecuencia y se caracterizan por, en determinadas condiciones, presentar una resistencia negativa. Los diodos Gunn se utilizan en la construcción de osciladores de microondas. En función de los materiales empleados, se pueden conseguir frecuencias de oscilación por encima de 10GHz, siendo posible alcanzar hasta 3THz con diodos de nitruro de galio.

Además de los indicados existen otros tipos de diodos con variaciones o modificaciones estructurales que permiten su utilización en multitud  de aplicaciones en electricidad y electrónica.

• Diodos para supresión de picos de voltaje.
• Diodos de derivación para la protección de paneles solares.
• Semiconductor: por físico, impurezas, electrodos, diodos de: silicio, de cristal, LED colores y RGB, láser, térmico, fotodiodos, Zener, Schottky y varicap)

 Aplicaciones de los diodos

Como hemos visto, las aplicaciones dependen completamente del tipo de diodo usado, usándose desde rectificadores o duplicadores, estabilizadores, limitadores, fijadores y divisores de tensión, hasta de indicadores en el caso de los LEDs.

Ejemplos de uso en electrónica para aficionados

Hay muchos ejemplos prácticos con los diodos de todo tipo, como el funcionamiento de LEDs, hacer un rectificador, Luces coche fantástico con LEDs. (Enlaces a Referencia catalogo).

·         Funcionamiento simple de un LED

Para hacer encender un LED, basta simplemente con conectarlo a una resistencia de 1kΩ y una pila (o fuente de tensión continúa) de 6 o 9V en serie. Por supuesto, puedes añadir también un interruptor conectándolo en serie entre la pila y la resistencia.

Nota: Recuerda siempre consultar las hojas de características de los componentes que no conozcas para ver su conexionado. En este caso, el encapsulado de los LEDs marca la patilla negativa (cátodo) es la más corta y donde está el chaflán.

·         Coche fantástico con Arduino

Todos recordaremos como se encendían las luces de este mítico coche de la serie de televisión. Pues su montaje y programación es simple. Para ello usaremos una placa Arduino UNO, conectando en sus salidas analógicas (A2 – A7) 6 LEDs con una resistencia de 220Ω en serie cada uno. Conecta el circuito siguiendo el siguiente esquema.

Nota: Recordar poner la resistencia adecuada a cada led. Ley de ohm: V = I * R, si el voltaje es de 5 V y queremos que al LED sólo le lleguen entre 5 mA (0.005 A) y 20 mA (0.02 A), entonces usar una resistencia aproximadamente entre 250 y 1000 ohms.

A continuación, abrimos un nuevo proyecto de Arduino y copiamos el siguiente sketch:

* Knight Rider 1

 * --------------

 *

 * Basically an extension of Blink_LED.

 *

 *

 * (cleft) 2005 K3, Malmo University

 * @author: David Cuartielles

 * @hardware: David Cuartielles, Aaron Hallborg

 */

int pin2 = 2;

int pin3 = 3;

int pin4 = 4;

int pin5 = 5;

int pin6 = 6;

int pin7 = 7;

int timer = 100;

void setup(){

  pinMode(pin2, OUTPUT);

  pinMode(pin3, OUTPUT);

  pinMode(pin4, OUTPUT);

  pinMode(pin5, OUTPUT);

  pinMode(pin6, OUTPUT);

  pinMode(pin7, OUTPUT);

}

void loop() {

   digitalWrite(pin2, HIGH);

   delay(timer);

   digitalWrite(pin2, LOW);

   delay(timer);

   digitalWrite(pin3, HIGH);

   delay(timer);

   digitalWrite(pin3, LOW);

   delay(timer);

   digitalWrite(pin4, HIGH);

   delay(timer);

   digitalWrite(pin4, LOW);

   delay(timer);

   digitalWrite(pin5, HIGH);

   delay(timer);

   digitalWrite(pin5, LOW);

   delay(timer);

   digitalWrite(pin6, HIGH);

   delay(timer);

   digitalWrite(pin6, LOW);

   delay(timer);

   digitalWrite(pin7, HIGH);

   delay(timer);

   digitalWrite(pin7, LOW);

   delay(timer);

   digitalWrite(pin6, HIGH);

   delay(timer);

   digitalWrite(pin6, LOW);

   delay(timer);

   digitalWrite(pin5, HIGH);

   delay(timer);

   digitalWrite(pin5, LOW);

   delay(timer);

   digitalWrite(pin4, HIGH);

   delay(timer);

   digitalWrite(pin4, LOW);

   delay(timer);

   digitalWrite(pin3, HIGH);

   delay(timer);

   digitalWrite(pin3, LOW);

   delay(timer);

}

Como podemos observar, es bien simple, ya que se repite la misma secuencia de instrucciones donde la función digitalWrite manda poner a estado alto y bajo los LEDs.

Una vez subido el programa podemos ver el resultado y si queremos ajustar la velocidad, tan solo tendremos que cambiar la variable timer y volverlo a subir.

Una versión más simplificada del mismo proyecto, sería usar el bucle for(;;). Puedes comprobarlo usando el siguiente código:

/* Knight Rider 2

 * --------------

 *

 * Reducing the amount of code using for(;;).

 *

 *

 * (cleft) 2005 K3, Malmo University

 * @author: David Cuartielles

 * @hardware: David Cuartielles, Aaron Hallborg

 */

int pinArray[] = {2, 3, 4, 5, 6, 7};

int count = 0;

int timer = 100;

void setup(){

  // we make all the declarations at once

  for (count=0;count<6;count++) {

    pinMode(pinArray[count], OUTPUT);

  }

}

void loop() {

  for (count=0;count<6;count++) {

   digitalWrite(pinArray[count], HIGH);

   delay(timer);

   digitalWrite(pinArray[count], LOW);

   delay(timer);

  }

  for (count=5;count>=0;count--) {

   digitalWrite(pinArray[count], HIGH);

   delay(timer);

   digitalWrite(pinArray[count], LOW);

   delay(timer);

  }

}

FUENTES:

https://www.fluke.com/es-es/informacion/mejores-practicas/aspectos-basicos-de-las-medidas/electricidad/que-es-un-diodo
https://www.areatecnologia.com/electronica/el-diodo.html

https://satcor.es/el-diodo-que-es-y-para-que-sirve/
https://www.efectoled.com/blog/todo-sobre-los-diodos/#:~:text=Un%20diodo%20es%20un%20componente,la%20electricidad%20(polarizaci%C3%B3n%20directa).

https://www.areatecnologia.com/electronica/union-pn.html
https://www.arduino.cc/en/Tutorial/KnightRider