Siguiendo con la descripción de los componentes básicos de cualquier circuito electrónico, en esta ocasión veremos las características de los diodos. La más destacada es la alinealidad que presentan cuando son atravesados por una corriente eléctrica en uno u otro sentido. Al igual que los resistores o los condensadores, los diodos disponen de dos terminales, pero a diferencia de aquellos, en los que ambos terminales pueden intercambiarse libremente al conectarlos al resto del circuito, en los diodos cada terminal tiene un nombre propio y está debidamente señalado en el componente. Esta característica de no linealidad los hace asimétricos, lo que implica que no es lo mismo conectarlos de una u otra manera al circuito del que forman parte.
El diodo y la unión PN
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. El terminal unido eléctricamente al cristal P se denomina ánodo y se representa en los diagramas con la letra A, mientras que el solidario con la zona N se llama cátodo y se simboliza con la letra K.
El diodo fue desarrollado como solución al problema de transformar corriente alterna en corriente continua, por lo que está presente en prácticamente cualquier fuente de alimentación. Dentro de esta función se incluye la tarea indispensable que desempeña en cualquier receptor de radio o televisión: la detección o desmodulación.
Cuando ambos semiconductores en forma de cristal se unen, algunos electrones de la zona P se difunden hacia la zona N. Esa corriente de electrones provoca la aparición de cargas fijas a ambos lados de la unión, en una zona que recibe nombres como “zona de deplexión” o “zona de carga espacial”. El espesor de esta zona ronda la media millonésima parte de un metro (1/2 micra), aunque en algunos diodos de construcción especial puede ser bastante mayor, dependiendo de la función que deba cumplir ese tipo de diodo en el circuito.
Polarización directa e inversa
Cuando se conecta un diodo a una fuente de tensión externa se produce un movimiento de cargas, positivas (huecos) y negativas (electrones), entre la fuente y los cristales de la unión PN. En esas condiciones se dice que el diodo está polarizado, y existen dos posibilidades: la polarización directa y la polarización inversa.
Si la corriente que atraviesa el diodo lo hace en el sentido de la flecha, con el positivo de la fuente de alimentación conectado al ánodo y el negativo al cátodo, se dice que está polarizado en forma directa. En estas condiciones el diodo se comporta casi como un conductor y presenta una resistencia muy baja, por lo que los electrones atraviesan la juntura sin dificultad y el componente se comporta prácticamente como un cortocircuito.
En el segundo caso, cuando se intenta hacer circular la corriente desde el cátodo hacia el ánodo, en el sentido opuesto al de la flecha que simboliza al diodo, los electrones son incapaces de saltar a través de la juntura y el diodo se comporta como un circuito abierto o de altísima resistencia.
Todo lo expresado hasta aquí se refiere al funcionamiento de un diodo ideal, es decir, tomado como un elemento perfecto para simplificar su entendimiento, tanto en polarización directa como en inversa. En la práctica, el diodo en directa presenta una pequeña resistencia, y en inversa una resistencia alta, pero no infinita.
Las uniones entre cristales semiconductores son la base de la electrónica moderna, ya que sustentan no solo a los modestos diodos, sino también a los transistores, tiristores, triacs y circuitos integrados de todo tipo.
Debido a que solo permiten el paso de la corriente en un sentido, los diodos se comportan como un interruptor que solo deja pasar uno de los semiciclos de la corriente alterna. Con 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 convierte en una tensión continua. Este es el principio de funcionamiento de casi todas las fuentes de alimentación.
Un uso a veces poco conocido de los diodos es su presencia en algunos tipos de memorias ROM, donde cada celda de memoria consiste en uno o más diodos. En muchos modelos de ROM se comienza con un chip “virgen”, con toda la matriz de diodos intacta, y mediante una tensión elevada se funden los diodos necesarios para simbolizar el contenido de la memoria. Durante la lectura se leerá un “0” o un “1” según el diodo correspondiente esté intacto o fundido.
Tipos de diodos
Según la forma en que se fabrican o sus características intrínsecas, existen varios tipos de diodos, que pueden agruparse en familias con características similares.
En primer lugar están los diodos rectificadores, una familia compuesta por una enorme cantidad de diodos concebidos para convertir corriente alterna en continua. Su encapsulado depende básicamente de la potencia que deban manejar: para potencias bajas, menores a un vatio, se encapsulan en plástico; por encima de ese valor se hace necesario un encapsulado metálico capaz de evacuar el calor generado en su interior; y para potencias aún más altas se incluye en la cápsula algún agujero o aleta que permita fijar un radiador mediante tornillos. En el capítulo dedicado a las fuentes de alimentación volveremos a hablar de este tipo de diodos.
Otra familia numerosa es la de los diodos de señal, que engloba los dispositivos dedicados al tratamiento de señales dentro de un circuito analógico o a funciones de tipo digital en las compuertas lógicas. Son de baja potencia, porque las corrientes implicadas suelen ser muy pequeñas. La cápsula que los protege suele ser también plástica o, muy frecuentemente, de vidrio, con el cátodo indicado mediante una banda continua que rodea el extremo correspondiente.
Los diodos de conmutación o rápidos están especialmente concebidos para trabajar con señales digitales o lógicas de tiempos muy cortos, inferiores a unos pocos nanosegundos. El parámetro que los caracteriza es el tiempo de recuperación inverso, que expresa el tiempo que tarda la unión PN en desalojar las cargas situadas a ambos lados de la juntura cuando, estando polarizado en forma inversa, recibe súbitamente un cambio de tensión que lo polariza en forma directa.
Los diodos estabilizadores de tensión, también llamados diodos zener, se emplean para producir entre sus terminales una tensión muy constante y relativamente independiente de la corriente que los atraviesa. Aprovechan una propiedad muy interesante de las uniones PN: normalmente, polarizados en forma inversa, prácticamente no dejan pasar corriente, pero al alcanzar una determinada tensión, llamada tensión zener, se produce un aumento de la corriente que los atraviesa, y la tensión entre sus terminales se mantiene prácticamente constante aunque se intente variarla aumentando o disminuyendo la corriente que circula por ellos. También suelen formar parte de las etapas de alimentación de muchos circuitos.
También existe un tipo muy especial de diodo, el diodo varicap, que tiene la particularidad de variar la capacidad parásita que aparece en su juntura a medida que varía la tensión aplicada a sus terminales. Suele emplearse en circuitos de sintonía.
Por último, hay un tipo muy particular de diodo sensible a la incidencia de luz (visible o infrarroja). La luz produce una separación entre los huecos y electrones acumulados en la juntura, variando las características de conducción del dispositivo. Utilizados ampliamente como receptores de controles remotos en la gran mayoría de los electrodomésticos, reciben el nombre de fotodiodos.
Los diodos LED
En NeoTeo ya hablamos de estos componentes y sus aplicaciones, aunque no en este contexto. Igualmente, es interesante ver la nota correspondiente.
Efectivamente, los LEDs son un tipo de diodo en el que se aprovecha un efecto físico llamado “efecto fotoeléctrico” que predice la emisión de cuantos de luz (fotones) desde la juntura PN cuando esta es atravesada por una corriente. Este efecto se da en casi todos los diodos, pero en el LED se construye de manera especial para maximizarlo, y se encapsula la juntura en plástico transparente para que la luz resultante sea visible desde el exterior. Los fotones son el resultado de la recombinación de electrones y huecos dentro de la unión PN que forma el diodo.
De acuerdo con los materiales utilizados en su fabricación, la luz emitida es de diferentes colores; los más frecuentes son el rojo, el verde y el amarillo, aunque es posible encontrarlos de casi cualquier color, incluso blancos.
Algunos LED son capaces de emitir luz en una frecuencia que está más allá del color rojo, típicamente en 940 nanómetros, banda denominada infrarrojo, y se emplean como emisores en aparatos de control remoto o como barreras luminosas en tareas de automatismo y control.
Como decíamos, pueden proporcionar luz de varios colores. El material generalmente utilizado es algún compuesto de galio. El GaP se utiliza en los LEDs de color rojo o verde; el GaAsP para los que emiten luz roja, naranja o amarilla; y el GaAlAs para los de luz roja. Para los de color azul, más recientes, se han estado usando materiales como SiC, GaN, ZnSe y ZnS.
Su amplia difusión se debe seguramente a un puñado de factores, entre los que se pueden destacar un costo prácticamente insignificante; un consumo de energía muy bajo, típicamente de unos 10 miliamperes, aunque los hay de menor consumo aún; una gran variedad de colores e intensidad luminosa; una generación de calor prácticamente nula; y una vida útil que en algunos casos alcanza las 100.000 horas. Todas estas características han propiciado su uso, en los últimos años, para la construcción de luminarias que reemplazan a las bombillas comunes en oficinas u hogares.
Cálculo de la resistencia limitadora
Debido a que la corriente que debe atravesar la juntura del LED para que emita luz sin destruirse debe mantenerse dentro de ciertos valores, se utiliza en serie con él una resistencia limitadora de corriente. El cálculo de su valor se realiza empleando la siguiente fórmula:
V - Vled R = ------------ I
donde R es el valor de la resistencia buscada (en ohms), V es la tensión de alimentación (en voltios), Vled la tensión requerida por el LED (en voltios) e I la corriente que debe circular por él (en amperes).
Es posible encontrar en el mercado LED individuales, como los ya mencionados para cumplir funciones de luz piloto o testigo, y también en grupo dentro de una misma cápsula, como los indicadores de 7 segmentos, muy utilizados para representar datos numéricos. Hace algún tiempo, antes de la aparición de los displays LCD, se empleaban arreglos de 16 LEDs que permiten representar cualquier carácter alfanumérico. Otra agrupación muy común es la matriz de 7x5 o de 8x8 LEDs, que se emplean para representar textos en carteles luminosos o datos especiales.
Los diodos emisores de luz forman parte de un grupo de componentes electrónicos que se destacan por su interacción con la luz, ya sea como emisores o receptores, denominado optoelectrónica.
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