Diodos

Siguiendo con la descripción de los componentes básicos de cualquier circuito electrónico, veremos las características de los diodos, siendo la más destacada la alinealidad que presenta cuando son travesados por una corriente eléctrica en uno u otro sentido.Al igual que los resistores o condensadores, los diodos disponen de dos terminales. Pero a diferencia de aquellos, en que ambos terminales se pueden intercambiar libremente al momento de conectarlos al resto del circuito, en los diodos cada terminal tiene un nombre propio, estando debidamente señalados en el componente. 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 un nombre particular.
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 lo representa en los diagramas mediante la letra A; y el que es solidario con la zona N se lo llama cátodo, simbolizado por la letra K.
El diodo es un componente que se desarrollo 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.

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 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.
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 estas condiciones, se dice que el diodo está polarizado, existiendo dos posibilidades: la polarización directa y la polarización inversa.
Si la corriente que traviesa el diodo lo hace en el sentido de la flecha, con el positivo de la fuente de alimentación conectado al ánodo, y el negativo en el cátodo se dice que esta 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, comportándose prácticamente como un cortocircuito.
En el segundo caso, es decir, 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, podremos ver que los electrones son incapaces de saltar a través de la juntura, y se comporta como un circuito abierto o de altísima resistencia.
Todo lo expresado hasta aquí se refiere al funcionamiento de un diodo ideal. Esto quiere decir que el diodo se toma como un elemento perfecto, de manera de simplificar su entendimiento, tanto en polarización directa como en polarización inversa. En la practica, el diodo en directa presenta una pequeña resistencia, y en inversa un resistencia alta, pero no infinita.
Las uniones entre cristales semiconductores son la base de la electrónica moderna, ya que son la base no solo de los modestos diodos, si no también de transistores, tiristores, triacs y circuitos integrados de todo tipo.

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. Este es el principio de funcionamiento de casi todas las fuentes de alimentación.
Un uso a veces no muy conocido de los diodos es como parte de 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”, donde toda la matriz de diodos esta intacta, y mediante una tensión elevada se funden los que sean necesarios para simbolizar el contenido de la memoria. Cuando se lleva a cabo el proceso de lectura, se leerá un “0” o un “1” dependiendo si el diodo correspondiente esta intacto o fundido.
De acuerdo a la forma en que se fabrican, o a sus características intrínsecas, existen varios tipos de diodos. Se puede realizar una clasificación de forma que queden agrupados en familias, donde sus integrantes tienen características similares.
En primer lugar, tal y como mencionábamos antes, tenemos a los diodos rectificadores. Esta familia esta compuesta por un número enorme de diodos especialmente concebidos para convertir una corriente alterna en continua. El encapsulado de estos diodos depende básicamente de la potencia que deban manejar. Si están pensados para potencias bajas, menores a un vatio, se encapsulan en plástico. Por encima de este valor se hace necesario un encapsulado metálico para que sea capaz de evacuar el calor generado en su interior, y para potencias aún mas altas se incluye en la capsula algún agujero o aleta que permita la fijación de un radiador mediante tornillos. En el capitulo 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 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. La capsula que protege a estos diodos 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 del tipo digital o lógicas que presenten tiempos muy cortos, inferiores a unos pocos nanosegundos. El parámetro que caracteriza a estos diodos es el tiempo de recuperación inverso, que expresa el tiempo que tarda la unión PN en desalojar las cargas que se ubican a ambos lados de la juntura cuando esta polarizado en forma inversa y súbitamente recibe un cambio de tensión que lo polariza en forma directa.
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. Se aprovecha para su funcionamiento una propiedad muy interesante que presentan las uniones PN. Normalmente, polarizados en forma inversa no permite prácticamente el pasaje de corriente, pero al alcanzar una determinada tensión, llamada tensión zener, se produce un aumento de la cantidad de corriente que lo atraviesa, manteniendo la tensión entre sus terminales prácticamente constante, aunque se intente hacerla variar aumentando o disminuyendo la corriente que por el circula. También suelen formar parte de las etapas de alimentación de muchos circuitos.
También existe un tipo muy especial de diodo, conocido como diodo varicap, que presentan la particularidad de variar la capacidad parasita que aparece en su juntura a medida que varía la tensión aplicada a sus terminales, y que suele emplearse en circuitos de sintonía.
Por ultimo, hay un tipo muy particular de diodo, que es sensible a la incidencia de luz (visible o infrarroja), la que produce una separación entre los huecos y electrones que se acumulan en la juntura, variando las características de conducción del dispositivo. Utilizado ampliamente como receptor de controles remotos de la gran mayoría de los electrodomésticos, reciben el nombre de fotodiodos.

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 lo construye de manera especial para que se maximice este efecto, 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 a los materiales utilizados en su fabricación, la luz emitida es de diferentes colores, siendo los mas frecuentes el rojo, verde y amarillo, aunque es posible encontrarlos de casi cualquier color, incluso blancos.
Algunos LED son capaces de emitir luz en una frecuencia que esta más allá del color rojo, típicamente en 940 nanómetros, banda denominada infrarrojo y que 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, mas 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; gran variedad de colores e intensidad luminosa; prácticamente nula generación de calor; 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.
Debido a que la corriente que debe atravesar la juntura del LED para que emita luz sin destruirse debe ser mantenida dentro de ciertos valores, se utiliza en serie con el una resistencia limitadora de corriente. El cálculo de su valor se realiza empleando la siguiente formula:

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 el (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 capsula, como los indicadores de 7 segmentos, muy frecuentemente utilizados para representar datos numéricos. Hace algún tiempo, ante 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 7×5 o de 8×8 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.