Os voy a explicar qué es un diodo (diodo común o diodo rectificador) y para qué sirve. Se trata de un semiconductor, un dispositivo electrónico de estado sólido. Se crea uniendo un material del tipo n y otro material de tipo p, formando una unión p-n. Su construcción es muy básica, sin embargo, su uso, está muy entendido en numerosas aplicaciones electrónicas. En este articulo dedicado al diodo, vamos a ver la teoría y después ejemplos prácticos.
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¿Cómo funciona un Diodo común o diodo rectificador?
Básicamente un diodo es una como una válvula, que permite circular la corriente en un sentido y en otro no. Se trata de un dispositivo no lineal. El diodo posee dos zonas de funcionamiento:
- Polarización en directa: en esta zona de funcionamiento el dispositivo permite el paso de la corriente a través de él como un conductor perfecto (resistencia cero).
- Polarización en inversa: el diodo, no permite el paso de la corriente, como un aislante perfecto (resistencia infinita).
El símbolo del diodo es el siguiente:
donde el terminal «A» es el ánodo, mientras que el terminal «K» es el cátodo.
Los dispositivos no son «ideales». Aunque para simplificar los cálculos muchas veces los tomemos así. Este tipo de simplificaciones se utiliza mucho en los estudios y cálculos previos de circuitos con componentes electrónicos. Cuando decimos que un diodo polarizado en inversa tiene resistencia infinita, en realidad no es cierto, de hecho en inversa circula corriente por él, pero corrientes de valor muy pequeño, del orden de picoamperios.
Dependiendo de las necesidades a la hora de realizar cálculos con circuitos que contengas diodos, podremos realizar ciertas aproximaciones que faciliten el cálculo.
Primera aproximación: diodo ideal
Esta es la aproximación más simple. La curva del diodo si lo tomamos como ideal es la representada en la figura. También se indica su circuito equivalente dependiendo de la zona de funcionamiento.
Cuando se toma el diodo ideal y está polarizado en directa su tensión es cero, por lo tanto se sustituye por un cortocircuito entre sus terminales. Sin embargo, si esta polarizado en inversa se sustituye por un circuito abierto, ya que no permite el paso de la corriente en esa zona de trabajo.
Segunda aproximación
Probablemente sea la aproximación más utilizada. Cuando el diodo está polarizado en directa, su circuito equivalente es un generador de tensión de valor igual a la tensión umbral del diodo. Mientras que si se encuentra polarizado en inversa es un circuito abierto, ya que no circula la corriente a través de él. La curva del diodo en este caso es la siguiente:
Tercera aproximación
La última aproximación es la mas real de todas. En ella, se tiene un cuenta la resistencia interna del diodo y por lo tanto, se incluye en su circuito equivalente cuando el semiconductor está polarizado en directa. Su valor suele ser muy pequeño respecto a las resistencias externas al diodo, por eso en mucha ocasiones se desprecia su efecto. La curva característica en esta aproximación es:
En este caso, ademas de añadir un generador de tensión de valor V umbral hay que tener en cuenta la resistencia interna del dispositivo. De esta manera, al sustituir el componente por su circuito equivalente, está formado por el generador y la resistencia cuando se polarice en directa.
¿Cuántos tipos de diodos existen?
Podemos encontrar varios tipos de diodos en el mercado. Cada uno se utiliza para aplicaciones diferentes. Entre otros tenemos:
- Diodo Rectificador ( el más común). Es el tratado en este artículo.
- Led
- Zener
- Schottky
- Diodo de avalancha
- Fotodiodo
- Diodo de túnel
- Diodo Peltier
Procedimiento para resolver ejercicios con diodos
Para resolver ejercicios de circuitos con diodos, se pueden seguir estos tres pasos:
- Suponer una zona de funcionamiento del diodo.
- Sustituir el diodo por su equivalente correspondiente a la zona de funcionamiento supuesta.
- Resolver el circuito y comprobar numéricamente que la suposición tomada es correcta. Si no fuese correcta, empezaríamos de nuevo suponiendo otra zona de funcionamiento.
Ejercicio resuelto diodo rectificador
Hallar el punto de trabajo (Q) del diodo de la figura en los siguientes casos:
- Considerándolo ideal.
- Utilizando la segunda aproximación, siendo su tensión umbral de 0,7 V.
- Mediante la tercera aproximación, si la tensión umbral es de 0,7 V y su resistencia interna de 1 ohmio.
Solución al primer apartado
Observando el circuito, la corriente que aporta el generador entra al diodo por el ánodo, por lo que podemos suponer que está polarizado en directa. Por lo tanto, lo sustituimos por su circuito equivalente.
Lo siguiente es comprobar que la suposición es correcta, por ello, planteamos la ecuación de la malla y calculamos si la corriente que circula por el diodo es positiva en el sentido indicado, es decir, entrando por el ánodo y saliendo por el cátodo.
-V + I*R + Vd = 0
-5 + I*100 + 0 = 0
I = 5 / 100 = 0,05 A > 0
La corriente es positiva en ese sentido, por consiguiente está polarizado en directa, y su punto de trabajo (Q) es:
Vd = 0 V
Id = 0,05 A
Solución al segundo apartado
En este apartado, a modo didáctico, voy a suponer que el diodo no conduce. Su circuito equivalente queda así:
Al ser un circuito abierto, no circula corriente por la malla, por ello hay que calcular la tensión que soporta el diodo entre el ánodo y el cátodo. Si esa tensión es menor que la tensión umbral, que es de 0,7 V, el componente estará polarizado en inversa, en caso contrario, hay que suponer otra zona de funcionamiento. La ecuación de la malla es:
-V + I*R + Vd = 0
-5 + 0*100 + Vd = 0
Vd = 5 V > 0
La suposición no es correcta. Por lo tanto hay que comprobar la otra zona de funcionamiento. El circuito si el dispositivo conduce es:
la ecuación es:
-V + I*R + Vd = 0
-5 + I*100 + 0,7 = 0
I = (5 – 0,7) / 100 = 43 mA > 0
La corriente es positiva en el sentido indicado, por lo tanto el diodo está polarizado en directa.
Solución al tercer apartado
Utilizamos la tercera aproximación para resolver este apartado. El circuito equivalente, suponiendo que el diodo conduce es:
Ahora, el circuito equivalente del dispositivo está formado por una fuente de tensión de valor Vumbral y una resistencia interna Rd de valor 1 ohmio. El recuadro de color rojo lo he puesto para dejar claro que el diodo ahora está formado por esos dos elementos, por lo que , la tensión entre sus terminales será la que hay entre la patilla superior de la resistencia y la patilla inferior del generador de tensión.
Aplicando la segunda ley de Kirchhoff a la malla se obtiene:
-V + I*R + I*Rd + Vd = 0
-5 + I*100 + I*1 + 0,7 = 0
I = (5 – 0,7) / 101 = 42,57 mA > 0
La corriente es positiva entrando por el ánodo del componente, luego la suposición es correcta.
La diferencia entre la segunda aproximación y la tercera es mínima. Normalmente la resistencia interna suele ser de un valor muy bajo en comparación con las resistencias de polarización externas que se añaden al circuito. Por eso, en muchas ocasiones se desprecia y con la segunda aproximación es suficiente para realizar cálculos en los circuitos con diodos.
Vídeo de ejercicio resuelto de diodo rectificador
En este enlace a mi canal de Youtube puedes ver un ejercicio resuelto de un diodo común o diodo rectificador.
Diodo zener
El diodo zener es un tipo de diodo que está preparado para trabajar en la región de disrupción, es decir, en inversa, sin sufrir daños. Se utiliza como regulador de tensión ya que son capaces de mantener prácticamente la tensión constante en la carga a pesar de las variaciones que puedan existir en la tensión de alimentación o de variaciones en la carga.
Curva característica del diodo zener
La gráfica I-V del diodo zener es la mostrada en la imagen inferior. En ella se puede ver que:
- Si la tensión Vd del diodo es mayor que Vumbral , el dispositivo está polarizado en directa.
- En el caso que la tensión Vd esté entre la Vumbral y la tensión zener (Vz), el dispositivo estará en zona inversa y no conducirá.
- Y si la tensión Vd es menor que la tensión zener (Vz), el componente trabajará en la zona zener
La curva mostrada corresponde con la segunda aproximación ya explicada anteriormente.
Básicamente, un diodo zener funciona como un diodo rectificador con el añadido de trabajar en la zona zener.
Cómo analizar un circuito regulador con diodo zener con carga
Este tipo de ejercicios se pueden resolver siguiendo unos sencillos pasos, basándonos en el circuito de la figura.
- Primer paso: calcular la corriente Ir1 que circula por R1, aplicando la ley de Ohm a la resistencia R1.
- Segundo paso: hallar la tensión en la carga. En este caso es la misma que la tensión del diodo zener ya que están en paralelo.
- Tercer paso: calcular la corriente que circula por R2, aplicando la ley de Ohm es esta resistencia.
- Cuarto paso: calcular la corriente que circula por el diodo zener aplicando la primera ley de Kirchhoff al nudo «A».
Cálculo de la potencia en un diodo zener
La potencia disipada en un diodo zener se puede calcular mediante el producto de su tensión por la corriente que circula por el mismo.
Pz = Vz * Iz
Cuando necesitemos utilizar este dispositivo, es necesario mirar primeramente su hoja de características. En ella se indican todos los valores máximos y mínimos para su correcto funcionamiento. Hay que tener en cuenta que antes de elegir un componente para una aplicación cualquiera, hay que saber las necesidades y buscar el componente que mejor se adapte a ellas.
Ejercicio resuelto con diodo zener
Hallar en el circuito de la figura las siguientes cuestiones, si el diodo tiene una tensión zener igual a 7,5 voltios.:
- Indicar el punto de funcionamiento (Q) del diodo, indicando el valor de la tensión entre sus terminales así como la corriente que circula a través del él.
- Hallar el valor de la tensión de salida.
- Calcular la potencia disipada por el diodo.
- Indicar el punto de trabajo (Q), si el generador V1 tiene un valor de 5 voltios
Solución al primer apartado
El primer paso es suponer una zona de funcionamiento para el diodo zener. La corriente del generador circula por la malla en sentido horario y por el diodo, desde el cátodo al ánodo, siendo positiva en ese sentido de giro. Por lo tanto, es de esperar que el diodo esté polarizado en inversa, es decir, en zona zener. El circuito equivalente en dicha zona de trabajo es el siguiente:
El siguiente paso es demostrar numéricamente que la suposición realizada es correcta. Por ello hay que calcular la corriente que circula por el zener. En primer lugar calculamos la corriente que circula por R1:
Ir1 = (V1 – Vz) / R1 = (10 – 7,5) / 1000 = 2,5 mA
En segundo lugar, la corriente por la resistencia R2:
Ir2 = Vz / R2 = 7,5 / 5000 = 1,5 mA
Por último, aplicamos la primera ley de Kirchhoff al nudo «A»:
I entrantes = I salientes
Ir1 = Iz + Ir2
Iz = Ir1 – Ir2 = 2,5 mA – 1,5 mA = 1 mA > 0
La corriente que circula por el diodo zener es mayor que cero, por lo tanto, la suposición es correcta. El componente está polarizado en zona zener, y su punto de trabajo (Q) es:
Vz = 7,5 V
Id = 1 mA
Solución al segundo apartado
La tensión de salida es la misma que soporta R2. Igualmente, la tensión en R2 es la misma que la tensión del diodo zener, ya que se encuentran en paralelo. Por lo tanto tenemos que:
Vsalida = Vr2 = Vz = 7,5 V
Solución al tercer apartado
La potencia disipada o consumida por un diodo viene dada por la expresión:
Pz = Vz * Iz = 7,5 * 1,5*10-3 = 11,25 mW
Solución al cuarto apartado
El circuito para este apartado, con el nuevo valor de V1 es:
Lo único que ha cambiado es el el valor del generador V1, que ahora es de 5 voltios. La corriente que genera V1 tiene el mismo sentido de giro y polaridad que en los apartados anteriores. Basta con razonar que si la tensión del generador es de 5 voltios y la tensión zener es de 7,5 voltios, éste no está polarizado en zona zener. Observando la curva característica del diodo zener se puede comprobar fácilmente..
Para todos los valores que estén entre Vumbral y Vz el dispositivo no conducirá, es decir, si la tensión que soporta el diodo está entre 0,7 y -7,5 voltios, no conduce.
Ahora hay que demostrar todo esto. Vamos a suponer el dispositivo en corte. Su circuito equivalente es:
Ahora la corriente por el diodo es cero. La tensión que soporta entre ánodo y cátodo es la misma que la de salida, están en paralelo, pero cambiadas de signo.
Vd = – Vsalida
La tensión de salida se puede calcular aplicando la regla del divisor de corriente. Así que, la tensión Vd es:
Vd = – V1 * [R2 / (R1 + R2)] = 5 * [5000 / (1000+ 5000)]
Vd = – 4,17 V
El valor de la tensión se encuentra en el rango antes mencionado, entre 0,7 y -7,5 voltios. Por lo tanto, el diodo zener no conduce, y su punto de funcionamiento (Q) es:
Vd = – 4,17 V
Id = 0 A
Ejercicios resueltos de diodos
En mi canal de Youtube puedes ver más ejercicios resueltos sobre diodos.
En este otro artículo, puede ver ejercicios resueltos de diodo zener.
