Conceptos básicos de electrónica: El diodo

El diodo, un pequeño pero esencial componente en el vasto universo de la electrónica, actúa como una puerta unidireccional para la corriente eléctrica. A pesar de su aparente simplicidad, su papel es crucial en una variedad de aplicaciones, desde proteger circuitos delicados hasta convertir corrientes.

En este post, exploraremos la naturaleza fundamental del diodo, su representación esquemática, y cómo su función única se integra en proyectos más complejos, especialmente en relación con la plataforma Arduino.

El diodo es un componente electrónico de 2 terminales, tal como un resistor.

Un diodo es un dispositivo diseñado para que la corriente fluya en un solo sentido, es decir, solamente permite que la corriente vaya en una sola dirección.

El símbolo representativo del diodo en esquemas electrónicos es el siguiente:

La corriente fluye desde el terminal positivo (el ánodo) hasta el terminal negativo (cátodo). En los diodos físicos se identifica el cátodo por una franja que se coloca en uno de los extremos del diodo.

Los diodos, debido a su capacidad de permitir el flujo de corriente en una sola dirección, han encontrado su lugar en una amplia gama de aplicaciones electrónicas. Estos dispositivos semiconductores, aunque parecen simples, se han diversificado para abordar desafíos específicos en diferentes circuitos y dispositivos. A continuación, exploraremos los diversos tipos de diodos y sus aplicaciones únicas:

• Diodo Rectificador: Es el tipo más común de diodo utilizado para convertir corriente alterna (AC) en corriente continua (DC). Se encuentran en fuentes de alimentación y adaptadores de carga.
• Diodo Zener: Diseñado específicamente para operar en la región de ruptura inversa. Se utiliza principalmente para la regulación de voltaje en circuitos.
• Diodo LED (Diodo Emisor de Luz): Emite luz cuando se polariza directamente. Se encuentran en pantallas, indicadores y como fuentes de luz en diversos dispositivos.
• Diodo Schottky: Posee un tiempo de recuperación inversa muy corto y se utiliza en fuentes conmutadas, detectores de radiofrecuencia y en aplicaciones de alta velocidad.
• Diodo de Avalancha: Opera utilizando el efecto de avalancha, y se utiliza principalmente como diodo de protección.
• Diodo Fotodiodo: Sensible a la luz, este diodo convierte la luz en corriente eléctrica. Se utiliza en sistemas de comunicación óptica y sensores de luz.
• Diodo Varicap o Varactor: Su capacidad varía con el voltaje aplicado y se utiliza en circuitos de sintonización, como en radios y televisores.
• Diodo PIN: Se utiliza en la detección y modulación de señales de alta frecuencia.
• Diodo de Recuperación Rápida: Diseñado para tener un tiempo de recuperación muy corto, se utiliza en circuitos de alta frecuencia.
• Diodo Túnel: Explota el efecto túnel cuántico y se utiliza en osciladores y amplificadores a frecuencias de microondas.

Cada tipo de diodo ha sido diseñado para cumplir una función específica en la electrónica, desde la simple rectificación de corriente hasta aplicaciones más complejas en comunicaciones y procesamiento de señales. Al entender sus características y aplicaciones, los ingenieros y entusiastas pueden seleccionar el diodo adecuado para su proyecto y asegurar un funcionamiento óptimo del circuito.

A continuación, mencionaré algunos de los principales usos que se le da a los diodos en electrónica.

Protección contra corrientes inversas en microcontroladores

En la era de la electrónica moderna, trabajar con microcontroladores, como Arduino, es una práctica común. Estos dispositivos son el cerebro detrás de muchos proyectos electrónicos, desde simples juguetes hasta sistemas industriales complejos. Sin embargo, cuando estos microcontroladores interactúan con circuitos que manejan voltajes superiores a los que pueden soportar, surge un riesgo significativo de daño por corrientes inversas.

Para abordar este problema, se introduce un componente esencial: el diodo. Colocado estratégicamente entre el microcontrolador y el dispositivo o circuito en cuestión, el diodo actúa como una barrera unidireccional. Su función principal es permitir que el microcontrolador envíe voltaje al circuito externo, pero bloquear cualquier intento de corriente que quiera regresar. De esta manera, cualquier corriente inversa potencialmente dañina se detiene en seco, protegiendo al microcontrolador de posibles daños.

La importancia de esta medida de protección no puede ser subestimada. Una corriente inversa, especialmente si supera la capacidad del microcontrolador, puede causar daños irreparables en el dispositivo, afectando su funcionalidad y acortando su vida útil. En casos extremos, puede resultar en la destrucción total del microcontrolador. Por tanto, el uso del diodo como mecanismo de protección es esencial para garantizar la durabilidad y eficiencia de nuestros proyectos electrónicos.

Control de corrientes transitorias en circuitos electrónicos

En el ámbito de la electrónica, los componentes como bobinas (inductores) y condensadores son susceptibles de generar corrientes transitorias. Estas corrientes temporales, aunque breves, pueden causar perturbaciones en el circuito. Para prevenir posibles daños o interrupciones en el funcionamiento, es crucial implementar medidas para suprimir estas corrientes.

Una aplicación práctica de este concepto se observó cuando introdujimos un relé para gestionar corriente alterna. A continuación, se presenta el diagrama utilizado en esa experiencia:

Es importante señalar que cada vez que un relé conmuta, origina un transitorio, como se ilustra a continuación:

Estos transitorios se generan debido a la presencia de un inductor en el relé, el cual almacena energía en forma de campo magnético. Cuando esta energía se disipa con el tiempo, puede ocasionar distorsiones perjudiciales en el circuito. Sin embargo, al incorporar un diodo de protección contra transitorios, es posible neutralizar cualquier corriente emergente que resulte del cambio de estado en la bobina del relé.

Como práctica estándar, siempre que se emplee un relé, se recomienda instalar un diodo de protección, tal como se demostró en el diagrama anterior, para garantizar la integridad y el rendimiento óptimo del circuito.

Manipulación del voltaje mediante diodos

Una de las características más destacadas de un diodo es su capacidad para inducir una caída de voltaje predecible cuando se polariza directamente. Esta caída, que típicamente es de 0.7 voltios para diodos de silicio entre el ánodo y el cátodo, no es una simple consecuencia no deseada, sino una propiedad que puede ser explotada en diseño electrónico.

Es importante notar que este valor de 0.7 voltios es específico para diodos fabricados con silicio. En contraste, los diodos de germanio, otro material semiconductor común, presentan una caída de voltaje de aproximadamente 0.3 voltios.

La imagen muestra un circuito sencillo con varios diodos de silicion conectados en serie. Como vemos, luego de cada diodo se produce una caída de voltaje de alrededor de 0.7 voltios. La caída exacta de voltaje depende de la cantidad de corriente que conduce el diodo.

Una de las aplicaciones prácticas de esta caída de voltaje es en la conversión análogo/digital. La precisión y estabilidad del voltaje que proporciona un diodo, ya sea de silicio o de germanio, puede ser fundamental en procesos donde se necesite convertir una señal análoga (variable continua) en una señal digital (valores discretos). Al combinar esta propiedad con otras técnicas y componentes, como resistencias y capacitores, se pueden crear circuitos de conversión eficientes y precisos.

Además, la relación entre la caída de voltaje en un diodo y la Ley de Ohm, que establece la relación entre voltaje, corriente y resistencia, es esencial para comprender y diseñar circuitos más complejos. En futuras publicaciones, exploraremos en profundidad la conversión análogo/digital, y cómo esta interacción entre diodos, ya sean de silicio o de germanio, y la Ley de Ohm juega un papel crucial en la eficiencia y precisión de estos sistemas.

Rectificación de Media Onda en Corriente Alterna

Para comprender la rectificación de media onda, primero debemos tener claro qué es la corriente alterna (AC). Básicamente, hay dos tipos de corriente: corriente directa (DC) y corriente alterna (AC). La corriente alterna cambia su dirección cíclicamente, alternando entre ciclos positivos y negativos, mientras que la corriente directa mantiene una dirección constante.

Visualizándolo gráficamente, la corriente alterna se representa típicamente como una onda senoidal. Esta onda tiene un semiciclo positivo y un semiciclo negativo, lo que indica los cambios de dirección de la corriente.

La corriente alterna es la forma estándar de suministro de electricidad en la mayoría de las regiones, incluyendo Panamá, donde la corriente alterna se distribuye a 120 voltios y 60 Hz. Esto significa que la onda alterna cambia su dirección 60 veces por segundo. En contraposición, muchos dispositivos electrónicos, incluidos los microcontroladores y las computadoras, requieren corriente directa para funcionar. Por lo tanto, es esencial convertir la corriente alterna del suministro eléctrico en corriente directa para alimentar estos dispositivos.

Aquí es donde el diodo juega un papel crucial. Un diodo es un componente semiconductor que permite el flujo de corriente en una sola dirección. En el contexto de la rectificación de corriente alterna, un diodo puede ser usado para «suprimir» o bloquear uno de los semiciclos de la onda alterna, ya sea el positivo o el negativo. Al hacerlo, convertimos la corriente alterna en una forma de corriente directa pulsante.

Esta corriente resultante aún tiene fluctuaciones o «rizos», pero ya no alterna entre ciclos positivos y negativos. Si se invierte la orientación del diodo, se puede optar por bloquear el semiciclo positivo en lugar del negativo.

Aunque la rectificación de media onda es un paso hacia la conversión de AC a DC, no es suficiente para la mayoría de las aplicaciones prácticas. Para una rectificación más eficiente, se utiliza un rectificador de onda completa o un puente rectificador, que aprovecha ambos semiciclos de la onda alterna.

En resumen, la rectificación es un proceso esencial para convertir la corriente alterna, que es ampliamente disponible en nuestros hogares y lugares de trabajo, en una corriente directa que puede ser utilizada por una amplia gama de dispositivos electrónicos.

Rectificador de Onda Completa, Puente de Diodos o Puente Rectificador

El puente de diodos o puente rectificador es un arreglo hecho con 4 diodos cuyo propósito es rectificar una onda de corriente alterna. A diferencia del rectificador de media onda que elimina uno de los semiciclos, esta configuración invierte el signo de uno de los semiciclos, logrando que una onda de corriente alterna se convierta en corriente directa.

El símbolo del puente rectificador es el siguiente:

Son 4 diodos. El efecto que produce es el siguiente:

Como vemos, el puente rectificador recorta una parte de la onda y le invierte el signo. Aquí ha desaparecido la parte negativa de la Onda Senoidal y se ha vuelto una señal completamente positiva. A esto se le llama Corriente Directa con rizado.

El rizado puede eliminarse aplicando capacitores en paralelo.

Como vemos, con los capacitores se suprime el rizo y se obtiene corriente directa. Este es el proceso de rectificación. En las fuentes de poder se utiliza un esquema similar pero con más elementos como transformadores y reguladores de voltaje.

El diodo emisor de luz o LED

Los diodos emisores de luz, conocidos comúnmente como LEDs (por sus siglas en inglés, Light Emitting Diode), son dispositivos electrónicos que emiten luz cuando se les aplica una corriente eléctrica. Estos han revolucionado el mundo de la iluminación y la señalización debido a sus múltiples ventajas, entre las que destacan su eficiencia energética, larga duración y capacidad para emitir luz en diversos colores sin necesidad de usar filtros.

Cada LED está diseñado para emitir un color específico de luz. Esto se logra variando el material semiconductor utilizado en su construcción. Por ejemplo:

• Rojo: Los LEDs rojos suelen estar hechos de arseniuro de galio (GaAs).
• Verde: Los LEDs verdes típicamente se fabrican con fosfuro de galio (GaP).
• Azul: Los LEDs azules suelen ser de nitruro de galio (GaN).
• Blanco: Si bien no hay un LED «blanco» per se, este color se logra combinando LEDs rojos, verdes y azules, o utilizando un LED azul con un recubrimiento de fósforo que transforma parte de la luz azul en roja y verde, dando como resultado una luz blanca.

Además, existen LEDs RGB (Red, Green, Blue) que son dispositivos que integran los tres colores básicos en un solo encapsulado. Estos LEDs tienen la capacidad de mezclar colores a diferentes intensidades para producir una amplia gama de tonalidades. Son ampliamente utilizados en pantallas, señalizaciones y en iluminación decorativa debido a su versatilidad.

Los LEDs han ganado popularidad no solo por su eficiencia y versatilidad, sino también por su tamaño compacto y resistencia a impactos. Son una excelente opción para múltiples aplicaciones, desde indicadores simples hasta pantallas de alta definición. En este blog, hemos tenido la oportunidad de trabajar con ellos y experimentar con sus múltiples posibilidades.

Diodo Zener: Regulador de Voltaje por Excelencia

El diodo Zener es un componente semiconductor de gran importancia en la regulación de voltaje. A diferencia de los diodos convencionales que están diseñados para bloquear el flujo de corriente en una dirección, el diodo Zener está especialmente diseñado para permitir el flujo de corriente en sentido inverso una vez que se alcanza un cierto voltaje, conocido como «voltaje Zener».

Estos diodos se fabrican específicamente para tener un voltaje Zener determinado, lo que significa que puedes encontrar diodos Zener para una amplia gama de potenciales, dependiendo de tus necesidades.

En aplicaciones prácticas, el diodo Zener se conecta en configuración inversa, es decir, con el cátodo orientado hacia el área de mayor potencial y el ánodo hacia el área de menor potencial. Esto es contrario a cómo se conecta un diodo convencional. La razón detrás de esta conexión es explotar la característica única del Zener: su capacidad de mantener un voltaje constante.

En el ejemplo mostrado, el diodo Zener está diseñado para mantener un voltaje de 5.1 voltios. A su vez, es fundamental colocar una resistencia en serie con el diodo Zener. Esta resistencia tiene la función de limitar la corriente que circula a través del diodo, protegiéndolo de corrientes excesivas que podrían dañarlo.

El valor establecido por el diodo, en este caso 5.1 voltios, se mantiene constante con una pequeña variación, proporcionando así una fuente de voltaje estable y confiable. Esta propiedad es invaluable en aplicaciones donde es esencial mantener un nivel de voltaje constante, como en la alimentación de dispositivos sensibles.

Los diodos Zener son herramientas poderosas en el diseño de circuitos electrónicos. Por ejemplo, al trabajar con plataformas como Arduino, donde el voltaje de entrada no debe exceder los 5 voltios, un diodo Zener puede actuar como un guardián, asegurando que el voltaje nunca supere el umbral establecido y protegiendo así el hardware de posibles daños.

Manipulación y Control de Ondas con el Diodo Zener

El diodo Zener, además de su destacada función de regulación de voltaje, tiene otra aplicación vital: el recorte de ondas a niveles específicos de voltaje. Este proceso permite que las ondas se mantengan dentro de ciertos límites de voltaje deseados, eliminando cualquier pico o caída que exceda esos límites.

Para ilustrar esto, imaginemos una onda de corriente alterna (AC) de 24 voltios. Si aplicamos un diodo Zener de 12 voltios, se puede influir en la forma de esta onda.

En el gráfico anterior, la onda roja representa una onda AC típica sin ninguna modificación. Su amplitud oscila entre los picos positivos y negativos de 24 voltios. Sin embargo, al introducir el diodo Zener de 8.2 voltios (onda azul), observamos un cambio significativo. La amplitud de la onda se «recorta» a 8.2 voltios, lo que significa que cualquier voltaje que exceda ese valor es eliminado. Esta es la capacidad del diodo Zener de «recortar» una onda.

Esta técnica de recorte es especialmente útil en aplicaciones donde se requiere proteger los componentes electrónicos de voltajes excesivos. Además, puede ser aplicada a una variedad de formas de onda, incluyendo ondas cuadradas, y es esencial para garantizar que los voltajes no sobrepasen niveles que podrían resultar dañinos para un circuito específico.

En resumen, el diodo Zener no solo es un regulador de voltaje, sino también un excelente herramienta para manipular y controlar la forma de las ondas eléctricas, garantizando así la seguridad y eficiencia de los circuitos electrónicos.

Conclusión

A lo largo de este artículo, hemos explorado algunas de las funciones más significativas del diodo, un componente esencial en el mundo de la electrónica. Aunque hemos abordado sus aplicaciones más relevantes en el contexto de este blog, es vital recordar que el diodo es una pieza versátil con una amplia gama de funciones más allá de las mencionadas aquí. Espero sinceramente que este post haya proporcionado una visión clara y útil de la importancia y las capacidades del diodo. Su comprensión y aplicación adecuadas pueden marcar una gran diferencia en el desarrollo y éxito de proyectos electrónicos.

Si surge alguna duda o comentario, les animo a que lo compartan, ya que su retroalimentación es invaluable para continuar mejorando y enriqueciendo el contenido que presentamos. ¡Saludos y hasta la próxima!