Introducción a diodos y rectificadores Leave a comment

¿Qué es un diodo rectificador?

Es un dispositivo eléctrico que permite que la corriente se mueva a través de él en una dirección con mucha más facilidad que en la otra. El tipo de diodo más común en el diseño de circuitos modernos es el diodo semiconductor, aunque existen otras tecnologías de diodos. Los diodos semiconductores están simbolizados en diagramas esquemáticos como el de la figura siguiente. El término “diodo” se reserva habitualmente para dispositivos de señal pequeña, I ≤ 1 A. El término rectificador se utiliza para dispositivos de potencia, I> 1 A.

Símbolo esquemático del diodo semiconductor: Las flechas indican la dirección del flujo de corriente.

Símbolo esquemático del diodo semiconductor: Las flechas indican la dirección del flujo de corriente.

Cuando se coloca en un circuito simple de batería-lámpara, el diodo permitirá o evitará la corriente a través de la lámpara, dependiendo de la polaridad del voltaje aplicado. (la siguiente figura)

Operación de diodos: (a) Se permite el flujo de corriente; el diodo está polarizado hacia adelante. (b) Se prohíbe el flujo de corriente; el diodo tiene polarización inversa.

Operación de diodos: (a) Se permite el flujo de corriente; el diodo está polarizado hacia adelante. (b) Se prohíbe el flujo de corriente; el diodo tiene polarización inversa.

Cuando la polaridad de la batería es tal que se permite que la corriente fluya a través del diodo, se dice que el diodo está polarizado hacia adelante. Por el contrario, cuando la batería está “al revés” y el diodo bloquea la corriente, se dice que el diodo está polarizado en reversa. Un diodo puede considerarse como un interruptor: “cerrado” cuando está polarizado hacia adelante y “abierto” cuando está polarizado hacia atrás.

La dirección de la “punta de flecha” del símbolo del diodo apunta a la dirección de la corriente en el flujo convencional. Esta convención es válida para todos los semiconductores que poseen “puntas de flecha” en sus esquemas. Lo contrario es cierto cuando se usa el flujo de electrones, donde la dirección de la corriente es contra la “punta de flecha”.

Analogía de la válvula de retención hidráulica

El comportamiento del diodo es análogo al comportamiento de un dispositivo hidráulico llamado válvula de retención. Una válvula de retención permite que el fluido fluya a través de ella en una sola dirección, como se muestra en la figura siguiente.

Analogía de la válvula de retención hidráulica: (a) Flujo de corriente permitido. (b) Prohibido el flujo de corriente.

Analogía de la válvula de retención hidráulica: (a) Flujo de corriente permitido. (b) Prohibido el flujo de corriente.

Las válvulas de retención son esencialmente dispositivos operados por presión: se abren y permiten el flujo si la presión a través de ellas es de la “polaridad” correcta para abrir la compuerta (en la analogía mostrada, mayor presión de fluido a la derecha que a la izquierda). Si la presión es de la “polaridad” opuesta, la diferencia de presión a través de la válvula de retención se cerrará y mantendrá la compuerta para que no ocurra flujo.

Al igual que las válvulas de retención, los diodos son esencialmente dispositivos operados por “presión” (operados por voltaje). La diferencia esencial entre polarización directa y polarización inversa es la polaridad del voltaje que cae a través del diodo. Echemos un vistazo más de cerca al circuito simple de batería-diodo-lámpara que se mostró anteriormente, esta vez investigando las caídas de voltaje en los diversos componentes en la figura a continuación.

Medidas de voltaje del circuito de diodo: (a) Polarización directa. (b) Sesgo inverso.

Medidas de voltaje del circuito de diodo: (a) Polarización directa. (b) Sesgo inverso.

Configuración del diodo de polarización directa

Un diodo de polarización directa conduce la corriente y deja caer un pequeño voltaje a través de él, dejando la mayor parte del voltaje de la batería caído a través de la lámpara. Si se invierte la polaridad de la batería, el diodo se polariza en reversa y cae todo el voltaje de la batería sin dejar nada para la lámpara. Si consideramos que el diodo es un interruptor autoactivado (cerrado en el modo de polarización directa y abierto en el modo de polarización inversa), este comportamiento tiene sentido. La diferencia más sustancial es que el diodo cae mucho más voltaje cuando conduce que el interruptor mecánico promedio (0,7 voltios frente a decenas de milivoltios).

Esta caída de voltaje de polarización directa exhibida por el diodo se debe a la acción de la región de agotamiento formada por la unión PN bajo la influencia de un voltaje aplicado. Si no se aplica voltaje a través de un diodo semiconductor, existe una región de agotamiento delgada alrededor de la región de la unión PN, lo que evita el flujo de corriente. (Figura siguiente (a)) La región de agotamiento está casi desprovista de portadores de carga disponibles y actúa como un aislante:

Representaciones de diodos: modelo de unión PN, símbolo esquemático, parte física.

Representaciones de diodos: modelo de unión PN, símbolo esquemático, parte física.

El símbolo esquemático del diodo se muestra en la figura anterior (b) de manera que el ánodo (extremo apuntador) corresponde al semiconductor tipo P en (a). La barra del cátodo, extremo no apuntado, en (b) corresponde al material de tipo N en (a). También tenga en cuenta que la franja del cátodo en la parte física (c) corresponde al cátodo en el símbolo.

Configuración de diodo de polarización inversa

Si se aplica un voltaje de polarización inversa a través de la unión PN, esta región de agotamiento se expande, resistiendo aún más cualquier corriente a través de ella. (La siguiente figura)

La región de agotamiento se expande con sesgo inverso.

La región de agotamiento se expande con sesgo inverso.

Tensión directa

Por el contrario, si se aplica un voltaje de polarización directa a través de la unión PN, la región de agotamiento colapsa y se vuelve más delgada. El diodo se vuelve menos resistente a la corriente que lo atraviesa. Para que una corriente sostenida pase a través del diodo; sin embargo, la región de agotamiento debe colapsarse completamente por el voltaje aplicado. Esto requiere un cierto voltaje mínimo para lograrlo, llamado voltaje directo como se ilustra en la figura a continuación.

El aumento de la polarización directa de (a) a (b) disminuye el grosor de la región de agotamiento.

El aumento de la polarización directa de (a) a (b) disminuye el grosor de la región de agotamiento.

Para los diodos de silicio, el voltaje directo típico es de 0,7 voltios, nominal. Para los diodos de germanio, el voltaje directo es de solo 0,3 voltios. La constitución química de la unión PN que comprende el diodo explica su figura de voltaje directo nominal, por lo que los diodos de silicio y germanio tienen voltajes directos tan diferentes. La caída de voltaje directo permanece aproximadamente constante para una amplia gama de corrientes de diodo, lo que significa que la caída de voltaje del diodo no es como la de una resistencia o incluso un interruptor normal (cerrado). Para el análisis de circuito más simplificado, la caída de voltaje a través de un diodo conductor puede considerarse constante en la figura nominal y no relacionada con la cantidad de corriente.

Ecuación de diodo

En realidad, la caída de tensión directa es más compleja. Una ecuación describe la corriente exacta a través de un diodo, dado el voltaje que cae a través de la unión, la temperatura de la unión y varias constantes físicas. Se conoce comúnmente como ecuación de diodo:

El término kT / q describe el voltaje producido dentro de la unión PN debido a la acción de la temperatura, y se denomina voltaje térmico o Vt de la unión. A temperatura ambiente, esto es aproximadamente 26 milivoltios. Sabiendo esto, y asumiendo un coeficiente de “no idealidad” de 1, podemos simplificar la ecuación del diodo y reescribirla como tal:

No es necesario que esté familiarizado con la “ecuación de diodos” para analizar circuitos de diodos simples. Solo entiende que la caída de tensión en un diodo conductor de la corriente hace el cambio con la cantidad de corriente que pasa a través de él, pero que este cambio es bastante pequeño en una amplia gama de corrientes. Esta es la razón por la que muchos libros de texto simplemente dicen que la caída de voltaje a través de un diodo semiconductor conductor permanece constante en 0,7 voltios para el silicio y 0,3 voltios para el germanio.

Sin embargo, algunos circuitos hacen uso intencionalmente de la relación exponencial inherente de corriente / voltaje de la unión PN y, por lo tanto, solo pueden entenderse en el contexto de esta ecuación. Además, dado que la temperatura es un factor en la ecuación del diodo, una unión PN polarizada hacia adelante también se puede usar como un dispositivo sensor de temperatura y, por lo tanto, solo se puede entender si se tiene una comprensión conceptual de esta relación matemática.

Operación de polarización inversa

Un diodo de polarización inversa evita que la corriente lo atraviese, debido a la región de agotamiento expandida. En realidad, una cantidad muy pequeña de corriente puede pasar y pasa a través de un diodo de polarización inversa, llamado corriente de fuga, pero se puede ignorar para la mayoría de los propósitos.

La capacidad de un diodo para soportar voltajes de polarización inversa es limitada, como lo es para cualquier aislante. Si la tensión de polarización inversa aplicada se vuelve demasiado grande, el diodo experimentará una condición conocida como avería (figura siguiente), que suele ser destructiva.

La clasificación de voltaje de polarización inversa máxima de un diodo se conoce como voltaje inverso máximo, o PIV, y se puede obtener del fabricante. Al igual que el voltaje directo, la clasificación PIV de un diodo varía con la temperatura, excepto que PIV aumenta con el aumento de temperatura y disminuye a medida que el diodo se enfría, exactamente opuesto al voltaje directo.

Curva de diodo: muestra el codo con una polarización directa de 0,7 V para Si y una ruptura inversa.

Curva de diodo: muestra el codo con una polarización directa de 0,7 V para Si y una ruptura inversa.

Normalmente, la clasificación PIV de un diodo “rectificador” genérico es de al menos 50 voltios a temperatura ambiente. Los diodos con clasificaciones PIV en los muchos miles de voltios están disponibles a precios modestos.

REVISIÓN:

  • Un diodo es un componente eléctrico que actúa como una válvula unidireccional para la corriente.
  • Cuando se aplica voltaje a través de un diodo de tal manera que el diodo permite la corriente, se dice que el diodo está polarizado hacia adelante.
  • Cuando se aplica voltaje a través de un diodo de tal manera que el diodo prohíbe la corriente, se dice que el diodo tiene polarización inversa.
  • El voltaje que cae a través de un diodo conductor con polarización directa se llama voltaje directo. El voltaje directo de un diodo varía solo ligeramente para los cambios en la corriente directa y la temperatura, y está fijado por la composición química de la unión PN.
  • Los diodos de silicio tienen un voltaje directo de aproximadamente 0,7 voltios.
  • Los diodos de germanio tienen un voltaje directo de aproximadamente 0,3 voltios.
  • El voltaje máximo de polarización inversa que puede soportar un diodo sin “romperse” se denomina voltaje inverso pico o clasificación PIV

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