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¿Qué es un diodo?

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Un diodo con cuatro transistores. Los diodos suelen tener dos conductores y los transistores tienen tres conductores. A veces, un paquete de metal es en realidad uno de los terminales. Foto de Judith Howcroft

Los primeros diodos fueron los bigotes de los gatos utilizados para extraer audio de una señal de radiofrecuencia modulada. Luego estaban los tubos de vacío de diodo que realizaban la misma función pero eran mucho más estables. Hoy, casi siempre estamos hablando de un dispositivo semiconductor basado en silicio. Estos son muy comunes en nuestro mundo electrónico y más allá, desde simples juguetes para niños hasta la Estación Espacial Internacional. Los diodos pueden ser dispositivos electrónicos discretos o numerosas partes constituyentes de un circuito integrado (IC) o microchip.

Primero, a modo de descripción general, veremos cómo se usan los diodos y discutiremos algunas de sus propiedades eléctricas, incluido cómo probarlos y las causas de las fallas. Luego, veremos cómo funcionan los diodos a nivel subatómico. Por supuesto, estos pequeños dispositivos en paquetes sellados no se pueden abrir y reparar, pero vale la pena comprender el funcionamiento interno, ya que brinda una idea de cómo funcionan los diodos en los circuitos electrónicos y, además, esa comprensión sienta las bases para comprender semiconductores más intrincados como como transistores, MOSFET's e IC's.

Finalmente, veremos las funciones que desempeñan los diodos dentro de los equipos eléctricos y discutiremos algunas de las técnicas de resolución de problemas y modos de falla que se pueden encontrar al reparar los variadores de motor, las fuentes de alimentación y los paneles de control.

La mayoría de los diodos se reconocen fácilmente. Suelen ser pequeños elementos tubulares con dos cables, uno en cada extremo. La apariencia es similar a una resistencia, pero en lugar de las múltiples bandas de códigos de colores, verá impreso en el paquete un pequeño esquema de diodos, que ilustra el flujo de corriente y de esta manera identifica los cables. O puede haber una sola banda que denota el cátodo. Los diodos más grandes, diseñados para manejar altos niveles de potencia, pueden tener disipadores de calor con aletas de enfriamiento prominentes.

Eléctricamente, el comportamiento de un diodo es muy simple. En un circuito de CC, el diodo conduce en una dirección y no en la otra dirección. Se parece a una válvula de retención en un sistema de agua. Pero, cuando la válvula de retención se somete a contrapresión, se presiona un diafragma contra el asiento de la válvula que bloquea el flujo de agua. El diodo funciona de manera diferente. Como veremos, la polarización inversa atrae a los portadores de carga lejos de la unión, de modo que una capa submicroscópica sin portadores de carga bloquea el flujo de electricidad.

Para probar un diodo, configure su multímetro en la función de ohmios y toque los cables con las sondas. Luego, invierta la conexión. De una forma, la resistencia se leerá alta; de otra manera, leerá bajo si el diodo es bueno. Para esta prueba, los valores de ohmios precisos generalmente no son relevantes. Lo que buscamos es una diferencia sustancial entre las dos lecturas. Si un diodo falla, generalmente se abre o se cortocircuita internamente: el evento es catastrófico. (Esto contrasta con un capacitor, que puede perder capacitancia gradualmente). Lo que hace que la prueba del ohmímetro funcione es que la fuente de alimentación interna del medidor, destinada a facilitar las mediciones de resistencia, aplica una polarización aproximada de tres voltios al diodo. Cuando la sonda positiva está conectada al ánodo y la sonda negativa está conectada al cátodo, el diodo conducirá. Cuando estas conexiones se invierten, el diodo no conducirá. Por lo general, al realizar esta prueba simple de pasar, no pasar, no tiene que preocuparse por la polaridad de los cables. Solo averigüe si hay lecturas muy diferentes entre las dos conexiones. Para la mayoría de los propósitos, eso revelará el estado del diodo. Para una comprensión completa de lo que está sucediendo, debe darse cuenta de que la mayoría de los fabricantes de medidores energizan las sondas para que el rojo sea positivo. Pero dado que este no es siempre el caso, es posible que desee verificar su medidor con un diodo en buen estado y etiquetar las sondas en consecuencia.

La prueba del óhmetro se puede simular utilizando una pequeña celda seca o una fuente de alimentación de CC y un miliamperímetro. Sin embargo, siempre es necesario insertar un LED, una resistencia u otra carga para limitar la corriente en el circuito en serie para evitar que el diodo y el miliamperímetro sean destruidos instantáneamente por una corriente pesada.

Si su multímetro incorpora una función de verificación de diodos, utilice esa función en lugar de la función de ohmímetro, ya que mide la caída de voltaje en la unión en lugar de la resistencia, que aunque es adecuada para la mayoría de los propósitos, es en realidad una pseudolectura, ya que el valor depende de la sesgo proporcionado por la fuente de alimentación del medidor. Usando la función de prueba de diodos, tome dos lecturas separadas, una en cada dirección. Al igual que la función de ohmios, el medidor polariza el diodo. Puede encontrar la cantidad de sesgo mirando la pantalla cuando las sondas no están conectadas al diodo y no se tocan entre sí. Cuando el diodo tiene polarización inversa, se mostrará esa cantidad. Si el valor es menor, hay una fuga de polarización inversa y, si es significativa, se debe reemplazar el diodo. En la conexión de polarización directa, busque una caída de 0.6 voltios.

Por supuesto, las pruebas de diodos con el multímetro en ohmios o en modo de prueba de diodos deben realizarse con el equipo apagado. Algunos ohmímetros están protegidos contra conexiones involuntarias a terminales energizados, pero, en el mejor de los casos, la protección no es segura. Muchos tipos de equipos eléctricos contienen condensadores muy próximos (eléctricamente) a los diodos. Se requiere precaución, porque los condensadores retienen una carga eléctrica mucho tiempo después de que se apagan y se desconectan de la fuente de alimentación. Esto se debe a que los condensadores, especialmente los electrolíticos, están haciendo lo que se supone que deben hacer. Además, existe el fenómeno de la capacitancia distribuida, que, como su nombre lo indica, es capaz de aparecer de forma inesperada. Además de las descargas eléctricas, es posible que se produzcan lesiones por arco eléctrico. Los tubos de imagen de televisión y los sistemas fotovoltaicos pueden ser especialmente peligrosos a este respecto.

Muchos técnicos derivan esta energía eléctrica a tierra por medio de un destornillador aislado o un cable, pero siempre es posible que se resbale. Además, el pico de alto voltaje puede perforar la delgada capa dieléctrica del capacitor y destruir los diodos cercanos y otros semiconductores. Es mejor conectar un resistor de energía u otra carga adecuada a través de la fuente de energía almacenada y dejar que se purgue a un ritmo razonable. Utilice pinzas de cocodrilo con fundas de goma y manténgalas alejadas de superficies conectadas a tierra. No trabaje en este tipo de equipo a menos que comprenda los riesgos involucrados y sepa cómo mitigarlos. No se deje engañar. Incluso una cámara digital puede albergar voltajes letales mucho tiempo después de que se haya quitado la batería.

¿Se puede probar un diodo en circuito o se debe quitar? La respuesta es un enfático "¡a veces!" Lo que debe observar es si existe una ruta de corriente paralela que interrumpiría la lectura. Eso debería ser fácil de determinar visualmente o consultando el esquema. En caso de duda, desconecte temporalmente un cable.

El mecanismo subatómico interno de un diodo es simple y fácil de entender. Al igual que otros semiconductores, la mayoría de los diodos de hoy en día están hechos de silicio, uno de los elementos más abundantes en la tierra y el ingrediente principal del cuarzo y la arena de playa común. Es un elemento con un número atómico 14, y está rodeado en la tabla periódica por boro, carbono, nitrógeno, aluminio, fósforo, galio, germanio y arsénico, todos los cuales comparten una propiedad importante que es clave para esta discusión. Tienen menos que el número máximo y más que el mínimo de electrones en la órbita exterior o de valencia, que es donde está la acción en términos de interacción con el mundo exterior.

Nuestro sistema solar está formado por planetas y otros cuerpos que orbitan alrededor del sol. Todas estas órbitas se encuentran en el mismo plano, mientras que los electrones que orbitan un núcleo atómico no ocupan el mismo plano, sino que se apresuran en todas las inclinaciones posibles. Las órbitas se visualizan mejor como conchas. Debido a que el silicio tiene cuatro electrones en su capa exterior (valencia), un solo átomo es capaz de unirse estrechamente con cuatro átomos de silicio adyacentes. El silicio puro organizado de esta manera forma una red cristalina de gran estabilidad, similar al diamante cuando los átomos de carbono comparten electrones de valencia para formar una red cristalina. Así configurado, no hay electrones libres, y por esta razón el material no es conductor. Pero, cuando se introducen pequeñas cantidades de ciertas otras sustancias, la situación cambia drásticamente. Específicamente, si el silicio cristalino está expuesto a fósforo o arsénico, los cuales tienen cinco electrones en sus capas de valencia, el electrón extra no se une a la red cristalina, sino que deambula por el espacio vacío entre los átomos de silicio, cambiando en gran medida la propiedades eléctricas del cristal. Ahora el silicio es más conductor. El proceso de exposición de silicio cristalino a estas impurezas se llama dopaje, y el material resultante se conoce como silicio de tipo N porque los electrones libres tienen carga negativa.

Por el contrario, cuando el silicio cristalino se pone en presencia de boro o galio, los cuales tienen solo tres electrones de valencia, hay una deficiencia de electrones libres. Las entidades resultantes no son partículas cargadas positivamente como los protones, sino más bien ausencias. Funcionan como cuerpos sin masa cargados positivamente que se mueven a través de los espacios comparativamente vastos entre los átomos de silicio. Como resultado, este silicio de tipo P también se vuelve conductor. Las partículas virtuales en el silicio de tipo P se conocen como agujeros. Tanto los electrones en el silicio tipo N como los huecos en el silicio tipo P son portadores de carga, y esta es su razón de ser; es lo que hace que los semiconductores sean útiles en nuestro mundo electrónico. Por sí solos, el silicio de tipo N y P no hace mucho. A diferencia del silicio cristalino puro, estos materiales son conductores, pero no son como el cobre, que es muy conductor y maleable, por lo que se puede estirar para formar conductores.

Para crear un diodo, se unen pequeñas piezas de silicio de tipo N y P ultrapuro y se fijan cables en los extremos. Los dispositivos resultantes se conocen como diodos y, junto con los dispositivos semiconductores más complejos, como los transistores, han cambiado nuestro mundo.

Los semiconductores se denominan así no porque sean parcialmente conductores como el carbono o las resistencias de alambre enrollado, sino porque bajo ciertas condiciones conducen y bajo ciertas otras condiciones no conducen. Tiene que ver con cómo están polarizados, es decir, qué polaridad está conectada a qué cable. El cable que está conectado al material de tipo P se conoce como ánodo, y el cable que está conectado al material de tipo N se conoce como cátodo. Como todos sabemos, cuando se trata de cargas eléctricas, lo que no le gusta atrae y lo que le gusta repele. Visualice una fuente de alimentación de CC conectada al diodo, con una lámpara en serie. (Si este experimento se realiza usando un amperímetro, también se debe insertar una carga apropiada en serie para limitar la corriente, para que el diodo y el amperímetro no se destruyan instantáneamente.

Si el polo positivo está conectado al ánodo y el polo negativo está conectado al cátodo, los electrones negativos en el silicio tipo N y los agujeros positivos en el silicio tipo P serán repelidos. Estos portadores de carga se aglomerarán desde ambos lados hacia el cruce. El diodo conducirá. El otro escenario es que el polo negativo de la fuente de energía está conectado al ánodo del diodo y el polo positivo está conectado al cátodo. Ahora los portadores de carga se sienten atraídos por los polos de la fuente de energía. En ambos lados, migran lejos de la unión, que ahora puede considerarse un área de agotamiento. Dado que no hay portadores de carga en esta región, el diodo no conducirá.

El diodo conducirá o no conducirá dependiendo de cómo esté polarizado, es decir, dependiendo de la polaridad del voltaje aplicado. Se puede configurar un relé magnético o un tubo de vacío para hacer lo mismo, pero el diodo de estado sólido es menos costoso, más confiable y, sobre todo, de acción más rápida, es decir, es capaz de una respuesta de frecuencia mucho mejor.

Debido a su capacidad para actuar como una válvula eléctrica unidireccional, el diodo tiene numerosas aplicaciones:

  • Un diodo de bloqueo colocado en serie con una batería evitará el flujo de corriente si la batería se instala al revés en su soporte, protegiendo el equipo valioso de daños por polaridad inversa. Muchos generadores de CC funcionan como motores cuando se aplica la polaridad inversa. Las turbinas eólicas de CC tienen diodos insertados en serie entre el banco de baterías y el generador, de modo que las baterías no se descarguen a través del generador, haciendo girar la turbina cuando no hay brisa. Los sistemas solares fotovoltaicos están protegidos de manera similar.
  • Los diodos Zener se utilizan para regular el voltaje. Como mencionamos, los diodos no conducen cuando tienen polarización inversa. Pero si el voltaje de polarización inversa aumenta por encima de un cierto nivel conocido como voltaje de ruptura, el diodo conducirá repentinamente, destruyendo el dispositivo. Los diodos Zener están diseñados para que puedan tolerar este voltaje de ruptura de polarización inversa sin daños, lo que los hace útiles como reguladores de voltaje, comunes en fuentes de alimentación y vistos en todo tipo de equipos eléctricos.
  • Los diodos de avalancha protegen de manera similar los circuitos contra sobretensiones de alto voltaje.
  • Los diodos varactores se utilizan para sintonizar electrónicamente circuitos de radio.
  • Los diodos de túnel y los diodos de Gunn se utilizan como osciladores en aplicaciones de alta frecuencia.
  • Los diodos emisores de luz se han utilizado como lámparas indicadoras en muchos tipos de equipos electrónicos, y los recientes avances en eficiencia los han hecho adecuados para linternas de alto rendimiento, luces de salida confiables en edificios públicos e incluso iluminación de uso general. Los mandos a distancia portátiles para televisores, aires acondicionados y equipos similares utilizan LED para producir rayos infrarrojos. Los LED también se utilizan en lecturas alfanuméricas.

Las células solares en los sistemas fotovoltaicos son diodos. Si cualquier objeto es golpeado por energía radiante como la luz solar, la energía que no se refleja ni se transmite será absorbida. Esta energía absorbida da como resultado un mayor movimiento molecular, pero la energía eléctrica útil no se puede extraer ya que la energía es aleatoria y las polaridades se cancelan. Si el cuerpo es un diodo con una unión semiconductora, y si los cables están fijados a los extremos alejados de la unión, aparecerá un voltaje y si hay una carga conectada, fluirá la corriente. Para capturar esta energía, los electrodos metálicos deben sujetarse al silicio de tipo N y P. En la parte inferior, esto no es un problema, pero en la parte superior una placa tan sólida bloquearía la energía solar entrante. Se logra un compromiso formando una rejilla para que la energía eléctrica se pueda transportar al cable sin bloquear por completo la luz solar. Los conductores delgados que forman la rejilla tendrán ampacidad limitada, por lo que hay alguna pérdida en comparación con la placa del lado inferior, pero este electrodo se puede optimizar formando los miembros de la rejilla con una sección transversal rectangular, la dimensión larga perpendicular a la superficie. de la celda.

Dado que los diodos conducen en una sola dirección, se pueden usar para rectificar la CA, siendo la salida una CC pulsante, que posteriormente se puede filtrar para suavizar las fluctuaciones. Se puede construir un rectificador simple poniendo un diodo en serie con una fuente de CA. A esto se le llama rectificador de media onda. Como su nombre lo indica, solo se rectifica la mitad de la onda, dejando períodos en blanco en la salida con la consiguiente pérdida de eficiencia. Un rectificador de onda completa es más eficiente y la salida es más suave, por lo que se necesita menos filtrado.

Los diodos pueden funcionar como multiplicadores de voltaje, por ejemplo, duplicando el voltaje de entrada. Varias configuraciones pueden triplicar el voltaje o, utilizadas en cascada, lograr un voltaje muy alto para fines experimentales y de otro tipo.

Los diodos se utilizan para la mezcla no lineal de dos voltajes. Esto se conoce como modulación de amplitud. Una onda portadora de alta frecuencia es modificada por una señal de audio o video. La portadora de alta frecuencia es necesaria para la transmisión a distancia. En el extremo del receptor, se produce la demodulación. La modulación y la demodulación pueden estar en el mismo recinto, en cuyo caso se conoce como módem. A menudo, las dos operaciones tienen lugar a cientos o miles de millas de distancia, pero independientemente de dónde haya modulación, habrá demodulación y ambas operaciones requieren diodos.

La velocidad, la dirección de rotación y otros parámetros operativos de un motor de CA pueden controlarse mediante un variador de frecuencia (VFD). Este es un equipo notable y fácil de usar que depende para su funcionamiento de 12 o más diodos de potencia grandes. Cuando falla un VFD, un diodo en cortocircuito o abierto es el culpable habitual. Un artículo posterior discutirá la solución de problemas y la reparación de VFD con cierto detalle. Por ahora, mencionaremos el hecho de que para un funcionamiento adecuado, el bus de CC debe llevar una corriente continua pura sin armónicos ni contaminación acústica. Esto se determina mejor observando el voltaje que se muestra en la pantalla de un osciloscopio. Todos los condensadores y diodos antes y después del bus de CC deben estar en buen estado. Realice estas pruebas con la fuente de alimentación desconectada y bloqueada, y con los voltajes almacenados completamente descargados. Incluso con estas medidas de protección en su lugar, no es necesario tocar ninguna parte conductora. Utilice únicamente herramientas y equipos de prueba completamente aislados clasificados para el voltaje del sistema.

Los diodos son partes críticas de cada fuente de alimentación en equipos electrónicos donde es necesario convertir la energía de CA o energía generada en el sitio a CC. Al buscar la causa de un mal funcionamiento, observe las rutas de flujo de corriente fuerte; esto suele significar las fuentes de alimentación o las etapas de salida y los dispositivos, como los altavoces. Si el sistema está muerto, es decir, no responde en absoluto cuando está conectado a la fuente de alimentación, es posible que uno o más diodos tengan fallas. Estos, junto con los condensadores electrolíticos, suelen bajar. Una causa frecuente es un cortocircuito seguido inmediatamente por un gran consumo de corriente y luego un abierto, después de que la falla se ha aclarado. Además, las sobretensiones y los transitorios de la línea pueden destruir los diodos. Pruébelos como se describió anteriormente y examínelos visualmente en busca de daños.

Los diodos de gran potencia tienen disipadores de calor para eliminar el exceso de energía térmica. Donde el diodo entra en contacto con el disipador de calor, se debe aplicar una capa muy fina de grasa térmica, sin exceso. El material rellena hoyos en las superficies metálicas de acoplamiento para mejorar la transferencia de calor. Es similar al inhibidor de corrosión que los electricistas aplican en las terminaciones de los grandes conductores de aluminio en los servicios. Nunca use grasa multiusos estándar.

Con tantos tamaños, formas y parámetros eléctricos, no es de extrañar que la sustitución de piezas de diodo pueda resultar problemática. Ahí es donde entran en escena las hojas de datos del fabricante. Estos están disponibles sin costo como descargas en PDF. En su motor de búsqueda, escriba el número de pieza + hoja de datos. Fairchild Semiconductor proporciona hojas de datos completas y bien ilustradas, y son esenciales para el trabajo de diseño y cualquier reparación en la que desee realizar la sustitución de piezas.

Algunos de los parámetros eléctricos y térmicos más importantes son:

  • Voltaje inverso máximo repetitivo
  • Corriente directa rectificada media
  • Corriente directa DC
  • Corriente directa pico recurrente
  • Rango de temperatura de almacenamiento
  • Temperatura de unión operativa
  • Disipación de potencia
  • Resistencia térmica, unión al ambiente
  • Cortocircuito
  • Tensión directa
  • Fuga inversa
  • Capacitancia total
  • Tiempo de recuperación inverso

Además, hay gráficos de rendimiento que muestran varios parámetros eléctricos con la corriente representada frente al voltaje y una curva de reducción de potencia a varias temperaturas. Las hojas de datos también muestran representaciones pictóricas que representan la banda de identificación del cátodo y la identificación del número de pieza.

¿Qué es un diodo? Figura 2
Imágenes (arriba) y esquemáticas (abajo) de un diodo: en el dispositivo, una sola banda denota el cátodo; en el esquema, una punta de flecha es el ánodo.
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David Herres tiene una licencia de Master Electrician de New Hampshire y ha trabajado como electricista en la parte norte de ese estado durante muchos años. Se ha centrado en la redacción desde 2006, habiendo escrito para revistas como ELEVATOR WORLD, Construcción y mantenimiento eléctrico, Negocio de cableado, Negocio eléctrico, Nuts and Volts, PV Magazine, Electrical Connection, Solar Connection, Solar Industry Magazine, Fine HomeRevista de construcción y Noticias de Ingeniería.

Mundo del ascensor | Portada de agosto de 2014

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