EL ELECTRÓN ES DIVERTIDO: UN COMPONENTE INSUSTITUIBLE, EL DIODO

A los frikis del conocimiento, les sorprenderá saber que este minúsculo componente es, probablemente, la razón de ser de toda nuestra moderna tecnología electrónica. Es posible que ni la radio, televisión, comunicaciones por satélite, telefonía móvil, computadoras, etc., hubieran existido si no fuera por el descubrimiento del fenómeno eléctrico que se produce en un diodo. Y no lo sería, porque entonces tampoco hubiera existido el transistor (que no es más que la unión de dos diodos), y de cuyo éxito ya nadie puede dudar, pues fue la integración de millones de transistores en minúsculos chips lo que ha permitido, por ejemplo, desarrollar la actual tecnología de ordenadores, con microprocesadores capaces de computar miles de millones de órdenes por segundo. Nuestro actual progreso y calidad de vida, lo debemos, en mi opinión, a un componente tan simple como un diodo.

Primero, un poco de historia

Cuando Frederick Guthrie en 1873, y Thomas Edison siete años después, descubrieron el extraño fenómeno de conducción eléctrica que se producía entre determinados elementos dependiendo de la orientación de la corriente, no le encontraron en principio ninguna aplicación práctica. Aunque Edison tuvo vision de futuro, apresurándose a patentar el descubrimiento como «Efecto Edison», ni él ni su colega Guthrie imaginaban la trascendencia que la aplicación de ese efecto tendría sólo 30 años después.

La más exitosa aplicación del diodo nació con el desarrollo de la radio.  El primer diodo patentado con estos fines fue presentado en 1904 por un científico llamado J.A. Fleming que había trabajado anteriormente para Edison, y por tanto era conocedor de las características técnicas de ese efecto. Se trataba de un diodo termoiónico, es decir, precisaba de calentamiento previo para poder emitir iones desde un elemento emisor llamado cátodo, hacia otro elemento receptor llamado Ánodo; esos elementos estaban encerrados en una ampolla de cristal donde se había hecho el vacío. Una particularidad de este dispositivo, era la de permitir la circulación de la corriente en un sentido (del polo negativo hacia el positivo) pero no en sentido contrario. Su empleo en los circuitos de radio era como detector, para obtener la parte útil de las ondas electromagnéticas recibidas.

Pero, ese efecto de conducción en un solo sentido ya había sido observado en 1874 por el científico alemán Karl Ferdinand Braun en determinados cristales. Y así, tanto el estudio y desarrollo de los diodos termoiónicos como los diodos de cristal semiconductor se fueron manifestando casi a la par en las siguientes décadas, aunque en un principio el de cristal cobró gran popularidad para la fabricación de las radios de galena, llamadas así porque incluían un detector de ese mineral que resultaba más económico que otros minerales, como el silicio. En general se probaron variados minerales y sustancias además de los citados, como el selenio o el óxido de hierro, pero fue la galena la que tuvo el mayor éxito. Ya desde 1884 se comenzaron a probar cristales semiconductores como detectores de ondas de radio, siendo el científico indio Chandra Bose el primero en proponerlo para esta función. Con la introducción a mediados del siglo XX de los diodos de germanio, el diodo de galena fue finalmente abandonado.

La indiscutible coronación del diodo se produjo con el nacimiento del transistor en 1947 el cual, en su formato más básico, no es más que la unión de dos diodos montados de forma que se opongan sus cátodos (PNP) o sus ánodos (NPN). No obstante, este artículo lo dedicaré únicamente al diodo en su configuración más simple, por ser ya un tema que ocupará gran extensión, dejando el transistor para otro artículo posterior que sin duda no será menos extenso.

Hoy en día existen variados tipos de diodos para necesidades diversas, desde la rectificación, detección, conmutación, estabilización, pasando por aplicaciones resistivas y capacitivas en circuitos de radiofrecuencia, hasta llegar a las más modernas aplicaciones en iluminación y señalización de alto rendimiento, como semáforos, lámparas de bajo consumo y ópticas de automóviles.

Seguidamente haré un recorrido por la mayoría de ellos, sus características y aplicaciones, e intentaré mostrar ejemplos prácticos de su uso.

LOS TIPOS DE DIODOS

En la imagen podemos ver ocho tipos de diodos utilizados habitualmente. Para iniciar su estudio, podemos tomar el diodo rectificador por ser la forma más básica de este componente, y adecuada para comprender el funcionamiento general. El resto de diodos se basan en el mismo funcionamiento, aunque presentan características específicas, útiles para su empleo en determinados circuitos, y que abordaremos particularmente.

EL DIODO DE UNIÓN (RECTIFICADOR)

La misión principal de un diodo de unión (utilizado habitualmente como rectificador de corriente) es la de permitir el paso de la corriente cuando es polarizado en sentido directo y oponerse a su paso cuando se polariza en sentido inverso. Antes de explicarlo con su correspondiente esquema, conviene identificar los terminales para tener claro desde el principio cómo se mueven los electrones. En un diodo, la corriente siempre circula en sentido contrario al que simboliza la flecha (la punta de la flecha señala al cátodo y el otro extremo es el ánodo), es decir, para que conduzca tendría que aplicarse el polo negativo al cátodo y el positivo al ánodo.

Debo hacer un inciso para hablar sobre el sentido real de conducción de la corriente: originalmente, la teoría convencional estableció que la corriente circulaba desde el polo positivo hacia el negativo, es decir, transportando cargas positivas, pero con posterioridad la teoría electrónica corroboró que existía una circulación de electrones (cargas negativas) entre el polo negativo y el positivo. Curiosamente, ambas teorías son correctas, en tanto que siendo cierto que los electrones se mueven hacia el polo positivo, también es cierto que los huecos que dejan los electrones constituyen cargas positivas que atraen a otros electrones, produciéndose lo que se llama circulación de huecos. Por tanto, podemos convenir que entre el positivo y el negativo se produce una corriente de huecos, mientras que entre el negativo y el positivo se produce una corriente de electrones. Yo aquí siempre me referiré a la teoría electrónica, o sea, siempre que hable de circulación de corriente se dará por hecho que es partiendo del polo negativo hacia el positivo de la fuente.

Dicho esto, veamos dos ejemplos de polarización de un diodo de unión:

Polarización de un diodo de unión en directa e inversa

Cuando el diodo queda polarizado en forma directa (polo negativo en el cátodo y positivo en el ánodo) se comporta casi como un corto, es decir, la resistencia que presenta es tan pequeña que apenas se opone a que circule la corriente a su través. Por el contrario, si lo polarizamos inversamente, presenta una altísima resistencia que sólo se rompería si el voltaje entre sus extremos sube de cierto de valor. Así, si ese voltaje se incrementase progresivamente, llegaría a un punto en que no podría soportar la diferencia de potencial y su alta resistencia caería de golpe, produciéndose lo que se llama «efecto avalancha», destruyendo el diodo; a esa tensión máxima inversa que puede soportar el diodo se le llama «tensión de ruptura». No obstante, existen otros tipos de diodos como el zener, que luego abordaré, en el que resulta útil aprovechar ese efecto como regulador de tensión, derivando a masa la corriente excesiva en un circuito para así mantener siempre un nivel de voltaje estable. Obvia decir, que el zener tiene unas características de construcción diferente al diodo rectificador, pues en el zener una elevación de voltaje hasta ciertos límites no culminaría con su destrucción, como sucede con el diodo rectificador, sino que es precisamente ese efecto avalancha el que resulta aprovechable.

Una característica técnica del diodo de unión es la de comenzar a conducir cuando se polariza directamente por encima de aproximadamente 0,7v. Con polarización inversa sólo existe una pequeñísima corriente de fuga, que no se incrementa hasta que alcanza la citada tensión de ruptura.

Las aplicaciones del diodo de unión

El diodo de unión, actuando como rectificador, es probablemente la función más recurrida en un circuito de corriente continua. La inmensa mayoría de circuitos electrónicos que conocemos funcionan con corriente continua, es decir, aquella que no cambia de polaridad, como es la que proviene de pilas o baterías eléctricas; el diodo tiene aquí una misión fundamental de rectificación cuando precisamos utilizar como fuente la corriente alterna que llega a nuestros hogares a través de las redes de abastecimiento. Dos ejemplos que todos encontraremos muy cercanos en los que se utilizan diodos como rectificador de corriente alterna son el cargador de nuestro teléfono móvil (para los hispanos, el «celular»), o el alimentador del ordenador portátil, entre otros muchos ejemplos que podríamos citar.

Veamos en un esquema cómo funciona el diodo rectificador:

Arriba tenemos un circuito muy simple, compuesto por una fuente de corriente alterna (puede ser cualquier enchufe que tengamos en nuestro hogar), un transformador que nos entrega 15V en el secundario, un diodo rectificador y una resistencia de carga. A la salida del transformador está conectado un osciloscopio, que nos muestra la curva de voltaje antes de ser rectificada; y a la salida del diodo está conectado otro osciloscopio que muestra la curva de voltaje despues de pasar por el diodo.

Por motivos prácticos en las gráficas solo se visualizan cuatro ciclos. El primer osciloscopio muestra unas ondas sinosuoidales completas, es decir, parten de cero, llegan a un máximo positivo, regresan a cero, llegan a un máximo negativo, y de nuevo terminan en cero completando cada onda; después de cada ciclo se inicia otro, y así hasta contabilizar 50 ciclos en un segundo. Esto es lo que encontraremos en cualquier toma de corriente de nuestro hogar, y que sirve para alimentar numerosos dispositivos de alterna, como las lámparas, la plancha, la lavadora, el lavaplatos, etc.

Por su parte, el segundo osciloscopio nos muestra cómo es la corriente a la salida del diodo. Podemos observar claramente que faltan los medios ciclos negativos. Esto es debido a que el diodo sólo deja pasar la corriente que le llega a su ánodo con polaridad positiva, bloqueándola cuando es de polaridad negativa. Por tanto, ya tenemos a la salida del diodo una corriente continua de media onda, es decir, el voltaje se interrumpe durante el tiempo en que el diodo no conduce (semiciclos negativos) y reanuda cuando conduce (semiciclos positivos). Obviamente, esta corriente de media onda es poco útil para alimentar circuitos electrónicos, aunque nos sirve para ilustrar el concepto de rectificacion de corriente.

En el siguiente esquema, vamos a depurar aún más este circuito de corriente continua de media onda, tratando de rectificar también los semiciclos negativos. Se pretende, pues, obtener una corriente continua por rectificación de onda completa.

La rectificación la vamos a realizar ahora mediante un puente de diodos configurados en la forma que se puede observar en el esquema. Con esa disposición, el voltaje positivo se obtiene a la salida de la unión de dos cátodos, y el voltaje negativo se obtiene a la salida de la unión de dos ánodos. Así, cuando la corriente que llegue al puente esté en su semiciclo negativo en la rama superior (justo el momento que se muestra en la imagen), circulará por el único camino que le permite el par de diodos superior izquierdo e inferior derecho, quedando los otros dos diodos en oposición por estar polarizados inversamente. Por su parte, cuando se cumple ese semiciclo y se invierte la polaridad pasando el polo negativo a la rama inferior, los dos diodos anteriores pasan a ser polarizados inversamente (no conducen) y son el otro par de diodos superior derecho e inferior izquierdo los que darán camino a la corriente. Al final, sea cual sea la polaridad de la corriente que entra en el puente, a la salida tendremos siempre la misma polaridad y continua (la corriente estará siempre sobre cero y hacia positivo, y nunca bajará de cero hacia negativo). Si observamos el gráfico, vemos como el hueco que antes estaba vacío por ausencia de rectificación del semiciclo negativo, está ahora cubierto por otro semiciclo positivo.

Sin embargo, aunque hemos conseguido rectificar una onda completa con un puente de cuatro diodos, se puede observar que existe todavía una corriente pulsante o rizada a la salida, debido al recorrido ascendente y descendente de cada semiciclo que tiene por naturaleza la corriente alterna. Esto no sería un problema para alimentar circuitos electromecánicos, pero en los que se maneje audio, por ejemplo, ese rizado sería escuchado sin ninguna duda en los altavoces en forma de un molesto picoteo. Por ello, y aunque se escapa a este artículo dedicado enteramente al diodo, me extenderé un poco más para explicar cómo se eliminan esas pulsaciones. La solución está en la filtración del voltaje de salida mediante un condensador electrolítico.

Veamos en el siguiente esquema cómo funciona el filtrado:

El condensador electrolítico introducido en el circuito se carga a la tensión de pico de cada semiciclo, y cuando éste cae hacia cero va reponiendo a la salida el voltaje que falta, y asi en todos y cada uno de los semiciclos. La gráfica muestra cómo se ha suavizado notablemente el rizado, convirtiendo la salida casi en una linea continua. Cuanto más capacidad tenga el condensador de filtro más plana será la salida y más limpio de ruido será el voltaje que se entregue al aparato que se vaya alimentar.

Lo que hemos visto es una fuente de alimentación completa, que nos sería útil para alimentar un dispositivo (a falta de establecer su voltaje de funcionamiento), pues incluye su transformador de corriente, su puente rectificador y su correspondiente condensador de filtro. Las fuentes más sofisticadas incluyen obviamente muchos más componentes que los descritos, como transistores, integrados estabilizadores…, para reducir al mínimo posible el rizado y otras variadas características, como la posibilidad de ser cortocircuitable, etc.

EL DIODO ZENER

Como ya expliqué antes, un diodo normal, cuando es polarizado directamente, se comporta como una resistencia de muy bajo valor (casi un corto) y, por el contrario, presenta una resistencia de alto valor cuando se polariza inversamente. También dije, que si la tensión de polarización inversa sube de cierto nivel se entraría en una zona de ruptura y se produciría el conocido como «efecto avalancha» (un paso rápido de un estado de no conducción a otro de máxima conducción).

En el diodo zener es precisamente la zona de ruptura y su efecto avalancha la que resulta aprovechable. Por ello, un zener funciona siempre polarizado en sentido contrario al de un diodo normal. He de decir, que si el zener lo polarizásemos directamente, funcionaría de la misma forma que un diodo rectificador normal, pero no cumpliría con la función para la cual fue diseñado.

Las aplicaciones de un diodo zener

La aplicación más común de un diodo zener es la de estabilizador de voltaje, es decir, mantener un voltaje constante en una carga independientemente de las variaciones de tensión de la fuente, o de las variaciones de resistencia de la propia carga.

Veamos en el sencillo circuito de abajo cómo funciona un zener:

En este circuito tenemos una fuente (Vaa) que puede variar su voltaje; una resistencia (R) que permitirá compensar las variaciones de tensión en la carga; un diodo zener polarizado correctamente para actuar como tal; y una resistencia de carga (RL).

Con esta disposición, el diodo zener tiene que ser capaz de mantener un voltaje constante en la carga, si se da una o las dos siguientes causas:

1) Que varíe el voltaje que suministra la fuente Vaa.
2) que varíe la corriente IL que circula por la carga RL

Hagamos un ejemplo con números

supongamos que la fuente (Vaa) entrega un voltaje de 10 voltios, y que la resistencia de carga (RL) necesita funcionar con 6 voltios constantes. Ya sabemos pues que el valor de la «tensión zener» (Vz) del diodo debe ser de 6 voltios. Es obvio, que el resto de voltaje que no cae en la carga tendrá que hacerlo inevitablemente en la resistencia R. Por tanto sabemos también que en R caerán siempre 4 voltios (10 – 6 = 4). Esta es la situación ideal, pero si se presenta alguno de los dos casos anteriores, el zener debería trabajar para compensar las diferencias y mantener siempre los 6 voltios en los extremos de la carga.

Veamos qué sucede si se presenta el caso 1 anterior:

Si por cualquier motivo la fuente eleva su tensión (pongamos a 11 voltios), el zener conducirá más (Iz se incrementará), lo cual provocará que en la resistencia R se incremente también la caída de voltaje en la misma proporción (hasta 5 voltios), de esta forma se compensa el exceso de voltaje de la fuente. En consecuencia, en RL habrá siempre 6 voltios, cayendo los 5 voltios restantes en R.

Veamos qué sucede si se presenta el caso 2 anterior:

Si por cualquier motivo la resistencia de carga RL reduce su valor, provocará un aumento de la corriente que circula por ella (IL). En consecuencia, dado que el voltaje de la fuente no ha variado, y que la corriente total (IT) tampoco puede variar, la única forma de que sigan cayendo 4 voltios en R y 6 voltios en la carga, es que el diodo zener reduzca la corriente Iz que circula a través de ella. De esta forma, un aumento de corriente por un lado es compensado con una reducción de corriente por el otro, y como la corriente total no ha variado, se consiguen mantener así los 6 voltios entre los extremos de la carga.

Continuará…