- Con foco en la estructura y el principio de funcionamiento de los diodos, se explican paso a paso diversas formas de uso en circuitos electrónicos
- Se resume la formación de la unión p-n, la barrera de potencial y las características del flujo de corriente en condiciones de polarización directa e inversa
- Se presentan circuitos de aplicación práctica como protección de circuitos, referencia de voltaje, rectificación, multiplicación de voltaje, clamping de señales y construcción de compuertas lógicas
- Se analizan en detalle, junto con diagramas, las características voltaje-corriente, los resultados de simulación y el papel de los componentes del circuito
- Se enfatiza la importancia fundamental del diodo en la ingeniería electrónica, más allá de ser un simple dispositivo semiconductor
Principios básicos del diodo
- El diodo es un componente relativamente descuidado en la enseñanza de electrónica y, en comparación con resistencias, capacitores e inductores, tiene menos modelado matemático
- Se forma por la unión de semiconductores tipo p y tipo n, y en la unión existe un campo eléctrico interno y una región de agotamiento causados por la difusión de carga
- En polarización directa, la corriente fluye a partir de aproximadamente 0.6V (en silicio), mientras que en polarización inversa se mantiene casi en estado aislante
- Si el voltaje inverso aumenta lo suficiente, ocurre el fenómeno de ruptura (breakdown) y la corriente se incrementa bruscamente; el dispositivo que aprovecha esto es el diodo Zener
Aplicaciones de protección de circuitos
- Un diodo Zener conectado en inversa deja pasar corriente cuando el voltaje de entrada supera un límite, realizando protección contra sobretensión
- Este método se comercializa como TVS (Transient Voltage Suppressor) para suprimir descargas electrostáticas o picos de voltaje de cargas inductivas
- Para protección bipolar, se puede construir un TVS bidireccional conectando dos diodos en sentidos opuestos
- Para protección contra inversión de polaridad en la alimentación, se inserta un diodo en directa en serie para bloquear el circuito ante polaridad inversa
- Sus desventajas son la caída de voltaje y la generación de calor; en circuitos de bajo voltaje se prefieren esquemas de protección basados en transistores
Circuitos de referencia de voltaje
- El diodo Zener muestra la propiedad de mantener un voltaje estable en su voltaje de ruptura inversa, por lo que se usa como referencia de voltaje
- Si la corriente se limita con una resistencia, el cambio en el voltaje de salida es pequeño frente a variaciones en el voltaje de entrada
- En el circuito de ejemplo, una variación de 1V en la entrada produce una variación de unos 45mV (5%) en la salida
- Se puede mejorar la estabilidad con una configuración multietapa (en cascada), y el voltaje del primer Zener debe ser mayor que el del segundo
- En aplicaciones de precisión se usan circuitos de referencia basados en transistores con compensación térmica, pero el Zener sigue siendo una alternativa simple y válida
Rectificación y detección de señales
- El rectificador de media onda deja pasar solo el semiciclo positivo (+) de la entrada de AC para cargar un capacitor y formar un voltaje DC en la salida
- Combinando capacitor y resistencia, puede utilizarse como detector de envolvente para señales AM (envelope follower)
- El rectificador de onda completa (puente rectificador) está compuesto por cuatro diodos y aprovecha tanto el semiciclo positivo como el negativo de la entrada
- El capacitor de salida se carga con la misma polaridad, lo que permite una conversión a DC eficiente
Circuito multiplicador de voltaje
- El multiplicador de voltaje (voltage doubler) utiliza dos diodos y capacitores para almacenar por separado los voltajes pico positivo y negativo de la forma de onda de entrada
- El voltaje entre los terminales de salida corresponde al doble del pico de entrada (2×V_peak)
- En circuitos modernos, en lugar de diodos se usa conmutación con transistores para reducir la caída de voltaje y permitir el funcionamiento incluso con entrada DC
Clamper (restaurador de DC)
- El circuito clamper desplaza la referencia DC de una señal AC para ajustar el pico negativo cerca de 0V
- El capacitor se carga hasta el voltaje pico de la señal y luego toda la forma de onda se desplaza hacia arriba
- La resistencia de carga ajusta la velocidad de respuesta ante cambios de largo plazo en la señal, y el funcionamiento estable es posible incluso solo con corriente de fuga
- En pruebas se recomienda una combinación de capacitor de 10~100 µF y resistencia de 1 MΩ
Circuitos lógicos con diodos
- Solo con diodos es posible implementar operaciones lógicas simples (OR, AND)
- Circuito OR: si cualquiera de las entradas tiene voltaje positivo, la salida sube
- Circuito AND: la salida solo tiene voltaje positivo cuando todas las entradas lo tienen
- Sin embargo, estos circuitos no son adecuados para lógica de varias etapas debido a su baja capacidad para manejar corriente de salida
- En el circuito de ejemplo, según la combinación de entradas, aparece un estado de voltaje intermedio, por lo que no se puede mantener un valor lógico claro
Conclusión
- El diodo va más allá de ser un simple dispositivo para bloquear corriente y cumple un papel clave en control de voltaje, protección, conversión, procesamiento de señales y operaciones lógicas
- Incluso hoy, cuando los circuitos complejos con transistores son comunes, sigue siendo importante como elemento básico para construir circuitos electrónicos simples y confiables
1 comentarios
Opinión de Hacker News
Vi que faltaban algunas aplicaciones de circuitos analógicos, así que comparto tres de mis favoritas
Los diodos son componentes no lineales, así que su resistencia dinámica cambia según el punto de operación, y si la modulas produces el efecto de modular la propia resistencia
Me pregunto si de verdad ya no se enseñan estas cosas en el plan de estudios de ingeniería electrónica. Antes lo veíamos todo en materias EE 2XX/3XX de licenciatura. Me queda la duda de si ahora, en vez de diodos, se enfocan más en diseño centrado en IC
Puedes simular varios circuitos con diodos directamente en el navegador con CircuitLab
(como referencia, yo mismo escribí el motor de simulación)
Si conectas varios diodos en serie, pueden servir como una caída de voltaje barata. Por ejemplo, para bajar la velocidad de un ventilador de PC y que haga menos ruido
Uno de los circuitos que siempre me ha parecido interesante es el Diode Ladder Filter — enlace de YouTube
También puedes experimentar tú mismo con un simulador de circuitos en línea — Falstad CircuitJS
Justo hoy recibí un paquete de diodos de Digi-Key. Voy a reparar el rectificador en puente de la tarjeta de control de un calentador de piscina
También puedes armar una pequeña ROM con diodos en una placa. Por ejemplo, para almacenar datos de mapa de bits, o incluso acomodar los diodos con forma de mapa de bits para sumar puntos de estilo — caso de Computer Space
Hoy usé diodos comunes justo para bajar un poco el voltaje de entrada. Solo quería bajarlo 0.7 V, así que fue más eficiente que un buck converter. Un diodo Zener también podría servir, pero a corrientes altas disipa demasiado calor
También existe el circuito octavador — enlace al esquema