El diodo: curva característica, recta de carga, rectificadores y zéner

El cargador del móvil convierte la alterna del enchufe en continua; un LED solo se enciende si lo conectas en un sentido; una placa solar produce corriente cuando le da la luz. Detrás de los tres está el mismo componente: el diodo, que deja pasar la corriente en un sentido y la bloquea en el otro. Es el componente no lineal más sencillo, y aprender a analizarlo es el primer paso para entender los transistores.

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Lo que vas a aprender

• Por qué una unión PN conduce en un sentido y no en el otro.
• Cómo es la curva característica de un diodo y qué la aproxima en cada caso.
• Resolver circuitos con diodos suponiendo un estado y comprobándolo.
• Encontrar el punto de funcionamiento con la recta de carga.
• Cómo funcionan los rectificadores de media onda y de onda completa, y sus valores medio y eficaz.
• Cuándo regula un diodo zéner y cuál es su peor caso.

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Cómo se usa el simulador

Punto de funcionamiento: un diodo con 1 kΩ en serie entre dos fuentes, como en los ejemplos de clase. Se dibujan la curva del diodo y la recta de carga, con el punto de funcionamiento, y el panel Suponer y comprobar muestra el razonamiento: qué estado se supone, qué sale y si es coherente. Rectificadores: media onda o puente, onda senoidal o cuadrada, amplitud $U_m$, diodos ideales o con $V_\gamma$, y diodo invertido. El botón Animar recorre la onda y resalta los diodos que conducen en cada instante. Se comparan los valores medio y eficaz calculados con los de las fórmulas. Regulador zéner: tensión de entrada, $R_S$, carga $R_L$ (hasta «sin carga»), $V_z$ y potencia máxima del zéner. La gráfica muestra la salida en función de la carga y la $R_L$ mínima para que regule.

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Fundamentos teóricos

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La unión PN

Un semiconductor como el silicio conduce poco a temperatura ambiente. Si se le añaden impurezas (dopado) cambia mucho: con átomos de fósforo sobran electrones (tipo N) y con átomos de boro faltan, quedan huecos (tipo P). Al juntar una zona P y una N, los portadores cerca de la frontera se recombinan y dejan una zona de deplexión sin cargas libres, con un campo eléctrico que frena el paso de más portadores.

• Polarización directa (P a más tensión que N): la tensión exterior reduce la barrera y, a partir de unos 0,6 V en silicio, circula una corriente que crece muy deprisa.
• Polarización inversa: la barrera crece y solo pasa una corriente de fugas pequeñísima, hasta que una tensión muy alta provoca la ruptura.

El lado P es el ánodo y el N el cátodo. La corriente va de ánodo a cátodo, en el sentido de la flecha del símbolo.

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Curva característica y modelos

La curva real del diodo es exponencial (ecuación de Shockley): $$i_d = I_S\left(e^{u_d / (n V_T)} - 1\right)$$ con $I_S$ la corriente de saturación (nanoamperios o menos), $V_T \approx 25$ mV a temperatura ambiente y $n$ entre 1 y 2. Como es no lineal, para resolver circuitos a mano se aproxima por tramos rectos: Cuanto más completo el modelo, más preciso el resultado, pero también más trabajo. Con fuentes de varios voltios, el modelo de tensión de codo suele bastar.

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Cómo se resuelve un circuito con diodos

Como el diodo tiene dos estados, se supone uno y se comprueba: Con varios diodos hay que probar combinaciones, pero la intuición del primer paso suele acertar.

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Recta de carga y punto de funcionamiento

Todo lo que rodea al diodo es lineal, así que se puede sustituir por su equivalente Thevenin. Entonces la corriente cumple a la vez la curva del diodo y la recta de carga: $$i = \frac{V_{TH} - u}{R_{TH}}$$ La recta pasa por $(V_{TH}, 0)$ en vacío y por $(0, V_{TH}/R_{TH})$ en cortocircuito. El corte con la curva del diodo es el punto de funcionamiento $(V_P, I_P)$. Es la forma de usar la curva real dibujada en una hoja de características.

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El diodo zéner

Un zéner se fabrica para trabajar en ruptura. En directa es un diodo normal; en inversa no conduce hasta llegar a la tensión zéner $V_z$, y a partir de ahí mantiene $V_z$ casi constante aunque cambie la corriente. Su modelo más sencillo:

• Tensión inversa menor que $V_z$: circuito abierto.
• Conduciendo en inversa: fuente de tensión $V_z$, con la corriente de cátodo a ánodo.
• En directa: como un diodo normal.

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Rectificador de media onda

Una fuente alterna $u_e$, un diodo y la carga $R_L$ en serie. Con diodo ideal, cuando $u_e \gt 0$ el diodo conduce y $u_S = u_e$; cuando $u_e \lt 0$ bloquea y $u_S = 0$. Solo pasan los semiciclos positivos. Con $u_e = U_m \sin\omega t$: $$\overline{u_S} = \frac{1}{T}\int_0^{T/2} U_m \sin\omega t\,dt = \frac{U_m}{\pi} \approx 0{,}318\,U_m \qquad U_{S,ef} = \frac{U_m}{2}$$

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Rectificador de onda completa (puente)

Con cuatro diodos en puente, en cada semiciclo conducen dos en diagonal, y la corriente atraviesa la carga siempre en el mismo sentido. La salida es $|u_e|$: $$\overline{u_S} = \frac{2\,U_m}{\pi} \approx 0{,}637\,U_m \qquad U_{S,ef} = \frac{U_m}{\sqrt2}$$ La media es el doble que en media onda. Con diodos reales se pierden $2V_\gamma$ en cada pico, porque hay dos diodos en el camino.

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Regulador zéner

Una fuente $u_E$, una resistencia $R_S$ y el zéner en paralelo con la carga $R_L$. Para saber si regula, se quita el zéner y se mira qué tensión quedaría en la carga, que es la de un divisor: $$u_S' = u_E\,\frac{R_L}{R_S + R_L}$$ Si $u_S' \gt V_z$, el zéner conduce y fija $u_S = V_z$. Entonces: $$i_{R_S} = \frac{u_E - V_z}{R_S} \qquad i_S = \frac{V_z}{R_L} \qquad i_z = i_{R_S} - i_S$$

• Si la carga baja demasiado ($R_L$ pequeña), la condición deja de cumplirse y la salida cae. La carga mínima es $R_{L,\text{mín}} = R_S\,V_z / (u_E - V_z)$.
• Sin carga ($R_L \to \infty$), toda la corriente de $R_S$ pasa por el zéner. Es el peor caso para el zéner: hay que comprobar que $V_z\,i_z$ no supera su potencia máxima.

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Ejemplos resueltos

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Experimenta con el simulador

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Errores frecuentes

• Suponer un estado y no comprobarlo. Si sale $i \lt 0$ suponiendo que conduce, el diodo está en bloqueo.
• Comprobar el bloqueo con $u_d \lt 0$ en el modelo de codo. Con codo, el diodo bloquea mientras $u_d \lt V_\gamma$.
• Medir la tensión del diodo al revés. Se toma $u_d = V_{ánodo} - V_{cátodo}$ y la corriente de ánodo a cátodo.
• Olvidar que en el puente hay dos diodos en el camino, y restar solo un $V_\gamma$.
• Dar el regulador por bueno sin mirar el peor caso: sin carga, toda la corriente va al zéner.
• Confundir valor medio con eficaz. El medio es lo que marca un voltímetro de continua; el eficaz, el que da la potencia en una resistencia.

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Limitaciones de los modelos

Los modelos lineales ignoran la corriente de fugas en inversa, el efecto de la temperatura (la tensión de codo baja unos 2 mV por grado) y la velocidad: un diodo tarda un tiempo en pasar de conducir a bloquear, lo que importa en circuitos rápidos. También tienen límites que dan las hojas de características: la corriente directa máxima, la tensión inversa máxima antes de la ruptura y la potencia máxima. Los rectificadores reales llevan detrás un condensador que filtra la salida y la deja casi continua, con un pequeño rizado. El simulador muestra la salida sin filtrar.

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Otros diodos

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Un poco de historia

En 1874 Ferdinand Braun descubrió que el contacto entre un hilo metálico y ciertos cristales conducía en un solo sentido: los receptores de radio «de galena» se basaban en eso. En 1904 John Ambrose Fleming inventó el diodo de vacío, una válvula que rectificaba la señal de radio. El diodo de unión PN de silicio llegó en 1940, cuando Russell Ohl, en los laboratorios Bell, descubrió la unión PN en una barra de silicio que generaba corriente al iluminarla. Clarence Zener describió en 1934 la ruptura que lleva su nombre.

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Preguntas frecuentes

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