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

> El diodo semiconductor explicado: unión PN, curva característica, modelos ideal, de tensión de codo y con resistencia dinámica, punto de funcionamiento, rectificadores de media onda y de puente, y regulador zéner.

<Card title="Abrir el simulador" icon="flask" href="https://simulab.es/electronica/diodo">
  Busca el punto de funcionamiento con cuatro modelos, rectifica una alterna y regula una tensión con un zéner.
</Card>

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.

## 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.

## Cómo se usa el simulador

**Punto de funcionamiento:** un diodo con 1 kΩ en serie entre dos fuentes, como en los ejemplos de clase.

| Control | Qué hace | Rango |
| - | - | - |
| **V₁ · lado del ánodo** y **V₂ · lado del cátodo** | Tensiones de las dos fuentes | −20 – 20 V |
| **R** | Resistencia en serie | 0,1 – 10 kΩ |
| **Tipo** | Diodo rectificador o zéner | — |
| **Modelo** | Ideal, tensión de codo, codo + $r_d$ o real (exponencial) | — |
| **Vγ, r\_d, Vz** | Parámetros del modelo elegido | — |

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.

<Tip>
  La configuración se guarda en el enlace: comparte un circuito concreto copiando la dirección.
</Tip>

## Fundamentos teóricos

### 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.

### 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:

| Modelo | En conducción | En bloqueo |
| - | - | - |
| **Ideal** | Cortocircuito: $u_d = 0$ | Abierto: $i_d = 0$ |
| **Tensión de codo** | Fuente: $u_d = V_\gamma$ (Si ≈ 0,6 V, Ge ≈ 0,3 V) | Abierto |
| **Codo + resistencia dinámica** | $u_d = V_\gamma + r_d\,i_d$ | Abierto |

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.

### Cómo se resuelve un circuito con diodos

Como el diodo tiene dos estados, se **supone uno y se comprueba**:

<Steps>
  <Step title="Suponer un estado">
    Lo más rápido es "ver" cuál es más probable: si el ánodo queda a más tensión que el cátodo, seguramente conduce.
  </Step>

  <Step title="Resolver con el modelo de ese estado">
    Si conduce, el diodo es un corto (o una fuente $V_\gamma$). Si bloquea, es un abierto.
  </Step>

  <Step title="Comprobar">
    Si supusiste que **conduce**, tiene que salir $i_d \gt 0$. Si supusiste que **bloquea**, tiene que salir $u_d \lt V_\gamma$ (con el ideal, $u_d \lt 0$). Si no se cumple, cambia de estado y repite.
  </Step>
</Steps>

Con varios diodos hay que probar combinaciones, pero la intuición del primer paso suele acertar.

### 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.

### 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.

### 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 $u_e = U_m \sin\omega t$:

$$
\overline{u_S} = \frac{1}{T}\int_0^{T/2} U_m \sin\omega t\,dt = \frac{U_m}{\pi} \approx 0{,}318\,U_m \qquad U_{S,ef} = \frac{U_m}{2}
$$

### 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.

<Warning>
  En el puente, la entrada y la salida **no comparten masa**. Si se miden a la vez con las dos sondas de un osciloscopio, cuyas masas están unidas, se cortocircuita un diodo.
</Warning>

### 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.

## Ejemplos resueltos

<AccordionGroup>
  <Accordion title="Ejemplo 1 · Diodo en inversa" defaultOpen>
    Fuente de 5 V en el lado del ánodo, 15 V en el del cátodo, 1 kΩ en serie. Diodo ideal.

    El cátodo está a más tensión que el ánodo: polarización **inversa**. Suponemos que bloquea, así que $i = 0$. Sin corriente no cae tensión en la resistencia, y el diodo soporta toda la diferencia:

    $u_d = 5 - 15 = -10\ \text{V}$

    **Comprobación:** $u_d = -10 \lt 0$ ✔. Resultado: $i = 0$, $u_d = -10$ V.
  </Accordion>

  <Accordion title="Ejemplo 2 · Diodo en directa con tres modelos">
    Ahora 15 V en el ánodo y 5 V en el cátodo. Malla: $15 - 1000\,i - u_d - 5 = 0$, es decir, $i = (10 - u_d)/1000$.

    | Modelo | $u_d$ | $i$ |
    | - | - | - |
    | Ideal | 0 | 10 mA |
    | Tensión de codo 0,6 V | 0,6 V | 9,4 mA |
    | Codo + $r_d$ = 0,1 Ω | 0,6009 V | 9,399 mA |

    En los tres casos $i \gt 0$ ✔. Pasar del ideal al de codo cambia el resultado un 6 %; añadir $r_d$, un 0,001 %. Normalmente basta con el modelo de codo.
  </Accordion>

  <Accordion title="Ejemplo 3 · Resolución gráfica">
    El mismo circuito, con la curva real del diodo: empieza a conducir hacia 0,6 V y llega a 10 mA cerca de 1 V.

    Visto desde el diodo, el resto es un Thevenin de $V_{TH} = 15 - 5 = 10$ V y $R_{TH} = 1$ kΩ. La recta de carga va de $(10\ \text{V}, 0)$ a $(0, 10\ \text{mA})$: casi horizontal en la zona del diodo. Corta a la curva en

    $V_P \approx 0{,}9\ \text{V} \qquad I_P \approx 9{,}1\ \text{mA}$

    Casi lo mismo que con el modelo de 0,6 V. Es lo que da el modelo «Real» del simulador.
  </Accordion>

  <Accordion title="Ejemplo 4 · Zéner en inversa">
    Zéner de 5 V, 5 V en el ánodo y 15 V en el cátodo, 1 kΩ.

    Un diodo normal bloquearía, pero la tensión inversa sería de 10 V, mayor que $V_z$: el zéner entra en zona zéner y $u_d = -5$ V.

    $5 - 1000\,i - (-5) = 15 \;\Rightarrow\; i = -5\ \text{mA}$

    La corriente sale negativa: va de cátodo a ánodo, que es el sentido de conducción en zona zéner ✔.
  </Accordion>

  <Accordion title="Ejemplo 5 · Diseñar un regulador">
    Entrada de 12 V, zéner de 5,1 V y 500 mW, $R_S$ = 220 Ω. ¿Qué cargas puede alimentar?

    **Carga mínima:** $R_{L,\text{mín}} = \dfrac{220 \cdot 5{,}1}{12 - 5{,}1} = 163$ Ω. Con menos, la salida baja de 5,1 V.

    **Peor caso para el zéner (sin carga):** $i_z = \dfrac{12 - 5{,}1}{220} = 31{,}4$ mA y $P_z = 5{,}1 \cdot 31{,}4 = 160$ mW, por debajo de 500 mW ✔.

    **Con 1 kΩ:** $i_{R_S} = 31{,}4$ mA, $i_S = 5{,}1$ mA e $i_z = 26{,}3$ mA.
  </Accordion>

  <Accordion title="Ejemplo 6 · Valores de un rectificador">
    Una senoidal de 10 V de pico pasa por un rectificador de media onda y por un puente, con diodos ideales.

    **Media onda:** media $10/\pi = 3{,}18$ V, eficaz $10/2 = 5$ V.

    **Puente:** media $2 \cdot 10/\pi = 6{,}37$ V, eficaz $10/\sqrt2 = 7{,}07$ V.

    Con diodos de 0,6 V, el pico de salida del puente baja a $10 - 1{,}2 = 8{,}8$ V.
  </Accordion>
</AccordionGroup>

## Experimenta con el simulador

<Steps>
  <Step title="¿Conduce o bloquea?">
    Con el diodo ideal, deja $V_2$ = 5 V y baja $V_1$ desde 15 V. ¿En qué valor deja de conducir? Repite con el modelo de codo: ¿cambia el valor?
  </Step>

  <Step title="¿Importa el modelo?">
    Con $V_1$ = 15 V y $V_2$ = 5 V, cambia entre los cuatro modelos y apunta la corriente. Después baja la diferencia a 1 V: ¿sigue dando igual el modelo?
  </Step>

  <Step title="Mueve la recta">
    Con el modelo real, cambia $R$. ¿Qué pasa con la pendiente de la recta de carga y con el punto de funcionamiento?
  </Step>

  <Step title="Media onda contra puente">
    Compara el valor medio de los dos rectificadores con la onda senoidal y después con la cuadrada. Comprueba las fórmulas.
  </Step>

  <Step title="Rompe el regulador">
    En el regulador, baja $R_L$ hasta que deje de regular. Compara ese valor con $R_{L,\text{mín}}$. Luego quita la carga: ¿cuánto disipa el zéner?
  </Step>
</Steps>

## 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.

## 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.

## Otros diodos

| Diodo | Qué tiene de especial |
| - | - |
| **LED** | Emite luz en directa. Su tensión de codo es de 1,5 a 3 V según el color, y siempre lleva una resistencia en serie |
| **Fotodiodo** | En inversa deja pasar una corriente proporcional a la luz. Trabajando como generador, es una célula solar |
| **Schottky** | Unión metal-semiconductor: muy rápido y con solo unos 0,2 V de caída |
| **Láser** | Como un LED, pero emite luz láser a partir de una corriente umbral |
| **Varicap** | Su capacidad cambia con la tensión inversa; se usa para sintonizar |

## 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.

## Preguntas frecuentes

<AccordionGroup>
  <Accordion title="¿Por qué la tensión de codo es 0,6 V en silicio y 0,3 V en germanio?">
    Depende de la anchura de la banda prohibida del material: el germanio la tiene menor, y basta menos tensión para que pasen los portadores. En los LED es mayor, y por eso emiten fotones de más energía.
  </Accordion>

  <Accordion title="¿Se puede conectar un diodo directamente a una pila?">
    En directa, no: la corriente crece exponencialmente con la tensión y el diodo se quemaría. Siempre se pone una resistencia que limite la corriente, sobre todo con los LED.
  </Accordion>

  <Accordion title="¿Para qué sirve un diodo en paralelo con un relé?">
    Para proteger el circuito: al cortar la corriente de la bobina del relé aparece un pico de tensión inversa enorme, y el diodo le da un camino. Se llama diodo de rueda libre.
  </Accordion>

  <Accordion title="¿Qué diodos se usan en la práctica?">
    El 1N4148 para señales pequeñas y conmutación rápida, y el 1N4007 como rectificador de alimentación (1 A y 1000 V). Sus hojas de características son una buena referencia para ver los parámetros reales.
  </Accordion>

  <Accordion title="¿Por qué se usa el valor eficaz?">
    Porque es la tensión continua que daría la misma potencia en una resistencia. Los 230 V del enchufe son un valor eficaz: el pico es $230\sqrt2 \approx 325$ V.
  </Accordion>
</AccordionGroup>

## Temas relacionados

<CardGroup cols={3}>
  <Card title="Thevenin y Norton" icon="bolt" href="/electronica/analisis-circuitos/thevenin-norton">
    El equivalente del circuito que ve el diodo y la recta de carga.
  </Card>

  <Card title="Potencia eléctrica" icon="plug" href="/electronica/componentes/potencia-electrica">
    Para comprobar que un componente no se va a quemar.
  </Card>

  <Card title="Circuitos RC y RL" icon="wave-square" href="/fisica/electricidad/circuitos-rc">
    El condensador que se pone detrás de un rectificador para filtrar.
  </Card>
</CardGroup>


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