3. EL DIODO RECTIFICADOR

 

3.1. LA UNIÓN P-N

 

Lo primero que vamos a hacer es diferenciar entre el dispositivo diodo y el componente diodo, si bien hay que aclarar que en el uso cotidiano se utiliza el término diodo para referirse tanto al dispositivo como al componente.

 

Un dispositivo diodo es una unión P-N. Es decir, una unión de un semiconductor extrínseco de tipo P con un semiconductor extrínseco de tipo N. (A este tipo de unión se le llama homounión, por realizarse entre dos materiales de la misma naturaleza conductiva. Existen también las heterouniones, que son las que se realizan entre dos materiales de distinta naturaleza conductiva, por ejemplo la unión entre conductor y semiconductor). La unión P-N surge como consecuencia del dopado de un cristal de silicio, de forma que una mitad del cristal resulte en tipo P y la otra en tipo N (o bien por la fusión de dos cristales aislados, uno de cada tipo).

 

Al formarse la unión P-N surge el diodo...

 

- El terminal al que conectemos la mitad de tipo P será el ánodo del diodo.

 

- El terminal al que conectemos la mitad de tipo N será el cátodo del diodo.

 

- Al espacio sin cargas libres situado entre la zona P y la zona N del diodo lo denominaremos zona de agotamiento del diodo.

 

Este es el símbolo del dispositivo diodo. En él hemos marcado con una A el extremo correspondiente al ánodo y con una K el extremo correspondiente al cátodo. (NOTA: en muchos textos el triángulo del símbolo del diodo es un contorno, pero el que esté relleno de negro o no es irrelevante).

 

Símbolo del diodo rectificador.

 

En cambio, el componente diodo es el encapsulado que contiene esta unión P-N y que se montará directamente en el circuito, con su aspecto y su presentación.

 

Esta situación es análoga a la que puede ocurrir con el "dispositivo" resistencia (la relación voltaje-intensidad de corriente, dada por la ley de Ohm) y el "componente" resistencia (la "resistencia" de un microondas, de un brasero, etc). Fundamentalmente, aquí trataremos del diodo como dispositivo, no como componente; o lo que es lo mismo, estudiaremos el comportamiento interno del componente diodo (su fundamento físico, su unión P-N, la razón por la que conduce o no según la tensión aplicada...), sin meternos en cuestiones como las adecuadas condiciones de temperatura para su funcionamiento, encapsulado, tolerancia a fallos, modelos, etc.

 

 

3.2. COMPORTAMIENTO DEL DIODO EN RÉGIMEN ESTÁTICO

 

(NOTA: en lo sucesivo, cuando hablemos de "diodo" a secas se deberá entender que nos estamos refiriendo al diodo rectificador).

 

Hablar de régimen estático es hablar de corriente continua. Como primera aproximación, y aunque como se verá esto no es del todo exacto, diremos que un diodo es un dispositivo que deja pasar la corriente en un solo sentido, concretamente de ánodo a cátodo (el que indica la flecha de su símbolo), como se refleja en esta simulación de Electronics Workbench realizada a temperatura ambiente (27oC):

 

Diodo en polarización directa a temp. ambiente (conduce)

Diodo en polarización inversa a temp. ambiente (no conduce)

 

 

Observamos que en el circuito de la izquierda el diodo se comporta como una resistencia muy baja, aproximadamente 0’21 Ω para este ejemplo concreto (y por tanto es casi como si no estuviera), mientras que en la gráfica de la derecha se comporta como un interruptor abierto. Es decir: un diodo polarizado directamente se comporta como un cortocircuito, mientras que un diodo polarizado inversamente se comporta como un circuito abierto.

 

Y es ahora cuando se trata de puntualizar nuestras palabras, puesto que el diodo sí conduce polarizado inversamente (y de hecho hay aplicaciones que requieren un diodo polarizado inversamente, e incluso tipos de diodos, como el Zener –que ya veremos con más detalle-, que trabajan únicamente en polarización inversa). Esto es lo que ocurre exactamente:

 

- Al polarizar directamente el diodo se produce una corriente apreciable, del orden de amperios, debido a que los portadores mayoritarios atraviesan la zona de agotamiento en ambos sentidos (los huecos de la zona P van hacia la zona N y los electrones de la zona N van hacia la zona P).

 

- Al polarizar inversamente el diodo los portadores mayoritarios no tienen tendencia a atravesar la zona de agotamiento sino a alejarse de ella, lo cual provoca un ligero ensanchamiento de la zona de agotamiento. La unión es atravesada por los portadores minoritarios, que generan una pequeña corriente llamada inversa o de saturación dirigida de cátodo a ánodo. Dicha corriente de saturación es del orden de microamperios, y por tanto habitualmente despreciable a temperatura ambiente pero no a temperaturas más elevadas, como se puede apreciar en la siguiente simulación de Electronics Workbench realizada a 50oC:

 

 

Diodo en polarización inversa a temp. superior a la ambiente (conduce)

 

 

 

3.3. PARÁMETROS QUE CARACTERIZAN EL COMPORTAMIENTO DEL DIODO EN RÉGIMEN ESTÁTICO

 

(Muchas veces, en lugar de VD e ID se escribe simplemente V e I).

 

Estos parámetros nos permiten perfilar todavía más la explicación sobre la conductividad del diodo; la corriente I que circula por el diodo será:

Þ     tiende a -∞ si VZ>V

Þ     I0 si VZ<V<Vg

Þ     I0·(-1) si V>Vg

siendo η el factor de corrección (suele despreciarse por ser aproximadamente igual a 1) y VT la tensión equivalente de la temperatura (a su vez VT=K·T/q, siendo K la constante de Kaufman).

La siguiente gráfica representa de manera aproximada la anterior función definida a trozos.

 

Curva característica real del diodo rectificador.

 

Aclararemos también que habitualmente se trabaja sólo con la parte de la curva limitada por los semiejes positivos de V e I, a la que se denomina curva característica ideal del diodo. Esto es cierto particularmente cuando trabajamos con diodos rectificadores y a temperatura ambiente.

 

 

3.4. COMPORTAMIENTO DEL DIODO EN RÉGIMEN DINÁMICO

          Es fácil generalizar el comportamiento estudiado para la corriente continua a las condiciones de cambio de polaridad que impone la corriente alterna: en los semiciclos de tensión positiva se aplicará lo estudiado para los diodos en polarización directa, e igualmente a los semiciclos negativos se les aplicará lo estudiado para la polarización inversa.

          Es por esto que sólo será necesario hacer un par de apuntes:

          - Si bien el generador de alterna produce una onda senoidal, con sus semiciclos positivos y negativos, el diodo rectificará esos valores de tensión de forma que Vg<0, VD=0 (de ahí su nombre de diodo rectificador). Esto se verá con más detalle en el próximo apartado, “Aplicaciones del diodo rectificador”.

          - FRECUENCIA DE CONMUTACIÓN: En un generador de corriente alterna el cambio de polaridad se produce de forma instantánea. Un diodo ideal respondería de forma instantánea a este cambio, pasando de conducir grandes valores positivos de corriente a no conducir nada (como se ha visto en el párrafo anterior). Sin embargo, en la realidad, cuando se produce el cambio de polaridad aparece un valor de corriente, de signo negativo y de valor absoluto muy alto, en un instante t1 que se reduce exponencialmente hasta llegar a 0 en el instante t2, como muestra la siguiente gráfica (en la cual se ha representado en azul la onda cuadrada del generador de alterna y en rojo la onda rectificada por el diodo real):

 

Diodo de conmutación rápida.

 

          Esto es debido a la inercia de los portadores mayoritarios; en el instante de inversión de polaridad, y durante una pequeñísima fracción de segundo, el mismo nº de portadores mayoritarios sigue atravesando la zona de agotamiento y por tanto la corriente es la misma (en valor absoluto, pero ahora con el signo cambiado) que en el semiciclo positivo. De aquí se deduce que grandes corrientes no pueden invertirse en tiempo nulo, ni siquiera despreciable. Al tiempo que tarda el diodo en reaccionar frente al cambio de polaridad se denomina trr o tiempo de recuperación en inversa, que coincide con la diferencia t2-t1.

          Todo diodo tiene como parámetro característico su frecuencia de conmutación fD=1/trr. Si la frecuencia de la señal del generador de alterna supera fD, la señal de llegada del semiciclo positivo se producirá antes de que llegue el instante t2 de puesta a 0 y tendremos lo que se llama un diodo de conmutación lenta:

 

Diodo de conmutación lenta.

 

En el siguiente apartado veremos algunas posibles aplicaciones del diodo rectificador.