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Curso de Electrónica de Potencia – Parte 2 – Diodos (CUR2002S)

Los diodos de potencia tengan el mismo principio de funcionamiento de un diodo común, no obstante, sus características tienen diferencias pequeñas en lo referente a ellas. Esto se debe al hecho de que trabajan con corrientes intensas y altas tensiones. Estas características deben ser observadas cuando usamos tales componentes, por lo que deben ser conocidos. Este capítulo está dirigido precisamente a esto: analizar estas características y lo que los diodos de potencia tienen más en relación con los diodos comunes.

 

 

Cómo funciona el diodo

Estudiamos en las lecciones del Curso Básico (volumen de la misma serie) que hay dos tipos de comportamientos materiales en relación con la capacidad de Conduzca la corriente eléctrica. Hay materiales a través de los cuales la corriente puede fluir fácilmente, siendo llamado los conductores, y los materiales en los cuales la corriente no puede pasar, llamado los aislantes.

Entre los pilotos destacan los metales, los gases ionizados, las soluciones iónicas, etc. Entre los aisladores destacamos el vidrio, caucho, mica, plásticos, etc.

Hay, sin embargo, una tercera categoría de materiales, un grupo intermedio de materiales que no son buenos conductores, porque la corriente tiene dificultad para pasar a través de ellos, pero no son totalmente aislantes. En estos materiales, los transportistas de carga pueden moverse, pero con cierta dificultad. Estos materiales se denominan "semiconductores".

Entre los materiales semiconductores más importantes, que presentan estas propiedades, destacamos los elementos químicos silicio (Si), germanio (Ge) y Selenio (Se). En un rango de capacidades para impulsar la corriente, estarían en posiciones intermedias, como se muestra en la figura 1.

 

Figura 1 – La escala de conductividad de los materiales
Figura 1 – La escala de conductividad de los materiales

 

 

Cuando ponemos juntos dos materiales del semiconductor de diversos tipos, formando P y N se forman entre ellos una juntura que tiene importantes propiedades eléctricas.

De hecho, son las propiedades de las junciones semiconductoras posibilitando la fabricación de todos los modernos dispositivos semiconductores, de diodo, pasando por el transistor al circuito integrado.

Para entender cómo funciona el Juntura, empecemos por dos piezas de materiales semiconductores, una P y otra N, que se unen, para formar una Unión, como se muestra en la figura 2.

 

Figura 2 – Obteniendo una juntura PN
Figura 2 – Obteniendo una juntura PN

 

 

En el sitio de la juntura, los electrones que están en exceso del material de N se mueven hasta el material de P, entonces buscando huecos, donde fijan.

El resultado es que tenemos electrones neutralizando huecos, esto es, en esta región no tenemos más material ni N ni P, sino material neutro. Sin embargo, al mismo tiempo que ocurre la neutralización, aparece una pequeña tensión eléctrica entre las dos regiones de material semiconductor.

Esta tensión, que aparece en el juntura, consiste en una barrera real que necesita ser superada para que podamos hacer circular cualquier corriente entre los dos materiales. Como sugiere el fenómeno, el nombre dado es "barrera potencial", como se muestra en la figura 3.

 

Figura 3 – La barrera potencial
Figura 3 – La barrera potencial

 

 

Esta barrera tiene un valor que depende de la naturaleza del material semiconductor utilizado, siendo del orden de 0.2 V para germanio y 0.6 V para silicio.

La estructura indicada, con dos materiales semiconductores, P y N, forma un componente que presenta importantes propiedades eléctricas y que llamamos "diodo semiconductor", o simplemente "diodo". Es con el que estamos lidiando con el próximo artículo.

 

Diodo semiconductor

Para hacer circular una corriente eléctrica a través de una estructura, como la que se estudió en el elemento anterior, con dos materiales P y N formando una unión, hay dos posibilidades, o dos posibles direcciones: la corriente puede fluir del material P a la N, o viceversa.

En la práctica, veremos que a diferencia de los cuerpos comunes que conducen la electricidad, la corriente no se comporta de la misma manera en ambas direcciones.

La presencia de la juntura causa un comportamiento totalmente diverso para manifestarse en cada caso.

Así que asumamos inicialmente que una batería está conectada a la estructura formada por los dos pedazos de material del semiconductor que forman la juntura, es decir la estructura del PN.

El material P está conectado al Polo Positivo de la batería, mientras que el material N está conectado al Polo Negativo.

Hay entonces una repulsión entre las cargas que causan los portadores de la carga del material de P, esto es, los boquetes se mueven hacia la juntura, mientras que los portadores de la carga del material N, que son los electrones libres, se alejan del Polo de la batería que se empuja hacia la juntura.

Los portadores de carga positivos (huecos) y los negativos (electrones) se encuentran en la región de la juntura donde, debido a que tienen diferentes polaridades se recombinan y se neutralizan.

La recombinación de estas cargas, "empujadas" por la batería, abre el camino para que nuevas cargas sean empujadas a esta región, formando así un flujo constante.

Este flujo no es más que una corriente eléctrica que puede fluir libremente a través del componente sin encontrar mucha resistencia u oposición. Decimos, en estas condiciones, que el componente, esta polarizado en la dirección directa, como se muestra en la figura 4.

 

Figura 4 – Juntura o junción polarizada en dirección directa
Figura 4 – Juntura o junción polarizada en dirección directa

 

 

Este componente, llamado "diodo”, Como ya hemos visto, deja el paso de la corriente sin oposición cuando se polariza en la dirección directa.

Por otro lado, si invertimos la polaridad de la batería en relación con las piezas de material semiconductor de esta estructura, el fenómeno que se manifiesta es diferente.

Los portadores del material de N se atraen al polo positivo del generador que se aleja de la región de la juntura. La polarización inversa se puede ver en la figura 5.

 

   Figura 5 – Juntura polarizada en revés
Figura 5 – Juntura polarizada en revés

 

 

Del mismo modo, los portadores del material P también se alejan de la juntura, lo que significa que tenemos una "ampliación de la juntura", con un aumento de la barrera potencial que impide la circulación de cualquier corriente eléctrica.

La estructura polarizada de esta manera, que es, polarizada en revés, no deja el paso de la corriente a través.

En la práctica, una pequeña corriente del orden de millonésimas de ampère puede circular incluso cuando el diodo se polariza en revés.

Esta corriente de la salida es debido al hecho de que el calor ambiente agita los átomos del material de una manera tal que uno u otro portador de carga pueda ser lanzado, llevando la corriente de esta manera.

Como la intensidad de esta corriente varía con la temperatura, una estructura de este tipo, es decir, un diodo, también se puede utilizar como un excelente sensor de temperatura.

Vea entonces que una simple estructura PN de silicio o germanio ya da como resultado un importante componente electrónico que es el diodo. En la figura 6 mostramos La estructura y el símbolo utilizados para representar el componente que se asemeja a una "flecha", indicando la dirección de la corriente.

 

Figura 6 – Símbolo, estructura y aspectos de los principales tipos de diodos
Figura 6 – Símbolo, estructura y aspectos de los principales tipos de diodos

 

 

En la misma figura tenemos los aspectos de estos componentes, cuyo tamaño depende de la intensidad de la corriente que puede controlar o conducir y también De la tensión máxima que puede manifestarse entre sus terminales.

Vea que hay una banda o anillo en algunos tipos de diodos, indicando el lado del cátodo, es decir, el lado del material N.

El símbolo propio del componente se puede escribir en la posición en la que se exhiben el ánodo y el cátodo.

El diodo semiconductor puede entonces ser polarizado de dos maneras, como muestra la figura 7.

 

Figura 7 – Polarización directa y polarización inversa de un diodo.
Figura 7 – Polarización directa y polarización inversa de un diodo.

 

 

Si el diodo está polarizado como se muestra en (a), con el polo positivo de la batería u otra fuente de energía eléctrica en su ánodo, la corriente puede fluir fácilmente, ya que el diodo presenta una resistencia muy baja. Decimos que el diodo está polarizado en la dirección directa.

Si la polarización se hace como se muestra en la misma figura en (b), entonces ninguna corriente puede circular. Decimos que el diodo está polarizado en reversa.

Tenga en cuenta que debido al hecho de que tenemos que vencer a la barrera de 0.2 V potencial para diodos de germanio, y 0.6 V para los diodos de silicio, cuando se produce la conducción, aparece en el componente siempre esta tensión, independientemente de la intensidad de la Corriente que está circulando a través de él, como se puede ver en la figura 8.

 

  Figura 8 – Caída de tensión en un diodo
Figura 8 – Caída de tensión en un diodo

 

 

De hecho, como la resistencia del diodo es muy baja, en su condición de conducción de corriente completa, si no hay un componente que limita esta corriente en el circuito, el diodo corre el riesgo de "quemarse", porque hay un valor máximo para la intensidad de la corriente que puede conducir.

Del mismo modo, también hay un límite a la tensión máxima que podemos aplicar en un diodo cuando para polarizarlo en la dirección inversa.

Llega un punto en el que, incluso polarizado a la inversa, la barrera de potencial ya no puede contener el flujo de cargas y "ruptura" ocurre con el disparo del componente.

Los diodos comunes entonces se especifican según la corriente máxima que puede conducir en la dirección directa, abreviada por If (El F viene de forward que en inglés significa directo), y por la tensión máxima que pueden soportar en reversa, abreviado por Vr (El r viene de reverse que, en inglés, significa inverso o reverso).

Analizamos esto cuando estudiamos las especificaciones de los diodos, que en el caso de los diodos de potencia requieren un cuidado especial

También veremos que hay algunos tipos de diodos especiales que pueden funcionar polarizados en revés y que cuentan con características muy interesantes para la electrónica.

2.3 – Tipos de diodos

Mientras que estudiamos, el material del semiconductor usado en la formación de empalmes puede ser germanio y silicio. Así que tenemos tanto germanio y diodos de silicio. Y, en estos grupos, los tipos todavía pueden tener diferentes propósitos, por lo que se construyen de una manera diferente.

 

Diodos rectificadores del Silicio

Los diodos más comunes en aplicaciones de potencia media y alta son rectificadores que, a medida que estudiamos en el curso de la electrónica analógica, se utilizan en fuentes de alimentación tales como rectificadores.

Los diodos de la serie de 1N4000 y de 1N5000 son absolutamente comunes, así como la serie de SK.

Estos diodos se encuentran en fuentes con corrientes de hasta 1 A o 5 A en el segundo caso.

Sin embargo, en aplicaciones industriales, en vehículos eléctricos en automatización de alta potencia se utilizan diodos rectificadores con cadenas mucho más grandes.

Estos Diodos son destinados a la realización de corrientes intensas, soportando también altas tensiones que pueden exceder los 1 000 V.

En la figura 9 tenemos los aspectos comunes de estos diodos que tienen características para el montaje en disipadores térmicos.

 

   Figura 9 – Diodos de alta corriente
Figura 9 – Diodos de alta corriente

 

 

En la construcción de estos diodos se utilizan técnicas especiales que apuntan a una geometría en la que la corriente se distribuye uniformemente por la pastilla de silicio.

Lo que pasa es que cuando se empieza a conducir un diodo de este tipo, la corriente se concentra en un área pequeña, generando así un pico de calor en esta ubicación.

A medida que la corriente aumenta y distribuye, la generación de calor también es distribuida de una manera más uniforme.

Estos diodos se pueden encontrar en fuentes de alimentación, reguladores de voltaje del alternador, inversores de energía, controles, etc.

Así como los diodos usados en otros usos, tales como muestras, corriente baja, detección, los diodos de alta intensidad tienen especificaciones.

En el siguiente punto analizaremos las especificaciones de los diodos.

 

Especificaciones de los diodos de silicio

Para las especificaciones de los diodos se utilizan normalmente los símbolos, que los usuarios de los diodos necesitan saber.

El conocimiento de esta simbología es especialmente importante cuando necesitamos interpretar las fichas de datos (datasheets) de un componente en particular.

Recordamos que todos los componentes tienen límites para su uso y estas especificaciones definen con precisión estos límites. Si se exceden, el componente puede ser dañado o todavía inutilizable.

En los símbolos normalmente una mayúscula corresponde a la unidad usada, por ejemplo, I para la corriente, V para la tensión, P para potencia, etc.

 

 

Especificaciones de tensión y corriente

Para los diodos comunes normalmente dos especificaciones de tensión son suficientes para permitirnos evaluar su funcionamiento en un circuito. Son:

Vf = caída de tensión en el sentido directo - es la caída de tensión que ocurre en un diodo cuando conduce la corriente. Normalmente de 0,6 a 0,7 V en los diodos de silicio

PIV = tensión inversa de pico (Peak Inverse Voltage), que es la máxima tensión que se puede aplicar al diodo cuando polarizado en sentido inverso.

   Para la corriente, basta saber el valor de una de ellas:

  IF (AV) = corriente media en el sentido directo y con ello sabemos cómo usar el diodo.

   Sin embargo, consultando datasheets encontramos otras especificaciones de tensión que son igualmente importantes cuando pretendemos trabajar con estos componentes. Las principales son:

   VRRM = Tensión inversa máxima repetitiva (Maximum Repetitive Reverse Voltage) - es la tensión máxima que el diodo puede soportar en sentido inverso en forma de pulsos repetidos.

   VR o VDC = Tensión máxima continua en sentido inverso (Maximum DC Reverse Voltage) que el diodo puede soportar cuando se polariza en sentido inverso

   VF = Tensión Máxima en el sentido Directo (Maximum Forward Voltage) - es la tensión que aparece en un diodo cuando conduce una determinada corriente, especificada en el datasheet. En un diodo ideal, esta tensión es nula, pero según estudiamos en los diodos comunes, ocurre siempre una caída de tensión en la conducción que se suele adoptar como valor típico en los diodos de silicio de 0,7 V. En un cálculo más exacto, de la corriente.

   IF (AV) = Corriente máxima (media) directa - Maximum (promedio) forward current - es el máximo valor que la corriente media en el sentido directo puede conducir cuando se polariza en el sentido directo. Esta corriente es determinada básicamente por la capacidad de disipación del diodo, pues el calor generado en estas condiciones depende de la caída de tensión que ocurre en la unión, multiplicada por la intensidad de la corriente.

   IFSM o If (sur) = Corriente máxima de pico o surto en el sentido directo - (Maximum o máximo) forward current - es el pico máximo de corriente que el diodo es capaz de conducir cuando se polariza en el sentido directo. Este parámetro es limitado por la capacidad de disipación de la unión, siendo normalmente muy alto debido a la inercia térmica. Se tarda un cierto tiempo para que el calor generado se propague.

   PD = Disipación máxima de potencia (Maximum Total Dissipation) - es la capacidad de disipación de potencia del diodo en watts (W). Como esta magnitud es dada por P = V x I, puede ser calculada por la corriente conducida multiplicada por la tensión directa.

   TSTG = Rango de temperatura de almacenamiento - Rango de temperaturas en que el diodo se puede guardar (sin estar en funcionamiento).

   Tj = Temperatura máxima de la unión (Maximum Operating Temperature) o máxima temperatura de funcionamiento. En la mayoría de los casos es el mismo valor de la temperatura de almacenamiento.

   R (θ) = Resistencia Térmica (Thermal Resistance) es la diferencia de temperatura que ocurre entre la unión y el medio exterior (aire) o entre la unión y las terminales (JA o JL) para una determinada disipación. Esta especificación se da en grados Celsius por Watt (oC / W). Su valor sería cero si la envoltura del diodo era un conductor perfecto, pero en la práctica no lo es. Esta especificación es importante en el dimensionamiento de los disipadores de calor.

   IR = Corriente inversa (o reversa) máxima (Maximum Reverse Current) - es la corriente que circula por el diodo cuando se polariza con la tensión inversa máxima (DC), También encontramos esta corriente indicada como "corriente de fuga" (leakage current) . En un diodo ideal ella debe ser nula, pero en la práctica depende de diversos factores, siendo el principal, la temperatura.

   CJ = Capacitancia típica de la unión (Junction capacitance) es la capacitancia intrínseca que aparece entre las junturas debido a la región de depleción que actúa como un dieléctrico. Se trata de una capacitancia muy baja, de la orden de picofarads.

   trr = Tiempo de recuperación inversa - se trata del intervalo de tiempo que ocurre entre el instante en que la tensión en un diodo en conducción es invertida y realmente deja de conducir. Vea más adelante en esta lección, más detalles sobre este fenómeno en "diodos de recuperación rápida".

 

Es importante notar que los parámetros indicados varían dependiendo de varios factores, siendo el principal la temperatura. Así que los fabricantes, en la mayoría de los casos, no dan estas especificaciones a través de un valor fijo, sino más bien a través de gráficos.

En estos gráficos, la especificación se traza de acuerdo con las diferentes condiciones, que pueden ser muy importantes en los proyectos más críticos.

En la figura 10 tenemos un ejemplo que muestra cómo se componen las corrientes máximas de un diodo 1N5404 de acuerdo con la temperatura.

 

     Figura 10 – Después de los 100°C la capacidad de conducción del diodo en la dirección directa que es 2 A - disminuye rápidamente
Figura 10 – Después de los 100°C la capacidad de conducción del diodo en la dirección directa que es 2 A - disminuye rápidamente

 

 

El gráfico de la figura 11 muestra cómo el diodo 1N5404 responde a los surtos de corriente en la dirección directa cuando aumenta el ritmo de pulso de repetición.

 

    Figura 11 -  Comportamiento del diodo con mayor frecuencia de oleadas.
Figura 11 - Comportamiento del diodo con mayor frecuencia de oleadas.

 

 

En la figura 12 mostramos un detalle de un datasheet de una serie de diodos comunes utilizados en la rectificación, esta serie va de 1N5400 a 1N5408.

La corriente de estos diodos es la misma 3 A (media rectificada), pero las tensiones cambian. A continuación tenemos las "máximas absolutas" que son los valores que no deben excederse, bajo pena del componente sufren daños irreversibles.

 

Figura 12 – Máximos absolutos
Figura 12 – Máximos absolutos

 

 

Vea que estos máximos se especifican bajo ciertas condiciones, usualmente dada la temperatura ambiente de 25 º C. Vea que para la mayoría de los componentes estas características se deterioran rápidamente cuando se excede la temperatura indicada.

 

Rectificación

Los diodos de mayor capacidad de corriente mayor tensión son básicamente usados en rectificación en las aplicaciones de potencia .

En nuestro Curso Básico explicamos cómo funcionan los circuitos rectificadores, sin embargo, vamos a revisar los conceptos, porque necesitamos ir más allá, porque en las aplicaciones del poder, es común que se utilicen en circuitos trifásicos.

Revisando lo básico, sabemos que en la rectificación las tres formas de utilizar los diodos son:

 

Rectificador de media onda

En este circuito, en los ciclos positivos de la tensión alterno en el secundario del transformador, el diodo se polariza en la dirección directa, para presentar resistencia baja y para dejar el paso de la corriente. Sin embargo, en los semiciclos negativos, el diodo se polariza en la dirección inversa y ninguna corriente puede pasar, como se muestra en la figura 13.

 

Figura 13 – Conducir sólo los semiciclos positivos
Figura 13 – Conducir sólo los semiciclos positivos

 

 

Vea entonces que, sólo pasa en los semiciclos positivo o corriente en una sola dirección. Esta corriente, aunque circula en un solo sentido, no es una corriente continua pura.

Está formada por "pulsos" que aparecen sólo en el instante en que el diodo se polariza en la dirección directa. Decimos que es una corriente continua pulsante.

Si invertimos el diodo como el lector puede ver la figura 14, tendremos el paso corriente solamente en los semiciclos negativos y todavía una corriente pulsante, pero de la dirección o de la polaridad revertida.

 

Figura 14 – Dejando pasar los hemiciclos negativos
Figura 14 – Dejando pasar los hemiciclos negativos

 

 

Como sólo la mitad de los semicírculos de la corriente alterna y conducida en este proceso, decimos que se trata de un proceso de rectificación de "media onda".

 

Rectificador de onda completa

Una manera de conseguir mayor eficiencia en la rectificación o " transformación de corriente alterna en continua ", es con el uso de dos diodos.

Eso es posible si usamos un transformador con una salida central y dos diodos, conectados como el lector puede ver la figura 15.

 

   Figura 15 – Uso de dos diodos
Figura 15 – Uso de dos diodos

 

 

Cuando el terminal A del transformador es positivo en relación con el CT, en los semiciclos positivos, el terminal B, al mismo tiempo es negativo respecto al CT.

De esta manera, mientras que en los semiciclos positivos de entrada, el diodo D1 se polariza en la dirección directa, el diodo D2 Se polarizará al revés. Luego conduce el diodo D1, como podemos ver en la figura 16.

 

Figura 16 – Conducción en los semiciclos positivos
Figura 16 – Conducción en los semiciclos positivos

 

 

En el semiciclo negativo de la tensión de entrada, las cosas se revierten. Mientras que A será negativo con respecto a CT, B será positivo, de modo que D1 se polarizará a la inversa y D2 directamente. Conduce D2, conforme se muestra en la figura 17, y la carga recibe su alimentación.

 

Figura 17 – Conducción en los semiciclos negativos
Figura 17 – Conducción en los semiciclos negativos

 

En otras palabras, en este proceso de rectificación se aprovecha toda la onda, por lo que se llama "rectificación de onda completa".

Vea que el transformador permite que el semiciclo negativo sea "invertido" también para ser aprovechado.

Es evidente que este proceso de rectificación presenta una eficiencia que es el doble de la anterior, y por tanto muchas ventajas de uso.

Tenga en cuenta que todavía tenemos una corriente continua pulsátil en la carga, aunque tiene variaciones "menores" que en el caso anterior.

 

Rectificador en Puente

Una manera de obtener una rectificación completa de la onda con el uso de un transformador común, es decir con secundario simple, sin la toma central es posible con el uso de 4 diodos, es decir un puente de diodos, según lo demostrado en la figura 18.

 

Figura 18 – Utilizando un puente de diodos (Puente de Graetz)
Figura 18 – Utilizando un puente de diodos (Puente de Graetz)

 

 

Veamos cómo funciona este sistema "rectificador en puente": en los ciclos positivos, el terminal A del transformador es positivo en relación con el terminal B.

De esta manera los diodos D2 y D3 se polarizan en la dirección directa, dirigiendo la corriente. Se puede ver en la figura 19.

 

Figura 19 – Conducción del puente en el semiciclo positivo
Figura 19 – Conducción del puente en el semiciclo positivo

 

 

En los semiciclos negativos, se polarizan en la dirección directa de los diodos D1 y D4 Que luego conducen la corriente como se muestra en la figura 20.

 

Figura 20  -   Corriente en los semiciclos negativos
Figura 20 - Corriente en los semiciclos negativos

 

 

Es importante notar que, en este sistema, la corriente en cada semiciclo pasa a través de dos diodos, en lugar de un solo, igual que los otros. Eso significa que tenemos una caída de tensión más alta en el sistema de rectificación.

Así que mientras que en el sistema de onda completa "perdimos" sólo 0.6 V en el diodo de silicio, en este sistema "perdimos" 1.2 V. Está claro que las ventajas de este sistema pueden ser compensadas simplemente usando un transformador que tiene una tensión secundaria un poco más grande.

Sin embargo, en aplicaciones de potencia, es más común utilizar fuentes trifásicas de energía eléctrica. Esto ocurre principalmente en la industria.

Para la rectificación trifásica podemos utilizar los diodos en la configuración indicada en la figura 21.

 

Figura 21 – Retificador trifásico de onda completa
Figura 21 – Retificador trifásico de onda completa

 

 

En este circuito se utilizan seis diodos en una configuración en la que cada instante dos diodos conducen.

En la figura 22 tenemos la corriente pulsante obtenida en el circuito rectificador. Vea que usando un sistema trifásico la ondulación es menor que lo que encontramos en un sistema rectificador de onda media o completa en dos fases.

 

   Figura 22 – Corriente de entrada de un rectificador trifásico y corriente de ondulación
Figura 22 – Corriente de entrada de un rectificador trifásico y corriente de ondulación

 

 

Una configuración interesante consiste en un sistema rectificador de 6 fases, que se muestra en la figura 23.

 

Figura 23 –Rectificador de seis fases
Figura 23 –Rectificador de seis fases

 

 

Estas configuraciones también se pueden encontrar en los automóviles, para rectificar la corriente obtenida de los alternadores.

 

 

Diodos en paralelo

Es común pensar que la simple conexión de diodos en paralelo aumenta la capacidad de un sistema rectificador sin problemas.

Sin embargo, este problema de obtener mayor capacidad de corriente no se resuelve de manera tan sencilla.

Los diodos, incluso del mismo tipo, no tienen exactamente las mismas características. Las pequeñas diferencias existen de un a otro y esto significa que, si conectamos los diodos en paralelo, la corriente no se divide equitativamente entre ellas.

Debido a las pequeñas diferencias en la tensión directa (VF) uno de los diodos conduce antes o más que el otro y el resultado de eso es una diferencia entre las corrientes que pasan a través de estos componentes.

Así, como se muestra en la figura 24, si queremos utilizar dos diodos 1 A para rectificar una corriente de 2 A, conectándolos en paralelo, la corriente será diferente y uno de ellos se quemará (D1) por estar sobrecargado.

 

Figura 24 – La corriente no se divide equitativamente entre los diodos
Figura 24 – La corriente no se divide equitativamente entre los diodos

 

 

Para evitar este problema lo que se hace es conectar en serie con cada diodo un resistor de bajo valor (tanto menor cuanto la intensidad de la corriente), con el fin de distribuir mejor la corriente.

Los diodos, como se muestra en la figura 25, normalmente pueden tener valores entre 0,1 y 1 ohm para las corrientes en el rango 1 a 5 A.

 

Figura 25 – Mejor distribución de la corriente entre diodos
Figura 25 – Mejor distribución de la corriente entre diodos

 

 

Vea que este procedimiento también se adopta cuando conectamos en paralelo a los reguladores de voltaje.

 

Diodos en serie

Podemos conectar los diodos en serie con la finalidade de alcanzar una mayor tensión inversion. Por ejemplo, en teoría, dos diodos de 200 V pueden soportar una tensión inversa de 400 V.

Esto no ocurre en la práctica, porque la corriente reversa de fuga de los diodos es diferente, y esto causa en la polarización inversa, que las tensiones se rompen irregularmente.

Así, aplicando 500 V en dos diodos de la serie, puede ocurrir que incluso si son iguales en la especificación (1N5404, por ejemplo), la tensión inversa divide de modo que uno consiga 240 V y el otro con 260 V y esto puede causar sobrecarga de uno de ellos.

Podemos evitar este problema conectando en paralelo con los diodos resistores apropiados relacionados con el valor que ayudan a emparejar la división de tensión. Resistores de 10K a 22K se puede usar en esta aplicación, como se muestra en la figura 26.

 

   Figura 26 – Uso de los resistores para distribuir la tensión en los diodos de serie
Figura 26 – Uso de los resistores para distribuir la tensión en los diodos de serie

 

 

 

Surtos de Corriente

En las fuentes de alimentación en las que después del diodo rectificador encontramos un capacitor de muy alto valor, se produce un problema que hay que evitar, especialmente cuando la corriente involucrada es intensa.

Al conectar la fuente, el capacitor descargado se comporta como un cortocircuito lo que significa que una corriente muy intensa puede circular.

Si esta corriente sobrepasa el valor de la corriente máxima de surto (IFSM), el diodo puede quemar.

Aunque las cifras implicadas son altas, para el 1N5404 de 3 A, el IFSM es 200 A, cuando la tensión se establece en el circuito, si el transformador tiene una capacidad muy grande de corriente, los problemas pueden ocurrir.

Una forma de evitar este problema es conectar en serie con el diodo un resistor de valor bajo, calculado para limitar la corriente en caso de cortocircuito, a un valor inferior al IFSM, como se muestra en la figura 27.

 

Figura 27 – Diodo de protección contra sobretensiones
Figura 27 – Diodo de protección contra sobretensiones

 

 

El resistor debe ser de alambre de capacidad de disipación compatible con la corriente, recordando que la corriente más intensa sólo ocurre por un instante y debe ser calculada de modo que en cortocircuito el diodo y el capacitor, el surto sea menor que el IFSM especificada para el componente.

 

 

Diodos de Recuperación Rápida

Con el uso cada vez mayor de fuentes conmutadas, los convertidores de DC/DC y de AC/DC, los diodos comunes del rectificador ya no satisfacen más las necesidades de estos circuitos.

Diodos de recuperación rápida (fast recovery) y recuperación ultra rápida (ultra - fast recovery) empiezan a ocupar un lugar de importancia entre los componentes utilizados.

Las fuentes de alimentación comunes, conectadas directamente a la red eléctrica de 60 Hz (50 Hz en muchos otros países) en nuestro país e incluso las que operan en frecuencias un poco más altas, como el uso industrial de 400 Hz, no necesitan componentes rápidos.

Así, la rectificación de las tensiones de entrada se puede realizar, sin problemas, por los diodos comunes del silicio.

Sin embargo, las características de estos diodos no se adaptan a fuentes conmutadas que operan con señales de frecuencias mucho más altas, el orden de decenas de kHz e incluso superior a 1 MHz.

Los diodos rectificadores comunes no responden a estas frecuencias como se esperaba, No son capaces de rectificar de manera eficiente las corrientes alternas que están por encima de unos pocos kHz, ya que tienen una función de rectificación lenta.

Para estas fuentes es necesario utilizar diodos que acompañen las rápidas variaciones de las señales que deben rectificarse, es decir, diodos de recuperación rápida o ultra rápida (fast recovery diodes o ultra-fast recovery diodes).

 

La Recuperación de un Diodo

Un diodo, como cualquier otro componente electrónico, necesita un cierto tiempo para pasar de su estado de conducción a no conducción.

Para un rectificador con diodo común, lo que ocurre es que, a partir del estado de conducción completa, cuando la tensión se invierte en el próximo semiciclo y debe moverse a la condición de no-conducción, esto no sucede inmediatamente, como se muestra en el gráfico de la figura 28.

 

Figura 28 – La recuperación de un diodo
Figura 28 – La recuperación de un diodo

 

 

Cuando la tensión aplicada reduce, pasando a través del punto cero, hasta que alcanza su máximo en revés, el diodo no deja de conducir inmediatamente.

Todavía sigue en plena conducción en marcha atrás durante algún tiempo, que eso es lo que necesita para "recuperarse" de la transición que se produce.

En este intervalo, que puede llegar a más de 1 milisegundo, para un diodo común, el diodo se compone como un dispositivo de baja resistencia, conduciendo intensamente a la corriente.

En otras palabras, durante este intervalo, el dispositivo deja de comportarse como un diodo, conduciendo la corriente también en reversa.

Después de la recuperación, que toma un cierto tiempo que depende del dispositivo, el diodo se recupera y su resistencia en la dirección contraria aumenta, no hay más la circulación de cualquier corriente en la dirección inversa.

En una aplicación de baja frecuencia, Por ejemplo, al rectificar la corriente alterna de la red eléctrica, el tiempo de recuperación es insignificante en relación con el tiempo total del ciclo, como se muestra en la figura 29.

 

Figura 29 – Tiempo de recuperación a 60 Hz
Figura 29 – Tiempo de recuperación a 60 Hz

 

 

En estas condiciones, la energía disipada en la conducción reversa e incluso la corriente de circulación pequeña no afecta perceptiblemente al funcionamiento del circuito.

Sin embargo, por encima de una cierta frecuencia este tiempo de recuperación se vuelve importante y puede incluso exceder el tiempo del ciclo de la señal en reversa, lo que significa que "no hay tiempo" para que el diodo deje de conducir, y con esto la corriente no se rectifica, como se muestra en la figura 30.

 

Figura 30 – Las frecuencias más altas el tiempo de recuperación es importante
Figura 30 – Las frecuencias más altas el tiempo de recuperación es importante

 

 

Para aplicaciones donde la corriente que debe rectificarse tiene frecuencia alta se necesitan diodos que se "recuperan" rápidamente del estado de conducción a no conducción en el menor tiempo posible.

La industria alinea como diodos de recuperación rápida o diodos ultra rápidos (fast recovery) aquellos que pueden tener recuperación inversa menores que 500 ns.

Este valor es 1/10 del tiempo típico que encontramos en un rectificador de silicio común.

Son clasificados comunes ultra-rápidos, diodos que poseen tiempos de recuperación en el rango de 0.75 a 5 ns, para los tipos de pequeñas señales (10 a 100 V, como se muestra en la figura 31.

 

Figura 31 – Clasificación de los diodos para el tiempo de recuperación
Figura 31 – Clasificación de los diodos para el tiempo de recuperación

 

 

Se clasifican como ultra también los rectificadores de 50 a 800 V que tienen tiempo de recuperación de 15 a 60 ns.

También hay diodos disponibles para tensiones superiores a 1000 V que se consideran rápidos ya que tienen tiempos de recuperación del orden de 100 ns.

Los estándares internacionales de JEDEC e IEC también definen la forma en que se produce la recuperación inversa de un diodo.

En la figura 32 Se muestran las curvas típicas y los modos de recuperación de los diodos.

 

Figura 32 – Modos de recuperación de diodos
Figura 32 – Modos de recuperación de diodos

 

 

Tenga en cuenta que en el diodo de recuperación suave (soft) la mayor resistencia reversa y, así, la reducción de la corriente que ocurre en este intervalo ocurre de una manera suave.

Lo mismo no ocurre en un diodo de recuperación abrupto, donde además de la rápida subida de la resistencia en reversa, no se estabiliza inmediatamente ocurriendo una oscilación amortiguada que dura un determinado intervalo de tiempo.

Estas características requieren un cuidado especial con el circuito que se alimenta, ya que puede ser sensible al fenómeno, la inestabilidad ocurre e incluso malfuncionamientos.

En la industria se define el factor de suavidad de la recuperación o "Recovery Softness Factor".

Si este factor es demasiado alto en la recuperación inversa, también pueden ocurrir problemas. Un diodo rectificador que tiene un factor de recuperación suave muy grande puede generar calor.

Por otra parte, para evitar los problemas de una recuperación abrupta, los circuitos snubbers pueden ser necesarios.

 

El diodo Zener

El diodo Zener ya ha sido estudiado en nuestro Curso de Electrónica – Electrónica Analógica – Vol. 2. Allí el lector encontrará los principios básicos de funcionamiento de este componente. Sin embargo, una pequeña revisión puede ayudarle a entender mejor esta lección.

A medida que estudiamos, hay un límite a la tensión que se puede aplicar en la dirección inversa en un diodo común. Cuando la tensión excede este valor, que varía de tipo a tipo de diodo, la juntura "se rompe", convirtiéndose en conductora y, con esto, conduciendo una corriente de una manera intensa. La corriente atraviesa sin encontrar más obstáculos.

Para los diodos comunes, esta interrupción en el revés significa la quema del componente. La fuerte corriente termina causando la pérdida de las propiedades de los materiales semiconductores que forman su estructura.

Sin embargo, hay diodos que se diseñan para conducir la corriente en revés hasta cierto punto incluso cuando se supera la tensión reversa. Estos componentes son de gran importancia para la electrónica moderna.

En la figura 33 tenemos una curva que muestra la característica de un diodo común, y también puede servir para que podamos introducir un nuevo tipo de componente: el diodo Zener.

 

  Figura 33 – Curva característica de un diodo común
Figura 33 – Curva característica de un diodo común

 

 

Vea entonces que cuando una rotura ocurre en la dirección inversa, tanto como la corriente aumenta, la tensión en el diodo permanece fija, en el valor VP, que a partir de ahora se llamará VZ o tensión Zener.

Esto significa que si tenemos un diodo que puede funcionar en este punto de la curva característica, sin quemarlo, será capaz de mantener el tensión fijo en un circuito independientemente de la corriente, es decir, puede funcionar como un regulador de tensión.

En la figura 34 tenemos el símbolo adoptado para representar este tipo de componente, que se llama "diodo Zener", así como los aspectos de los tipos más comunes.

 

    Figura 34 – Símbolo de diodo Zener y aspectos
Figura 34 – Símbolo de diodo Zener y aspectos

 

 

Los diodos Zener pueden desempeñar una función muy importante en los circuitos, regulando la tensión de las fuentes de alimentación, y están presentes en muchas aplicaciones donde se requiere una tensión fija. Los diodos Zener con tensiones entre 2 y 200 volts se pueden encontrar en aparatos electrónicos ordinarios.

Diodos zener de potencia, como los más grandes en la parte inferior de la figura tienen características para el montaje en los disipadores de calor y sus corrientes pueden alcanzar varias decenas de ampères.

En la figura 35 tenemos la forma típica de usar un diodo Zener.

 

  Figura 35 – Simple circuito de aplicación de un diodo Zener
Figura 35 – Simple circuito de aplicación de un diodo Zener

 

 

Vea que, en primer lugar, funciona polarizado en reversa, es decir, su cátodo va al punto positivo del circuito. El circuito, que debe tener tensión estabilizada, está conectado en paralelo con el diodo Zener.

El resistor R en este circuito tiene la importante función de limitar la corriente en el diodo Zener, ya que si sobrepasa un valor determinado por su capacidad de disipación, puede quemar, el valor máximo de la corriente depende de la potencia del Zener, puede calcularse Fácilmente en cada aplicación.

Así, recordando que la potencia en un circuito es dada por el producto de la tensión por la corriente, si tenemos un diodo Zener de 2 V, cuya máxima disipación es 10 W, es fácil calcular la corriente máxima para la energía indicada:

 

P = V x I

P = 2 x I

 

 

Donde:

I = 10 2

I = 5 Ampere

 

 

Para un diodo de 4 V la corriente máxima será menor:

 

P = V x I

I = P/V

I = 1/4 = 0, 25 A

 

 

Esta corriente máxima determina el valor de la resistencia que debe conectarse en serie con el diodo Zener en una aplicación normal.

 

 

Nomenclatura y especificaciones de los Diodos Zener:

Los diodos Zener siguen la misma nomenclatura que los otros diodos. Así que para los tipos americanos tenemos la serie 1N, cuyos principales tipos se dan en la tabla de abajo.

 

Copiar tabela de nomenclatura http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/component/content/article/52-artigos-tecnicos/artigos-diversos/3983-art540

 

 

De la misma manera que para los diodos comunes, y para otros componentes electrónicos, encontramos varios símbolos para especificar las características de los diodos Zener.

Estos símbolos se encuentran en los datasheet, y deben ser observados y, por supuesto, el profesional debe conocer su significado.

Para que el lector aprenda a analizar un datasheet de un diodo Zener, nos referimos a la serie 1N2804 a 1N2846 que son diodos de 50 W con cubiertos metálicos TO - 3, como se muestra en la figura 36.

 

   Figura 36 – Diodo Zener de 50 W en cubierta metálica
Figura 36 – Diodo Zener de 50 W en cubierta metálica

 

 

De primero resaltamos los máximos absolutos, que no deben ser superados bajo daños irreversibles al componente.

Vea que la disipación máxima es de 50 W para temperaturas inferiores a 75°C. por encima de eso, la potencia máxima desciende a 0,5 W para el grado de aumento de la temperatura.

Del mismo modo, hay un techo para la tensión que puede aparecer en la dirección directa (forward voltaje en 10 A).

 


 

 

 

Y para los proyectos todavía tenemos las características eléctricas que tomamos como ejemplo solamente para algunos de los tipos de la serie, puesto que la tabla es absolutamente extensa.

 


 

 

 

Los símbolos utilizados son:

 

VZ – Tensión Zener nominal (Zener nominal Voltage) – es la tensión que aparece en los terminales del diodo Zener cuando circula la corriente de prueba (IZT).

IZT – Corriente Zener de prueba (Zener test current) – es la corriente utilizada para la prueba sirviendo para determinar la tensión del componente, o la tensión Zener.

ZZT – Impedancia Zener máxima (Máx. Zener Impedance) - es la impedancia que el componente presenta bajo la corriente de prueba (IZT).

ZZK – Impedancia Zener máxima (Máx. Zener Impedance) – Se específica para una corriente dada, por ejemplo llamada 5 mA IZK en el datasheet.

Izm – Corriente máxima Zener DC (máx. Zener DC Actual) – es la corriente máxima que puede circular por el componente cuando se utiliza como Zener. Normalmente se especifica para la temperatura máxima de funcionamiento (75°C, en caso de que tomemos como ejemplo).

 

αVZ – Coeficiente de temperatura típico (Typical Zener Voltage Coefficient) – Este es el valor que indica la cantidad de voltaje Zener varía con cada grado de cambio de temperatura.

IR - Corriente máxima de la salida (Maximum Leakage Current) – Especificada para una tensión determinada, por debajo de la tensión Zener, indica la corriente que el componente deja pasar cuando se polariza en reversa.

 

Otros usos del diodo

Otras aplicaciones importantes para los diodos como en la protección de la conmutación de cargas inductivas, limitadores, clamping, y tipos especiales de diodos, tales como diodos de Schottky, fueron estudiados en el Curso de Electrónica – Electrónica Básica – Vol. 2. http://www.incb.com.mx/index.php/curso-de-electronica/88-curso-de-electronica/1815-curso-de-electronica-02 

 

 

 


 

Contenido 

Parte 1 - Unidades - Energía (CUR2001S)

Parte 2 – Diodos (CUR2002S) 

Parte 3 - Transistores de potencia bipolares (CUR2003S)

Parte 4 - MOSFETs de Potencia (CUR2004S)

Parte 5 - Los IGBTs (CUR2005S)

Parte 6 - Tiristores – El SCR (CUR2006S)

Parte 7 - Tiristores - El Triac (CUR2007S)

Parte 8 – Tiristores – Otros Dispositivos (CUR2008S)

 

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