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Diodos parte 1 - Monografía



 
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Electrónica. Semiconductores. Fotodiodos. Tensión. Potencia. Emisores. Voltaje. Energía. Optoacoplador



DIODOS SEMICONDUCTORES.



En los años que siguieron a la introducción del transistor semiconductor en los años cuarenta, se ha atestiguado un cambio sumamente drástico en la industria electrónica. La miniaturización que ha resultado, nos maravilla cuando consideramos sus límites.
La miniaturización de los últimos añosa producido sistemas semiconductores tan pequeños que el propósito principal de su encapsulado es proporcionar simplemente algunos medios para el manejo del dispositivo y para asegurar que las puntas de conexión permanezcan fijas a la oblea del semiconductor. Tres factores limitan en apariencia los límites de la miniaturización: la calidad del propio semiconductor, la técnica de diseño de la red y los límites del equipo de manufactura y procesamiento.

Un diodo es un componente electrónico que permite el paso de la corriente en un solo sentido. El más sencillo, el diodo con punto de contacto de germanio, se creó en los primeros días de la radio. Los diodos de unión constan de una unión de dos tipos diferentes de material semiconductor.

DIODOS.



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Vemos los dos tipos de diodos, en el dibujo que está al lado vemos la orientación del diodo con su nombre, en la misma posición que en la fotografía. Observar que la barrera de paso se pinta en el diodo con una línea en el extremo correspondiente y en todo el perímetro.

FOTODIODOS



Los fotodiodos se hacen trabajar con una tensión inicial en sentido de bloqueo. Sin dicha tensión inicial trabajan, el sentido de paso, como fotoelementos (son bipolos que al ser iluminados engendran tensión). La corriente en la oscuridad es reducida. Con resistencias de trabajo de elevado valor ohmico pueden engendrarse variaciones de tensión que alcanzan casi la plena tensión de servicio.

DIODO DE USO COMUN



El diodo semiconductor se forma uniendo los materiales tipo N y tipo P, los cuales deben estar construidos a partir del mismo material base, el cual puede ser Ge o Si. En el momento en que dos materiales son unidos (uno tipo N y el otro tipo P), los electrones y los huecos que están en, o cerca de, la región de “unión”, se combinan y esto da como resultado una carencia de portadores (tanto como mayoritarios como minoritarios) en la región cercana a la unión. Esta región de iones negativos y positivos descubiertos recibe el nombre de Región de Agotamiento por la ausencia de portadores.

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Existen tres posibilidades al aplicar un voltaje a través de las terminales del diodo:

-    No hay polarización (Vd = 0 V).
-    Polarización directa (Vd > 0 V).
-    Polarización inversa (Vd < 0 V).

Vd = 0 V. En condiciones sin polarización, los portadores minoritarios (huecos) en el material tipo N que se encuentran dentro de la región de agotamiento pasarán directamente al material tipo P y viceversa. En ausencia de un voltaje de polarización aplicado, el flujo neto de carga (corriente) en cualquier dirección es cero para un diodo semiconductor.

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La aplicación de un voltaje positivo “presionará” a los electrones en el material tipo N y a los huecos en el material tipo P para recombinar con los iones de la frontera y reducir la anchura de la región de agotamiento hasta desaparecerla cuando VD ³ 0.7 V para diodos de Silicio.

Id = I mayoritarios - Is

Condición de Polarización Inversa (Vd < 0 V). Bajo esta condición el número de iones positivos descubiertos en la región de agotamiento del material tipo N aumentará debido al mayor número de electrones libres arrastrados hacia el potencial positivo del voltaje aplicado. El número de iones negativos descubiertos en el material tipo P también aumentará debido a los electrones inyectados por la terminal negativa, las cuales ocuparán los huecos. El fenómeno explicado anteriormente, en ambos tipos de material N y P, provocará que la región de agotamiento se ensanche o crezca hasta establecer una barrera tan grande que los portadores mayoritarios no podrán superar, esto significa que la corriente Id del diodo será cero. Sin embargo, el número de portadores minoritarios que estarán entrando a la región de agotamiento no cambiará, creando por lo tanto la corriente Is. La corriente que existe bajo condiciones de polarización inversa se denomina corriente de saturación inversa:

Is.

El término "saturación" proviene del hecho que alcanza su máximo nivel (se satura) en forma rápida y no cambia significativamente con el incremento en el potencial de polarización inversa, hasta que al valor Vz o VPI, voltaje pico inverso.
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El máximo potencial de polarización inversa que puede aplicarse antes de entrar en la región Zener se denomina Voltaje Pico Inverso o VPI nominal.
Los diodos de silicio tienen generalmente valores nominales de VPI y de corriente más altos e intervalos de temperatura más amplios que los diodos de germanio.
En general, el funcionamiento de este diodo, a grandes rasgos es la siguiente: en la zona directa se puede considerar como un generador de tensión continua, tensión de codo (0.5-0.7 V para el silicio y 0.2-0.4 V para el germanio). Cuando se polariza en inversa se puede considerar como un circuito abierto. Cuando se alcanza la tensión inversa de disyunción (zona Inversa) se produce un aumento drástico de la corriente que puede llegar a destruir al dispositivo. Este diodo tiene un amplio margen de aplicaciones: circuitos rectificadores, limitadores, fijadores de nivel, protección contra cortocircuitos, de moduladores, mezcladores, osciladores, bloqueo y bypass en instalaciones fotovoltaicas, etc.
Cuando usamos un diodo en un circuito se deben tener en cuenta las siguientes consideraciones (a partir de las hojas de características suministradas por el fabricante):

1.         La tensión inversa máxima aplicable al componente, repetitiva o no (VRRR máx. o VR máx., respectivamente) ha de ser mayor (del orden de tres veces) que la máxima que este va a soportar.
2.    La corriente máxima en sentido directo que puede atravesar al componente, repetitiva o no (IFRM máx. e IF máx. respectivamente), he de ser mayor (del orden del doble) que la máxima que este va a soportar.
3.    La potencia máxima que puede soportar el diodo (potencia nominal) ha de ser mayor (del orden del doble) que la máxima que este va a soportar.
En la siguiente figura podemos observar la representación gráfica o símbolo para este tipo de diodo.

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Uno de los parámetros importantes para el diodo es la resistencia en el punto o región de operación. Si consideramos la región definida por la dirección de Id y la polaridad de Vd, encontraremos que el valor de la resistencia directa RF, de acuerdo a como se define con la ley de Ohm es:
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Donde Vf es el voltaje de polarización directo a través del diodo e IF es la corriente en sentido directo a través del diodo. El diodo, por consiguiente, es un corto circuito para la región de conducción.
Si consideramos la región del potencial aplicado negativamente,
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Donde VR es el voltaje de polarización inverso a través del diodo e IR es la corriente inversa en el diodo. El diodo, en consecuencia, es un circuito abierto en la región en la que no hay conducción.

DIODOS PIN



El diodo PIN es un diodo que presenta una región P fuertemente dopada y otra región N también fuertemente dopada, separadas por una región de material que es casi intrínseco. Este tipo de diodos se utiliza en frecuencias de microondas, es decir, frecuencias que exceden de 1 GHz, puesto que incluso en estas frecuencias el diodo tiene una impedancia muy alta cuando está inversamente polarizado y muy baja cuando esta polarizado en sentido directo. Además, las tensiones de ruptura están comprendidas en el margen de 100 a 1000 V.
En virtud de las características del diodo PIN se le puede utilizar como interruptor o como modulador de amplitud en frecuencias de microondas ya que para todos los propósitos se le puede presentar como un cortocircuito en sentido directo y como un circuito abierto en sentido inverso. También se le puede utilizar para conmutar corrientes muy intensas y/o tensiones muy grandes.
El diodo se forma partiendo de silicio tipo P de alta resistividad. La capa P de baja resistividad representada, está esta formada por difusión de átomos de boro en un bloque de silicio tipo P y la capa N muy delgada está formada difundiendo grandes cantidades de fósforo. La región intrínseca i es realmente una región P de alta resistividad y se suele denominar región  . Cuando el circuito está abierto, los electrones fluyen desde la región i( ) hasta la región P para recombinarse con los huecos en exceso, y los huecos fluyen desde la región i para recombinarse con los electrones de la región N. Si el material i( ) fuese verdaderamente intrínseco, la caída de tensión en la región i sería nula, puesto que la emigración de huecos sería igual a la emigración de electrones. Si embargo, como el material es en verdad   (P de alta resistividad), hay mas huecos disponibles que electrones.
Cuando se aplica una polarización inversa al diodo los electrones y los huecos del material   son barridos (swept free). Un posterior aumento de la tensión inversa simplemente incrementa las distribuciones de tensiones P-I e I-N. En el diodo PIN la longitud de la región de transición L es aproximadamente igual a la región i y aproximadamente independiente de la tensión inversa. Por lo tanto, a diferencia de los diodos PN o Schottky, el diodo PIN tiene una capacidad inversa que es aproximadamente constante, independiente de la polarización. Una variación típica de la capacidad podría ser desde 0,15 hasta 0,14 pF en una variación de la polarización inversa de, por ejemplo, 100 V. En virtud de que es igual a la longitud de la región i, la longitud de la región de transición es aproximadamente constante y considerablemente mayor que la de otros diodos y, por lo tanto, la capacidad CR, que es proporcional a 1/L es significativamente menor que la de otros diodos, por lo que el diodo PIN es apropiado para aplicaciones de microondas. Los valores normales de CR varían desde 0,1 pF hasta 4 pF en los diodos PIN, comercialmente asequibles.
Cuando el diodo está polarizado en sentido directo, los huecos del material P se difunden el la región  , creando una capa P de baja resistividad. La corriente es debida al flujo de los electrones y de los huecos cuyas concentraciones son aproximadamente iguales en la región i. En la condición de polarización directa la caída de tensión en la región i es muy pequeña. Además, al igual que el diodo PN, cuando aumenta la corriente, también disminuye la resistencia. En consecuencia el diodo PIN es un dispositivo con su resistencia o conductancia modulada. En una primera aproximación, la resistencia rd en pequeña señal es inversamente proporcional a la corriente IDQ con polarización directa, lo mismo que en el diodo PN.
En frecuencias de microondas se representa de maneras mas sencillas por una capacidad CR en serie con la resistencia directa rd. Con tensiones directas, CR es aproximadamente infinita, mientras que en polarización inversa, rd es aproximadamente nula. La capacidad CS es la capacidad parásita paralelo que se produce soldando el diodo a la cápsula y LS es la inductancia serie debida a los hilos de conexión desde el diodo hasta la cápsula.

EMISORES INFRARROJOS.



Los diodos emisores infrarrojos son dispositivos de estado sólido de arseniuro de galio que emiten un haz de luz de flujo radiante cuando se polarizan directamente. Cuando la unión se polariza en forma directa, los electrones de la región N se recombinarán con los huecos en exceso de la región tipo P en una región de recombinado diseñada especialmente emparedada entre los materiales tipo P y tipo N. Durante este proceso de recombinación se radía energía alejándose de la fuente en forma de fotones. Los fotones que se generan serán reabsorbidos en la estructura o abandonarán la superficie del dispositivo como energía radiante.

EL DIODO EMISOR DE LUZ (LED)



La optoelectrónica es la tecnología que combina la óptica con la electrónica. Este emocionante campo incluye muchos dispositivos basados en la acción de una unión pn. Ejemplos de estos dispositivos son los diodos emisores de luz (LED), los fotodiodos, los optoacopladores.
El LED es un diodo que produce luz visible (o invisible, infrarroja) cuando se encuentra polarizado. El voltaje de polarización de un LED varía desde 1.8 V hasta 2.5 V, y la corriente necesaria para que emita la luz va desde 8 mA hasta los 20 mA.
Su uso es frecuente como luces “piloto” en aparatos electrónicos para indicar si el circuito está cerrado.
Los elementos componentes son transparentes o coloreados, de un material resina-epoxi, con la forma adecuada e incluye el corazón de un LED: el chip semiconductor.
Los terminales se extienden por debajo de la cápsula del LED o foco e indican cómo deben ser  conectados al circuito. El lado negativo está indicado de dos formas: 1) por la cara plana del foco o, 2) por el de menor longitud. El terminal negativo debe ser conectado al terminal negativo de un circuito.

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Los LEDs operan con un voltaje relativamente bajo, entre 1 y 4 volts, y la corriente está en un rango entre 10 y 40 mili amperes. Voltajes y corrientes superiores a los indicados pueden derretir el chip del LED. La parte más importante del “light emitting diode” (LED) es el chip semiconductor localizado en el centro del foco, como se ve en la figura.
El chip tiene dos regiones separadas por una juntura. La región p está dominada por las cargas positivas, y la n por las negativas. La juntura actúa como una barrera al paso de los electrones entre la región p y la n; sólo cuando se aplica el voltaje suficiente al chip puede pasar la corriente y entonces los electrones pueden cruzar la juntura hacia la región p.
Si la diferencia de potencial entre los terminales del LED no es suficiente, la juntura presenta una barrera eléctrica al flujo de electrones.
¿Qué causa la emisión de luz de un LED y qué determina el color de la luz?
En la siguiente figura se ve una fuente conectada a un resistor y un LED. Las flechas que salen simbolizan la luz radiada. En un LED con polarización directa, los electrones libres atraviesan la unión y caen en los huecos. Como caen de niveles energéticos altos a niveles energéticos bajos, radian energía. En los diodos ordinarios, esta energía se disipa en forma de calor, pero en un LED la energía se disipa en forma de luz. Los LED han sustituido a las lámparas incandescentes en muchas aplicaciones por su bajo voltaje, larga vida y su gran rapidez para activar y desconectar.
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Los diodos ordinarios están hechos de silicio, un material opaco que obstruye el paso de la luz. Los LED son diferentes. Empleando elementos tales como el galio, arsénico y fósforo, un fabricante puede producir LED que radien luz roja, verde, amarilla, azul, naranja, o infrarroja (invisible). Los LED que producen radiación visible son útiles en los instrumentos, las calculadoras, etc. Los LED de luz infrarroja tiene aplicaciones en sistemas de alarma antirrobo y otras áreas en las que se requiera luz invisible.
Cuando se aplica una tensión al chip del LED los electrones pueden moverse fácilmente sólo en una dirección a través la juntura entre p y n.   En la región p hay muchas cargas positivas y pocas negativas. En cambio en la región n hay más cargas negativas que positivas. Cuando se aplica tensión y la corriente empieza a fluir, los electrones en la región n tienen suficiente energía para cruzar la juntura hacia la región p.  Una vez en ésta, los electrones son inmediatamente atraídos hacia las cargas positivas, de acuerdo a la ley de Coulomb, que dice que fuerzas opuestas se atraen.  Cuando un electrón se mueve lo suficientemente cerca de una carga positiva en la región p, las dos cargas se recombinan.
Cada vez que un electrón se recombina con una carga eléctrica positiva, energía eléctrica potencial es convertida en energía electromagnética.  Por cada una de estas  recombinaciones  un quantum de energía electromagnética es emitido en forma de fotón de luz con una frecuencia que depende del material semiconductor.  Los fotones son emitidos en un rango de frecuencia muy estrecho que depende del material del chip; el color de la luz difiere según los materiales semiconductores y requieren diferentes tensión para encenderlos.

VOLTAJE DE CORRIENTE EN UN LED.



El resistor de la figura anterior, es el resistor limitador de corriente usual que evita que la corriente exceda la especificación de corriente máxima del diodo. Como el resistor tiene un voltaje de nodo de Vs a la izquierda y un voltaje de nodo Vd a la derecha, el voltaje en el resistor es la diferencia entre estos dos voltajes. Por ley de Ohm, la corriente en serie es

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En la mayor parte de los LED disponibles comercialmente, la caída de voltaje típica es de 1.5 a 2.5 V para corrientes que fluctúan entre 10 y 50 mA. El valor exacto de la caída de voltaje depende de la corriente del LED, el color, la tolerancia, etc. A menos que se diga otra cosa, supondremos una caída nominal de 2 V para la detección de fallas o el análisis de circuitos con LED.

Pantalla de siete segmentos.



En la figura 1-a se muestra una pantalla de siete segmentos. Contiene siete LED rectangulares (A a G). Cada LED recibe el nombre de segmento por que forma parte del carácter (símbolo) que se esté mostrando. La figura   1-b es un diagrama de la pantalla de siete segmentos. Se incluyen resistores externos en serie para limitar la corriente a niveles de seguridad. Aterrizando uno o mas segmentos, puede formarse cualquier dígito del 0 al 9. Por ejemplo aterrizando A,B,C se obtiene un 7. Aterrizando A,B,C,D y G se obtiene un 3. Con una pantalla de siete segmentos se puede formar también las letras A,C,E y F y las letras minúsculas b y d. Los entrenadores de microprocesador usan a menudo pantallas de siete segmentos para exhibir todos los dígitos del 0 al 9, más A, b, C, d, E y F.

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El indicador de 7 segmentos de la figura 1-B se conoce como tipo ánodo común por que todos los nodos están conectados entre si. También existe el tipo de cátodo en que todos los cátodos están conectados entre si.
¿Cuánta energía libera un LED?
La energía eléctrica es proporcional a la tensión que se necesita para hacer que los electrones fluyan a través de la juntura p-n.  Son predominantemente de un solo color de luz.  La energía (E) de la luz emitida por un LED está relacionada con la carga eléctrica (q) de un electrón, y el voltaje (v) requerido para encenderlo se obtiene mediante la expresión  E= q x V .   Esta expresión dice simplemente que el voltaje es proporcional al la energía eléctrica y es una regla general que se aplica a cualquier circuito, como el LED. La constante q es la carga eléctrica de un solo electrón: - 1,6 x  10 exp -19  Coulomb.

ENCONTRANDO LA ENERGÍA DESDE LA TENSIÓN



Supongamos que se ha medido el voltaje a través de los terminales del LED, y Ud. desea averiguar la energía necesaria para prender al LED.  Supongamos que tiene un LED rojo y que la tensión entre los terminales es de 1,71 volts; la energía requerida para prender el LED es E= q x V ó E= -1,6 x  10 exp -19. 1,71  Joule, dado que Coulomb / Volt es un Joule.  La multiplicación de estos números nos dan  E= 2,74  x  10 exp -19  Joule.

ENCONTRANDO LA FRECUENCIA DESDE LA LONGITUD DE ONDA DE LA LUZ



La frecuencia de la luz está relacionada con la longitud de onda de luz de una manera muy simple.  El espectrómetro puede ser usado para examinar la luz de un LED, y para estimar el pico de la longitud de onda emitido por el LED. Pero preferimos tener la frecuencia de la intensidad pico de la luz emitida por el LED.  La longitud de la onda está relacionada con la frecuencia de la luz por la fórmula
F = c / v , donde c el la velocidad de la luz y v es la longitud de onda de la luz leída desde el espectrómetro (en unidades de nanómetros, es decir, la millonésima parte de un milímetro).
Supongamos que observó un LED rojo con el espectrómetro y vio que el LED emite un rango en colores con un máximo de intensidad de acuerdo con la longitud de onda leída en el espectrómetro  de = 660 nm
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La frecuencia correspondiente a la emisión del LED rojo es de 4,55 x  10 exp 14 Hertz.  La unidad de un ciclo de una onda en un segundo (ciclos por segundo) es un Hertz.

Información básica sobre los LED



La mayoría de las características de los LED s están especificada para una corriente de 20 mA, si uno no está seguro de obtener 20 mA en la función de la conductividad del calor en la plaqueta más el calor del LED, variaciones de calor y corriente, conviene diseñar todo para 15 mA.

- Cómo lograr 15 mA a través del LED:


Primero se necesita saber la caída de tensión en el LED. Se puede asumir con suficiente seguridad 1,7 V para rojo no muy brillante,  1,9 V  para alto brillo, alta eficiencia y rojo de baja corriente, y 2V para naranja y amarillo; 2,1 V para verde, 3,4 V para blanco brillante, verde brillante sin amarillo y la mayoría de los azules, 4,6 V para azul brillante de 430 nm.  En general se diseña para 12 mA para los tipos de 3,4 V y 10 mA para el azul de 430 nm.
Se puede diseñar una fuente que entregue mayor corriente si se está seguro de una excelente disipación de calor en el conjunto. En este caso asigne 25 mA a los LED de cerca de 2V,  18 mA para los de 3,4 V  y 15 mA para el azul de 430 nm.
En condiciones óptimas de disipación de calor se puede hacer circular una corriente mayor pero la vida útil del LED se reducirá al 50% del normal: 20.000 a 100.000 horas. En cuanto al voltaje debe estar algo por arriba de lo asignado para los LED s. Use por lo menos 3 V para los de bajo voltaje,  4,5 V para los de 3,4 V y 6 V para el azul de 430 nm.
El próximo paso es restar el voltaje de los LED s de la fuente; esto le da la caída de voltaje que se logra mediante una resistencia. Ej.: 3, 4 V del LED con una fuente de 6 V.  haciendo la resta da 2,6 V de caída que debe ser producida por la resistencia.
El próximo paso consiste en dividir la caída de voltaje por la corriente del LED, obteniéndose así el valor de la resistencia; al dividir V / A  se obtiene un valor de resistencia en ohms. Si se divide V  /  mA la resistencia se obtiene en K ohms.
Otro paso a seguir es determinar la potencia de la resistencia. Multiplique la caída de voltaje por la corriente del LED para obtener la potencia de la resistencia.
No ponga los LED s en paralelo entre sí; si bien esto funciona no es confiable porque los LED s se vuelven más conductores a medida que aumenta su temperatura, con lo que se vuelve inestable la distribución de la corriente.  Cada LED debe tener su propia resistencia.

RESUMIENDO: la tensión de arranque de un LED depende del color que deban emitir, teniendo en cuenta los materiales de los que están hechos, que se eligen de acuerdo al color

Información de otras fuentes:



Son diodos y por lo tanto con polaridad:
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Tenemos tres sistemas en los leds que nos indican la polaridad, una pata más corta que otra, dentro de la cápsula distinta longitud de espadín, y la más efectiva, donde va la barrera de paso está plano el encapsulado.
En la foto vemos a la izquierda un led rojo y otro verde debajo, además vemos dos soportes para ponerlos en la placa de control, el primero es el más complicado, se ponen primero el led en la zona plástica blanca antes de soldarlo, la zona metálica se fija al tablero de mandos, y después, se incrusta el conjunto led+plástico al soporte metálico.
El segundo soporte (el negro) es una simple pieza de plástico como las usadas en las bases aislantes de los 2N3055, que se pone en un agujero del tablero de mandos desde arriba, incrustándose el led desde abajo del tablero en dicha pieza.

Principio de Funcionamiento:



En cualquier unión P-N polarizada directamente, dentro de la estructura y principalmente cerca de la unión, ocurre una recombinación de huecos y electrones (al paso de la corriente). Esta recombinación requiere que la energía que posee un electrón libre no ligado se transfiera a otro estado. En todas las uniones P-N una parte de esta energía se convierte en calor y otro tanto en fotones. En el Si y el Ge el mayor porcentaje se transforma en calor y la luz emitida es insignificante. Por esta razón se utiliza otro tipo de materiales para fabricar los LED’s, como Fosfuro Arseniuro de Galio (GaAsP) o fosfuro de Galio (GaP).

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Los diodos emisores de luz se pueden conseguir en colores: verde, rojo, amarillo, ámbar, azul y algunos otros.
Hay que tener en cuenta que las características obtenidas de las hojas de especificaciones pueden ser distintas para los diodos (p. e. 1N4001) aunque ambos hayan sido producidos en el mismo lote. También hay que tener en cuenta otro tipo de tolerancias como los resistores, uno marcado de 100W puede ser realmente de 98W o de 102W o tal vez si ser exacto, y una fuente “ajustada” a 10V puede estar ajustada realmente a 9.9V o a 10.1V o tal vez a 10V.
De acuerdo a otras consideraciones, El diodo LED presenta un comportamiento análogo al diodo rectificador (diodo semiconductor p-n), sin embargo, su tensión de codo tiene un valor mayor, normalmente entre 1.2-1.5 V. Según el material y la tecnología de fabricación estos diodos pueden emitir en el infrarrojo (diodos IRED), rojo, azul, amarillo y verde, dependiendo de cual sea la longitud de onda en torno a la cual emita el LED.
Entre sus aplicaciones podemos destacar: pilotos de señalización, instrumentación, optoaclopadores, etc.
Resulta difícil distinguir, por pura inspección visual, el modelo del LED así como el fabricante: los valores máximos de tensión y corriente que puede soportar y que suministra el fabricante serán por lo general desconocidos. Por esto, cuando se utilice un diodo LED en un circuito, se recomienda que la intensidad que lo atraviese no supere los 20 mA, precaución de carácter general que resulta muy válida. En la figura siguiente se muestra el símbolo electrónico de este tipo de diodo.
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El diodo LED puede ser tratado de manera análoga a un diodo normal. sin embargo conviene tener en cuenta que los diodos LED no están fabricados de silicio monocristalino, ya que el silicio monocristalino es incapaz de emitir fotones. Debido a ello, la tensión de polarización directa Vd depende del material con el que esté fabricado el diodo.
El material que compone el diodo LED, es importante ya que el color de la luz emitida por el LED depende únicamente del material y del proceso de fabricación principalmente de los dopados.
En la tabla que a continuación se presenta aparecen algunos ejemplos de materiales utilizados junto con los colores conseguidos:
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DIODO ZENER



La corriente en la región Zener tiene una dirección opuesta a la de un diodo polarizado directamente. El diodo Zener es un diodo que ha sido diseñado para trabajar en la región Zener.
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De acuerdo con la definición, se puede decir que el diodo Zener ha sido diseñado para trabajar con voltajes negativos (con respecto a él mismo). Es importante mencionar que la región Zener (en un diodo Zener) se controla o se manipula variando los niveles de dopado. Un incremento en el número de impurezas agregadas, disminuye el potencial o el voltaje de Zener Vz.
Así, se obtienen diodos Zener con potenciales o voltajes de Zener desde -1.8 V a -200 V y potencias de 1/4 a 50 W. El diodo Zener se puede ver como un dispositivo el cual cuando ha alcanzado su potencial VZ se comporta como un corto. Es un “switch” o interruptor que se activa con VZ volts. Se aplica en reguladores de voltaje o en fuentes.

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En el circuito que se muestra en la figura anterior, se desea proteger la carga contra sobre voltajes, el máximo voltaje que la carga puede soportar es 4.8 volts. Si se elige un diodo Zener cuyo VZ sea 4.8 volts, entonces este se activará cuando el voltaje en la carga sea 4.8 volts, protegiéndola de esta manera.
De acuerdo a otras consideraciones, el funcionamiento de este diodo, a grandes rasgos es la siguiente: en la zona directa lo podemos considerar como un generador de tensión continua (tensión de codo). En la zona de disrupción, entre la tensión de codo y la tensión Zener (Vz nom.) lo podemos considerar un circuito abierto. Cuando trabaja en la zona de disrupción se puede considerar como un generador de tensión de valor Vf= -Vz.
El Zener se usa principalmente en la estabilidad de tensión trabajando en la zona de disrupción.
Podemos distinguir:

1.    Vz nom,Vz: Tensión nominal del Zener (tensión en cuyo entorno trabaja adecuadamente el Zener).
2.    Iz min: Mínima corriente inversa que tiene que atravesar al diodo a partir de la cual se garantiza el adecuado funcionamiento en la zona de disrupción (Vz min).
3.    Iz máx.: Máxima corriente inversa que puede atravesar el diodo a partir de la cual el dispositivo se destruye (Vz máx.).
4.    Pz: Potencia nominal que no debe sobrepasar el componente. Aproximadamente se corresponde con el producto de Vz nom y Iz máx.

En la gráfica siguiente se puede observar la curva característica de este tipo de diodo.

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Cuando usamos un diodo Zener en un circuito se deben tener en cuenta las siguientes consideraciones (a partir de las hojas de características suministradas por el fabricante):

1.    Para un correcto funcionamiento, por el Zener debe circular una corriente inversa mayor o igual a Iz min.
2.    La corriente máxima en sentido inverso ha de ser siempre menor que Iz máx.
3.    La potencia nominal Pz que puede disipar el Zener ha de ser mayor (del orden del doble) que la máxima que este va a soportar en el circuito.

DIODOS DE CORRIENTE CONSTANTE.



Estos son diodos que funcionan en forma exactamente opuesta a los diodos Zener. En vez de mantener constante el voltaje, estos diodos mantienen constante la corriente. Conocidos como diodos de corriente constante (y también como diodos reguladores de corriente), estos dispositivos mantienen la corriente que circula a través de ellos en un valor fijo, aún cuando varíe el voltaje aplicado. Por ejemplo, el 1N5305 es un diodo de corriente constante con una corriente típica de 2 mA en un intervalo de voltaje de 2 a 100 V.

DIODOS DE RECUPERACION EN ESCALON.



El diodo de recuperación en escalón tiene un perfil de impurificación no usual ya que la densidad de portadores disminuye cerca de la unión. Esta distribución poco común de portadores es el origen de un fenómeno llamado desplome de reversa. Durante el semiciclo positivo, el diodo conduce igual que un diodo de silicio. Pero durante el semiciclo negativo, la corriente inversa existe sólo durante un tiempo muy corto, desplomándose repentinamente a cero. La corriente de desplome de un diodo de recuperación en escalón es rica en armónicos y se puede filtrar para producir una onda sinusoidal de frecuencia más alta. Debido a esto, los diodos de recuperación en escalón son útiles en multiplicadores de frecuencia, circuitos cuya frecuencia de salida es un múltiplo de la frecuencia de entrada.

DIODOS INVERTIDOS.



Los diodos Zener normalmente tienen voltajes de rompimiento mayores que 2 V. Incrementando el nivel de impurificación, puede lograrse que el efecto Zener ocurra próximo al voltaje cero. La conducción en polarización directa aún ocurre aproximadamente a los 0.7 V, pero la conducción inversa (rompimiento) comienza más o menos a los -0.1 V. Un diodo como éste recibe el nombre de diodo invertido por que conduce mejor en la dirección inversa que en la directa. Los diodos invertidos se emplean ocasionalmente para rectificar señales débiles cuyas amplitudes pico se hallen entre 0.1 y 0.7 V.

DIODOS VARACTORES (VARICAP)



El varactor (llamado también capacitancia de voltaje variable, varicap, epicap y diodo sintonizador) se usa mucho en receptores de televisión, receptores de FM, y demás equipo de comunicaciones. La idea básica es la siguiente. En la figura 1-D, la capa de empobrecimiento se halla entre la región p y la región n. Las regiones p y n son como las placas de un capacitor, y la capa de empobrecimiento es como el dieléctrico. Cuando un diodo se polariza inversamente, la anchura de la capa de empobrecimiento aumenta con el voltaje inverso. Como la capa de empobrecimiento se ensancha cuando el voltaje inverso aumenta, la capacitancia disminuye. Es como si las placas del capacitor se separasen.  La idea es que la capacitancia está controlada por el voltaje.

En la figura 1-E se muestra el circuito equivalente para un diodo con polarización inversa. A frecuencia más altas, el varactor actúa igual que una capacitancia variable. En la figura 1-F se ilustra la variación de la capacitancia con el voltaje inverso. Esta gráfica muestra que la capacitancia se hace más pequeña cuando el voltaje inverso se hace más grande. Lo realmente importante aquí es que el voltaje inverso controla la capacitancia. Esto es la puerta de entrada para el control remoto.

En la figura 1-G se aprecia el símbolo para un varactor. ¿Cómo se emplea este dispositivo? Puede conectarse un varactor en paralelo con un inductor para obtener un circuito resonante. Entonces se puede cambiar el voltaje inverso para cambiar la frecuencia resonante. Este es el principio de la sintonización de una estación de radio, un canal de TV, etc.

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Características del varactor:



Son diodos de Silicio diseñados para aprovechar su capacitancia variable. Como la capacitancia está controlada por el voltaje, los varactores han sustituido a los capacitores sintonizadores mecánicamente en muchas aplicaciones, tales como en los receptores de televisión y en los radios para automóvil. En las hojas de datos para los varactores se lista un valor de referencia de capacitancia medido a un voltaje inverso específico típicamente -4V. Por ejemplo, la hoja de datos de un 1N5142 indica una capacitancia de referencia de 15pF a -4V.

Además del valor de referencia de la capacitancia, las hojas de datos indican un intervalo de sintonización y un intervalo de voltaje. Por ejemplo, junto con el valor de referencia de 15 pF, la hoja de datos de un 1N5142 indica un intervalo de sintonía de 3:1 para un intervalo de voltaje de -4 a -60 V. Esto significa que la capacitancia disminuye de 15 a 5 pF si el voltaje fluctúa entre -4 y -60 V.

El intervalo de sintonía de un varactor depende del nivel de impurificación. Por ejemplo la figura 1- H muestra el perfil de impurificación para un diodo de unión abrupta (el tipo ordinario de diodos). Obsérvese que la impurificación es uniforme en ambos lados de la unión; esto significa que el número de huecos y de electrones libres está igualmente distribuido. El intervalo de sintonía de un diodo de unión abrupta oscila entre 3:1 y 4:1.
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Para obtener intervalos de sintonía más extensos, algunos varactores tienen una unión hiperabrupta, cuyo perfil de impurificación es como el que se ve en la figura 1 - I. El perfil indica que la densidad de carga aumenta conforme nos acercamos a la unión. Esta mayor concentración lleva a una capa de empobrecimiento más angosta y una mayor capacitancia. Además, los cambios en el voltaje inverso tienen efectos más pronunciados sobre la capacitancia. Un varactor hiperabrupto tiene un intervalo de sintonía de aproximadamente 10:1, suficiente para sintonizar todo el intervalo de frecuencia de radio AM (de 535 a 1 605 kHz).

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Los diodos varactores [llamados también varicap (diodo con capacitancia-voltaje variable) o sintonizadores] son semiconductores dependientes del voltaje, capacitores variables. Su modo de operación depende de la capacitancia que existe en la unión P-N cuando el elemento está polarizado inversamente. En condiciones de polarización inversa, se estableció que hay una región sin carga en cualquiera de los lados de la unión que en conjunto forman la región de agotamiento y definen su ancho Wd. La capacitancia de transición (CT) establecida por la región sin carga se determina mediante:

CT = E (A/Wd)

donde E es la permitibilidad de los materiales semiconductores, A es el área de la unión P-N y Wd el ancho de la región de agotamiento.
Conforme aumenta el potencial de polarización inversa, se incrementa el ancho de la región de agotamiento, lo que a su vez reduce la capacitancia de transición. El pico inicial declina en CT con el aumento de la polarización inversa. El intervalo normal de VR para diodos varicap se limita aproximadamente 20V. En términos de la polarización inversa aplicada, la capacitancia de transición se determina en forma aproximada mediante:

CT = K / (VT + VR)n

donde:

K = constante determinada por el material semiconductor y la técnica de construcción.
VT = potencial en la curva según se definió en la sección
VR = magnitud del potencial de polarización inversa aplicado
n = 1/2 para uniones de aleación y 1/3 para uniones de difusión

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En la gráfica, se observa la variación de la capacitancia con respecto al voltaje.
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En la gráfica se puede observar el aumento no lineal en la capacitancia cuando se disminuye el voltaje inverso. Esta no linealidad, permite que el varactor sea utilizado también como generador armónico. Las consideraciones importantes del varactor son:

a)    Valor de la capacitancia.
b)    Voltaje.
c)    Variación en capacitancia con voltaje.
d)    Voltaje de funcionamiento máximo.
e)  Corriente de la salida.





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