Diodos: rectificador, Schottky y señal

01 · Punto de partida

El diodo que se comía la pila

Con el taller del Tema 14 terminó el bloque de los pasivos. Resistores, capacitores e inductores tienen algo en común: se comportan igual sin importar el sentido de la corriente ni lo que pase en el resto del circuito. Los componentes de este bloque son distintos: conducen o no conducen según una condición. Son las piezas con las que un circuito empieza a decidir.

Un diodo no es gratis. Cada vez que la corriente lo atraviesa, deja en él una parte de la tensión. En un circuito de 12 V, 0,7 V son un detalle. En uno de 3 V deciden si funciona o no.

Para un programador, el diodo es una condición: if (tension_anodo > tension_catodo), pasa. Y como toda comprobación, tiene un costo por cada vez que se ejecuta. Los distintos tipos de diodo son distintas implementaciones de la misma condición: una barata y lenta, una rápida y limitada, una con muy poco costo y otras restricciones.

• ¿Qué hay dentro de un diodo y por qué conduce en un solo sentido?
• ¿De dónde salen los «0,7 V» y por qué no son siempre 0,7?
• ¿En qué se diferencian un rectificador, un diodo de señal y un Schottky?
• ¿Qué significa que un diodo sea «rápido» o «lento»?
• ¿Cómo elijo uno para cada trabajo?
• ¿Cómo distingo los tipos con un multímetro?

02 · Identificar

Qué es un diodo

Un diodo es un trozo de silicio con dos zonas, preparadas de forma distinta durante su fabricación. La frontera entre las dos se llama unión, y tiene una propiedad que ningún material común tiene: la corriente la cruza con facilidad en un sentido y casi no la cruza en el otro. De esa unión salen todos los semiconductores del curso; un transistor son dos uniones juntas.

Ánodo y cátodo

Los dos terminales, que viste en el Tema 2. La corriente entra por el ánodo y sale por el cátodo. En la pieza, la franja marca el cátodo; en el símbolo, es la barra.

En directa

Cuando el ánodo está a mayor tensión que el cátodo: el diodo conduce. Se dice que está «polarizado en directa».

En inversa

Cuando la tensión está al revés: el diodo bloquea. Es lo que hacía el diodo de protección del Tema 14 durante el funcionamiento normal.

La imagen habitual es la de una válvula antirretorno, como la que impide que el agua vuelva hacia atrás en una cañería. Es una buena primera idea, y a la vez esconde tres cosas que la válvula real hace y la ideal no: necesita cierta presión para abrirse, pierde un poco cuando está cerrada y tarda un instante en cerrar. Las tres secciones que siguen son esas tres cosas.

03 · Características

En directa: la caída no es fija

Para que un diodo empiece a conducir hace falta aplicarle una tensión mínima. Por debajo de ella, prácticamente no pasa nada. Por encima, la corriente crece muy rápido con cada pequeño aumento de tensión. La tensión que queda entre sus terminales mientras conduce se llama tensión directa, y en las hojas figura como V_F (de forward, «hacia adelante»).

Es la curva con forma de codo que viste en el curso 1 y, para un LED, en el Tema 3. Tiene una consecuencia práctica que conviene mirar con números:

La tabla dice tres cosas:

1. 1
   Los «0,7 V» son una aproximación.

   En un diodo de silicio la caída va de 0,55 V con un miliamper a 0,9 V con un amper. El 0,7 es un valor intermedio cómodo para cuentas rápidas, no una propiedad de la pieza.

2. 2
   La caída sube muy despacio con la corriente.

   Cada vez que la corriente se multiplica por diez, la tensión sube alrededor de una décima de volt. Por eso el modelo «caída fija» funciona razonablemente bien: mil veces más corriente son apenas 0,3 V más.

3. 3
   El Schottky cae menos de la mitad.

   A cualquier corriente. Es otra tecnología, y es la respuesta a la escena.

Con qué valor se diseña

Con el que da la hoja para tu corriente, y del lado que más te perjudica (Tema 3): el máximo si te preocupa cuánta tensión llega a la carga, y por lo tanto si el circuito arranca.

El efecto de la temperatura

La tensión directa baja unos 2 milivolts por cada grado que sube la temperatura. Es tan regular que se usa para medir: muchos sensores de temperatura son, por dentro, un diodo.

04 · Características

En inversa: fuga y ruptura

Con la tensión al revés, el diodo bloquea. Pero ese bloqueo tiene dos límites.

La corriente de fuga

Un diodo bloqueado deja pasar una corriente mínima en sentido inverso. En uno de silicio son milmillonésimas de amper, y se puede ignorar casi siempre. En un Schottky es miles de veces mayor, y además se duplica aproximadamente cada 10 °C. En un equipo a pila que tiene que durar meses, o con calor, esa fuga puede ser un consumo real.

La tensión inversa máxima

Si la tensión inversa supera cierto valor, el diodo deja de bloquear de golpe y conduce en sentido contrario. En un diodo común eso lo destruye. En la hoja figura como V_RRM, y es un máximo absoluto.

El margen es el de siempre: la tensión inversa que el diodo va a ver en el circuito no debería pasar de la mitad de su máximo. En un circuito de 12 V, cualquiera de los tres sirve. Con 24 V, el Schottky de 40 V queda justo.

Hay un tipo de diodo hecho para trabajar a propósito en esa ruptura, de forma controlada y sin dañarse: el Zener, que tiene su propio tema, el 18.

05 · Identificar

Los tres tipos, cara a cara

Con lo anterior ya se pueden comparar. En un taller de aficionado se usan tres familias, y con un modelo de cada una se resuelve casi todo.

Rectificador

El caballo de tiro: mucha corriente y mucha tensión, a cambio de ser lento. Su nombre viene de su uso original, convertir la corriente alterna de la red en continua. La serie va del 1N4001 (50 V) al 1N4007 (1000 V); como cuestan lo mismo, se suele tener solo el 1N4007.

De señal

Chico, rápido y para poca corriente. Se usa donde lo que circula es información y no potencia.

Schottky

No tiene una unión de silicio con silicio, sino de silicio con metal. Eso le da la mitad de caída y una velocidad muy alta, y le quita capacidad de bloqueo: poca tensión inversa y más fuga. La serie común va del 1N5817 (20 V) al 1N5819 (40 V).

Cómo reconocerlos

La última fila es una trampa conocida: un rectificador y un Schottky comparten encapsulado. Mezclados en un cajón, se distinguen leyendo el código o con la medición de la sección 11.

06 · Características

La velocidad: cuánto tarda en cerrar

Queda la tercera diferencia con la válvula ideal. Cuando la tensión sobre un diodo que conducía se invierte, el diodo no deja de conducir al instante. Durante un tiempo muy breve conduce en sentido contrario, hasta que la unión «se vacía» y recién entonces bloquea. Ese tiempo se llama tiempo de recuperación inversa, y en las hojas figura como t_rr.

Unos microsegundos parecen nada, y a la frecuencia de la red no importan: cada ciclo dura veinte mil microsegundos. Pero en una fuente conmutada, que invierte la tensión cien mil veces por segundo, cada ciclo dura diez microsegundos. Un diodo que tarda dos en cerrar pasa una quinta parte del tiempo conduciendo al revés: desperdicia energía, se calienta y genera interferencias.

Es la misma distinción entre latencia y caudal que aparece en cualquier sistema: el rectificador mueve mucho pero responde lento; el de señal responde al instante pero mueve poco. El Schottky de potencia logra las dos cosas, y paga en tensión inversa.

07 · Características

El diodo también calienta

La tensión que el diodo se queda, multiplicada por la corriente que lo atraviesa, es potencia que se convierte en calor dentro de la pieza:

Un 1N4007 es «de 1 A», y a 1 A disipa casi un watt en un cuerpo del tamaño de un grano de arroz grande. Es su máximo absoluto, medido con los terminales cortos y bien soldados, que le sirven de disipador. En una protoboard, con los terminales largos y al aire, no lo alcanza sin sobrecalentarse.

El margen de siempre

Un diodo se usa, como mucho, a la mitad de su corriente máxima. Un 1N4007 es cómodo hasta medio amper. Para un amper sostenido se elige uno de 2 o 3 A, como el 1N5408.

La corriente de pico

La hoja da además una corriente mucho mayor que el diodo soporta durante un instante: 30 A durante ocho milisegundos, para un 1N4007. Es lo que le permite sobrevivir al golpe de corriente de un capacitor grande que se carga al encender.

Menos caída es menos calor

El Schottky no solo le deja más tensión a la carga: disipa la mitad. En corrientes altas, esa suele ser la razón principal para elegirlo.

08 · Características

Los parámetros de su hoja

Reuniendo todo, la ficha de un diodo tiene seis renglones. Es un buen ejercicio buscarlos en la hoja de un 1N4148, con el recorrido de cinco paradas del Tema 3: los tres primeros están en la tabla de máximos y los otros tres, en la de características.

Fijate en los renglones cuarto y quinto: los dos dicen «a una corriente indicada» y «a una tensión y temperatura indicadas». Son las condiciones de medición del Tema 3. La caída de un diodo sin la corriente a la que se midió no dice nada.

09 · Selección

Elegir en cuatro preguntas

1. 1
   ¿Cuánta corriente, sostenida y de pico?

   Hasta unos 100 mA sirve un diodo de señal. Hasta medio amper, un diodo de 1 A. Más que eso, uno mayor.

2. 2
   ¿Cuánta tensión inversa va a ver?

   El doble de la máxima del circuito. Esto descarta al Schottky en cuanto la tensión pasa de unos 20 V.

3. 3
   ¿Importa la tensión que se queda?

   En circuitos de 5 V o menos, o con corrientes altas donde la caída es calor: Schottky. En 12 V con poca corriente, no importa.

4. 4
   ¿Importa la velocidad?

   Solo si el circuito conmuta a decenas de kilohertz o maneja señales rápidas. Ahí, Schottky o de señal; nunca un rectificador común.

10 · Simulador

Tres diodos, un circuito

El circuito es el de la escena: una fuente, un diodo en serie y una carga. Elegí la fuente y cuánto consume la carga, y el simulador muestra dónde trabaja cada uno de los tres diodos.

• El gráfico es la curva de cada diodo: tensión entre sus terminales en horizontal, corriente en vertical. El punto sobre cada curva es donde queda trabajando en este circuito.
• La línea punteada es lo que impone el resto del circuito: la fuente y la carga.
• A la derecha, para cada diodo: cuánto se queda, cuánto le llega a la carga y cuánto calor disipa.

Recorrido guiado (6 minutos)

1. 1
   Mirá el estado inicial.

   Es la escena: 3 V, una carga de 20 mA y un 1N4007. El diodo se queda con casi 0,7 V y a la carga le llegan 2,3 V. En el panel de la derecha, el Schottky deja pasar 2,8 V en el mismo circuito.

2. 2
   Cambiá la fuente a 5 V y después a 12 V.

   La caída del diodo casi no cambia, pero su peso sí: de más del 20 % de la fuente pasa a menos del 6 %. El mismo diodo es un problema en 3 V y un detalle en 12 V.

3. 3
   Volvé a 5 V y subí la carga de 1 mA a 1 A, paso por paso.

   Mirá cómo sube la caída del 1N4007: de 0,55 a 0,9 V. Mil veces más corriente, y apenas 0,35 V más. Es el codo de la curva.

4. 4
   Con 1 A, compará el calor de los dos diodos de potencia.

   El 1N4007 disipa unos 0,7 W y queda marcado «sin margen». El Schottky, cerca de la mitad, y además le deja medio volt más a la carga.

5. 5
   Con 500 mA, elegí el 1N4148.

   Supera más de dos veces su corriente máxima. Su curva directamente no llega a esa zona del gráfico: no es un diodo para alimentación.

6. 6
   Con 1 mA y 3 V, compará los tres.

   A corrientes muy chicas las caídas bajan: el Schottky se queda con apenas 0,14 V. Es el punto donde menos tensión cuesta proteger un circuito a pila.

Preguntas para pensar

1. En el paso 1, ¿por qué la corriente real es menor que los 20 mA elegidos?
2. En el paso 2, la caída en volts es casi la misma con 3 V y con 12 V. ¿Qué es lo que cambia?
3. Si el Schottky cae menos y disipa menos, ¿por qué no se lo usa siempre?

11 · Verificar

Verificar con el multímetro

En el Tema 2 usaste el modo diodo para encontrar el ánodo y el cátodo. Ahora podés leer más en la misma medición: el valor que aparece en pantalla identifica el tipo de diodo, porque es su tensión directa a una corriente de prueba de aproximadamente un miliamper.

Separar un 1N4007 de un 1N5819

Los dos son negros y del mismo tamaño. En modo diodo, el primero marca alrededor de 0,55 V y el segundo, alrededor de 0,15 V. Es la forma más rápida de ordenar un cajón mezclado.

Lo que la lectura no dice

Ni la corriente máxima ni la tensión inversa. Y el valor mostrado corresponde a una corriente de prueba muy chica: con la corriente real del circuito, la caída va a ser mayor. Sirve para identificar, no para calcular.

Dentro de un circuito

Como con los resistores en el Tema 7, lo que haya en paralelo falsea la lectura. Un diodo que parece en corto, soldado, puede estar perfecto. Para estar seguro hay que levantar un terminal.

12 · El diodo en código

La curva, el circuito y la selección

La curva de un diodo se puede describir con una fórmula corta. Con ella se resuelve el circuito de la escena y se arma un selector.

La caída según la corriente

El primer término es la unión, que crece con el logaritmo de la corriente: por eso sube tan despacio. El segundo es la pequeña resistencia interna de la pieza, que se nota recién con corrientes altas.

from math import log

# pendiente (V), corriente de saturación (A), resistencia interna (ohm): ajustados a valores típicos
DIODOS = {
    "1N4148": (0.050, 6.1e-9, 0.6),
    "1N4007": (0.045, 5.3e-9, 0.04),
    "1N5819": (0.028, 7.9e-6, 0.1),
}


def caida(modelo, amperes):
    pendiente, i_sat, r_interna = DIODOS[modelo]
    return pendiente * log(amperes / i_sat + 1) + amperes * r_interna


print("corriente   1N4148   1N4007   1N5819")
for ma in (1, 10, 100, 1000):
    fila = "  ".join(f"{caida(m, ma / 1000):6.2f} V" for m in DIODOS)
    print(f"{ma:>6} mA  {fila}")

print("Aumento por cada década de corriente en el 1N4007:")
for ma in (1, 10, 100):
    salto = caida("1N4007", ma / 100) - caida("1N4007", ma / 1000)
    print(f"  de {ma} a {ma * 10} mA: +{salto * 1000:.0f} mV")

La tabla marca una caída para el 1N4148 a 1 A, pero ese diodo soporta 0,2 A. La fórmula no sabe de límites: eso lo agrega el tercer bloque.

El circuito de la escena

Fuente, diodo y carga en serie. Como la caída depende de la corriente y la corriente depende de la caída, se resuelve probando: una búsqueda binaria sobre la corriente.

from math import log

DIODOS = {"1N4148": (0.050, 6.1e-9, 0.6), "1N4007": (0.045, 5.3e-9, 0.04), "1N5819": (0.028, 7.9e-6, 0.1)}


def caida(modelo, amperes):
    pendiente, i_sat, r_interna = DIODOS[modelo]
    return pendiente * log(amperes / i_sat + 1) + amperes * r_interna


def punto_de_trabajo(modelo, v_fuente, r_carga):
    bajo, alto = 0.0, v_fuente / r_carga
    for _ in range(60):                       # búsqueda binaria sobre la corriente
        medio = (bajo + alto) / 2
        if medio * r_carga + caida(modelo, medio) > v_fuente:
            alto = medio
        else:
            bajo = medio
    return bajo, caida(modelo, bajo)


v_fuente, consumo, v_minima = 3.0, 0.020, 2.7
r_carga = v_fuente / consumo
print(f"Fuente de {v_fuente} V, carga de {consumo * 1000:.0f} mA, mínimo {v_minima} V")
for modelo in DIODOS:
    corriente, vf = punto_de_trabajo(modelo, v_fuente, r_carga)
    llega = v_fuente - vf
    estado = "arranca" if llega >= v_minima else "NO arranca"
    print(f"  {modelo}: cae {vf:.2f} V, llegan {llega:.2f} V ({vf / v_fuente:.0%} perdido) -> {estado}")

Cambiá v_fuente a 2,4, como dos pilas ya gastadas. ¿Con qué diodo sigue arrancando?

Un selector con las cuatro preguntas

# modelo, corriente máxima (A), tensión inversa máxima (V), caída típica (V), ¿es rápido?, precio relativo
CATALOGO = [
    ("1N4148", 0.2,  100, 0.7, True,  1.0),
    ("1N4007", 1.0, 1000, 0.8, False, 1.2),
    ("1N5819", 1.0,   40, 0.3, True,  2.0),
]


def elegir(corriente, v_inversa, caida_maxima=None, conmuta_rapido=False):
    aptos = []
    for modelo, i_max, v_max, vf, rapido, precio in CATALOGO:
        if corriente > 0.5 * i_max:
            motivo = f"la corriente supera la mitad de sus {i_max} A"
        elif v_inversa > 0.5 * v_max:
            motivo = f"la tensión inversa supera la mitad de sus {v_max} V"
        elif caida_maxima is not None and vf > caida_maxima:
            motivo = f"cae unos {vf} V y se admiten {caida_maxima} V"
        elif conmuta_rapido and not rapido:
            motivo = "es demasiado lento"
        else:
            motivo = None
            aptos.append((precio, modelo))
        print(f"  {modelo}: {'apto' if motivo is None else motivo}")
    print("  => ELEGIDO:", min(aptos)[1] if aptos else "ninguno: buscar otro modelo")


print("Protección de un relé de 5 V (71 mA):")
elegir(0.071, 5)
print("Pilas al revés, 3 V y 20 mA, se admite perder 0,3 V:")
elegir(0.020, 3, caida_maxima=0.3)
print("Regulador conmutado, 12 V y 0,4 A:")
elegir(0.4, 12, conmuta_rapido=True)
print("Alimentación de 24 V y 0,3 A:")
elegir(0.3, 24)

Agregá al catálogo un 1N5408 (3 A, 1000 V, 0,9 V, lento) y pedí un diodo para 12 V y 1,2 A.

13 · Comprensión

Confusiones frecuentes

14 · Práctica guiada

Ejercicios

Ejercicio 1: cuánto llega

Usando la tabla de la sección 03, calculá qué tensión le llega a la carga en cada caso.

1. Fuente de 5 V, 1N4148 en serie, carga de 10 mA.
2. Fuente de 12 V, 1N4007 en serie, carga de 100 mA.
3. Fuente de 3,3 V, 1N5819 en serie, carga de 100 mA.
4. La misma fuente de 3,3 V, con un 1N4007.

Ejercicio 2: el calor

Por un diodo circulan 0,8 A de forma permanente. Calculá la potencia que disipa si es un 1N4007 (0,89 V a esa corriente) y si es un 1N5819 (0,41 V). ¿Alguno de los dos está bien elegido?

Ejercicio 3: siete trabajos

Elegí entre 1N4148, 1N4007 y 1N5819, con una línea de justificación.

1. Proteger la bobina de un relé de 12 V y 30 mA.
2. Evitar que una pila de 9 V conectada al revés dañe un circuito que consume 150 mA.
3. Lo mismo, en un circuito de dos pilas AA que consume 30 mA.
4. El diodo de un regulador conmutado de 5 V y 0,3 A que trabaja a 150 kHz.
5. Limitar una señal de audio que llega a una entrada.
6. Un circuito de 24 V que consume 0,3 A.

Ejercicio 4: leer el multímetro

Medís cinco piezas en modo diodo, en los dos sentidos. Decí qué es cada una.

1. 0,58 V en un sentido y OL en el otro.
2. 0,17 V en un sentido y OL en el otro.
3. 1,85 V en un sentido, con un brillo tenue, y OL en el otro.
4. 0,00 V en los dos sentidos.
5. OL en los dos sentidos.

Ejercicio 5: la escena, en el simulador

Con la fuente de 3 V y el 1N4007, anotá qué tensión le llega a la carga para consumos de 1 mA, 20 mA y 100 mA. Si el circuito necesita 2,7 V como mínimo, ¿en cuál de los tres casos arranca? Repetí con el 1N5819.

Ejercicio 6: ordená tus diodos

Con las piezas reales. Juntá todos los diodos de tu kit, medí cada uno en modo diodo y separalos en grupos según la lectura. Después leé los códigos y comprobá si tu clasificación coincide.

15 · Síntesis

Ideas para recordar

¿Listo para el Tema 16?

Podés avanzar si sos capaz de responder esto sin mirar:

• Señalar el ánodo y el cátodo en el símbolo y en la pieza.
• Explicar por qué «0,7 V» es una aproximación.
• Decir qué tensión le llega a una carga de 3 V a través de un 1N4007 y de un 1N5819.
• Nombrar las dos desventajas de un Schottky.
• Explicar qué es el tiempo de recuperación y cuándo importa.
• Calcular la potencia que disipa un diodo con 0,8 V y 0,5 A.
• Distinguir un rectificador de un Schottky con el multímetro.

Ya sabés qué diodo elegir y por qué. En el próximo tema los ponés a trabajar en los dos usos que más placas salvan: la protección contra la alimentación invertida y la selección automática entre dos fuentes, armadas y medidas.