Aplicaciones con diodos + taller

01 · Punto de partida

Un segundo con el broche al revés

En el Tema 15 elegiste diodos por sus números. Este taller los pone en los dos lugares donde su única habilidad, dejar pasar en un solo sentido, resuelve un problema completo.

No hace falta ser descuidado para que pase: el broche de una pila de 9 V se puede apoyar al revés por su propia forma. Lo mismo ocurre con una fuente cuyos cables se confunden o con un conector que entra en los dos sentidos. No es un error que se evite «teniendo cuidado»: es una entrada inválida que tarde o temprano llega, y un buen diseño la rechaza.

Es la validación de entradas de un programa, hecha con una pieza. No confiás en que el usuario escriba bien: comprobás, y descartás lo que no corresponde antes de que llegue a donde puede hacer daño.

Qué rompe una alimentación invertida

02 · Concepto

Tres formas de proteger

Hay tres soluciones habituales. Las dos primeras usan un diodo; la tercera, un transistor que todavía no viste, y queda como referencia.

El diodo en serie

Es la solución de todos los días, y la que vas a armar. El diodo se intercala en el positivo, entre la fuente y el circuito, con el ánodo hacia la fuente y el cátodo, el de la franja, hacia el circuito. Con la polaridad correcta, conduce. Con la polaridad invertida, bloquea, y al circuito no le llega nada.

El diseño son las cuatro preguntas del Tema 15, que acá se reducen a dos decisiones:

¿Rectificador o Schottky?

Depende de cuánta tensión se puede perder. Con 9 o 12 V, un 1N4007 y sus 0,7 V no molestan. Con 5 V o menos, un 1N5819. Es la escena del Tema 15.

¿De cuánta corriente?

Toda la corriente del circuito pasa por el diodo. Con el margen de siempre, uno de 1 A sirve hasta medio amper.

El diodo en paralelo con fusible

Acá el diodo no está en el camino de la corriente. Va entre el positivo y masa, al revés, como el de la bobina del Tema 14, y antes de él se pone un fusible. En uso normal el diodo no conduce y no cuesta nada. Si la fuente se conecta al revés, el diodo queda en directa: limita la tensión invertida a menos de un volt y deja pasar tanta corriente que el fusible se quema.

La ventaja

No hay caída de tensión ni calor en el funcionamiento normal. En un circuito que consume varios amperes, eso importa.

La desventaja

Cada error cuesta un fusible, salvo que se use uno rearmable. Y necesita una fuente capaz de entregar la corriente que lo quema: con una pila chica, el fusible puede no cortarse y el diodo se queda calentando.

03 · Concepto

Dos fuentes, una salida

El segundo uso aparece cuando un circuito puede alimentarse de dos lugares: un cable USB y una pila, una fuente y una batería de respaldo. La idea ingenua, unir los dos positivos, tiene un problema: la fuente de mayor tensión empuja corriente hacia adentro de la otra. Si la otra es una pila no recargable, se calienta y puede perder líquido; si es un puerto USB, recibe una tensión que no espera.

La solución es un diodo por cada fuente, con todos los cátodos unidos en la salida.

1. 1
   La salida queda en la tensión de la fuente mayor, menos la caída de su diodo.

   Con 9 V y 5 V, y diodos de silicio: unos 8,3 V.

2. 2
   El diodo de la otra fuente queda en inversa.

   Tiene 5 V en el ánodo y 8,3 V en el cátodo: bloquea. La fuente menor queda aislada, sin entregar ni recibir corriente.

3. 3
   Si la fuente mayor desaparece, la otra toma su lugar sola.

   La salida baja hasta que el segundo diodo queda en directa: unos 4,4 V. No hay ningún interruptor ni ningún programa que decida.

El circuito calcula, con dos piezas, el máximo de sus dos entradas. En programación sería salida = max(a, b) - caida, y es el respaldo automático más simple que existe: la fuente principal trabaja mientras está, y la secundaria entra cuando hace falta.

La masa es común

Los negativos de las dos fuentes van unidos. Sin esa referencia compartida, las tensiones no se pueden comparar y el circuito no funciona.

La prioridad la fija la tensión

Siempre gana la mayor. Si querés que tenga prioridad la fuente de menor tensión, este circuito no sirve.

La salida no es constante

Cambia según cuál fuente esté presente. Lo que venga después tiene que tolerar las dos tensiones, o tener un regulador.

Conviene Schottky

Menos caída, y por lo tanto más tensión útil. A cambio, su fuga es mayor: por el diodo bloqueado se escapa una corriente mínima hacia la fuente que no trabaja.

04 · Concepto

El mismo circuito, como compuerta

Si en lugar de dos fuentes ponés dos señales, cada una en 0 V o en 5 V, el circuito de los dos diodos hace algo que un programador reconoce al instante.

La salida vale 1 si A o B valen 1. Es la operación A || B, la compuerta OR, hecha con dos diodos y un resistor. No es una analogía: es el mismo máximo de antes, aplicado a dos valores que solo pueden ser alto o bajo.

Para qué están los diodos

Impiden que una señal en 5 V empuje corriente hacia la otra, que está en 0 V. Sin ellos, unir dos salidas en estados distintos es un cortocircuito entre las dos.

Para qué está el resistor a masa

Es un pull-down, como en el Tema 9. Cuando las dos señales están en 0 V, ningún diodo conduce y la salida quedaría flotando: el resistor le da el valor 0.

Dónde se usa de verdad

Para que varios pulsadores o sensores puedan activar una misma entrada, por ejemplo la que despierta a un microcontrolador, sin interferir entre sí.

Su límite

Cada diodo le resta su caída a la señal, y no la recupera. Encadenando varias compuertas así, el «1» se va degradando. Las compuertas de verdad, hechas con transistores, regeneran la señal en cada paso: son el tema del curso 5.

05 · Antes de empezar

Materiales y reglas de mesa

06 · Montaje 1

Protección en serie, probada de verdad

El trabajo: proteger un circuito de 9 V y comprobar las dos cosas que importan: cuánto cuesta la protección cuando todo está bien, y que realmente bloquea cuando la pila está al revés.

El «circuito a proteger» es un LED rojo con su resistor de 470 Ω: consume unos 14 mA y, además, avisa con luz si le llega tensión.

La predicción

Montaje y medición

1. 1
   Armá la cadena: positivo, diodo, resistor de 470 Ω, LED, masa.

   Verificá dos veces la franja del diodo: hacia el resistor.

2. 2
   Conectá la pila bien y medí.

   Primero la pila. Después la tensión entre los terminales del diodo, y la que queda entre el cátodo y masa.

3. 3
   Desconectá la pila y conectala al revés.

   El LED no enciende. Medí otra vez: toda la tensión de la pila queda sobre el diodo, y después de él no hay nada.

4. 4
   Si tenés un Schottky, repetí el paso 2 con él.

   Compará las dos caídas.

07 · Montaje 2

La curva del diodo, con cuatro resistores

El trabajo: comprobar con tus manos la afirmación central del Tema 15: que la caída de un diodo no es fija, y que sube alrededor de una décima de volt cada vez que la corriente se multiplica por diez.

El circuito es una pila de 9 V, un resistor y el diodo, en serie. Cambiando el resistor se cambia la corriente, y se mide la tensión sobre el diodo cada vez. Con cuatro resistores separados por un factor de diez se recorren más de dos décadas.

Montaje y medición

1. 1
   Armá la cadena: positivo, resistor, diodo, masa.

   Franja del diodo hacia masa. Empezá con el resistor de 100 kΩ.

2. 2
   Medí la tensión sobre el diodo y la tensión sobre el resistor.

   La segunda, dividida por el valor del resistor, es la corriente: el recurso del Tema 9.

3. 3
   Repetí con 10 kΩ, 1 kΩ y 470 Ω.

   Desconectando la pila en cada cambio. Con el de 470 Ω, no dejes el circuito conectado mucho tiempo: el resistor disipa cerca de 0,15 W y entibia.

4. 4
   Armá la tabla y calculá los aumentos.

08 · Montaje 3

OR de dos fuentes

El trabajo: un circuito que se alimenta de un cable USB cuando está conectado y de una pila cuando no. O al revés, como acá: de la pila de 9 V mientras está, y de los 5 V del USB como respaldo.

La predicción

Montaje y medición

1. 1
   Uní los dos negativos en el riel de masa.
2. 2
   Conectá cada positivo al ánodo de su diodo, y los dos cátodos a una misma fila.

   Esa fila es la salida. De ahí, el resistor de 1 kΩ a masa.

3. 3
   Con las dos fuentes conectadas, medí la salida.
4. 4
   Desconectá la pila de 9 V mientras mirás el multímetro.

   La salida baja a unos 4,4 V sin pasar por cero.

5. 5
   Volvé a conectar la pila y medí la tensión sobre el diodo de la fuente de 5 V.

   Está en inversa: marca unos 3,4 V, con el cátodo más alto que el ánodo.

09 · Montaje 4

Una compuerta OR

El trabajo: que una salida valga «1» cuando cualquiera de dos señales vale «1».

Es el montaje 3 con dos cambios: las dos entradas usan la misma fuente de 5 V, y la carga es un resistor de 10 kΩ que hace de pull-down. Las «señales» son dos cables: cada uno se conecta al positivo para representar un 1, o a masa para representar un 0.

Montaje y medición

1. 1
   Armá los dos diodos con los cátodos unidos y el resistor de 10 kΩ de esa unión a masa.
2. 2
   Conectá los dos cables de entrada a masa y medí la salida.

   Predicción: 0 V.

3. 3
   Recorré las otras tres combinaciones y anotá la salida en cada una.

   Predicción: unos 4,4 V en las tres.

4. 4
   Con A en 5 V y B en masa, medí la tensión sobre el diodo de B.

   Está en inversa, con 4,4 V: la señal A no puede llegar hasta B.

10 · Simulador

Proteger y combinar

El simulador tiene dos pestañas, una para cada uso del diodo. En las dos, las caídas se calculan con las curvas del Tema 15, así que cambian con la corriente.

Recorrido guiado (7 minutos)

1. 1
   Mirá el estado inicial y tocá «Conectar la fuente al revés».

   Con el 1N4007 en serie, la carga recibe 8,3 V con la polaridad correcta y prácticamente nada con la invertida. Volvé a tocar el botón para enderezarla.

2. 2
   Cambiá la protección a «Ninguna» y conectá al revés.

   La carga recibe −9 V. Es la escena.

3. 3
   Con el 1N4007, bajá la fuente a 3 V.

   El diodo se queda con más de la quinta parte de la fuente. Cambiá al 1N5819 y compará. Después probá el Schottky con 24 V: el simulador avisa que su tensión inversa queda sin margen.

4. 4
   Con 12 V, subí la carga a 800 mA y compará las tres protecciones.

   Los dos diodos en serie quedan sin margen de corriente y disipan cientos de miliwatts. El diodo en paralelo con fusible no pierde nada en uso normal; conectá al revés para ver su costo.

5. 5
   Pasá a «Combinar dos fuentes» y mové la fuente A de 12 V hasta 0.

   La salida la sigue, siempre una caída por debajo, hasta que A cae por debajo de B. Ahí se aplana: B tomó el control. El gráfico es la función «máximo».

6. 6
   Dejá A y B iguales, en 5 V.

   Las dos fuentes se reparten la corriente, y la salida sube apenas: cada diodo conduce la mitad, y con menos corriente cae un poco menos.

Preguntas para pensar

1. En el paso 1, con la fuente al revés, ¿dónde quedaron los 9 V?
2. En el paso 4, ¿por qué el diodo en paralelo no tiene que ser «de 800 mA» aunque la carga los consuma?
3. En el paso 5, ¿por qué la salida nunca llega a 0 V mientras la fuente B está presente?

11 · Oficio

Cuando algo no funciona

La primera fila es el error más frecuente de este taller y tiene una firma inconfundible: toda la tensión de la fuente aparece sobre el diodo. Es la regla de la cadena en serie del Tema 9, aplicada a una pieza que puede comportarse como un camino o como un corte según cómo se la coloque.

12 · El taller en código

Predicciones para los cuatro montajes

Los tres bloques usan el mismo modelo de diodo del Tema 15, repetido al comienzo de cada uno para que se puedan ejecutar por separado.

Protección en serie y curva del diodo

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 serie(modelo, v_fuente, r_serie, v_fija=0.0):
    # Fuente + diodo + resistor (+ una caída fija, como la de un LED). Búsqueda binaria.
    bajo, alto = 0.0, max(0.0, v_fuente - v_fija) / r_serie
    for _ in range(60):
        medio = (bajo + alto) / 2
        if medio * r_serie + caida(modelo, medio) + v_fija > v_fuente:
            alto = medio
        else:
            bajo = medio
    return bajo, caida(modelo, bajo)


PILA = 9.0
print("Montaje 1: LED con 470 ohm, protegido")
for modelo in ("1N4007", "1N5819"):
    corriente, vf = serie(modelo, PILA, 470, v_fija=2.0)
    print(f"  {modelo}: {corriente * 1000:.1f} mA, cae {vf:.2f} V, quedan {PILA - vf:.2f} V")

print("Montaje 2: la curva con cuatro resistores (1N4148)")
anterior = None
for r in (100_000, 10_000, 1_000, 470):
    corriente, vf = serie("1N4148", PILA, r)
    salto = "" if anterior is None else f"  (+{(vf - anterior) * 1000:.0f} mV)"
    print(f"  {r:>6} ohm: {corriente * 1000:6.3f} mA -> {vf:.3f} V{salto}")
    anterior = vf

Cambiá «1N4148» por «1N5819» en el montaje 2. ¿El aumento por década es mayor o menor?

Dos fuentes y una compuerta

La salida es la tensión para la cual la corriente que entregan los dos diodos iguala a la que consume la carga. Otra búsqueda binaria, esta vez sobre la tensión de salida.

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 corriente_del_diodo(modelo, volts):
    if volts <= 0:
        return 0.0                           # en inversa no conduce
    bajo, alto = 0.0, 5.0
    for _ in range(50):
        medio = (bajo + alto) / 2
        bajo, alto = (bajo, medio) if caida(modelo, medio) > volts else (medio, alto)
    return bajo


def salida_or(modelo, fuentes, r_carga):
    bajo, alto = 0.0, max(fuentes)
    for _ in range(50):
        medio = (bajo + alto) / 2
        entregan = sum(corriente_del_diodo(modelo, v - medio) for v in fuentes)
        bajo, alto = (medio, alto) if entregan > medio / r_carga else (bajo, medio)
    return bajo


print("Montaje 3: OR de fuentes con 1N4007 y carga de 1 kohm")
for fuentes in ([9, 5], [0, 5], [9, 0], [5, 5]):
    v = salida_or("1N4007", fuentes, 1000)
    print(f"  fuentes {fuentes}: salida {v:.2f} V")

print("Montaje 4: compuerta OR con 1N4148 y 10 kohm a masa")
for a in (0, 5):
    for b in (0, 5):
        v = salida_or("1N4148", [a, b], 10_000)
        print(f"  A={a} V, B={b} V -> {v:.2f} V  (se lee como {1 if v > 2.5 else 0})")

Probá salida_or("1N4007", [9, 5, 12], 1000): el circuito funciona igual con tres fuentes.

Elegir la protección

Las reglas de la sección 02, como una función que explica su decisión.

def elegir_proteccion(v_fuente, v_minima, corriente, conector_reversible=True):
    if not conector_reversible:
        return "ninguna: el conector ya impide el error"
    margen = v_fuente - v_minima
    if corriente > 2:
        return "diodo en paralelo y fusible: con tanta corriente, un diodo en serie sería un calefactor"
    if margen >= 1.0:
        if corriente > 0.5:
            return "diodo en serie de 3 A (rectificador): hay margen de tensión, y 1 A no alcanza"
        return "1N4007 en serie: sobra tensión para perder 0,8 V"
    if margen >= 0.5:
        if v_fuente > 20:
            return "diodo rápido o rectificador de baja caída: el Schottky de 40 V queda justo"
        return "1N5819 en serie: hay que cuidar la caída"
    return "MOSFET (Tema 23): no hay margen ni para un Schottky"


casos = [("Pila de 9 V, regulador que pide 7 V, 150 mA", 9, 7, 0.15),
         ("USB de 5 V, circuito que pide 4,5 V, 300 mA", 5, 4.5, 0.3),
         ("Dos pilas AA, micro que pide 2,7 V, 20 mA", 3, 2.7, 0.02),
         ("Fuente de 12 V, 1 A, se admite hasta 10 V", 12, 10, 1.0),
         ("Batería de 12 V, 5 A", 12, 10, 5.0)]
for nombre, fuente, minima, corriente in casos:
    print(f"{nombre}:\n    {elegir_proteccion(fuente, minima, corriente)}")

El tercer caso es la escena del Tema 15: con 0,3 V de margen no alcanza ni un Schottky cuando las pilas empiezan a gastarse.

13 · Comprensión

Confusiones frecuentes

14 · Práctica guiada

Ejercicios de taller

Los cuatro primeros son los montajes, para hacer en la mesa con la predicción escrita antes.

Ejercicio 1: lo que cuesta proteger

Hacé el montaje 1 y anotá la tensión de la pila, la caída sobre el diodo y la tensión después de él. ¿Qué porcentaje de la fuente se queda el diodo? Después hacé la prueba con la pila al revés y anotá las mismas tres mediciones.

Ejercicio 2: tu curva

Hacé el montaje 2 con el diodo que tengas y armá la tabla con las cuatro mediciones. Calculá cuánto sube la tensión entre el resistor de 100 kΩ y el de 1 kΩ, y cuántas veces cambió la corriente.

Ejercicio 3: quién alimenta

Hacé el montaje 3. Además de las mediciones indicadas, respondé: si la pila de 9 V está gastada y entrega 6,5 V, ¿cuál fuente alimenta el circuito? ¿Y si entrega 4,8 V?

Ejercicio 4: la tabla de verdad

Hacé el montaje 4 y completá la tabla con las cuatro combinaciones. Después respondé sin armar nada: ¿qué pasaría con la salida si agregaras un tercer diodo con una tercera señal C?

Ejercicio 5: diseñar una protección

Sin armar nada. Un circuito se alimenta con 5 V de un adaptador, consume 400 mA y deja de funcionar bien por debajo de 4,5 V. Elegí la protección, calculá la tensión que le llega al circuito y el calor que disipa el diodo. Usá las tablas del Tema 15.

Ejercicio 6: revisar una entrada de alimentación

Tomá el esquema de cualquier placa o módulo que tengas, o el de un proyecto tuyo, y buscá qué pasa con la alimentación apenas entra. ¿Hay un diodo en serie? ¿Uno en paralelo? ¿Un conector que no se puede invertir? ¿Nada?

15 · Síntesis

Ideas para recordar

¿Listo para el Tema 17?

Podés avanzar si sos capaz de responder esto sin mirar:

• Decir hacia dónde va la franja de un diodo de protección en serie.
• Explicar qué tensión hay sobre el diodo cuando la fuente está al revés.
• Elegir entre un 1N4007 y un 1N5819 para proteger un circuito de 5 V.
• Explicar cómo protege un diodo en paralelo con un fusible.
• Calcular la salida de un OR de 9 V y 5 V con diodos de silicio.
• Decir por qué las dos fuentes de un OR tienen que compartir la masa.
• Escribir la tabla de verdad de una compuerta OR y decir para qué sirve el resistor a masa.

En los montajes de hoy usaste un LED como simple indicador. Es también un diodo, con su propia curva, y elegirle la corriente, el color y la forma de conectar varios tiene más detalle del que parece. En el próximo tema, LED: tipos, colores y dimensionado fino.