Diodos de señal

Los diodos de señal son pequeños terminales que conducen corriente cuando están polarizados hacia adelante y bloquean el flujo de corriente cuando están polarizados hacia atrás.

El semiconductor diodo de señal es un pequeño dispositivo semiconductor no lineal que se usa generalmente en circuitos electrónicos, donde están involucradas pequeñas corrientes o altas frecuencias, tales como como en radio, televisión y circuitos lógicos digitales.

Los diodos de señal en forma de diodo de contacto o diodo puntual son físicamente de tamaño muy pequeño en comparación con sus primos diodos de potencia más grandes.

Generalmente, la unión PN de un pequeño diodo de señal está encapsulada en vidrio para proteger la unión PN, y generalmente tiene una banda roja o negra en un extremo de su cuerpo para ayudar a identificar qué extremo es el terminal del cátodo. El más utilizado de todos los diodos de señal encapsulados en vidrio es el muy común 1N4148 y su equivalente diodo de señal  1N914.

Los diodos de señal y de conmutación pequeños tienen valores nominales de potencia y corriente mucho más bajos, alrededor de 150 mA, 500 mW como máximo en comparación con los diodos rectificadores, pero pueden funcionar mejor en aplicaciones de alta frecuencia o en aplicaciones de recorte y conmutación que se ocupan de formas de onda de pulso de corta duración.

Las características de un diodo de contacto de punto de señal son diferentes para los tipos de germanio y silicio y se dan como:

  • 1. Diodos de señal de germanio : Estos tienen un valor de resistencia inversa bajo que da una caída de voltaje hacia adelante más baja a través de la unión, generalmente sólo alrededor de 0.2 a 0.3 v, pero tienen un valor de resistencia hacia adelante más alto debido a su pequeña área de unión.
  • 2. Diodos de señal de silicio : Tienen un valor muy alto de resistencia inversa y dan una caída de voltaje directo de aproximadamente 0,6 a 0,7 V a través de la unión. Tienen valores bastante bajos de resistencia directa, lo que les da valores máximos altos de corriente directa y voltaje inverso.

El símbolo electrónico dado para cualquier tipo de diodo es el de una flecha con una barra o línea en su extremo y esto se ilustra a continuación junto con la curva de características del VI en estado estable.

Curva característica del diodo de silicio VI

signal diode characteristics curve - Diodos de señal - ClasesParaTodos.org

La flecha siempre apunta en la dirección del flujo de corriente convencional a través del diodo, lo que significa que el diodo solo conducirá si se conecta un suministro positivo al ánodo, ( a terminal) y se conecta un suministro negativo al cátodo ( k ) terminal, por lo tanto, solo permite que la corriente fluya a través de él en una sola dirección, actuando más como una válvula eléctrica unidireccional (Condición de polarización directa).

Sin embargo, sabemos por el tutorial anterior que si conectamos la fuente de energía externa en la otra dirección, el diodo bloqueará cualquier corriente que fluya a través de él y, en cambio, actuará como un interruptor abierto (Condición de polarización inversa) como se muestra a continuación:

Diodo polarizado hacia adelante e inverso

signal diode biasing - Diodos de señal - ClasesParaTodos.org

Entonces podemos decir que un diodo de señal pequeña ideal conduce la corriente en una dirección (conducción directa) y bloquea la corriente en la otra dirección (bloqueo inverso). Los diodos de señal se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones, como interruptores en rectificadores, limitadores de corriente, amortiguadores de voltaje o en circuitos de formación de ondas.

Parámetros del diodo de señal

Los diodos de señal se fabrican en un rango de voltaje y corriente nominal y se debe tener cuidado al elegir un diodo para una determinada aplicación. Hay una serie desconcertante de características estáticas asociadas con el humilde diodo de señal, pero las más importantes son:

1.Corriente directa máxima

La Corriente directa máxima  (IF (max)) es como su nombre lo indica el avance máximo de corriente que se permite circular a través del dispositivo. Cuando el diodo está conduciendo en la condición de polarización directa, tiene una resistencia “ON” muy pequeña a través de la unión PN y, por lo tanto, la potencia se disipa a través de esta unión (Ley de Ohm) en forma de calor.

Entonces, exceder su valor ( IF (max) ) hará que se genere más calor a través de la unión y el diodo fallará debido a una sobrecarga térmica, generalmente con consecuencias destructivas. Al operar diodos alrededor de sus valores nominales de corriente máxima, siempre es mejor proporcionar enfriamiento adicional para disipar el calor producido por el diodo.

Por ejemplo, nuestro pequeño diodo de señal 1N4148 tiene una corriente nominal máxima de aproximadamente 150 mA con una disipación de potencia de 500 mW a 25°C. Entonces se debe usar una resistencia en serie con el diodo para limitar la corriente directa, ( IF (máx.) ) a través de él por debajo de este valor.

2. Pico de voltaje inverso

El pico Voltaje inverso (PIV) o de tensión máxima inversa  (VR (max)), es la tensión máxima admisible inversa de funcionamiento que puede ser aplicado a través del diodo sin ruptura inversa y se produzcan daños en el dispositivo. Por lo tanto, esta calificación suele ser menor que el nivel de «ruptura de avalancha» en la curva característica de sesgo inverso. Los valores típicos de VR (máx.) Van desde unos pocos voltios hasta miles de voltios y deben tenerse en cuenta al reemplazar un diodo.

El pico de voltaje inverso es un parámetro importante y se utiliza principalmente para rectificar diodos en circuitos rectificadores de CA con referencia a la amplitud del voltaje donde la forma de onda sinusoidal cambia de un valor positivo a uno negativo en todos y cada uno de los ciclos.

3. La disipación total de energía

Los diodos de señal tienen un rango de disipación total de energía ( PD (máx.)). Esta clasificación es la máxima disipación de potencia posible del diodo cuando está polarizado hacia adelante (conductor). Cuando la corriente fluye a través del diodo de señal, la polarización de la unión PN no es perfecta y ofrece cierta resistencia al flujo de corriente, lo que hace que la potencia se disipe (pierda) en el diodo en forma de calor.

Como los pequeños diodos de señal son dispositivos no lineales, la resistencia de la unión PN no es constante, es una propiedad dinámica, entonces no podemos usar la Ley de Ohm para definir la potencia en términos de corriente y resistencia o voltaje y resistencia. Luego, para encontrar la potencia que será disipada por el diodo, debemos multiplicar la caída de voltaje a través de él por la corriente que fluye a través de él: PD = V * I

4. Máxima temperatura de funcionamiento

La máxima temperatura de funcionamiento en realidad se relaciona con la temperatura de unión ( TJ ) del diodo y está relacionado con la máxima disipación de potencia. Es la temperatura máxima permitida antes de que la estructura del diodo se deteriore y se expresa en unidades de grados centígrados por Watt, (°C / W ).

Este valor está estrechamente relacionado con la corriente directa máxima del dispositivo de modo que en este valor no se exceda la temperatura de la unión. Sin embargo, la corriente directa máxima también dependerá de la temperatura ambiente en la que esté funcionando el dispositivo, por lo que la corriente directa máxima generalmente se cotiza para dos o más valores de temperatura ambiente, como 25°C o 70°C.

Luego, hay tres parámetros principales que deben tenerse en cuenta al seleccionar o reemplazar un diodo de señal y estos son:

  • La clasificación de voltaje inverso
  • La clasificación de corriente directa 
  • La clasificación de disipación de potencia directa

Matrices de diodos de señal

Cuando el espacio es limitado, o se requieren pares coincidentes de diodos de señal de conmutación, las matrices de diodos pueden ser muy útiles. Por lo general, constan de diodos de silicio de alta velocidad y baja capacitancia, como el 1N4148, conectados entre sí en varios paquetes de diodos llamados matriz para su uso en la conmutación y sujeción en circuitos digitales. Están encerrados en paquetes en línea únicos (SIP) que contienen 4 o más diodos conectados internamente para proporcionar una configuración individual aislada, cátodo común, (CC), o un ánodo común, (CA) como se muestra:

Matrices de diodos de señal

signal diode array - Diodos de señal - ClasesParaTodos.org

Las matrices de diodos de señal también se pueden utilizar en circuitos digitales y de computadora para proteger líneas de datos de alta velocidad u otros puertos paralelos de entrada / salida contra descargas electrostáticas (ESD) y transitorios de voltaje.

Al conectar dos diodos en serie a través de los rieles de suministro con la línea de datos conectada a su unión como se muestra, cualquier transitorio no deseado se disipa rápidamente y, como los diodos de señal están disponibles en arreglos de 8 veces, pueden proteger ocho líneas de datos en un solo paquete.

signal diode protection - Diodos de señal - ClasesParaTodos.org

Protección de línea de datos de la CPU

Las matrices de diodos de señal también se pueden usar para conectar diodos en serie o en combinaciones paralelas para formar circuitos de tipo regulador o reductor de voltaje o incluso para producir un voltaje de referencia fijo conocido.

Sabemos que la caída de voltaje directo a través de un diodo de silicio es de aproximadamente 0,7 V y, al conectar varios diodos en serie, la caída de voltaje total será la suma de las caídas de voltaje individuales de cada diodo.

Sin embargo, cuando los diodos de señal se conectan juntos en serie, la corriente será la misma para cada diodo, por lo que no se debe exceder la corriente directa máxima.

Conexión de diodos de señal en serie

Otra aplicación para el diodo de señal pequeña es crear un suministro de voltaje regulado. Los diodos están conectados en serie para proporcionar un voltaje de CC constante a través de la combinación de diodos. El voltaje de salida a través de los diodos permanece constante a pesar de los cambios en la corriente de carga extraída de la combinación en serie o los cambios en el voltaje de la fuente de alimentación de CC que los alimenta. Considere el circuito a continuación:

Diodos de señal en serie

signal diodes in series - Diodos de señal - ClasesParaTodos.org

Como la caída de voltaje directo a través de un diodo de silicio es casi constante en aproximadamente 0,7 V, mientras que la corriente a través de él varía en cantidades relativamente grandes, un diodo de señal polarizado directo puede hacer un circuito regulador de voltaje simple. Las caídas de voltaje individuales en cada diodo se restan del voltaje de suministro para dejar un cierto potencial de voltaje en la resistencia de carga, y en nuestro ejemplo simple anterior, esto se da como 10v – (3 * 0.7V) = 7.9V.

Esto se debe a que cada diodo tiene una resistencia de unión relacionada con la pequeña corriente de señal que fluye a través de él y los tres diodos de señal en serie tendrán tres veces el valor de esta resistencia, junto con la resistencia de carga R, forma un divisor de voltaje a través del suministro.

Al agregar más diodos en serie, se producirá una mayor reducción de voltaje. También los diodos conectados en serie se pueden colocar en paralelo con la resistencia de carga para actuar como un circuito regulador de voltaje. Aquí el voltaje aplicado a la resistencia de carga será 3 * 0.7v = 2.1V. Por supuesto, podemos producir la misma fuente de voltaje constante usando un solo diodo Zener. La resistencia, RD se usa para evitar que fluya una corriente excesiva a través de los diodos si se quita la carga.

Diodos de rueda libre 

Los diodos de señal también se pueden usar en una variedad de circuitos de sujeción, protección y conformación de ondas, siendo la forma más común de circuito de diodo de sujeción el que utiliza un diodo conectado en paralelo con una bobina o carga inductiva para evitar daños en la delicada conmutación del circuito suprimiendo los picos de voltaje y / o transitorios que se generan cuando la carga se apaga repentinamente. Este tipo de diodo se conoce generalmente como “diodo de rueda libre”, “diodo de rueda volante” o simplemente de rueda como se le llama más comúnmente.

El diodo de rueda libre se utiliza para proteger interruptores de estado sólido como transistores de potencia y MOSFET de daños por protección de batería inversa, así como protección contra cargas altamente inductivas como bobinas de relé o motores, y a continuación se muestra un ejemplo de su conexión.

Uso del diodo de Rueda libre 

freewheel diode - Diodos de señal - ClasesParaTodos.org

Los dispositivos semiconductores de potencia de conmutación rápida modernos requieren diodos de conmutación más rápida, como diodos de rueda libre, para protegerlos de cargas inductivas como bobinas de motor o devanados de relé. Cada vez que el dispositivo de conmutación anterior se enciende, el diodo de rueda libre cambia de un estado de conducción a un estado de bloqueo a medida que se polariza inversamente.

Sin embargo, cuando el dispositivo se apaga rápidamente, el diodo se polariza hacia adelante y el colapso de la energía almacenada en la bobina hace que fluya una corriente a través del diodo de rueda libre. Sin la protección del diodo de rueda libre, se producirían altas corrientes di / dt que provocan un pico de alto voltaje o un flujo transitorio alrededor del circuito que posiblemente dañe el dispositivo de conmutación.

Anteriormente, la velocidad de funcionamiento del dispositivo de conmutación de semiconductores, ya sea transistor, MOSFET, IGBT o digital, se ha visto afectada por la adición de un diodo de rueda libre a través de la carga inductiva y en su lugar se utilizan diodos Schottky y Zener en algunas aplicaciones. Pero durante los últimos años, sin embargo, los diodos de rueda libre habían recuperado importancia debido principalmente a sus características mejoradas de recuperación inversa y al uso de materiales semiconductores súper rápidos capaces de operar a altas frecuencias de conmutación.

Otros tipos de diodos especializados que no se incluyen aquí son los fotodiodos, los diodos PIN, los diodos de túnel y los diodos de barrera Schottky. Añadiendo más uniones PN a la estructura básica de diodos de dos capas, se pueden fabricar otros tipos de dispositivos semiconductores.

Por ejemplo, un dispositivo semiconductor de tres capas se convierte en un transistor, un dispositivo semiconductor de cuatro capas se convierte en un tiristor o rectificador controlado de silicio y también están disponibles dispositivos de cinco capas conocidos como Triac.

En el próximo tutorial sobre diodos, veremos el diodo de señal grande a veces llamado diodo de potencia. Los diodos de potencia son diodos de silicio diseñados para su uso en circuitos de rectificación de red de alta tensión y alta corriente.

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