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jueves, 23 de enero de 2014

Radio SIN Pilas. Radio GALENA

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Por extraño que pueda parecer, es posible hacer un receptor de radio sin pilas ni fuente de alimentación. Y lo mejor de todo: Con sólo cuatro piezas. Eso sí: Debido a que no hay amplificación, la señal obtenida es muy débil y no podremos hacer funcionar un altavoz. Tendremos que contentarnos con un auricular.


Radio sin pilas


En realidad, la versión de radio sin pilas que vamos a construir es mas bien "moderna", con un diodo detector de germanio tipo OA90 o similar. La radio original utilizaba como diodo una piedra de sulfuro de plomo (galena) sobre la que rozaba un hilo metálico.



¿De dónde saca la energía esta radio?

Una emisora de radio hace circular una corriente muy elevada en su antena, y emite ondas electromagnéticas que se propagan por el espacio hasta llegar a la antena de nuestra radio en donde se inducen unas corrientes que tienen el mismo patrón que las que circulaban en la antena emisora, pero con la diferencia de que van a ser muy débiles: Del orden de milivoltios o microvoltios.

Estas corrientes, una vez rectificadas con un diodo detector, van a ser las que accionen unos auriculares, sin necesidad de aporte extra de energía. 

Evidentemente, la potencia obtenida es muy reducida pero bastará para accionar unos auriculares a un volumen mas que suficiente para ser audible.

Es decir, esta radio se vale de la energía empleada por la emisora para emitir su propia señal de radio. Se podría decir, con propiedad, que esta radio funciona "por inducción". La función de la antena en esta radio es doble: Por un lado, como en todos los receptores de radio, captar la señal de alguna emisora, por otro lado, obtener la energía necesaria para funcionar a partir de esa misma señal de radio.

En una radio convencional esta señal sería sometida a varios pasos de amplificación para elevarla hasta un voltaje que sea capaz de accionar un altavoz, pero para esto es necesario consumir electricidad extra bien sea procedente de pilas o baterías, o de la red eléctrica mediante una fuente de alimentación.



Esquema y funcionamiento

Esquema de la radio sin pilas


Cada emisora tiene asignada una frecuencia, no pueden haber dos con la misma frecuencia asignada, no al menos en la misma zona geográfica. En el esquema anterior, a la izquierda, vemos la antena que conecta con la bobina y el condensador variable Cv. Ambos componentes forman un circuito oscilante LC.

Este circuito oscilante se comporta como un muelle eléctrico. Cuando se le comunica un impulso eléctrico se originan una serie de ciclos de conducción en uno y en otro sentido debido a la acción conjunta de la capacitancia de Cv y la inductancia de la bobina.

La frecuencia (rapidez) de oscilación depende del valor de la capacitancia de Cv y la inductancia de la bobina. Ésta última es fija en este circuito, pero no así la capacitancia que es variable cuando actuamos sobre el mando giratorio de Cv.

Hay varios ejemplos de fenómenos "resonantes" similares al comportamiento de este circuito LC. Por ejemplo, con el sonido, manifestación mas palpable y que nos resulta mas familiar que la electricidad:

1) Una cantante emite una nota aguda y potente, muy energética, cuya frecuencia COINCIDE con la de resonancia de una copa. Y la copa estalla.

2) Una formación de personas (por ej. grupo militar) va desplazándose y marcando el paso, al unísono. Cuando llegan a un puente dejan de marcar dicho paso. La razón: Si la frecuencia de resonancia del puente coincidiera con la del grupo marcando el paso, la integridad del puente puede verse comprometida.

Por todo lo anterior, sólo la señal de la emisora cuya frecuencia coincida con la del circuito LC pasará al diodo D1. Allí es rectificada y la componente de baja frecuencia es separada de la señal portadora (componente de alta frecuencia cuya finalidad, aquí ha terminado)



El porqué del transformador.

A la salida de la radio se pueden conectar unos auriculares de alta impedancia, pero éstos están en desuso. Son muy difíciles de encontrar. Hoy, todos los auriculares son de baja impedancia (4-8 ohmios). Así que no nos queda otra que ADAPTAR LA IMPEDANCIA entre la radio y dichos auriculares. Lo vamos a hacer de una forma bastante habitual: mediante un transformador.

Vamos a usar un tipo de transformador muy común: El de alimentación de cualquier pequeño equipo, con un primario de 220/240 voltios y un secundario de 6 voltios (también vale de 9 voltios pero no mas, pues las prestaciones decaen).

Lo que hará el transformador es disminuir el escaso voltaje presente a la salida (ánodo) del diodo D1, pero a costa de aumentar la intensidad, que es justo lo que esperan los auriculares modernos: Intensidad mejor que tensión.

Observación sobre el primario del transformador: Utilizar los bornes extremos, los de cero y 240 voltios. Ignorar el central si lo hubiera (será el de 120 voltios), éste dejarlo al aire.

Observación sobre el secundario del transformador: Si sólo hay dos cables, estupendo. Tal es el caso de este montaje. Si hay tres cables, lo normal es que el central sea el cero, y los extremos correspondan a 6 voltios cada uno. En este último caso tomar el borne central (cero voltios) y CUALQUIERA de los extremos (6 voltios). Dejar el otro extremo libre.




Lista de materiales

Materiales para hacer una radio sin pilas


1) Un cilindro de plástico/cartón/madera para hacer la bobina. Las dimensiones no son críticas, yo usé una sección de tubo de PVC de 32 mm diametro, 100 mm de largo.


2) Hilo esmaltado de cobre para bobinar. Seccion entre 0.2 mm y 0.4mm. El utilizado en mi caso fue de 0.35mm

Tubo de PVC para hacer la bobina (izda)
Carrete de hilo de cobre esmaltado para bobinar (dcha)

 3) Un condensador variable de los utilizados en las radios antiguas con sintonía manual. Las radios modernas ya no utilizan este componente: En su lugar se usa el diodo varicap que tiene numerosas ventajas frente a este condensador.

Condensador variable. Para sintonizar las emisoras


4) Un diodo detector. En este montaje se utilizó un OA90, pero valen también los modelos: OA79, OA81 y OA85.

Diodo detector de germanio, OA90. En la foto, el cátodo a la izquierda


5) Un transformador con:

- un primario de 240/220 voltios. En caso de haber una segunda toma de 125 voltios, ignorar esa toma.

- un secundario de 6 voltios o como mucho, 9 voltios. Evitar los de 12 voltios o mas. Los mejores resultados se obtienen con un secundario de 6 voltios. A veces el secundario trae tres cables en lugar de dos, eso significa que tiene dos salidas simétricas. Tomar entonces el terminal central (el cero) y uno de los terminales de los extremos (6 voltios). Ignorar el terminal del otro extremo (también tiene 6 voltios).

Hay veces en que los transformadores vienen ya con cables. En ese caso los aprovecharemos. Otras veces vienen sólo con los terminales, entonces tendremos que soldarle un cable a cada terminal.

Se trata del típico transformador de alimentación, por lo que encontrar uno no debería ser difícil. No es necesario que sea grande ni potente. Cuanto más pequeño, mejor. También vale uno que sea mucho mas pequeño que el utilizado en este tutorial.

Transformador con primario 220+125+0 voltios. Secundario único de 9 volts.


6) Una base de auricular estéreo

Base para conectar auricular. Nos permite hacer la conexión sin fallos
en lugar de hacerlo con ataduras. Además, juntando los dos vivos (los dos
canales) podemos oir por ambos oídos, no uno solo.


7) Cable con pinzas de cocodrilo (2 metros mínimo) para la antena

8) Cable con pinzas de cocodrilo (al menos un metro) para la toma de tierra

9) Auriculares 

10) Caja o tupper para montar la radio



Montaje

Lo hice en dos fases:

Primero, hice los taladros para fijar los componentes: Bobina, condensador variable, transformador y toma de auriculares. No hay que olvidar hacer un par de taladros al tupper para pasar dos tornillos que servirán de bornes para la antena y la toma de tierra. Al diodo no hace falta darle una sujeción especial: Basta con la que obtiene al ser soldado.


Segundo: Interconectar los componentes mediante cables, siguiendo el esquema. Se puede hacer mediante simple unión mecánica, pero es mucho mejor hacerlo con soldadura: Nos ahorramos falsos contactos y fallos continuos de funcionamiento. 



El vídeo






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jueves, 16 de enero de 2014

Tutorial Electrónica Básica. 05. El DIODO



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ÍNDICE

Qué es y para qué sirve un diodo
Identificación de terminales: Cátodo, ánodo
Polarización directa e inversa
El fenómeno avalancha
Curva típica de un diodo
Dónde encontrar las características de un diodo
Símbolos usados para el diodo en los esquemas
Tipos de diodo
   1) Rectificador
   2) Detector
   3) Zener
   4) Led
   5) Fotodiodo
   5) Varicap
   6) De efecto túnel
   7) Schottky
   8) SMD
Algunas aplicaciones de los diodos
   1) Rectificador
   2) Seguridad contra mala polaridad
Cómo comprobar un diodo


Rincón de la TEORÍA
SEMICONDUCTORES




Qué es y para qué sirve un diodo


Un diodo es un componente electrónico con dos terminales que sólo deja pasar la corriente eléctrica en un sentido. Al igual que ocurre con técnicas de neumática o hidráulica, que a veces interesa dejar pasar el aire (o el agua) en un sentido, bloqueando en el otro, en electrónica podemos hacer lo mismo con la corriente eléctrica gracias al diodo.

 

Los diodos utilizados actualmente están hechos en su mayoría por un tipo de materiales conocidos como "semiconductores". Hablaremos sobre los semiconductores al final del post, en el rincón de la teoría.

En los inicios de la electrónica se usaron los diodos en su variante de válvula termoiónica, las comúnmente llamadas "lámparas" (que algunos habréis visto en las TV antiguas), eran unas ampollas de vidrio y en su interior había vacío o gases. Así que la conducción eléctrica se realizaba en el seno de ese gas o el vacío. Dedicaremos un capítulo a las válvulas.

Los diodos modernos están basados en la unión de dos diminutos cristales (a base de silicio o germanio). Un cristal es de tipo "P", y el otro es de tipo "N". Se consiguen cristales de tipo P ó N dopando o contaminando esos cristales con pequeñas cantidades de diversos materiales como indio, galio, y numerosos compuestos como sulfuros de cadmio y plomo, arseniuros, óxidos...

Dentro del diodo ambos cristales están unidos, y esa unión es de gran importancia porque es la que hace que el diodo se comporte como tal.


De abajo a arriba: Diodo, Símbolo y cristales N y P formando un diodo.

Este tipo de materiales se conocen como "semiconductores" y son los responsables del gran auge y desarrollo de la electrónica gracias a la miniaturización que permiten.




Identificación de terminales: Cátodo, ánodo

El símbolo genérico utilizado para el diodo es el siguiente:

Identificación de terminales (cátodo y ánodo) en un diodo

El símbolo puede cambiar en algún detalle, según el tipo de diodo que se trate (ver más adelante), pero básicamente obedece al dibujo anterior.

Es paradójico que el sentido de marcha de la corriente que permite circular el diodo es justo al revés de lo que marca la fecha. No olvidemos que -sin hacer mucho caso a antiguos (y erróneos) convenios- la electricidad circula del polo negativo al polo positivo: Lo que se mueve en una corriente eléctrica en un circuito son electrones, no protones.

El símbolo está claro pero... ¿y un diodo real?

Un diodo real tiene en uno de los extremos una banda o franja estrecha con un color distinto al resto del diodo. Esta franja señaliza al cátodo tal y como se ve en el dibujo anterior.

En el caso de los diodos LED, el cátodo es el terminal mas corto.




Polarización directa e inversa

Un diodo es siempre un componente polarizado. Tiene un terminal llamado cátodo (negativo) y otro llamado ánodo (positivo). Es de crucial importancia aplicarle la tensión positiva y negativa a los terminales que corresponden, aunque según el caso, se puede hacer de ambas maneras:

- Cuando se aplica tensión negativa al cátodo y positiva al ánodo, decimos que el diodo está polarizado directamente. En estas condiciones, el diodo conduce.

- Cuando aplicamos las tensiones al revés decimos que está polarizado inversamente. En estas condiciones el diodo no conduce. Siendo rigurosos, sí conduce, pero con una corriente mínima, la llamada corriente de fuga. A efectos prácticos es como si fuese un interruptor abierto.

Polarización directa e inversa de un diodo
   

El fenómeno avalancha

Cuando un diodo se polariza inversamente no conduce, pero esto tiene un límite: Esa corriente de fuga tan pequeña de la que hablábamos antes, va creciendo de forma apenas perceptible...pero crece, y produce un aumento de temperatura en el diodo, lo que aumenta más su conducción...

Llegados a una tensión llamada "de ruptura", el diodo comienza a conducir de forma repentina, brusca, y esto produce la destrucción de los cristales P y N y el diodo queda inservible. Un diodo que ha sufrido el efecto avalancha conducirá en ambos sentidos, se dice entonces que "el diodo está cruzado".

Esto lo podríamos comparar al hecho de empujar un tabique. El tabique aguanta, pero llegados a una fuerza de empuje determinada, el tabique de pronto cede. No avisa deformándose un poco, sino que cede de golpe. El diodo se comporta igual frente a una tensión inversa.

Ver apartado siguiente "Curva típica de un diodo".



Curva típica de un diodo

La mejor forma de representar como se comporta un componente es mediante su curva de respuesta. En esta gráfica podemos comprender la forma en que se comporta un diodo y también conocer sus características principales:

Curva característica de un diodo


Características de un diodo:

Tensión de umbral: En polarización directa, es la tensión a partir de la cual el diodo comienza a conducir. En un diodo de silicio está en torno a 0.8 voltios, en uno de germanio es algo menor: 0.3 voltios.

Intensidad máxima: También en polarización directa, es la máxima intensidad que puede circular a través de él. Si se supera esta intensidad el diodo se puede destruir por el calor generado.

Tensión de avalancha o ruptura: En polarización inversa, es la máxima tensión que puede soportar sin que se produzca el fenómeno avalancha.

Intensidad de fuga: Es la débil corriente que circula por el diodo cuando lo polarizamos inversamente. Si superamos la tensión de avalancha, la corriente de fuga crece súbitamente a valores muy altos y el diodo puede destruirse.



Donde encontrar las características de un diodo

De vez en cuando, necesitamos conocer algún dato sobre un diodo, o sobre cualquier otro semiconductor (transistor, circuito integrado, tiristor, etc...). En internet podemos encontrar esta información en la hoja de especificaciones (en inglés "data sheet")

La mayoría de las veces basta con que tecleemos en un buscador el tipo de componente y nos saldrán varias páginas con dicha información.

Por ejemplo, si tecleas el código de un diodo como: 1N4148 

aparecen varias páginas donde se enumeran todas las características de ese modelo de diodo, tales como:

- Encapsulado, con foto o dibujo (apariencia física)
- Características eléctricas (tensiones, intensidades)
- Otras características (capacidad, temperaturas)
- Aplicaciones (para qué se utilizan)
- Dimensiones
- Equivalencias (otros modelos de diodo similares)

Aquí teneis un ejemplo de captura de pantalla con la información relativa al diodo 1N4148:

Hola de especificaciones para el diodo 1N4148



Símbolos usados para el diodo en los esquemas

Carta con los símbolos utilizados habitualmente para designar a un diodo en un esquema o circuito. Hay muchos tipos de diodos y un símbolo para cada uno de ellos:

Símbolos utilizados para los diodos en los esquemas


Tipos de diodos

El diodo es un componente que admite muchos usos y el proceso de fabricación produce una amplia variedad de tipos. La característica principal de un diodo es que sólo deja pasar la corriente en un sentido, sin embargo, algunos tipos de diodos tienen otra característica que los hace especialmente útiles hasta el punto de que aquéllo de que sólo dejan pasar la corriente en un sentido pasa a un segundo plano.

Los mas comunes son los siguientes:

1) Rectificador: Es el tipo "común". Se emplea en fuentes de alimentación para rectificar (convertir una tensión alterna en continua). Otro uso muy común es en los circuitos de maniobra eléctrica para permitir el paso de la corriente en un sentido pero no en otro, por ejemplo, hacer girar un motor en un sentido u otro invirtiendo la polaridad aplicada a dicho motor. También se emplea como artificio protector contra distintas anomalías.

Diodo rectificador


2) Detector: Utilizado en telecomunicaciones (Radio, TV). En la emisora, la señal útil (sonido, imagen) se mezcla con otra señal llamada "portadora" que tiene una frecuencia bastante superior y sirve para transportar a la señal útil. 

Cuando un receptor (TV, radio) capta (sintoniza) esta señal portadora, tiene que separar ambas señales (señal útil y portadora) para procesar la señal útil y poder activar el dispositivo de salida correspondiente (altavoz en caso de sonido, pantalla en caso de imagen). Dicha separación se realiza en un circuito conocido como "detector" o "demodulador". El diodo detector es la parte activa y principal de ese circuito.


Diodo detector


3) Zener: Si se polariza directamente se comporta como un diodo rectificador normal, pero su uso no es ése. Los zener se polarizan inversamente y cuando se sobrepasa la tensión "de zener" éste conduce pero sin destruirse (hasta cierta tensión e intensidad, claro está). Hay diodos zener para muchas tensiones: Desde menos de un voltio hasta tensiones de más de 200 voltios.

La característica de un zener de comenzar a conducir a una tensión determinada se utiliza como valor de referencia para conseguir tensiones muy estables en las fuentes de alimentación.


Diodos Zener


4) Led: Diodos emisores de luz (Light Emitting Diode). Cuando se polarizan directamente emiten luz. Están empacados en una cápsula transparente para permitir salir al exterior dicha luz. Los hay de muchos colores: rojo, amarillo, verde, azul, blanco y también en luz invisible, infrarroja.

Las potencias disponibles también son variadas. Desde el led de apenas unos milivatios hasta leds de varios vatios, generan tanta luz que, a pesar de ser electrónica "fría", se calientan hasta el punto de necesitar un sistema de refrigeración o se destruyen en un momento. A cambio, producen una cantidad de luz espectacular teniendo en cuenta su reducido tamaño.

Los Leds de luz visible se utilizan a modo de señalización, por ejemplo, testigos luminosos en dispositivos eléctricos. Los mas potentes se utilizan como verdadera iluminación: Lámparas, semáforos, farolas, linternas...

Para identificar el cátodo y el ánodo en un LED: El terminal mas corto es el cátodo. Por supuesto, hablo de diodos nuevos cuyos terminales no hayan sido cortados. Otra forma de reconocer el cátodo (si la cápsula es transparente) es mirar el interior. Así podemos reconocer fácilmente el cátodo por su forma. Ver siguiente dibujo:

Forma de reconocer cátodo y ánodo en un LED


En la foto siguiente, tres diodos led comunes de colores distintos:


Diodos LED (Emisores de luz)


características de los diodos led de la foto anterior:

Diámetro: Los mas comunes: 3 y 5 mm. Los hay mas grandes.
Voltaje: Entre 2.8 y 3.4 volts.
Intensidad: 20 mA - 40 mA
Potencia: unos pocos milivatios
Colores: Rojo, verde, amarillo, naranja, verde, azul, blanco, infrarrojo...

Existe el tipo LED de "alta luminosidad" que, con el mismo consumo tan bajo como los leds antiguos, genera una cantidad de luz mucho mayor. Hay linternas que, con 4-8 de ellos, generan mucha mas luz que las tradicionales de incandescencia, y con un consumo tan reducido que las pilas se gastan de puro viejo, mas que de desgaste en sí.

No hay que olvidar un tipo bastante especial de LED: El diodo láser, que emite luz coherente. Hay muchos tipos y variantes de diodos láser. Los más conocidos son los utilizados en las unidades lectoras/grabadoras de CD, DVD y Blu Ray. Los diodos láser usados para grabar son mas potentes que los usados para sólo reproducir.

Muchas impresoras de altas prestaciones están basadas en un LED láser.

También están los Led de infrarrojos. Este tipo de radiación es invisible al ojo humano. Sin embargo, el infrarrojo se comporta como la verdadera luz que es.

Tienen infinidad de usos: Aplicaciones industriales, sistemas de vigilancia y visión nocturna, comunicaciones a corta distancia...

La aplicación mas utilizada para los leds de infrarrojo es controlar equipos electrónicos a distancia con el correpondiente mando. La comunicación entre el mando y el equipo se establece por medio de un haz de infrarrojos emitido por el mando. El equipo recibe el infrarrojo e inmediatamente interpreta y procesa la orden recibida.

Mando a distancia por infrarrojos


Truco para los mandos con LED de infrarrojos:

Hay un recurso para saber si un mando está emitiendo. La radiación infrarroja es invisible para el ser humano...pero no para una cámara, ya sea de fotos, de vídeo o de teléfono móvil. Basta con poner el mando frente a la cámara y pulsar un botón en el mando. Veremos como el LED infrarrojo produce destellos si lo miramos a través del visor de la cámara, unas veces de forma intermitente, otras veces de forma continua.

Tengo dedicado un vídeo a construir un star-lite o "glow-stick": Una barrita luminosa para usar en la pesca deportiva. Normalmente, estas barritas luminosas son de productos químicos y duran una sola noche. Usando una pila de botón y uno de estos diodos, puedes tener mas y mejor luz (color blanco) para más de 25 noches de ocho horas (comprobado personalmente).







5) Fotodiodo

Se comporta como un diodo genérico, pero tiene la cualidad de conducir en mayor o menor medida según la luz que le incide. Es importante dejar claro que para su funcionamiento hay que aplicarle tensión, no la produce él. Y fluirá mas o menos corriente según la luz.

Esta cualidad nos recuerda a la resistencia LDR, que realmente hace lo mismo: Conducir mas o menos en función de la luz. Hay una diferencia importante a favor del fotodiodo: Éste último puede trabajar a frecuencias mucho mayores que la LDR porque tiene un tiempo de respuesta mucho mas corto. Es más rápido.

Para que un fotodiodo muestre su característica hay que polarizarlo inversamente. Si se polariza directamente conduce como un diodo normal y las variaciones de luz no le hacen efecto alguno.

Hay fotodiodos para luz visible y para radiación infrarroja

Los fotodiodos se usan en infinidad de aplicaciones, siendo la más conocida el servir de receptor en los sistemas de "mando a distancia" que incorporan muchos electrodomésticos. En el mando va el diodo led, en el aparato controlado va el fotodiodo. En este caso se trabaja con luz infrarroja cercana, es decir, el infrarrojo que va justo a continuación de la luz visible en el espectro de las radiofrecuencias.

Los fotodiodos se usan también en electrónica industrial para automatización de procesos basándose en el corte de un haz de luz. Por ejemplo: Contar objetos en una cadena de producción, tacómetros ópticos para medir la velocidad de giro, también se usan en los sistemas de frenos ABS para detectar si la rueda gira o está bloqueada, es fácil encontrarlos en alarmas, y tienen incluso aplicaciones militares como el detector de calor de los misiles antiaéreos especializados en localizar y perseguir aviones basándose en el calor que emiten los motores de esos aviones incluso a distancias kilométricas. En este último caso son fotodiodos para infrarrojo lejano, es decir, el infrarrojo mas alejado de la luz visible, mas emparentado con el calor que con la luz.



Fotodiodo BPW34

6) Varicap

Es un diodo que ya se vio en el capítulo anterior (condensadores) porque su característica principal es que cuando se polariza inversamente, se comporta como un... condensador. Si se varía la tensión aplicada a sus terminales, también varía su capacidad. Esto lo hace muy útil para gobernar sintonizadores u osciladores.

Es mucho más fiable y versátil trabajar con cambios de tensión (que se pueden crear en un circuito digital) que el clásico condensador variable con armaduras móviles basado en mecánica. Las cosas mecánicas están sujetas a muchos mas fallos que las cosas puramente electrónicas donde no hay piezas móviles.

Esta es la gran ventaja del diodo varicap.


Sintonizador basado en diodo varicap



7) De efecto túnel

Si en la fabricación de los cristales P y N de un diodo se usa un alto grado de dopaje, se obtiene un diodo que exhibe una característica "extraña": Cuando se polariza directamente comienza a conducir, como un diodo normal. A mas tensión, mas corriente. Todo normal.

Pero llegados a una tensión (llamada tensión de cresta) el diodo conducirá menos cuanta más tensión le apliquemos, hasta llegar a una tensión (tensión de valle) en que el diodo comienza otra vez a comportarse de forma "normal", es decir: a más tensión, mas corriente.

O dicho de otra manera: En su curva característica hay un tramo de tensiones donde el diodo tiene una resistencia negativa. Esto obedece a hechos relativos a física cuántica que no se pueden explicar con la teoría mecánica clásica.

Son utilizados en osciladores para frecuencias muy altas.


Curva característica de un diodo túnel



8) Schottky

Dos son la cualidades que diferencian a este diodo del resto:

1) Tener un tiempo de conmutación muy bajo. Es decir, son muy rápidos. Por eso son muy utilizados en circuitos que trabajan a frecuencias muy altas

2) Cuando polarizamos directamente un diodo no comienza a conducir desde el principio. Necesitamos superar una tensión mínima (tensión de barrera) para que el diodo comience a conducir. En la mayoría de diodos esta tensión es típicamente de unos 0.7 voltios. En un diodo schottky esta tensión es de tan sólo 0.2 voltios. Interesante cualidad a tener en cuenta cuando queremos minimizar las caídas de tensión.

Este diodo es muy utilizado en las fuentes de alimentación conmutadas. Algunas trabajan con frecuencias relativamente bajas de unos pocos KHz, otras lo hacen a frecuencias mucho más elevadas, del orden de muchos MHz. Es en éstas últimas donde el diodo Schottky suele hacer acto de presencia.



9) SMD

Para cada uno de los tipos anteriores existe la versión SMD, así que realmente no hablamos de un "tipo" de diodo sino más bien de una "forma" de presentación.

Los diodos SMD (como cualquier componente SMD) carecen de patillas y se sueldan directamente al circuito por el lado de las pistas y las soldaduras de los otros componentes que NO son SMD. Para ser soldados tienen unos extremos metalizados que será el punto donde se aplique la soldadura. 

Lógicamente tienen un tamaño bastante más reducido que los diodos convencionales.



Algunas aplicaciones de los diodos

1) Rectificador

En el capítulo anterior se dijo que la electrónica puede convertir la corriente alterna en continua. El diodo es el que hace tal cometido. Se puede rectificar una corriente monofásica (la doméstica) y también hay circuitos para trifásica e incluso mas fases. Vamos a ver los monofásicos por ser los más utilizados.

Los hay de dos tipos: De media onda, y de onda completa

a) De media onda: En el circuito siguiente hay un rectificador de media onda. Sólo un semiciclo pasará a través del diodo, ya que el otro semiciclo queda bloqueado. 

Éste es el más básico de los rectificadores, y no aprovecha la totalidad de la tensión, solo la mitad. Sin embargo, esto puede ser una ventaja en vez de una limitación, pues la tensión resultante es la mitad de la que obtendríamos con un rectificador de onda completa. Esto puede usarse a modo de "reductor de tensión" para alimentar cargas resistivas cuando interese una tensión menor. Es decir, si rectificamos una tensión de 220 con un rectificador de media onda obtendremos no 320 voltios sino la mitad: unos 160 voltios.


Circuito rectificador de MEDIA ONDA con oscilogramas (derecha)

En el vídeo, minuto 31:44 vemos un montaje de este tipo de rectificador así como los oscilogramas a la entrada y la salida. Se rectifica una tensión alterna de 12 voltios.


La misión del condensador C1 es la siguiente: El diodo convierte la corriente alterna en continua, pero no una corriente constante, plana, sino pulsante. Pues bien, C1 tiene esa misión: Aplanar, suavizar esa corriente pulsante para que se asemeje lo mas posible a la tensión suministrada por una pila o batería.


b) Rectificador de onda completa

Mas completo y mas utilizado que el anterior. Hay varios montajes. El más común es el conocido como puente de Graetz en el dibujo siguiente:


Rectificador de ONDA COMPLETA y oscilogramas

Se utilizan cuatro diodos dispuestos de tal manera que ambos semiciclos son rectificados y no uno sólo como en el caso anterior de media onda. El semiciclo negativo se invierte de polaridad y se vuelve positivo. Al unirse con los semiciclos que ya son positivos de por sí, tenemos una corriente continua que aprovecha toda la tensión alterna.

Los diodos van montados de forma que hay cuatro uniones. Cada unión es compartida por dos diodos. El montaje hay que hacerlo de manera que haya dos uniones distintas (cátodo-ánodo que será la entrada de corriente alterna) y dos uniones de polos iguales: Una unión ánodo-ánodo (será la salida positiva) y una unión cátodo-cátodo (será la salida negativa). Esto es relativo: A esa salida negativa se le suele llamar de muchas maneras, y todas son correctas: Negativo, cero, masa, común...

Tanto en el modelo anterior de media onda como en este de onda completa vemos que los oscilogramas muestran una corriente continua. Hablando con rigor es continua ya que los electrones van en un único sentido. Pero esta tensión no es constante sino pulsante y no valdría para la mayoría de los equipos que necesitan una tensión constante.

¿Cómo hacer para que esa tensión pulsante se vuelva una línea recta, es decir, constante? 

Se hace mediante filtros a base de condensadores.

En el dibujo anterior vemos el condensador C1 conectado al positivo y negativo. 

Cuando la tensión de cada ciclo, primero creciente, luego decreciente llega a un condensador, éste absorbe corriente cuando la tensión es grande, y devuelve corriente cuando la tensión es pequeña. El resultado es un "aplanamiento" de la tensión. El condensador actúa como un amortiguador eléctrico.

En el minuto 42:57 del vídeo se visualiza con el osciloscopio el efecto de poner el condensador C1 justo a la salida del rectificador. Las formas de onda alterna se transforman en una línea bastante recta que ya se asemeja mucho más a una pila o batería.

La pequeña componente de alterna que queda se conoce como tensión de rizado. En aplicaciones de audio, una fuente con una tensión de rizado demasiado grande puede provocar un molesto zumbido en los altavoces que se superpone al sonido que esos altavoces emiten, y ese zumbido tiene precisamente la frecuencia de la red: 50 hertzios. Esta tensión de rizado demasiado alta es debida casi siempre a que los condensadores electrolíticos de la fuente han perdido capacidad.

La tensión continua resultante en un rectificador de onda completa es la tensión alterna multiplicada por raíz de dos. Si rectificamos 12 Voltios alterna obtenemos no 12 voltios de continua sino unos 17. También es verdad que si conectamos una carga y la fuente no es estabilizada (la del esquema anterior no lo es), la tensión "cae", decrece, tanto más cuanto mayor sea el consumo de la carga conectada a esa fuente.

El modelo de fuente anterior es el más básico, funcionará en bastantes diseños y aplicaciones si las exigencias no son altas, pero las fuentes reales en los electrodomésticos son bastante mas complejas, (a veces es la parte mas compleja del electrodoméstico) y suelen tener estas funciones:

1) Son capaces de funcionar a 110-240 voltios regulándose automáticamente. No hace falta manipular un selector de tensión 110-240V como se hacía antiguamente

2) Tienen infinidad de protecciones contra cortocircuitos, sobrecalentamiento, sobretensiones, inversión de polaridad...

3) Son estabilizadas: Su tensión es constante aunque el consumo sea variable

4) Gran eficiencia, especialmente las de tipo conmutado

5) Suministran no una sino varias tensiones continuas para alimentar circuitos muy distintos. Por ejemplo,48 voltios para una etapa que maneje cierta potencia, 12 voltios para electrónica general, 5 voltios para electrónica digital.

Los primeros TV a válvulas con fuentes lineales bastante vetustas, no era muy raro que salieran ardiendo si algo andaba mal dentro del TV y se provocaba un cortocircuito. La fuente no detectaba la anomalía y seguía enviando corriente hasta producir calor suficiente como para provocar la ignición de algún componente involucrado en ese cortocircuito. Hoy, esto es impensable con las fuentes modernas.


2) Seguridad contra polaridad invertida

A la mayoría de los equipos les sienta muy mal invertir la polaridad de alimentación en la parte de corriente continua. Un ejemplo de esto estaba en los primeros autorradios o car audio. Lógicamente, se alimentaban a 12 voltios continua, procedentes de la instalación eléctrica del vehículo. Los primeros modelos de autorradios no llevaban protección de polaridad incorrecta, de forma que si te equivocabas e intercambiabas los cables de alimentación positivo y negativo, eso significaba la destrucción inmediata del equipo. Normalmente se cruzaban (destruían) los transistores de la etapa de potencia de audio (o el circuito integrado).

Hoy, los car audio no solamente llevan protecciones contra inversión de polaridad sino que también usan conectores asimétricos que hacen imposible cometer este error: Sólo se pueden conectar de una forma: La correcta.

Un esquema, usando un diodo para impedir la destrucción de un equipo por mala polaridad se puede ver en el dibujo siguiente. Mientras la polaridad sea correcta, el diodo no conduce y es como si no estuviera. Si conectamos la alimentación al revés, el diodo conducirá provocando un cortocircuito, pero el fusible F! se funde entonces, evitando que la corriente tome valores peligrosos. Como el diodo es el primer componente a la entrada de corriente, el resto del equipo no sufrirá daño alguno.


Sistema de protección contra inversión de polaridad



Cómo comprobar un diodo

Se puede comprobar un diodo con el polímetro seleccionando "resistencia".

Hay que tener presente que un diodo conduce sólo en un sentido, por lo tanto, el polímetro dará una lectura distinta según como hagamos la medición.

Aplicamos las puntas de prueba al diodo de las dos maneras posibles, el orden de lo siguiente puede cambiar, simplemente según qué puntas del polímetro apliquemos al cátodo y ánodo del diodo:

Por ejemplo:

Lectura uno: Debemos obtener un valor "infinito". Cuidado con tocar las puntas de prueba o el diodo con la mano: Podemos obtener un valor de resistencia que en realidad es de nuestro cuerpo.


Prueba 1 de 2 de un diodo: En la medida "resistencia" debe dar un valor
de resistencia infinito, no conduce en absoluto. Diodo bien.

Lectura dos: Obtendremos un valor que dependerá bastante del diodo, pero debe ser un valor concreto, no infinito. Normalmente serán varios miles de ohmios. ¿Y porqué miles de ohmios si se supone que un diodo conduce en uno de los sentidos? El porqué: Cuando se miden ohmios, el polímetro envía una débil tensión a las puntas de prueba, tensión que atravesará el componente a medir y, según la corriente que circule, se deduce la resistencia. Pues bien: Los diodos, como característica, tienen el llamado "potencial o tensión de barrera", que es la tensión necesaria para que éstos conduzcan plenamente. Resulta que el polímetro no suele enviar tensión suficiente para romper esa barrera. Así, el diodo, en vez de dar una lectura cercana a cero ohmios, la da de miles de ohmios.

Con esa lectura, el diodo estará bien.


Prueba 2 de 2: Midiendo en sentido contrario al de la medida 1 de 2,
debemos obtener un valor de resistencia elevado pero no infinito,
del orden de miles de ohms. 641 K en este caso.


El diodo estará mal si:

a) El polímetro acusa una lectura cero ohmios o un valor cercano a cero. En este caso se dice que el diodo está cruzado, cortocircuitado internamente. Esto ocurre cuando el diodo es atravesado por una corriente excesiva y se produce el fenómeno avalancha: El cristal PN se destruye y se vuelve permanentemente conductor, como si fuese un simple trozo de cable. Este fallo es frecuente verlo en fuentes de alimentación y en circuitos de potencia en general. 

b) En ambos sentidos se obtiene un valor "infinito". En este caso el diodo está cortado o abierto.

Hay una excepción a esto último: Los diodos de alta tensión de microondas. Su potencial de barrera es bastante mas alto que la de un diodo común, y el polímetro no puede vencerla, de modo que da infinito en ambos sentidos y se puede pensar (incorrectamente) que el diodo está cortado. 

Para comprobar este tipo de diodos de alta tensión hay que recurrir a algún tipo de artificio, como por ejemplo, el que utilizo en mi tutorial de reparación de hornos microondas (ver a partir del minuto 49:03 del vídeo).



Rincón de la TEORÍA
SEMICONDUCTORES

Que suponen en la electrónica

Hace poco más de 50 años, un ordenador pesaba mas que un camión grande. Ocupaba todo el espacio en un local con una superficie como el de una vivienda normal, todo lleno de circuitos a base de válvulas de vacío y relés. Tenía un consumo eléctrico equivalente al de 50 viviendas. Su "impresionante" velocidad de cálculo: Podía hacer unos pocos cientos de operaciones por segundo. El martilleo continuo de miles de relés conmutando de estado debía ser todo un espectáculo.

Entonces, había electrónica, ...pero no semiconductores.

Unos pocos años mas tarde, gracias a la invención y desarrollo de los semiconductores, la electrónica inició una veloz carrera de doble sentido:

1) Cada vez más prestaciones
2) ...con cada vez menos peso, consumo, tamaño, precio, dificultad de manejo...

Cincuenta años después, la realidad supera a la ficción. James Bond con su "zapatófono" se quedó muy corto en las películas de entonces. Ahora, un smartphone, en el bolsillo de cualquier niño, con un tamaño mucho menor que un zapato, no sólo te permite establecer contacto con cualquier lugar del mundo sino que ofrece: Música, cámara, agenda, otras comunicaciones como wi-fi, bluetooth, infrarrojos, calculadora avanzada, GPS, linterna, mando a distancia...

...Gracias a los semiconductores.

En electrónica hay dos conceptos que satisfacer:

1) La amplificación. Consiste en tomar una señal eléctrica, y hacerla mas grande. Este cometido, al principio, lo hacían las válvulas de vacío, que eran voluminosas, consumían mucho y tenían corta vida.

2) La conmutación. Consiste en un componente que puede tomar dos estados, por ejemplo: (on-off), también podría ser: (0-1), o quizás: (activo-inactivo). Esto se confiaba a un mecanismo conocido como relé, que consiste en un contacto móvil que puede conectarse a uno de dos contactos posibles. 

El accionamiento de un relé se hace por medio de un electroimán. Estos componentes también son voluminosos, tienen un alto consumo (comparado con un semiconductor) y lo peor de todo: Su inercia mecánica lo hacía inviable para velocidades de más de unos pocos ciclos por segundo.

La aparición de los semiconductores ha hecho posible sustituir la válvula de vacío y el relé por el transistor a base de semiconductores, que hace básicamente lo mismo que la válvula de vacío y el relé, pero con unas prestaciones tremendamente superiores.

Los últimos avances han conseguido crear transistores tan pequeños que en un circuito integrado del tamaño de una goma de borrar caben millones de ellos.


Como están hechos

Se suele leer o escuchar con bastante frecuencia que los semiconductores son materiales "que conducen a medio camino entre los metales y un aislante". O que "conducen sólo en un sentido". Esto es erróneo.

Un semiconductor es un montaje que permite el paso de la corriente en mayor o menor medida, en función de algún parámetro variable, como puede ser una tensión, un campo magnético, calor y otras variables.

Es decir, se comporta como una válvula. Abre o cierra el paso de la corriente y además lo puede hacer gradualmente.

Los materiales usados para fabricar semiconductores son unos pocos, unos son para hacer el cristal, otros son para dotar de impurezas a ese cristal y así exhibirá unas u otras propidades. Estos materiales típicamente son:

Silicio, Germanio, Indio, Antimonio, Galio, Cesio, Plomo, Azufre, Arsénico, Selenio, Antimonio. Los dos primeros: Silicio y germanio son los más usados.

Según el tipo de material empleado y las impurezas añadidas, se obtienen cristales tipo P (positivo) o tipo N (negativo). Antes de ver cómo se fabrican los cristales tipo P o N hay que recordar el concepto de electrones de valencia, que son los electrones que hay en la capa mas externa del átomo. Estos son los electrones que intervienen en los enlaces y las reacciones químicas.

Cristales tipo P

El material base del semiconductor es silicio o germanio, que tienen cuatro electrones en su última capa. Si el silicio es "dopado" o contaminado con cierto número de átomos que tengan tres electrones en su última capa (Indio, Galio), resulta que el cristal resultante tiene "huecos" o portadores positivos. Estos huecos tendrán "apetencia" por atrapar un electrón.

Cristales tipo N

Partiendo también del silicio o del germanio, con sus cuatro electrones en la capa externa, si dopamos ese silicio o germanio con materiales que tengan cinco electrones en su capa externa (por ejemplo antimonio), resulta que se forma un cristal en donde algunos enlaces tienen un electrón "de sobra" que son precisamente los portadores negativos o electrones.

Uniendo dos de estos cristales, uno tipo P y otro tipo N tenemos un diodo.

Si hacemos un montaje con tres cristales: En el centro un cristal N y a derecha e izquierda ponemos cristales tipo P, tenemos un transistor tipo PNP. Si cambiamos la configuración de los cristales tendremos un transistor tipo NPN. Veremos esto en el capítulo "Transistores".


Semiconductores. Diodo y transistor


Componentes a base de semiconductores

Diodos y fotodiodos
Transistor y fototransistor
Tiristor y triac
Circuitos integrados o "chips"
Resistencias LDR
Células Peltier

CELULA PELTIER. Totalmente basada en uniones de cristales
semiconductores. Sin piezas móviles ni líquidos o gases, convierte
directamente la electricidad en frío y calor en cada una de sus dos caras.
Es REVERSIBLE: También convierte el calor en electricidad.


Puntos débiles

Los semiconductores tienen su propio "coco": El calor.

En la fase de diseño de un circuito debe calcularse que cualquier semiconductor no supere cierta temperatura por el paso de la corriente eléctrica a su través, pues de lo contrario será destruido.

También hay que tener en cuenta el aporte de calor que venga de otro sitio, como componentes cercanos, condiciones ambientales...

La temperatura a partir de la cual un semiconductor ve comprometida su integridad es de poco más de 200ºC. A partir de 250ºC su destrucción está asegurada.

Otra causa por la que un semiconductor puede destruirse es en los trabajos de soldadura y desoldadura si no se es cuidadoso. Como norma para evitar daños a semiconductores aplicaremos estas pautas:

1) Utilizar un soldador de potencia necesaria pero no excesiva

2) Lo mismo con el tiempo: No se debe aplicar el soldador durante un tiempo mayor del estrictamente necesario.

3) A la hora de hacer un circuito, en caso de que haya que poner y soldar muchos componentes, empezar con los mas robustos (resistencias, condensadores, bobinas) y dejar para el final los semiconductores.

4) Cuando se suelda un circuito integrado, no soldar las patillas consecutivamente ni en orden para evitar introducir mucho calor en una misma zona del integrado. Mejor soldar patillas alejadas entre sí para repartir el calor. Dejar tiempo para enfriar entre soldadura y soldadura.

5) Dotar de radiadores disipadores de calor a un semiconductor cuando sea necesario. Utilizar pasta conductora térmica para mejorar la transferencia de calor entre el semiconductor y el radiador.


Pasta térmica para semiconductores

Otro factor que amenaza a los semiconductores es la electricidad estática. Si un circuito recibe un chispazo de estática, la mayor probabilidad de rotura la tendrán los semiconductores que hayan en ese circuito.

Esto también atañe a un semiconductor aislado fuera el circuito. Si lo estamos manipulando y estamos cargados de estática podemos dejarlo K.O.


Esta amenaza de la estática no es lo mismo para un robusto diodo rectificador (que ya tendría que ser potente la chispa para romperlo) que para un delicado diodo láser en una óptica CD, o muchos tipos de chips muy sensibles a la estática.



El vídeo:







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