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Los fundamentos y la aplicación de los diodos Zener, PIN, Schottky y varactores

Por Art Pini

Colaboración de Editores de Digi-Key de América del Norte

Si bien los diodos de silicio o germanio convencionales funcionan bien como rectificadores y elementos interruptores en la mayoría de las aplicaciones electrónicas, las funciones, como la sintonización electrónica, la atenuación electrónica, la rectificación de baja pérdida y la generación de referencia de voltaje están más allá de su capacidad. En sus orígenes, se utilizaban métodos de "fuerza bruta" más primitivos, costosos y masivos para llevar a cabo estas tareas. Estos métodos ahora han dado paso a diodos más elegantes y de propósito especial, incluidos los diodos varactores (o de capacitancia variable), PIN, Schottky y Zener.

Cada uno de estos tipos de diodos se diseñó mejorando algunas características únicas de los diodos para responder al segmento de aplicaciones con estructuras de diodos de bajo costo. El uso de estos diodos de propósito especial reduce el tamaño, el costo y la ineficiencia de las soluciones más convencionales en estas aplicaciones. Los usos típicos incluyen fuentes de alimentación conmutadas, atenuadores de microondas y RF, fuentes de señal de RF y transceptores.

Este artículo analiza el papel y el funcionamiento de los diodos para fines especiales. Luego analiza sus características típicas usando ejemplos de Skyworks Solutions y ON Semiconductor, antes de terminar con ejemplos de circuitos para mostrar cómo usarlos de manera efectiva.

Referencia de voltaje de diodo Zener

Los diodos Zener están diseñados para mantener un voltaje fijo a través del diodo cuando se polariza inversamente. Esta capacidad se utiliza para proporcionar voltajes de referencia conocidos, una operación importante en las fuentes de alimentación. Los diodos Zener también se usan para recortar o limitar las formas de onda, lo cual evita que excedan los límites de voltaje.

El diodo Zener se fabrica utilizando uniones p-n altamente dopadas que dan como resultado una capa de agotamiento muy delgada. El campo eléctrico resultante en esta región es muy alto, incluso con bajos voltajes aplicados. En estas condiciones, cualquiera de los dos mecanismos da como resultado una disrupción del diodo, lo que provoca una alta corriente inversa:

  • En una condición, la disrupción de Zener ocurre a voltajes menores que 5 voltios y es el resultado del túnel cuántico de electrones.
  • El segundo mecanismo de disrupción es cuando los voltajes son superiores a 5 voltios; la disrupción es el resultado de un colapso de avalancha o ionización de impacto

En cualquier caso, la operación del diodo es similar (Figura 1).

Diagrama del símbolo esquemático para un diodo ZenerFigura 1: Se muestra el símbolo esquemático para un diodo Zener, junto con su curva característica de corriente-voltaje. La característica de corriente-voltaje de un diodo Zener tiene una zona de conducción directa normal, pero cuando está polarizada inversamente, se produce la disrupción con un voltaje constante a través del diodo. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

Cuando el diodo Zener tiene polarización directa, se comporta como un diodo estándar. Bajo polarización inversa, exhibe una disrupción cuando el nivel de polarización inversa excede el nivel de voltaje de Zener, VZ. En este punto, el diodo mantiene un voltaje casi constante entre el cátodo y el ánodo. La corriente mínima para mantener el diodo en la región de disrupción de Zener es IZmin; la corriente máxima determinada por la disipación de potencia nominal del diodo es IZmax. La corriente debe estar limitada por la resistencia externa para evitar el sobrecalentamiento y las fallas. Esto se muestra en el diagrama esquemático de un regulador de voltaje básico basado en Zener construido alrededor del Zener 1N5229B de ON Semiconductor (Figura 2).

Imagen del diagrama esquemático de un regulador de voltaje básico con un diodo Zener (haga clic para ampliar)Figura 2: Diagrama esquemático de un regulador de voltaje básico que utiliza un diodo Zener, junto con la respuesta de regulación de carga. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

El diodo Zener 1N5229B tiene una disipación máxima de 500 milivatios (mW) a un voltaje Zener nominal de 4,3 voltios. La resistencia en serie (R1) de 75 ohmios (Ω) limita la disipación de potencia a 455 mW sin carga. La disipación de potencia cae con el aumento de la corriente de carga. La curva de regulación de carga se muestra para valores de resistencia de carga de 200 Ω a 2.000 Ω.

Además de la regulación de voltaje, los diodos Zener pueden conectarse de forma consecutiva para proporcionar un límite de voltaje controlado al voltaje de Zener, más el valor de caída de voltaje directo. Un limitador Zener de 4,3 voltios limitaría a ±5 voltios. Las aplicaciones limitantes se pueden extender a circuitos de protección contra sobretensiones más generales.

Diodos Schottky

El Schottky, o diodo portador caliente, se basa en una unión de metal a semiconductor (Figura 3). El lado metálico de la unión forma el electrodo anódico y el lado semiconductor es el cátodo. Cuando está polarizado en la dirección directa, la caída máxima de voltaje directo del diodo Schottky está en el rango de 0,2 a 0,5 voltios, dependiendo de la corriente directa y el tipo de diodo. Esta baja caída de voltaje directo es extremadamente útil cuando el diodo Schottky se usa en serie con una fuente de energía, como en los circuitos de protección de voltaje inverso, ya que reduce las pérdidas de energía.

Diagrama de estructura física del diodo SchottkyFigura 3: La estructura física del diodo Schottky se basa en una unión semiconductora de metal a tipo N, lo que produce una baja caída de voltaje directo y tiempos de conmutación muy rápidos. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

La otra característica importante de estos diodos es su tiempo de conmutación muy rápido. A diferencia de los diodos estándar que tardan en eliminar la carga de la capa de agotamiento cuando se cambia de una condición de encendido a apagado, el diodo Schottky no tiene una capa de agotamiento asociada con la unión de metal-semiconductor.

Los diodos Schottky tienen voltaje nominal inverso de pico limitado en comparación con los diodos de unión de silicio. Esto generalmente limita su uso a fuentes de alimentación conmutadas de bajo voltaje. El 1N5822RLG de ON Semiconductor tiene una clasificación respetable de pico de voltaje inverso (PRV) de 40 voltios y una corriente directa máxima de 3 A. Se puede aplicar en varias áreas de una fuente de alimentación de modo conmutado (Figura 4).

Diagrama de aplicaciones típicas de diodos SchottkyFigura 4: Los ejemplos de aplicaciones típicas de diodos Schottky en fuentes de alimentación de modo conmutado incluyen su uso para protección de potencia inversa (D1) y supresión transitoria (D2). (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

Los diodos Schottky se pueden usar para proteger los circuitos reguladores contra la aplicación accidental de polaridad invertida en la entrada. El diodo D1 cumple ese propósito en el ejemplo. La principal ventaja del diodo en esta aplicación es su baja caída de voltaje directo. Una función más importante para un diodo Schottky, en este caso D2, es proporcionar una ruta de retorno para la corriente a través del inductor, L1, cuando el interruptor se apaga. D2 tiene que ser un diodo rápido conectado con un cableado corto de baja inductancia para realizar esta función. Los diodos Schottky proporcionan el mejor rendimiento en esta aplicación para suministros de bajo voltaje.

Los diodos Schottky también encuentran aplicaciones en diseños de RF donde su conmutación rápida, bajas caídas de voltaje directo y baja capacitancia los hacen útiles para detectores e interruptores de muestreo y retención.

Diodos varactores

El diodo varactor, a veces llamado diodo varicap, es un diodo de unión diseñado para proporcionar capacitancia variable. La unión P-N está polarizada inversamente, y la capacitancia del diodo puede variarse cambiando la polarización de CC aplicada (Figura 5).

El diagrama del diodo varactor proporciona capacitancia variableFigura 5: El diodo varactor proporciona capacitancia variable dependiendo de la polarización inversa aplicada. Cuanto mayor sea el nivel de polarización, menor será la capacitancia. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

La capacitancia del varactor varía inversamente con la polarización de CC aplicada. Cuanto mayor sea la polarización inversa, más ancha será la región de agotamiento de diodos y, por lo tanto, menor será la capacitancia. Esta variación se puede ver gráficamente en el gráfico de capacitancia frente al voltaje inverso para el diodo varactor de unión hiperactiva SMV1801-079LF de Skyworks Solutions (Figura 6).

Gráfico de capacitancia de un varactor SMV1801-079LF de Skyworks SolutionsFigura 6: La capacitancia de un varactor SMV1801-079LF de Skyworks Solutions en función del voltaje de polarización inversa. (Fuente de la imagen: Soluciones Skyworks)

Estos diodos ofrecen un alto voltaje disruptivo, voltajes de polarización de hasta 28 voltios y se pueden aplicar en un amplio rango de sintonización. El voltaje de control debe aplicarse al varactor para no alterar la polarización de la siguiente etapa; generalmente está acoplado capacitivamente como se muestra en la Figura 7.

El diagrama del oscilador sintonizado de varactor CA acopla el varactorFigura 7: Un oscilador sintonizado de varactor CA acopla el varactor, D1, al oscilador a través del condensador C1. La tensión de control se aplica a través de la resistencia R1. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

El varactor está acoplado a CA al circuito del tanque oscilador a través de un condensador grande, C1. Esto aísla el varactor, D1, de los voltajes de polarización del transistor, y viceversa. La tensión de control se aplica a través de la resistencia de aislación, R1.

Los varactores pueden reemplazar condensadores variables en otras aplicaciones, como sintonizar filtros de RF o microondas, en moduladores de frecuencia o fase, en desplazadores de fase o en multiplicadores de frecuencia.

Diodos PIN

El diodo PIN se usa como interruptor o atenuador en las frecuencias de RF y microondas. Se forma intercalando una capa semiconductora intrínseca de alta resistividad entre las capas tipo P y tipo N de un diodo convencional; de ahí el nombre PIN, que refleja la estructura del diodo (Figura 8).

El diodo sesgado imparcial o invertido no tiene carga almacenada en la capa intrínseca. Esta es la condición de apagado de las aplicaciones de conmutación. La inserción de la capa intrínseca aumenta el ancho efectivo de la capa de agotamiento del diodo, lo que provoca una capacitancia muy baja y voltajes de disrupción más altos.

Diagrama de estructura de un diodo PINFigura 8: La estructura de un diodo PIN incluye una capa de material semiconductor intrínseco entre el material P y N de los electrodos de ánodo y cátodo, respectivamente. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

La condición de polarización directa produce agujeros y electrones que se inyectan en la capa intrínseca. Estos portadores tardan un tiempo en recombinarse entre sí. Este tiempo se conoce como t, la vida útil del transportador. Hay una carga almacenada promedio que reduce la resistencia efectiva de la capa intrínseca a una resistencia mínima, RS. En la condición de polarización directa, el diodo se utiliza como atenuador de RF.

La matriz de diodos PIN SMP1307-027LF de Skyworks Solutions combina cuatro diodos PIN en un paquete común para usar como atenuador de RF/microondas en el rango de frecuencia de 5 megahercios (MHz) a 2 gigahercios (GHz) (Figura 9).

Diagrama de Skyworks Solutions SMP1307-027LF matriz de diodos PINFigura 9: Circuito atenuador de diodos PIN basado en la matriz de diodos PIN SMP1307-027LF de Skyworks Solutions. El gráfico muestra la atenuación frente a la frecuencia con voltaje de control como parámetro. (Fuente de la imagen: Soluciones Skyworks)

La matriz de diodos PIN está diseñada para atenuadores de configuración Pi y Tee de baja distorsión. La resistencia efectiva, RS, tiene un máximo de 100 Ω a 1 mA y 10 Ω a 10 mA, que se basa en una vida útil del portador de 1,5 microsegundos (µs). Está pensada para aplicaciones de distribución de señal de TV.

Conclusión

Estos diodos de propósito especial se han convertido en pilares de los diseños de circuitos electrónicos al proporcionar una solución elegante a las funciones clave que antes se realizaban con tecnología ahora obsoleta. Los diodos Zener permiten referencias de bajo voltaje; los diodos Schottky reducen las pérdidas de potencia y proporcionan una conmutación rápida; los diodos varactores permiten la sintonización electrónica y reemplazan los condensadores variables mecánicos voluminosos; y los diodos PIN reemplazan los interruptores de RF electromecánicos con interruptores de RF de acción rápida.

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Acerca de este autor

Art Pini

Arthur (Art) Pini es un autor que contribuye Digi-Key Electronics. Tiene una Licenciatura en Ingeniería eléctrica de la City College of New York, y un Máster en ingeniería eléctrica de la City University of New York. Tiene más de 50 años de experiencia en electrónica y ha trabajado desempeñando funciones de ingeniería y marketing en Teledyne LeCroy, Summation, Wavetek y Nicolet Scientific. Le interesa la tecnología de medición y tiene experiencia con los osciloscopios, analizadores de espectro, generadores de formas de onda arbitrarias, digitalizadores y medidores de potencia.

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