Diodos: explicación experta, diagnóstico y reparación

Introducción

Un diodo es el semiconductor más elemental y, a la vez, uno de los más importantes en electrónica: una unión PN que permite el paso de corriente preferentemente en un solo sentido. Comprender su física, sus limitaciones y sus modos de fallo es imprescindible para diseñar, diagnosticar y reparar circuitos desde fuentes de alimentación hasta sistemas de potencia y comunicaciones. A continuación se desarrolla, con detalle técnico y orientación práctica, cómo funciona un diodo, qué tipos existen, cómo se comportan en condiciones reales y cómo proceder cuando fallan.

Física básica y tipos de diodos

Un diodo está formado por una unión PN donde, en equilibrio, se crea una región de agotamiento con un campo eléctrico interno que impide el flujo libre de portadores. Sus propiedades dependen del material (silicio, germanio, GaAs, etc.), del dopado y de la geometría de la unión.

Ecuación característica (modelo exponencial): La corriente a través de la unión se aproxima por la ecuación del diodo ideal con factor de idealidad $n$ :

$I = I_S\left(e^{\frac{V_D}{nV_T}}-1\right)$

donde $I_{S}$ es la corriente de saturación inversa, $V_{D}$ la tensión en la unión, y $V_T=\dfrac{kT}{q}$ es la tensión térmica ( $k$ constante de Boltzmann, $q$ carga del electrón, $T$ temperatura absoluta).

Tipos relevantes y su uso:

Diodo rectificador (silicio/germanio): para convertir AC a DC; los de silicio son los más comunes por su robustez térmica.
Diodo Schottky: baja caída directa ( $\sim0{.}2\!-\!0{.}4$ V), rápida conmutación; usado en fuentes conmutadas y detectores.
Diodo Zener: diseñado para operar en ruptura controlada; se usa como referencia o regulador.
LED / diodo láser: emiten fotones en polarización directa; su caída de tensión y eficiencia dependen del material y la longitud de onda.
Diodo de potencia / rectificador rápido / ultrarrápido: para altas corrientes y tensiones; construidos con estructuras que optimizan disipación y recuperación.
Diodo de avalancha y diodo de gas/mercurio: para protección o aplicaciones específicas de alta tensión.
Diodos de juntura y de barrera Schottky según la física de la unión.

Diodos de potencia: parámetros críticos

En aplicaciones de potencia hay que considerar varios parámetros que determinan si un diodo es adecuado:

Tensión inversa máxima (VRRM o V_R): tensión máxima que puede soportar en polarización inversa sin romperse.
Corriente directa máxima (I_F(AV) o I_F): corriente continua que puede conducir con disipación térmica adecuada.
Caída de tensión directa (V_F): energía disipada $P = V_F \cdot I$ ; menor $V_{F}$ reduce pérdidas.
Recuperación inversa (trr): tiempo que tarda el diodo en dejar de conducir al invertir la polaridad; crítico en conmutación.
Resistencia térmica (R_{\theta JA}, R_{\theta JC}): determina la subida de temperatura por potencia disipada.
Capacitancia de unión (C_j): afecta conmutación y respuesta en RF.
Derating y margen térmico: operar por debajo de límites nominales mejora fiabilidad.

Para seleccionar un reemplazo siempre elegir un diodo con igual o superior VRRM, IF y capacidad de disipación, y con características de recuperación compatibles con la aplicación.

Comportamiento eléctrico y efectos prácticos

Polarización directa: la barrera se reduce y la corriente aumenta exponencialmente; en silicio la caída típica es $\sim0{.}6\!-\!0{.}8$ V a corrientes moderadas. La resistencia dinámica $r_{d}$ y la temperatura afectan la respuesta.
Polarización inversa: corriente de fuga pequeña hasta la tensión de ruptura; la corriente de fuga aumenta con la temperatura.
Ruptura y avalancha: si se supera $V_{R}$ sin control, la unión entra en avalancha y puede destruir el dispositivo; en diodos Zener esa región se usa intencionalmente.
Efectos térmicos: la corriente de fuga y la caída directa dependen fuertemente de la temperatura; el calentamiento puede llevar a fallo por sobrecorriente o por degradación de la unión.
Capacitancia y conmutación: en aplicaciones de alta frecuencia o conmutación rápida, la $C_{j}$ y el tiempo de recuperación inversa $t_{rr}$ limitan el rendimiento y generan pérdidas adicionales.

Diagnóstico: cómo probar un diodo paso a paso

Seguridad: desconectar alimentación, descargar condensadores y usar ESD si el circuito lo requiere.

Prueba básica con multímetro (modo diodo):
- Medir ánodo→cátodo en polarización directa: lectura típica $0{.}6\!-\!0{.}8$ V (silicio).
- Medir en inversa: multímetro debe indicar OL o un valor muy alto.
- Interpretación: lectura directa baja y OL en inversa → diodo sano; lectura ~0 V en ambas direcciones → cortocircuito; lectura OL en ambas → circuito abierto.
Prueba fuera de circuito: siempre que sea posible desoldar al menos un terminal para evitar caminos paralelos que falseen la medición.
Prueba con fuente y resistencia (Zener y diodos de potencia): aplicar tensión con resistencia en serie y observar la curva V–I; para Zener verificar que estabiliza en su tensión nominal a la corriente de prueba.
Curve tracer o osciloscopio: para análisis avanzado medir la curva I–V completa y la recuperación inversa $t_{rr}$ aplicando pulsos; útil para diodos de conmutación y Schottky.
Inspección visual y térmica: buscar signos de sobrecalentamiento, quemaduras, hinchazón o soldaduras frías; en circuito en funcionamiento usar cámara térmica o sensor para localizar puntos calientes.
Medición de fuga y aislamiento: con megóhmetro o fuente de corriente para detectar corrientes de fuga anómalas en condiciones de alta tensión.

Reparación y sustitución: procedimiento práctico y consejos de experto

Antes de reemplazar: identificar la causa raíz (sobrecorriente, fallo en driver, cortocircuito en carga, disipación insuficiente). Reemplazar sin corregir la causa suele producir repetición del fallo.

Pasos para reemplazo seguro:

Aislar y descargar: desconectar alimentación y descargar condensadores de filtro; usar resistencia de descarga si es necesario.
Documentar polaridad y circuito: marcar ánodo/cátodo y tomar foto o esquema del montaje.
Desoldado cuidadoso: usar estación de soldadura con control de temperatura, mecha desoldadora o bomba de vacío; evitar sobrecalentar la pista y componentes adyacentes.
Inspección de la placa: limpiar residuos de soldadura, comprobar pistas y vías; reparar pistas dañadas con alambre o puente si es necesario.
Selección del reemplazo: elegir diodo con VRRM ≥ original, IF ≥ original, igual o mejor $t_{rr}$ y resistencia térmica adecuada; si la aplicación es crítica, considerar diodos con margen (p. ej. 20–50% superior).
Montaje y soldadura: aplicar soldadura de calidad, evitar exceso de calor; si el diodo es de potencia, asegurar buen contacto térmico con disipador y usar pasta térmica si procede.
Prueba inicial con corriente limitada: alimentar con fuente ajustada y resistencia o limitador de corriente para verificar comportamiento sin riesgo; monitorizar tensión y temperatura.
Verificación en carga real: una vez comprobado, poner en servicio y monitorizar durante el arranque para detectar anomalías.

Consejos térmicos y mecánicos:

Disipación: en diodos de potencia montar en disipador con tornillería y pasta térmica; respetar torque recomendado.
Derating: operar por debajo de la corriente y tensión máximas para aumentar vida útil; reducir corriente nominal en ambientes calientes.
Protección: añadir fusible, limitador de corriente o snubber RC para proteger contra picos y sobretensiones; en fuentes conmutadas usar diodos con recuperación adecuada o añadir snubbers para reducir $t_{rr}$ -induced losses.

Modos de fallo comunes y prevención

Cortocircuito por sobrecorriente o sobretemperatura: prevenir con fusibles, control térmico y dimensionamiento correcto.
Apertura por estrés mecánico o soldadura defectuosa: usar técnicas de soldadura correctas y soportes mecánicos.
Degradación por ciclos térmicos: diseñar disipación y evitar ciclos térmicos extremos.
Fallo por recuperación inversa en conmutación rápida: elegir diodos ultrarrápidos o Schottky según la aplicación y añadir snubbers.

Conclusión

Dominar el comportamiento de los diodos implica entender su física de unión, sus parámetros eléctricos y las condiciones térmicas que determinan su fiabilidad. El diagnóstico correcto combina mediciones básicas con pruebas fuera de circuito y, cuando es necesario, análisis dinámico con curve tracer u osciloscopio. La reparación responsable exige identificar la causa raíz, seleccionar un reemplazo con especificaciones adecuadas y aplicar buenas prácticas de montaje y disipación. Con estas pautas se reduce la recurrencia de fallos y se mejora la robustez de los diseños y reparaciones en electrónica.