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Documento de Apoyo " El Diodo "
EL DIODO
Las propiedades de los materiales semiconductores se conocían en 1874, cuando se
observó la conducción en un sentido en cristales de sulfuro, 25 años más tarde se empleó el
rectificador de cristales de galena para la detección de ondas. Durante la Segunda Guerra
Mundial se desarrolló el primer dispositivo con las propiedades que hoy conocemos, el
diodo de Germanio.
POLARIZACIÓN CIRCUITO CARACTERÍSTICAS
DIRECTA
el ánodo se conecta al positivo de la
batería y el cátodo al negativo.
El diodo conduce con una caída de tensión de
0,6 a 0,7V. El valor de la resistencia interna
seria muy bajo. Se comporta como un
interruptor cerrado
INVERSA
el ánodo se conecta al negativo y el
cátodo al positivo de la batería
El diodo no conduce y toda la tensión de la
pila cae sobre el. Puede existir una corriente
de fuga del orden de µA. El valor de la
resistencia interna sería muy alto Se comporta
como un interruptor abierto.
SIMBOLOGÍA
Diodo rectificador Diodo Schottky Diodo Zener
Diodo varicap Diodo Pin Diodo túnel Diodo Led
Fotodiodo Puente rectificador
CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS
Como todos los componentes electrónicos, los diodos poseen propiedades que les
diferencia de los demás semiconductores. Es necesario conocer estas, pues los libros de
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características y las necesidades de diseño así lo requieren. En estos apuntes aparecerán las
más importantes desde el punto de vista practico.
Valores nominales de tensión:
VF = Tensión directa en los extremos del diodo en conducción. .
VR = Tensión inversa en los extremos del diodo en polarización inversa.
VRSM = Tensión inversa de pico no repetitiva.
VRRM = Tensión inversa de pico repetitiva.
VRWM = Tensión inversa de cresta de funcionamiento.
Valores nominales de corriente:
IF = Corriente directa. .
IR = Corriente inversa.
IFAV = Valor medio de la forma de onda de la corriente durante un periodo.
IFRMS = Corriente eficaz en estado de conducción. Es la máxima corriente eficaz que el diodo
es capaz de soportar.
IFSM = Corriente directa de pico (inicial) no repetitiva.
AV= Average(promedio) RMS= Root Mean Square (raíz de la media cuadrática)
Valores nominales de temperatura
Tstg = Indica los valores máximos y mínimos de la temperatura de almacenamiento.
Tj = Valor máximo de la temperatura que soporta la unión de los semiconductores.
Curva característica de un Diodo
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DIODOS METAL-SEMICONDUCTOR
Los más antiguos son los de Germanio con punta de tungsteno o de oro. Su aplicación más
importante se encuentra en HF, VHF y UHF. También se utilizan como detectores en los
receptores de modulación de frecuencia. Por el tipo de unión que tiene posee una capacidad
muy baja, así como una resistencia interna en conducción que produce una tensión
máxima de 0,2 a 0,3v. El diodo Schottky son un tipo de diodo cuya construcción se basa en
la unión metal conductor con algunas diferencias respecto del anterior. Fue desarrollado
por la Hewlett-Packard en USA, a principios de la década de los 70. La conexión se
establece entre un metal y un material semiconductor con gran concentración de
impurezas, de forma que solo existirá un movimiento de electrones, ya que son los únicos
portadores mayoritarios en ambos materiales. Al igual que el de germanio, y por la misma
razón, la tensión de umbral cuando alcanza la conducción es de 0,2 a 0,3v. Igualmente
tienen una respuesta notable a altas frecuencias, encontrando en este campo sus
aplicaciones más frecuentes. Un inconveniente de esto tipo de diodos se refiere a la poca
intensidad que es capaz de soportar entre sus extremos. El encapsulado de estos diodos es
en forma de cilindro , de plástico o de vidrio. De configuración axial. Sobre el cuerpo se
marca el cátodo, mediante un anillo serigrafiado.
DIODOS RECTIFICADORES
Su construcción está basada en la unión PN siendo su principal aplicación como
rectificadores. Este tipo de diodos (normalmente de silicio) soportan elevadas temperaturas
(hasta 200ºC en la unión), siendo su resistencia muy baja y la corriente en tensión inversa
muy pequeña. Gracias a esto se pueden construir diodos de pequeñas dimensiones para
potencias relativamente grandes, desbancando así a los diodos termoiónicos desde hace
tiempo. Sus aplicaciones van desde elemento indispensable en fuentes de alimentación
como en televisión, aparatos de rayos X y microscopios electrónicos, donde deben
rectificar tensiones altísimas. En fuentes de alimentación se utilizan los diodos formando
configuración en puente (con cuatro diodos en sistemas monofásicos), o utilizando los
puentes integrados que a tal efecto se fabrican y que simplifican en gran medida el proceso
de diseño de una placa de circuito impreso. Los distintos encapsulados de estos diodos
dependen del nivel de potencia que tengan que disipar. Hasta 1w se emplean encapsulados
de plástico. Por encima de este valor el encapsulado es metálico y en potencias más
elevadas es necesario que el encapsulado tenga previsto una rosca para fijar este a un
radiador y así ayudar al diodo a disipar el calor producido por esas altas corrientes. Igual le
pasa a los puentes de diodos integrados.
DIODO RECTIFICADOR COMO ELEMENTO DE PROTECCIÓN
La desactivación de un relé provoca una corriente de descarga de la bobina en sentido
inverso que pone en peligro el elemento electrónico utilizado para su activación. Un diodo
polarizado inversamente cortocircuita dicha corriente y elimina el problema. El
inconveniente que presenta es que la descarga de la bobina es más lenta, así que la
frecuencia a la que puede ser activado el relé es más baja. Se le llama comúnmente diodo
volante.
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DIODO RECTIFICADOR COMO ELEMENTO DE PROTECCIÓN DE UN DIODO LED EN ALTERNA.
El diodo Led cuando se polariza en c.a. directamente conduce y la tensión cae sobre la
resistencia limitadora, sin embargo, cuando se polariza inversamente, toda la tensión se
encuentra en los extremos del diodo, lo que puede destruirlo.
DIODOS ZENER.
Se emplean para producir entre sus extremos una tensión constante e independiente de la
corriente que las atraviesa según sus especificaciones. Para conseguir esto se aprovecha la
propiedad que tiene la unión PN cuando se polariza inversamente al llegar a la tensión de
ruptura (tensión de Zener), pues, la intensidad inversa del diodo sufre un aumento brusco.
Para evitar la destrucción del diodo por la avalancha producida por el aumento de la
intensidad se le pone en serie una resistencia que limita dicha corriente. Se producen desde
3,3v y con una potencia mínima de 250mW. Los encapsulados pueden ser de plástico o
metálico según la potencia que tenga que disipar.
Curva característica de un diodo Zener
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DIODOS LED ( Light Emitting Diode)
Es un diodo que presenta un comportamiento parecido al de un diodo rectificador sin
embargo, su tensión de umbral, se encuentra entre 1,3 y 4v dependiendo del color del
diodo.
Color Tensión en directo
Infrarrojo 1,3v
Rojo 1,7v
Naranja 2,0v
Amarillo 2,5v
Verde 2,5v
Azul 4,0v
El conocimiento de esta tensión es fundamental para el diseño del circuito en el que sea
necesaria su presencia, pues, normalmente se le coloca en serie una resistencia que limita la
intensidad que circulará por el. Cuando se polariza directamente se comporta como una
lamparita que emite una luz cuyo color depende de los materiales con los que se fabrica.
Cuando se polariza inversamente no se enciende y además no deja circular la corriente. La
intensidad mínima para que un diodo Led emita luz visible es de 4mA y, por precaución
como máximo debe aplicarse 50mA. Para identificar los terminales del diodo Led
observaremos como el cátodo será el terminal más corto, siendo el más largo el ánodo.
Además en el encapsulado, normalmente de plástico, se observa un chaflán en el lado en el
que se encuentra el cátodo. Se utilizan como señal visual y en el caso de los infrarrojos en
los mandos a distancia. Se fabrican algunos LEDs especiales:
Led bicolor.- Están formados por dos diodos conectados en paralelo e inverso. Se
suele utilizar en la detección de polaridad.
Led tricolor.- Formado por dos diodos Led (verde y rojo) montado con el cátodo
común. El terminal más corto es el ánodo rojo, el del centro, es el cátodo común y
el tercero es el ánodo verde.
Display.- Es una combinación de diodos Led que permiten visualizar letras y
números. Se denominan comúnmente displays de 7 segmentos. Se fabrican en dos
configuraciones: ánodo común y cátodo común.
Estructura de un Led bicolor Estructura de un Led tricolor Display
Display de cátodo común Display de ánodo común Disposición de los pines en un display
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FOTODIODO
Son dispositivos semiconductores construidos con una unión PN, sensible a la incidencia
de la luz visible o infrarroja. Para que su funcionamiento sea correcto se polarizarán
inversamente, con lo que producirán una cierta circulación de corriente cuando sean
excitados por la luz. Debido a su construcción se comportan como células fotovoltaicas, es
decir, en ausencia de tensión exterior, generan una tensión muy pequeña con el positivo en
el ánodo y el negativo en el cátodo. Tienen una velocidad de respuesta a los cambios
bruscos de luminosidad mayores a las células fotoeléctricas. Actualmente, y en muchos
circuitos estás últimas se están sustituyendo por ellos, debido a la ventaja anteriormente
citada.
DIODO DE CAPACIDAD VARIABLE (VARICAP)
Son diodos que basan su funcionamiento en el principio que hace que la anchura de la
barrera de potencial en una unión PN varia en función de la tensión inversa aplicada entre
sus extremos. Al aumentar dicha tensión, aumenta la anchura de esa barrera, disminuyendo
así la capacidad del diodo. De este modo se obtiene un condensador variable controlado por
tensión. Los valores de capacidad obtenidos van desde 1 a 500pF. La tensión inversa
mínima tiene que ser de 1v. La aplicación de estos diodos se encuentra en la sintonía de
TV, modulación de frecuencia en transmisiones de FM y radio, sobre todo.
DIODO ZENER
Símbolo:
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La aplicación de estos diodos se ve en los Reguladores de Tensión y actúa como
dispositivo de tensión constante (como una pila).
Para reducir al máximo la tensión de rizado de la salida los circuitos de rectificación y así
conseguir una tensión de C.C lo mas constante posible, se pueden utilizar circuitos
estabilizadores. Una de las formas de conseguirlo es mediante la utilización del diodo
Zener.
El diodo de Silicio Zener esta construido para trabajar en zonas de rupturas, es decir
trabaja con corriente inversa. Llamado a veces también diodo de ruptura o de
Avalancha.
El diodo Zener es aquel que puede trabajar en estas condiciones sin que se destruya la
unión.
APLICACIONES Estabilizador de voltaje en fuentes de alimentación y como voltaje de referencia.
SIMBOLOGÍA
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EL DIODO ZENER COMO REGULADOR DE TENSIÓN
Una de las aplicaciones más extendida del diodo Zener es como estabilizador de tensión
para fuentes de alimentación. Esto se consigue aprovechando la propiedad que poseen
dichos diodos de conducir con tensiones de polarización inversa, manteniendo la tensión
entre sus extremos prácticamente constante, aunque se modifique apreciablemente la
intensidad de corriente inversa que fluye por los mismos. El diodo internamente varia su
corriente para poder mantener el voltaje constante.
Ejemplo N°1: Calcular la corriente zener (Iz) ¿Se activara el diodo Zener?
Solución:
Primeramente se deben calcular las caídas de tensión de cada resistencia del circuito,
utilizaremos la formula del divisor de tensión para evitar cálculos, la cual consiste en:
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Continuando con el análisis del circuito:
Al estar conectado el diodo Zener en paralelo con la resistencia RL, el voltaje que
alimenta a RL, será el mismo para el diodo Zener para este caso. Por lo tanto el voltaje
que estaría llegando al diodo Zener corresponderia a 8v, mientras que su
voltaje mínimo de activación corresponde a 10v, por lo tanto el diodo Zener no se
activaría.
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Ejemplo N°2: Calcular la corriente zener (Iz). ¿Se activará el diodo?
Solución:
Circuito semejante al anterior, con la diferencia que se vario el valor de la resistencia
conectada en paralelo con el diodo zener RL, Utilizando el mismo procedimiento
anterior.
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Recaen 12v en la resistencia RL, por lo cual en el diodo zener recaen más de los 10v
para su activación, por lo cual el diodo se activa, estabilizando el voltaje en 10v
permanentes, por ello la resistencia en vez de tener los 12v, tendrá 10v, debido a que el
diodo zener esta funcionando como voltaje de referencia para la carga RL.
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Recordando la ley de Kirchhoff para el calculo de las corrientes
Todas las corrientes entrantes a un nudo son positivas, mientras que las salientes son
negativas al ser igualadas a cero.
Características del regulador de voltaje con diodo Zener
El diodo Zener se puede utilizar para regular una fuente de voltaje. Este semiconductor se
fabrica en una amplia variedad de voltajes y potencias que van desde menos de 2 voltios
hasta varios cientos de voltios, y la potencia que pueden disipar va desde 0.25 watts hasta50
watts o más.
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La potencia que disipa un diodo Zener es simplemente la multiplicación del voltaje para el
que fue fabricado por la corriente que circula por él, es decir:
Pz = Vz x Iz
Donde:
- Iz = Corriente que pasa por el diodo Zener
- Pz = Potencia del diodo zener (dato del fabricante)
- Vz = Voltaje del diodo zener (dato del fabricante)
Ejemplo: La corriente máxima que un diodo Zener de 10 Voltios y 50 Watts, podrá
soportar será:
Iz = Pz / Vz = 50/10 = 5 Amperios
Cálculo de resistor limitador Rs:
El cálculo del resistor Rs está determinado por la corriente que consumirá la carga (la que
se encuentra conectada a esta fuente de voltaje).Ver esquema del regulador de voltaje con
diodo Zener, con el resistor Rs conectado entre Vin y el cátodo del Zener:
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Este resistor se puede calcular con la siguiente fórmula:
Donde:
- Ven (min): es el valor mínimo del voltaje de entrada. (Recordar que es un voltaje no
regulado y puede variar sus parámetros)
- IL (max): es el valor de la máxima corriente que pedirá la carga.
Aplicaciones
DIODO ZENER COMO ELEMENTO DE PROTECCIÓN:
Se coloca el diodo Zener en paralelo con el circuito a proteger, si el voltaje de fuente crece
por encima de VZ el diodo conduce y no deja que el voltaje que llega al circuito sea mayor
a VZ. No se debe usar cuando VF > VZ por largos periodos de tiempo pues en ese caso se
daña el diodo. Se aplica acompañado de lámparas de neón o de descargadores de gas para
proteger circuitos de descargas eléctricas por rayos.
DIODO ZENER COMO CIRCUITO RECORTADOR:
Se usa con fuentes AC o para recortar señales variables que vienen de elementos de
medición (sensores). Cuando VX tiende a hacerse mayor que VZ el diodo entra en
conducción y mantiene el circuito con un voltaje igual a VZ.
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CONEXIÓN ANTIPARALELO:
Se usa para recortar en dos niveles, uno positivo y el otro negativo
Si el circuito tiene una resistencia equivalente RC la corriente en el diodo es:
Diodo Zener como regulador de voltaje
Se llama voltaje no regulado aquel que disminuye cuando el circuito conectado a él
consume más corriente, esto ocurre en las fuentes DC construidas con solo el rectificador y
el condensador de filtro, en los adaptadores AC-DC y en las baterías. Un voltaje regulado
mantiene su valor constante aunque aumente o disminuya el consumo de corriente. Una de
las muchas formas de regular un voltaje es con un diodo Zener.
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La condición de funcionamiento correcto es que VF en ningún momento sea menor a VZ.
El voltaje regulado sobre el circuito es VZ.
El cálculo del circuito consiste en conocer el valor adecuado de R, como dato se requiere el
valor de VF, se selecciona una corriente para el Zener (IZ) menor que su corriente máxima,
se calcula o mide la corriente que consume el circuito (IC) cuando se le aplica VZ, y se
calcula:
Para circuitos que consumen alta corriente se usa regulación en conjunto de un diodo Zener
y un transistor en ese caso el voltaje en el circuito es VZ - 07v.
REFERENCIA DE VOLTAJE
Los diodos Zener son construidos de manera que VZ es muy exacto y se mantiene
constante para diferentes valores de IZ, esto permite que un Zener se use en electrónica
como referencia de voltaje para diferentes aplicaciones.
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Diodo rectificador 1N4001
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Este es uno de los diodos más comúnmente utilizados y sencillos. Se usa habitualmente
como protección contra voltaje inverso. Es un estándar en infinidad de fuentes de
alimentación, conversores DC a DC y proyectos con placas de prueba (breadboards). Esta
clasificado como para soportar hasta 1A/50V.
Modelos equivalentes lineales aproximados del diodo
Existen tres aproximaciones muy usadas para los diodos de silicio, y cada una de ellas es
útil en ciertas condiciones.
1ª Aproximación (el diodo ideal)
La exponencial se aproxima a una vertical y una horizontal que pasan por el origen de
coordenadas. Este diodo ideal no existe en la realidad, no se puede fabricar por eso es ideal.
Polarización directa: Es como sustituir un diodo por un interruptor cerrado.
Polarización inversa: Es como sustituir el diodo por un interruptor abierto.
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Como se ha visto, el diodo actúa como un interruptor abriéndose o cerrándose dependiendo
si esta en inversa o en directa. Para ver los diferentes errores que cometeremos con las
distintas aproximaciones vamos a ir analizando cada aproximación.
EJEMPLO:
En polarización directa:
2ª Aproximación
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La exponencial se aproxima a una vertical y a una horizontal que pasan por 0,7 V (este
valor es el valor de la tensión umbral para el silicio, porque suponemos que el diodo es de
silicio, si fuera de germanio se tomaría el valor de 0,2 V).
El tramo que hay desde 0 V y 0,7 V es en realidad polarización directa, pero como a efectos
prácticos no conduce, se toma como inversa. Con esta segunda aproximación el error es
menor que en la aproximación anterior.
Polarización directa: La vertical es equivalente a una pila de 0,7 V.
Polarización inversa: Es un interruptor abierto.
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EJEMPLO: Resolveremos el mismo circuito de antes pero utilizando la segunda
aproximación que se ha visto ahora. Como en el caso anterior lo analizamos en
polarización directa:
Como se ve estos valores son distintos a los de la anterior aproximación, esta segunda
aproximación es menos ideal que la anterior, por lo tanto es más exacta, esto es, se parece
más al valor que tendría en la práctica ese circuito.
3ª Aproximación
La curva del diodo se aproxima a una recta que pasa por 0,7 V y tiene una pendiente cuyo
valor es la inversa de la resistencia interna.
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El estudio es muy parecido a los casos anteriores, la diferencia es cuando se analiza la
polarización directa:
EJEMPLO: En el ejemplo anterior usando la 3ª aproximación, tomamos 0,23 como
valor de la resistencia interna.
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Esta tercera aproximación no merece la pena usarla porque el error que se comete, con
respecto a la segunda aproximación, es mínimo. Por ello se usará la segunda aproximación
en lugar de la tercera excepto en algún caso especial.
Como elegir una aproximación
Para elegir que aproximación se va a usar se tiene que tener en cuenta, por ejemplo, si son
aceptables los errores grandes, ya que si la respuesta es afirmativa se podría usar la primera
aproximación. Por el contrario, si el circuito contiene resistencias de precisión de una
tolerancia de 1 por 100, puede ser necesario utilizar la tercera aproximación. Pero en la
mayoría de los casos la segunda aproximación será la mejor opción.
La ecuación que utilizaremos para saber que aproximación se debe utilizar es esta:
Fijándonos en el numerador se ve que se compara la VS con 0.7 V. Si VS es igual a 7 V, al
ignorar la barrera de potencial se produce un error en los cálculos del 10 %, si VS es 14 V
un error del 5 %, etc...
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Si se ve el denominador, si la resistencia de carga es 10 veces la resistencia interna, al
ignorar la resistencia interna se produce un error del 10 % en los cálculos. Cuando la
resistencia de carga es 20 veces mayor el error baje al 5 %, etc...
En la mayoría de los diodos rectificadores la resistencia interna es menor que 1 , lo que
significa que la segunda aproximación produce un error menor que el 5 % con resistencias
de carga mayores de 20 . Por eso la segunda aproximación es una buena opción si hay
dudas sobre la aproximación a utilizar. Ahora veremos una simulación para un ejemplo
concreto de uso de estas aproximaciones.
Tensión inversa de ruptura
Estudiaremos la hoja de características del diodo 1N4001, un diodo rectificador
empleado en fuentes de alimentación (circuitos que convierten una tensión
alterna en una tensión continua).
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La serie de diodos del 1N4001 al 1N4007 son siete diodos que tienen las mismas
características con polarización directa, pero en polarización inversa sus
características son distintas.
Primeramente analizaremos las "Limitaciones máximas" que son estas:
Estos tres valores especifican la ruptura en ciertas condiciones de
funcionamiento. Lo importante es saber que la tensión de ruptura para el diodo es
de 50 V, independientemente de cómo se use el diodo. Esta ruptura se produce
por la avalancha y en el 1N4001 esta ruptura es normalmente destructiva.
Corriente máxima con polarización directa
Un dato interesante es la corriente media con polarización directa, que aparece
así en la hoja de características:
Indica que el 1N4001 puede soportar hasta 1 A con polarización directa cuando
se le emplea como rectificador. Esto es, 1 A es el nivel de corriente con
polarización directa para el cual el diodo se quema debido a una disipación
excesiva de potencia. Un diseño fiable, con factor de seguridad 1, debe garantizar
que la corriente con polarización directa sea menor de 0,5 A en cualquier
condición de funcionamiento.
Los estudios de las averías de los dispositivos muestran que la vida de éstos es
tanto más corta cuanto más cerca trabajen de las limitaciones máximas. Por esta
razón, algunos diseñadores emplean factores de seguridad hasta de 10:1, para
1N4001 será de 0,1 A o menos.
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Caída de tensión con polarización directa
Otro dato importante es la caída de tensión con polarización directa:
Estos valores están medidos en alterna, y por ello aparece la palabra instantáneo
en la especificación. El 1N4001 tiene una caída de tensión típica con
polarización directa de 0,93 V cuando la corriente es de 1 A y la temperatura de la
unión es de 25 ºC.
Corriente inversa máxima
En esta tabla esta la corriente con polarización inversa a la tensión continua
indicada (50 V para un 1N4001).
Esta corriente inversa incluye la corriente producida térmicamente y la corriente
de fugas superficial. De esto deducimos que la temperatura puede ser importante
a la hora del diseño, ya que un diseño basado en una corriente inversa de 0,05 A
trabajará muy bien a 25 ºC con un 1N4001 típico, pero puede fallar si tiene que
funcionar en medios donde la temperatura de la unión alcance los 100 ºC.
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