Como se sabe, los materiales están compuestos por átomos, y estos a su vez por cargas positivas y neutras en su centro, mientras que las negativas giran en diferentes órbitas en el exterior, las últimas orbitas que se tienen son conocidas como electrones de valencia y es la que centrara nuestro estudio más adelante.

Visto desde el punto de vista eléctrico, los materiales pueden ser divididos en tres categorías que son: conductor, aislante y semiconductor.

Elementos como el silicio comparten sus 4 electrones de valencia con otros elementos para llegar a un equilibrio. Un átomo de silicio se enlaza con otros cuatro átomos para mantener 8 electrones compartidos. Si a estos elementos se les agregaran otros átomos o "impurezas" con 5 electrones de valencia, el equilibrio se lograría con un electrón de más, el cual será llamado n por su carga negativa. En cambio, si se le agregan átomos de un elemento con 3 electrones de valencia el balance se tiene con un electrón de menos, este material se conoce como p por representar una carga positiva. Estos materiales pueden ser vistos como elementos que les sobran electrones para aportar y elementos que tienen huecos para recibir electrones.

Justo en el momento de unir los materiales se produce una zona donde se donan electrones de n a p y se genera un vector de campo eléctrico E, cuando se tiene cierto campo eléctrico no pueden pasar más electrones, quedando sin electrones libres.

El diodo presenta el movimiento libre o bloqueo de los elementos que lo componen ante un cambio en su campo eléctrico. Ahora se prosigue a analizar el comportamiento del diodo ante una excitación externa, esto es, el utilizar otros elementos en conjunto para cambiar el comportamiento del diodo. Si se tiene un circuito como el que se muestra en la figura 2, se crea un campo eléctrico en el sentido contrario al original debido al campo de la batería, que deja solo la diferencia de los mismos, esto deja un campo eléctrico menor que permite que los electrones puedan pasar libremente con una conducción continua, lo que hace que se comporte como un circuito abierto.

En electrónica de pequeña señal o baja potencia, es común ver la caída de voltaje de 0.7V que se presenta en conducción. Sin embargo, en aplicaciones donde se manejan niveles mucho más altos de voltaje esta caída puede ser despreciable.

Fuente: Micheloud, O y Vicini, R. (2012). Smart grid: fundamentos, tecnologías y aplicaciones. México: Cengage Learning

Cuando se invierte el sentido de la fuente como en la figura 3, el campo eléctrico que se generaba cambia de dirección, lo que hace que los campos se sumen y el resultante aumente, lo que hace más difícil que circule corriente. Esto se muestra en la imagen de abajo. Además de este comportamiento, los diodos tienen la característica de que al calentarse se puede producir un efecto de avalancha que puede llegar a permitir el flujo de corriente.

En electrónica de potencia, más que un análisis en las curvas características de los semiconductores, se tiene un análisis en el comportamiento durante la conmutación (períodos en el que el semiconductor permite o bloquea la conducción). Cuando se tiene la fuente en un sentido, se tiene un campo eléctrico pequeño, pero cuando cambia el sentido de la fuente (se coloca una fuente en con polaridad inversa) en determinado tiempo se cambia el tamaño de la banda del campo eléctrico. Este tiempo es representado por el momento transitorio de la gráfica, donde se observa que por un momento tiene una corriente de la misma magnitud circulando en el sentido opuesto. La recuperación no es tan lineal, sin embargo no es tan notoria en comparación con la magnitud mostrada.

Existen diodos especiales conocidos como diodos rápidos que presentan un tiempo de recuperación más cortos para aplicaciones de más alta frecuencia.

Según el análisis desarrollado por el matemático y físico Joseph Fourier, cualquier forma de onda continua puede ser representada por una suma de senos y cosenos. En la figura 6 se muestra un ejemplo de una forma de onda junto con los elementos que lo comprenden.

Esta forma de onda puede ser representada por la suma de dos ondas senoidales, la primera que mantiene la misma frecuencia que la onda original y otra que cuenta con una frecuencia que es un múltiplo entero de la anterior.

La componente que tiene la frecuencia principal es conocida como fundamental, pues las demás son enumeradas con base en esta y son llamadas en el área eléctrica como armónicas. De esta manera, la forma de onda de la figura es representada por su fundamental y una quinta armónica (ya que se repite 5 veces sobre una fundamental).

Una función continua puede ser representada por una serie trigonométrica como la que se aparece en la siguiente ecuación:

Esta serie es conocida como la serie trigonométrica de Fourier, la cual también puede ser definida como:

Donde C₀ es la componente de directa, C_n es el valor de la armónica n junto con su desfase θn, esto en base a la frecuencia de la fundamental ω₁.

Esta presentación es la de más ayuda en la definición de armónicas ya que presenta la amplitud, el valor y el desfase de cada una. Es importante comentar que este desarrollo muestra una descomposición en elementos que no son reales y solo son utilizados como apoyo en el entendimiento de las señales a analizar.

Es necesario entender estos conceptos ya que los dispositivos que analizarás tendrán un consumo en la corriente de forma no senoidal o producirán un voltaje con componentes que necesitarán de profundo análisis.

La componente de alterna incluye todas las armónicas que contenga la señal, mientras que la de directa indicará el offset de esta señal, que es el valor sobre el cual está montada la señal. Esto se puede observar en la figura 7, donde la misma forma de onda que viste anteriormente se encuentra "montada" sobre cinco.

Dada la ortogonalidad de las señales, puedes observar que el valor efectivo de la forma de onda va a ser la suma en cuadratura de estas señales, tal y como se muestra en la siguiente ecuación.

Cabe mencionar que el valor efectivo indica el efecto térmico que se tendría en una carga resistiva por un valor de directa.

Se mostraron los componentes que son utilizados en los convertidores electrónicos, que incluyen los dispositivos semiconductores como la parte de potencia y los principales elementos que conforman los circuitos de disparo o la parte de control. Es importante conocer el esquema completo de un convertidor electrónico, para no pasar por alto los detalles que pueden marcar la diferencia entre un convertidor funcional y uno que presentará fallas a largo plazo.

Revisa a continuación el Checkpoint: