Universidad Privada BolivianaFacultad de Ingeniería y Arquitectura

Escuela de Desarrollo Tecnológico e Innovación EDTI

INFORME DE LABORATORIO

Asignatura : Electrónica Aplicada

Título de la Práctica : Diodos, curvas características y aplicaciones

Fecha de entrega : 09/23/2013

Nombres de los estudiantes: Mauricio Montaño Ugarte – Jesús Vargas Aguilar

Carrera : Ingeniería Electromecánica

Semestre : Sexto

Docente : Carlos López

No. Laboratorio : 1

E-mail : maurimu@gmail.com – gum-ball22@hotmail.com

Cochabamba - Bolivia2013

LABORATORIO #1

DIODOS, CURVAS CARACTERISTICAS Y APLICACIONES

1. OBJETIVOS. Diferenciar los pines de contacto ánodo y cátodo en un diodo de unión p-n. Obtener la curva característica tensión-corriente de un diodo de Silicio mediante el osciloscopio y

un generador de funciones. Analizar y diseñar circuitos rectificadores, recortadores y cambiadores de nivel usando diodos de

silicio y verificar resultados en el osciloscopio.

2. FUNDAMENTO TEÓRICO

Los diodos de Silicio y Germanio están formados, respectivamente, por la unión de dos sustratos de este material; el ánodo, semiconductor tipo p, con impurezas trivalentes, y el cátodo, semiconductor tipo n, con impurezas pentavalentes. La unión entre estos dos semiconductores permite el paso fácil de cargas en una dirección, pero se opone a la circulación en sentido opuesto. Su símbolo es el indicado en la (Fig.1) A y B (símbolo comercial).

Cuando la tensión que se aplica al diodo es positiva (polarización directa), excepto para un pequeño margen en la proximidad del origen, la corriente aumenta exponencialmente con la tensión. Cuando el diodo se polariza en sentido inverso, la intensidad es constante e independiente de la tensión inversa aplicada, denominándose corriente de saturación.

En la (Fig.2) se muestra la curva característica tensión-corriente de un diodo p-n real. Donde, con el fin de mostrar el orden de magnitud de la corriente, la escala está ampliada para las corrientes inversas. En los diodos reales, a partir de un valor de la tensión inversa Vr (tensión de ruptura), la curva característica del diodo presenta un cambio brusco que se aparta del comportamiento ideal. A esta tensión de ruptura, circula una gran corriente inversa.

El código que identifica a un diodo es 1N_____, el resto de los caracteres corresponden al tipo de diodo: de unión p-n, zener, etc. La franja de color en una de sus terminales corresponde al cátodo del diodo (salida) como se muestra en la Fig.3.

En la gama de aplicaciones con diodos de unión p-n están los circuitos rectificadores, recortadores, cambiadores de nivel, etc.

El circuito rectificador transforma una señal alterna en una continua. Existen dos tipos de rectificadores: de media onda y de onda completa.

El circuito recortador elimina sobre un nivel de referencia fijo la señal de entrada. Existen dos tipos de recortadores: serie y paralelo.

El circuito fijador o cambiador de nivel realiza el cambio de nivel de referencia de cualquier señal periódica.

3. PARTE EXPERIMENTAL

Los experimentos se realizarán de dos formas: implementando y comprobando resultados en la hoja de trabajo (editor) del CircuitMaker y luego físicamente en breadboard o protoboard e instrumentos de medición.

3.1. EQUIPOS, INSUMOS Y COMPONENTES ELECTRÓNICOS 4 Diodos de Silicio 1N4001 1 Diodo de Silicio 1N4148 1 Resistencia de 1 k , ½ watt, 1 Condensador de 10 uF, 16 o 25 Volt. 1 Condensador de 100 uF 16 o 25 volt. 1 Generador de funciones 1 Osciloscopio 3 Puntas de prueba 1 Fuente cd variable de valor 15 volts 1 breadboard o protoboard. 1 Tester

3.2. PROCEDIMIENTO DESCRIPTIVO.3.2.1. EXPERIMENTO 1: CURVA CARACTERISTICA DEL DIODO.

1. Circuito implementado en CIRCUITMAKER con el diodo 1N4001

Implementamos el circuito en CIRCUIT MAKER y ejecutamos la simulación del mismo, el cual nos proporciona los siguientes resultados.

2. Curva de conducción del diodo 1N4001

Ahora procedemos a cambiar el diodo 1N4001 por el diodo 1N4148 y nuevamente proceder a la simulación.

3. Circuito implementado en CIRCUITMAKER con el diodo 1N4148

4. Curva de conducción del diodo 1N4148

3.2.2. EXPERIMENTO 2: PUNTO DE OPERACIÓN ‘Q’ DEL DIODO.

Para ambos casos usamos el software de simulación CIRCUITMAKER y obtuvimos los siguientes resultados para los diodos 1N4001 y 1N4148.

5. Implementación del circuito en diodo 1N4001.

6. Implementación del circuito en diodo 1N4148.

3.2.3. EXPERIMENTO 3: RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA.

7. Circuito rectificador de media onda en CIRCUITMAKER

8. Señal original en corriente alterna.

9. Señal rectificada.

Para el siguiente caso agregaremos un capacitor de 10 µF y observaremos las propiedades que le dan este instrumento a la señal resultante.

10. Circuito rectificador con un capacitor de 10 uF.

11. Señal rectificada con capacitor de 10uF.

Ahora podemos mejorar la señal resultante aproximándola más a un valor constante con un capacitor de 100 µF.

12. Circuito rectificador con capacitor de 100uF.

13. Señal rectificada con capacitor de 100 uF.

Ahora procedimos a cambiar la dirección del diodo y repetir todos los pasos anteriores para poder ver la onda rectificada pero en signo negativo.

14. Circuito rectificador con diodo invertido.

15. Señal rectificada con diodo invertido.

16. Circuito rectificador con diodo invertido y capacitor de 10 uF.

17. Señal rectificada con diodo invertido y capacitor de 10 uF.

18. Circuito rectificador con diodo invertido y capacitor de 100 uF.

19. Señal rectificada con diodo invertido y capacitor de 100 uF.

3.2.4. EXPERIMENTO 4: RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA.

20. Circuito rectificador de onda completa.

21. Señal rectificada con capacitor de 10 uF.

Ahora agregaremos para 2 casos distintos un capacitor de 10 y 100 µF y observaremos los resultados en el osciloscopio.

22. Circuito rectificador de onda completa con capacitor de 10 uF.

23. Señal rectificada con capacitor de 10 uF.

24. Circuito rectificador de onda completa con capacitor de 100 uF.

25. Señal rectificada con capacitor de 100 uF.

3.2.5. EXPERIMENTO 5: RECORTADOR SERIE

26. Circuito recortador serie

27. Señal recortada

Procederemos a cambiar la dirección del diodo y así ver una señal recortada con un voltaje negativo

28. Circuito recortador serie con diodo invertido

29. Señal recortada

3.2.6. EXPERIMENTO 6: RECORTADOR PARALELO.

30. Circuito recortador paralelo

31. Señal recortada

En este caso también cambiaremos la dirección del diodo para ver los resultados que proponga.

32. Circuito recortador paralelo con diodo invertido

33. Señal recortada

3.2.7. EXPERIMENTO 7: CAMBIADOR DE NIVEL.

34. Circuito cambiador de nivel

35. Señal desplazada

Cambiando la dirección del diodo obtenemos los siguientes resultados.

36. Circuito cambiador de nivel con diodo invertido

37. Señal desplazada

CUESTIONARIO

1.- ¿Que se entiende con polarización directa e inversa de un diodo de unión p_n?

La polarización directa: Se produce cuando se conecta el polo positivo de la pila a la parte P de la unión P - N y la negativa a la N. En estas condiciones podemos observar que:

El polo negativo de la batería repele los electrones libres del cristal n, con lo que estos electrones se dirigen hacia la unión p-n.

El polo positivo de la batería atrae a los electrones de valencia del cristal p, esto es equivalente a decir que empuja a los huecos hacia la unión p-n.

De este modo, con la batería cediendo electrones libres a la zona n y atrayendo electrones de valencia de la zona p, aparece a través del diodo una corriente eléctrica constante hasta el final.

La polarización indirecta: En este caso, el polo negativo de la batería se conecta a la zona p y el polo positivo a la zona n, lo que hace aumentar la zona de carga espacial, y la tensión en dicha zona hasta que se alcanza el valor de la tensión de la batería, tal y como se explica a continuación:

El polo positivo de la batería atrae a los electrones libres de la zona n, los cuales salen del cristal n y se introducen en el conductor dentro del cual se desplazan hasta llegar a la batería.

El polo negativo de la batería cede electrones libres a los átomos trivalentes de la zona p.

Este proceso se repite una y otra vez hasta que la zona de carga espacial adquiere el mismo potencial eléctrico que la batería.

De este modo el diodo no conduce la corriente, sin embargo en casos parciticos si conduce pero la corriente es demasiado pequeña asi que no se la toma en cuenta.

2.- ¿En un diodo de unión p-n que valor de voltaje de conducción se considera teórico y práctico experimental?

En el caso de que el diodo este hecho de Silicio, se considera un valor teórico de 0.7V, mientras que si esta hecho de Germanio se considera un valor de 0.3V. El valor practico experimental que tienen ambos diodos es relativamente cercano, llegando a ser en el caso del silicio entre 0.5-0.8V y en el caso del Germanio 0.25-0.4V.

3.- ¿De qué factores depende la minimización de los rizos en circuitos rectificadores de media onda y de onda completa?

Como pudimos observar en el laboratorio realizado anteriormente, exactamente el experimento 3, la minimización de los rizos en los circuitos rectificadores de de me dia y de onda completa depende del valor del capacitor que se utiliza, mientras el valor es mayor se obtendrán menores rizos, es decir casi una recta.

4.- ¿Cómo se mide en el osciloscopio la amplitud y frecuencia de una señal periódica?

En un osciloscopio existen, básicamente, dos tipos de controles que son utilizados como reguladores que ajustan la señal de entrada y permiten, consecuentemente, medir en la pantalla y de esta manera se puede ver la forma de la señal medida por el osciloscopio.

Para medir se lo puede comparar con el plano cartesiano.

El primer control regula el eje X (horizontal) y aprecia fracciones de tiempo (segundos, milisegundos, microsegundos, etc., según la resolución del aparato). El segundo regula el eje Y (vertical) controlando la tensión de entrada (enVoltios, milivoltios, microvoltios, etc., dependiendo de la resolución del aparato).

Estas regulaciones determinan el valor de la escala cuadricular que divide la pantalla, permitiendo saber cuánto representa cada cuadrado de ésta para, en consecuencia, conocer el valor de la señal a medir, tanto en tensión como en frecuencia. (en realidad se mide el periodo de una onda de una señal, y luego se calcula la frecuencia)

5.- ¿Qué factores intervienen en la diferencia de valores teóricos y prácticos de voltaje en diodos de unión p-n?

Los factores que intervienen son las pérdidas de energía por disipación de calor, el diámetro de los cables del diodo p-n, además de la composición que estos tienen, ya que puede que haya diferencias pequeñas debido a impurezas.

6.- ¿Qué criterios se toman en cuenta en las conexiones físicas de los instrumentos de medición, fuentes de señal y elementos del circuito para realizar las mediciones correctas?

Primeramente se tiene que fijar correctamente todos los elementos del circuito dentro del protoboard. Posteriormente se debe calibrar en el osciloscopio correctamente el off-set de cada canal; además de las unidades de medida de voltaje y tiempo por cuadro. Para el generador de señales se debe establecer la frecuencia deseada al igual que la amplitud del voltaje y el tipo se señal que se desea, ya sea Sinusoidal, cuadrada o triangular.

Las conexiones a tierra de los canales del osciloscopio deben ser las mismas, pudiendo variar la tierra de los demás elementos del circuito. Se debe proceder con cuidado a la fijación de las conexiones para que no exista ningún corto o señales no deseadas como ruido o en peores casos daño de los equipos.

4. COMENTARIOS Y CONCLUSIONES.

Experimento 1: Se pudo observar que la curva característica del diodo cambia, utilizando el capacitor de 10 uF se puede observar que tiene un pequeño pico y esto se debe a q ese diodo no estaba diseñado para esa frecuencia, al cambiar el capacitor por uno de valor de 100 uF se eliminó el pico extra.

Experimento 2: Al medir el voltaje en primer diodo 1N4001 (cuyo voltaje de conducción es 0.7) se obtuvo un valor de 0.65V el es muy próximo a el valor teórico.

Cambiando el diodo 1N4001 al 1N4148 se midió el nuevo voltaje del diodo y dio como resultado el valor de 0.87 que también es cercano a su valor teórico.

Experimento 3: Inicialmente se tenía un circuito sin capacitor y con un diodo polarizado directamente, así se pudo observar que se recortó la señal de la región negativa, sin embargo si se polariza el diodo indirectamente se recorta la señal en la parte positiva de la señal sinusoidal.

Al añadir un capacitor en paralelo con la resistencia se pudo observar que la señal resultante es casi continua con unos pequeños rizos, la minimización de los rizos en los circuitos rectificadores de media y

de onda completa depende del valor del capacitor que se utiliza, mientras el valor es mayor se obtendrán menores rizos, es decir casi una recta.

Experimento 4: dicho experimento es muy similar al experimento 3 a excepción del caso sin capacitor, ya que este circuito como dice su nombre rectifica la onda completa, es decir la señal de salida son puras ondas positivas.

Experimento 5: Con el circuito recortado en serie se puede mover la señal hacia la región positiva o la negativa dependiendo de la polarización del diodo, pero el recorte se realiza siempre en el nivel 0.

Experimento 6: En este experimento se utilizó el circuito recortador en paralelo, que tiene el mismo objetivo que el circuito recortador en serie, con la única diferencia que el nivel de recorte depende del valor de la batería que se utiliza en serie con el diodo.

Experimento 7: En este experimento se utilizó una señal cuadrada, para observar mejor el desnivel de la señal resultante, como observación especifica se tiene que el desnivel de la señal depende de la posición del diodo, es decir si el diodo apunta hacia abajo la señal resultante se desnivelara en esa dirección, y si el diodo apunta hacia arriba entonces el desnivel será hacia arriba. La señal resultante mantiene su amplitud pero se observó que en la parte superior ya no es tan recta como la señal generada, y esto se debe a la presencia del capacitor.

Como conclusión general se tiene que los resultados experimentales resultaron ser muy parecidos a los resultados obtenidos con el programa Circuitmaker 2000, despreciando algunos errores como ser la frecuencia del generador que oscilaba cerca de 1 y posibles ruidos en la señal.

5. BIBLIOGRAFIA.

BIBLIOGRAPHYWikipedia. (19 de Agosto de 2013). Wikipedia, La enciclopedia libre. Recuperado el 22 de Agosto de 2013, de Wikipedia, La enciclopedia libre: http://es.wikipedia.org/wiki/Diodo