practica 4 diodos

UNIVERSIDAD DE ORIENTE NÚCLEO MONAGAS

INGENIERIA DE SISTEMAS LABORATORIO DE CIRCUITOS Y ELECTRÓNICA

Prof. Edgar Goncalves

Universidad de Oriente Núcleo Monagas Laboratorio de Ingeniería de Sistemas Circuitos y Sistemas

Práctica 4. Diodos Página 2 de 12


1. OBJETIVO DE LA PRACTICA Familiarizarse con diodos. Analizar su curva y aprender a usarlos correctamente como rectificadores.

2. MARCO TEÓRICO

DIODO El nacimiento del diodo surgió a partir de la necesidad de transformación de corrientes alternas en continua. Un diodo es un dispositivo que permite el paso de la corriente eléctrica en una sola dirección. De forma simplificada, la curva característica de un diodo (I-V) consta de dos regiones, por debajo de cierta consta de dos regiones, por debajo de cierta diferencia de potencial, se comporta como un circuito abierto (no conduce), y por encima de ella como un circuito cerrado con muy pequeña resistencia eléctrica. Debido a este comportamiento, se les suele denominar rectificadores, ya que son dispositivos capaces de convertir una corriente alterna en corriente continua. El diodo es un dispositivo de dos terminales que, en una situación ideal, se comporta como un interruptor común con la condición especial de que solo puede conducir en una dirección. Tiene un estado encendido, el que en teoría parece ser simplemente un circuito cerrado entre sus terminales, y un estado apagado, en el que sus características terminales son similares a las de un circuito abierto. Cuando el voltaje tiene valores positivos de VD (VD > 0 V) el diodo se encuentra en el estado de circuito cerrado (R= 0 Ω) y la corriente que circula a través de este está limitada por la red en la que este instalado el dispositivo. Para la polaridad opuesta (VD < 0 V), el diodo se encuentra en el estado de circuito abierto (R= ∞ Ω) e ID = 0 mA. Están compuestos por dos regiones de material semiconductor que se llama unión P-N. Entre las dos partes de la unión P-N, y en la zona de contacto entre ambas, se produce una región denominada de transición, donde se genera una pequeña diferencia de potencial quedando la zona N a mayor tensión que la P. Cuando se le aplica una tensión al diodo con el terminal positivo conectado a la zona P y el negativo a la N se producirá una circulación de corriente entre ambas debido a que una pequeña parte de esta tensión nivelará la diferencia de potencial entre zonas, quedando éstas niveladas en tensión, y el resto de la tensión aplicada producirá una circulación de electrones de la zona N a la P. Si esa tensión externa se aplica con los bornes intercambiados, es decir el terminal positivo de la fuente conectado a la zona N y el negativo a la región P, no habrá circulación de corriente por el diodo, debido a que por efecto de la tensión aplicada se aumentará la diferencia de potencial existente entre las zonas P y N, impidiendo así la circulación de corriente a través del mismo. El diodo es el dispositivo más sencillo construido con una unión pn. Tiene dos terminales, uno conectado a la unión p y otro conectado a la unión n, y un encapsulado que lo protege. Su comportamiento es idéntico al de una unión pn.

Diodos. a) Estructura. b) Símbolo. c) Encapsulados




El Diodo Sin Polarizacion: Es posible producir un cristal como el de la figura (a) que tiene la mitad del tipo p y la otra mitad del tipo n. La unión es donde se encuentran las regiones tipo p y tipo n. Un cristal pn como este se le conoce comúnmente con el nombre de diodo.

Polarizacion Directa: Para que un diodo este polarizado directamente, tenemos que conectar el polo positivo de la batería al ánodo del diodo y el polo negativo al cátodo. 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 a la unión p-n. Una vez que un electrón libre de la zona n salta a la zona p atravesando la zona de carga espacial, cae en uno de los múltiples huecos de la zona p convirtiéndolos en electrón de valencia. Una vez ocurrido esto el electrón es atraído por el polo positivo de la batería y se desplaza átomo en átomo hasta llegar al final del cristal p, desde el cual se introduce en el hilo conductor y llega hasta la batería. 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. La figura (a) muestra una fuente de cc aplicada a un diodo. El Terminal positivo de la fuente esta conectado al material tipo p, y el Terminal negativo al material tipo n. Esta conexión se llama polarización directa. Como recordatorio, debe notarse que el sigo (+) se conecta al lado p y el signo (-) al lado n.

Polarización Inversa: En éste 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 una de carga especial, y la tensión en dicha zona hasta que se alcanza el valor de la tensión de la batería 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 y se introducen en el conductor dentro del cual se desplazan hasta llegar hasta la batería, A medida que los electrones libres abandonan la zona n, los átomos pentavalentes que antes eran neutros, al verse desprendidos de su electrón en el orbital de conducción , adquieren estabilidad(8 electrones en la capa de valencia) y una carga neta de +1 , con lo que se convierten en iones positivos. El polo negativo d la batería cede electrones libres a los átomos trivalentes de la zona p. Recordemos que estos átomos solo tienen 3 electrones de valencia, en lo que una vez han formado los enlaces covalentes con los átomos de silicio, tienen solamente 7 electrones de valencia, siendo el electrón falta el




denominado hueco. El caso es que cuando los electrones libres cedidos por la batería entran en la zona p, caen dentro de estos huecos con lo que los átomos trivalentes adquieren estabilidad (8electrones en su orbital de valencia) y una carga eléctrica neta de -1, convirtiéndose así en iones negativos. Este proceso se repite una y otra vez hasta que la zona de carga espacial adquiere el mismo potencial eléctrico que la batería. Si se invierte la polaridad de la fuente de alimentación de cc, se le aplica polarización inversa al diodo, como se indica en la figura (a). Ahora el signo (+) se conecta al lado n y el signo (-) al lado p. ¿Cuál es el efecto de la polarización inversa? "el efecto de la polarización inversa es que la capa de agotamiento se ensancha. Cuanto mayor sea la polarización inversa, más ancha es la capa de agotamiento; esta detiene su crecimiento cuando su diferencia de potencial es igual al voltaje de la fuente.

LA CURVA DEL DIODO Cuando un fabricante diseña un diodo para convertir corriente alterna en corriente continua, el diodo recibe el nombre de diodo rectificador. Una de sus aplicaciones principales se halla en las fuentes de alimentación, circuitos que convierten la tensión alterna de la red en tensión continua. En la figura se muestra uno de los circuitos más sencillos con diodos. Para determinar si el diodo está polarizado directa o inversamente debemos comprobar si la corriente convencional está en la misma dirección que la flecha del diodo. Si es éste el caso sabremos que el diodo está polarizado directamente.

Figura 1- Polarización directa

La zona directa La figura inmediatamente anterior, vista en el apartado anterior, es un circuito que hemos montado en el laboratorio. Tras conectarlo pudimos medir la tensión en el diodo y la corriente que el atraviesa. Esto nos permitió obtener valores de V e I con los que posteriormente dibujamos la gráfica.




Figura 2. Curva del diodo

Tensión umbral La figura 2 muestra la curva para un diodo de silicio con polarización directa. La gráfica nos indica, en primer lugar, que la corriente es pequeña para las primeras décimas de voltio. A medida que nos acercamos a 0,7 V, los electrones libres comienzan a cruzar la unión en grandes cantidades. Para tensiones mayores de 0,7 V, el menor incremento en la tensión del diodo produce un gran aumento en la corriente. La tensión para la que la corriente empieza a aumentar rápidamente se llama tensión umbral del diodo. Para un diodo de silicio, la tensión umbral puede aproximarse a la barrera de potencial, aproximadamente 0,7 V. Un diodo de germanio, por otra parte, tiene una tensión umbral de aproximadamente 0,3 V. Corriente máxima (I máx.). Es la intensidad de corriente máxima que puede conducir el diodo sin fundirse por el efecto joule. Dado que es función de la cantidad de calor que pueda disipar el diodo, depende sobre todo del diseño del mismo. Corriente inversa de saturación (Is) Es la pequeña corriente que se establece al polarizar inversamente el diodo por la formación de pares electrón-hueco debido a la temperatura, admitiéndose que se duplica por cada incremento de 10º en temperatura. Corriente superficial de fugas Es la pequeña corriente que circula por la superficie del diodo, esta corriente es función de la tensión aplicada al diodo, con lo que al aumentar la tensión, aumenta la corriente superficial de fugas. Tensión de ruptura (Vr). Es la tensión inversa máxima que el diodo puede soportar antes de darse el efecto avalancha. Aproximaciones: A modo de ampliación introduciremos ahora las tres aproximaciones utilizadas ampliamente para los diodos de silicio. Cada una de ellas es útil en ciertas condiciones. Para saber qué aproximación hay que usar hemos de tener en cuenta si se están detectando averías o si se está haciendo un análisis preliminar. Si éste es el caso son aceptables errores grandes, mientras que si el circuito contiene resistencias de precisión con una tolerancia de ± 1 por 100, puede ser necesario utilizar la tercera aproximación. Aún así en la mayor parte de los casos, la segunda aproximación resulta el mejor compromiso. El diodo ideal Como hemos visto, un diodo rectificador conduce bien en la zona directa y conduce mal en la zona inversa. En teoría, un diodo rectificador se comporta como un conductor perfecto (resistencia cero) cuando tiene polarización directa, y lo hace como un aislante perfecto (resistencia infinita) cuando tiene polarización inversa.




La gráfica corriente-tensión de un diodo ideal Refleja lo que se acaba de decir: resistencia cero con polarización directa y resistencia infinita con polarización inversa. A decir verdad, es imposible construir un dispositivo con esas características, pero es lo que los fabricantes harían si pudiesen. Sólo existe un dispositivo real que actúe como un diodo ideal. Se trata de un interruptor ya que éste tiene resistencia cero al estar cerrado, y resistencia infinita al estar abierto. Por tanto, un diodo ideal actúa como un interruptor que se cierra al tener polarización directa y se abre con polarización inversa. En la figura 1 se resume esta idea del interruptor.

Figura 1. Curva, funcionamiento y ejemplo de un diodo ideal La segunda aproximación La figura 1 contiene el gráfico de la corriente en función de la tensión para la segunda aproximación. El dibujo indica que no hay corriente hasta que aparecen 0,7 V en el diodo. En este punto el diodo se activa. De ahí en adelante sólo aparecerán 0,7 V en el diodo, independientemente del valor de la corriente. La figura muestra también el circuito equivalente para la segunda aproximación. El diodo se asemeja a un interruptor en serie con una pila de 0,7 V. Si la tensión de la fuente es por lo menos de 0,7 V, el interruptor cerrará. En ese caso, la tensión en el dispositivo será de 0,7 V para cualquier valor de la corriente con polarización directa. Por otra parte, si la tensión de la fuente es menor de 0,7 V o si la tensión de la fuente es negativa (polaridad invertida), el interruptor se abre. Entonces la barrera de potencial no tiene ningún efecto y el diodo puede considerarse como un interruptor abierto.

Figura 2. Curva, comportamiento y ejemplo de circuito de la segunda aproximación




La tercera aproximación En la tercera aproximación de un diodo se incluye la resistencia interna rB. Después de que el diodo de silicio comienza a conducir, la tensión aumenta lineal o proporcionalmente con los aumentos de la corriente. Cuanto mayor sea la corriente, mayor es la tensión, al tener que incluirse la caída de tensión de rB a la tensión total del diodo. El circuito equivalente para la tercera aproximación es un interruptor en serie con una barrera de potencial de 0,7 V y una resistencia rB. Cuando la tensión aplicada es mayor que 0, 7 V, el diodo conduce. La tensión total en el diodo es igual a: VD = 0,7 + ID rB

Figura 3. Curva, circuito equivalente y ejemplo de para la tercera aproximación Rectificación de media onda. La red más simple que se examinará con una señal variable en el tiempo (en este caso utilizaremos el modelo ideal).

Rectificador de media onda

A través de un ciclo completo, definido por el periodo T, el valor promedio es cero. El circuito rectificador de media onda que se muestra en la figura generará una forma de onda vo, la cual tendrá un valor promedio de uso particular en el proceso de conversión de ac a dc. Cuando un diodo es usado para el proceso de rectificación, es común que se le llame rectificados. Sus valores nominales de potencia y corriente son normalmente mucho más altos que los de los diodos que se usan en otras aplicaciones, como en computadoras o sistemas de comunicación. Durante el intervalo t=0 ==> T/2, la polaridad del voltaje aplicado vi es como para establecer "presión" en la dirección que se indica, y encender el diodo con la polaridad indicada arriba del diodo. Al proceso de eliminación de la mitad de la señal de entrada para establecer un nivel dc se le llama rectificación de media onda. El efecto del uso de un diodo de silicio con VT = 0.7 V se señala en la siguiente figura par región de polarización directa. La señal aplicada debe ser ahora de por lo menos 0.7 antes de que el diodo pueda




"encender". Para los niveles de vi menores de 0.7 V el diodo aún está en estado de circuito abierto y v0 = 0 V, como indica la misma figura. Cuando conduce, la diferencia entre v0 y vi se encuentra en un nivel fijo de VT = 0.7 V y v0 = vi - VT, según se indica en la figura. El efecto neto es una reducción en el área arriba del eje, la cual reduce de manera natural el nivel resultante de voltaje dc. Rectificación de onda completa Puente de diodos El nivel de CD que se obtiene a partir de una entrada senoidal puede mejorar al 100% si se utiliza un proceso que se llama rectificación de onda completa. La red más familiar para llevar a cabo tal función con sus cuatro diodos en una configuración en forma de puente durante el periodo t = 0 a T/2 la polaridad de la entrada se muestra en la figura para mostrar que D2 y D3 están conduciendo, en tanto que D1 y D4 se hallan en estado "apagado". Con su corriente y polaridad indicadas a través de R. Debido a que los diodos son ideales, el voltaje de carga vo = vi, según se muestra en la misma figura.

Figura 5- Puente rectificador de onda completa.

Figura 6-. Rectificador de onda completa para el periodo 0? T/ 2 de voltaje de entrada vi.

Figura 7- Trayectoria de conducción para la región positiva de vi.




TIPOS DE DIODOS:

Ya hemos visto que un diodo es un dispositivo basado en la unión pn. La unión tiene propiedades, como la rectificación, la conducción en inversa en el voltaje de ruptura y la detección y emisión de luz. Todas estas propiedades se utilizan en la fabricación de diodos, potenciando una u otras características según sea la función del diodo. Tipos de diodos: 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: es 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.

Diodo de punta de germanio Diodo Schottky




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. 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. 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




3. MATERIALES NECESARIOS PARA LA PRACTICA

1 Resistencia de 1 kΩ o de algún valor similar. 4 diodos ECG 116 o 125. Cable tipo telefónico.

4. EQUIPOS A USAR Osciloscopio Generador de señales Fuente de tensión variable DC Protoboard Multimetro

5. ACTIVIDADES Experiencia 1 Usando un multimetro, proceda a medir la continuidad en el diodo en un sentido. Luego invierta el sentido del diodo y proceda a medir la continuidad nuevamente. Anote lo observado Experiencia 2 Realice el montaje de la figura P-4-1. Varíe poco a poco el voltaje de la fuente y con esos datos llene una tabla. Invierta la posición de la fuente (a fin de tomar en cuenta niveles de tensión negativos) y también llene esos datos en la tabla Experiencia 3 Proceda a realizar el montaje P-4-2 Mida el voltaje de la fuente y su frecuencia sin conectarla. Mida la señal de salida. Compare las formas de onda Experiencia 3 Proceda a realizar el montaje P-4-3 Mida el voltaje de la fuente y su frecuencia sin conectarla. Mida la señal de salida. Compare las formas de onda

6. POST-LABORATORIO Una vez realizados todos los montajes conteste las siguientes preguntas: ¿A que se debió el desfase obtenido en la ultima experiencia? Realice la simulación de los montajes usando el simulador de su preferencia (Circuit Maker, EWB, etc). Anexe los resultados de la simulación en su informe de laboratorio. Compare los resultados con los obtenidos en la practica de laboratorio. Explique a que se debieron estas variaciones.

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