Circuitos Con Diodos y Aplicaciones

7/31/2019 Circuitos Con Diodos y Aplicaciones

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p

n

p

Figura 1: Smbolo electrico del diodo

I

V

Figura 2: Curva caracterstica

Corriente-Tension para un diodo

ideal

de germanio el umbral es aproximadamente 0, 3V mientras que en los diodos de silicioes aproxidamdamente 0, 7V. Una curva caracterstica de un diodo ideal se muestra enla fig. 3.

Es interesante destacar, que en la curva caracterstica de un diodo real, una pequenacorriente circula en polarizacion inversa. Esta corriente es denominada corriente de fugay es principalmente causada por las impurezas (no buscadas) en el material. Tambienpuede notarse una region, a la que se denomina tension de ruptura, que corresponde

a la tension maxima con la que se puede polarizar en inversa el diodo. Este valor detension por lo general es del orden de los 50V.

I

V

ZonaInversa

ZonaDirecta

CorrientedeFugas

Umbral

TensindeRuptura

Figura 3: Curva caracterstica Corriente-

Tension para un diodo real

Existen distintos tipos de diodos: los diodos Zener, los diodos optoelectronicos,Schottky, varicap, etc. Los diodos Zener, contrariamente a los diodos comunes anteri-ormente descriptos, son diodos que han sido especialmente disenados para que funcio-

nen en la zona de ruptura. El diodo Zener tambien es llamado diodo de avalancha y

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su principal utilizacion es en reguladores de tension. Su smbolo electrico es el que semuestra en la fig. 4. Segun el nivel de dopaje que se le de al silicio, la tension de ruptura,

Vz puede variar de 2V a 200V. Los diodos Zener se caracterizan por tener un cambiomuy brusco de corriente en la zona de ruptura, manteniendo el voltaje practicamente

constante como se muestra en la fig. 5. La ruptura Zener no origina necesariamente la

destruccion del diodo, mientras la corriente esta limitada en el diodo por el circuitoexterior hasta un nivel que no exceda la capacidad de potencia del diodo.

Figura 4: Smbolo electrico

del diodo Zener

I

V

ZonaInversa

ZonaDirecta

Umbral

Vz

Zona

Zener

Figura 5: Curva caracterstica

Corriente-Tension para un diodo

Zener

En el presente informe se caracterizan ambos tipos de diodos: los comunes y losZener. Tambien se estudian aplicaciones posibles en circuitos con diodos.

2. Descripcion experimental y Resultados

2.1. Curvas Caractersticas

Para la caracterizacion de un diodo es necesario analizar la curva caracterstica

de corriente-tension del diodo. Para ello se armo el circuito de la fig. 6 que constade un generador de ondas (fuente), una resistencia limitadora (R) y un diodo. Lafuente entregaba una senal sinusoidal de 50Hz, con una diferencia de potencial picoa pico Vpp = (22 1)V. La resistencia limitadora en el caso del diodo comun era de

R = (987 7).

En la fig 7 se muestra la curva caracterstica obtenida para un diodo comun. Se

puede observar que en la zona de polarizacion inversa, el diodo impide que fluya la cor-riente. Esta zona se extiende aproximadamente hasta los +0, 4V en donde comienza acircular gradualmente corriente, hasta los aproximadamente +0, 7V en donde el diodose comporta similar a una llave abierta permitiendo el paso de corriente. Se observa

tambien un pequena corriente de fuga (en polarizacion inversa) cuya magnitud oscilaalrededor de los 200A.

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R

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Osciloscopio

Figura 6: Circuito utilizado para obtener la

curva caracterstica del diodo


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Luego reemplazando en el mismo circuito el diodo comun por un diodo Zener, seobtuvo la curva caracterstica correspondiente detallada en la fig. 8. All se puede ob-

servar el valor de la tension de ruptura de la zona de polarizacion inversa alrededor delos Vz = 5V, mientras que la tension umbral en directa es alrededor de los +0, 8V.

Figura 8: Curva caracterstica Corriente-

Tension para un diodo Zener real

Tambien se analizo la curva caracterstica cuando se conectan dos diodos en serie.

Para este analisis se conectaron los dos diodos, el comun y el Zener, ya analizadospreviamente, como se muestra en la fig. 9.

La curva caracterstica obtenida se muestra a la fig. 10, en donde se puede observarque la tension umbral es alrededor de los 1, 5V, es decir que la tension umbral de dos

diodos en serie corresponde a la suma de las tensiones umbrales de cada uno de elloscomo era de esperar. En el caso de la tension de ruptura del diodo Zener de la zona de

polarizacion inversa, desaparece debido a que el diodo comun en esa zona no permiteel flujo de corriente para esos niveles de voltaje.

2.2. Circuitos Rectificadores

Una de las principales aplicaciones de los diodos es la de rectificar senales, es decir,

transformar una senal alterna en una continua. En este trabajo se estudian dos circutosrectificadores, el de media onda y el de onda completa.

2.2.1. Circuito Rectificador de Media Onda

Para comprender mejor como funciona un circuito rectificador, analicemos primeroel circuito de la fig. 6. Si en vez de observar la curva caracterstica analizamos la cada

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1 2

Osciloscopio

Figura 9: Circuito de dos diodos en serie

Figura 10: Curva caracterstica por dos dio-

dos en serie

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de tension sobre la resistencia en funcion del tiempo, se obtiene un grafico como el quese muestra en la fig. 11.

Figura 11: Comparacion temporal de las

tensiones sobre la fuente y la resistencia del

circuito de la fig. 6

En este grafico es posible observar que en el semiciclo positivo (polarizaci on di-

recta)la tension sobre la resistencia sigue a la senal de la fuente, mientras que en el

semiciclo negativo (polarizacion inversa) la tension sobre la resistencia es nula, se recor-ta la senal debido a que el diodo no permite el flujo de corriente.

Si a este circuito basico le agregamos un capacitor (C) y una resitencia de carga(Rc) como se muestra en la fig. 12, se puede obtener un circuito transformador de

senal alterna en senal continua. La idea basica del funcionamiento de este circuito es lasiguiente: cuando la senal corresponde al semiciclo positivo de la tension de la fuente,alimenta la resistencia de carga y ademas se carga el capacitor. En el semiciclo negativo,el diodo no permite el flujo de corriente y por consiguiente la resistencia es alimentadapor el capacitor que comienza su ciclo de descarga hasta que el semiciclo positivo vuelve.

En principio la transformacion de tension alterna en continua dependera fuerte-mente de la eleccion de los valores del capacitor y las resistencias del circuito. En uncircuito RC el tiempo caracterstico de carga y descarga esta dado por el producto RC.

En este caso, el proceso de carga depende de la resistencia limitadora (R), mientras queel proceso de descarga depende de la resistencia de carga (Rc). Entonces, analizandosolo la descarga:

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Caso 1: RcC Ts el capacitor se descarga completamente,Caso 2: RcC Ts el capacitor se descarga parcialmente,Caso 3: RcC Ts el capacitor apenas se descarga.

en donde Ts es el perodo de la senal de la fuente. Este comportamiento es posible de

observar en la fig. 13, en donde se muestran los tres casos especificados para valoresdados por: Ts = 20ms (f = 50Hz), R = (987 7) , Rc = (986 7) y

Caso 1: C= (0, 95 0, 01)F RcC 1ms Ts,Caso 2: C= (18, 0 0, 4) F RcC 20ms = Ts,Caso 3: C= (0, 97 0, 03)mF RcC 1s Ts.

En la fig. 13 se puede observar claramente que para obtener una senal continua de

una alterna es necesario tener una descarga del capacitor dada por el caso 3.

En esta figura tambien se observa un detalle curioso, la senal continua no esta rec-tificada al mayor valor de tension de la senal alterna. Esto se debio a una eleccion

incorrecta de valores de resistencias. Los valores elegidos eran por un lado iguales ypor otro sumamente grandes; la consecuencia de esta eleccion sobre el circuito es porun lado: que el tiempo de carga del capacitor (dado por RC) es igual al tiempo dedescarga (dado por RcC,) y por otro al ser R un valor grande, la tension de la fuentese reparta entre ambas resistencias por igual, llegando por consecuencia a la Rcarga un

valor de tension mucho menor al entregado por la fuente. Haciendo una eleccion masconveniente de estos valores de manera de maximizar la tension sobre la Rc, se obtiene

un rectificacion como la que se muestra en la fig. 14 con valores dados por: Ts = 20ms

(f= 50Hz), R = (0, 98 0, 02) ,Rc = (1, 040,01)M y C= (0, 940, 01)F. Enesta figura se observa que la senal oscila entre un valor acotado de tension (de 10, 1Va 10, 3V) indicando una buena rectificacion para un valor de tension de la fuente de

C

R

Rc

1 2

Osciloscopio

Figura 12: Circuito Rectificador de Media

Onda

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Onda con diferentes valores de capacitores

Vpp = (22 1)V, como se ve en el inset de la fig. 14 y optimizando as el valor de la

tension de salida. Es interesante ademas observar que el tiempo de carga del capacitorse da en tiempos cortos (RC 0, 1ms), mientras que el tiempo de descarga es largo

(RcC 1s); manteniendo asi la tension entre valores acotados.

En el fig. 15 se muestran la tension de la fuente y sobre el capacitor. All se obser-

va que la carga comienza cuando la tension de la fuente excede a la tension sobre elcapacitor en un valor igual a la tension umbral del diodo, es decir, el diodo comienza a

permitir el flujo de corriente, La carga finaliza cuando la tension de la fuente comienzasu camino decreciente, quedando su diferencia con la tension sobre el capacitor pordebajo de la tension umbral del diodo.

Otro circuito analizado es el que se muestra en la fig 16. All se agrega al circuitode la fig. 6 una pila de Vpp = (5, 05 0, 05)V. En las fig. 17 y 18 se muestra la se nalsobre el diodo y la pila, conectando el diodo tanto en directa como en inversa.

Cuando el diodo esta conectado segun la fig.16, el conjunto diodo y pila deja fluir

la corriente en semiciclos positivos mayores a aproximadamente 5, 75V (diferencia depotencial de la pila (5, 05V) mas cada de tension sobre el diodo en directa (0, 7V)), encambio cuando se invierte la conexion del diodo, la corriente fluye para los semiciclosnegativos impidiendo el flujo de corriente en el semiciclo positivo desde aproximade-

mante 4, 35V (diferencia de potencial de la pila (5, 05V) menos cada de tension sobreel diodo en directa (0, 7V)).

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Onda con valores mas apropiados de resisten-

cias y capacitor

Figura 15: Intervalo temporal en el que se

desarrolla la carga del capacitor

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V0

1 2

Osciloscopio

Figura 16: Mismo circuito que fig. 6 endonde se agrego la conexion de una pila

Figura 17: Circuito con pila y dio-

do con el diodo conectado invertido

respecto de la fig.16

Figura 18: Circuito con pila y diodo

segn fig.16

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2.2.2. Circuito Rectificador de Onda Completa

Tambien se estudio el circuito que se muestra en la fig. 19. Este circuito se denominaPuente rectificador de Onda Completa, y consiste en 4 diodos colocados de manera tal

que cuando la fuente esta su semiciclo positivo la corriente fluye por los diodos 1 y 2,mientras que cuando la fuente esta en inversa lo hace por los diodos 3 y 4. Con estecirucito pero sin el C y la Rc, si se mide la tension sobre la resistencia se observa el

grafico que se muestra en la fig. 20.

R

C

Rc

1 2

Osciloscopio

1

2 3

4

Figura 19: Puente Rectificador de Onda

Completa

En la figura se observa que se obtienen semiciclos positivos de tensi on sobre la re-sistencia tanto cuando la fuente esta en su semiciclos positivo o negativo. En el insetde la figura es posible observar que la base de estos semiciclos es aproximadamente unaconstante. Esto es debido a que los dos diodos conducen corriente cuando la tensi on

de la fuente supera la tension umbral en serie de estos, que es aproximadamente 1,5V.

Si a este circuito, de la misma manera que se hizo con anterioridad, se le conectaun capacitor y una resistencia de carga, podemos transformar un senal alterna en unacontinua como se muestra en la fig. 21.

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Figura 20: Tension sobre la resistencia en

el puente rectificador de onda completa, pero

sin capacitor ni Rc

Figura 21: Salida continua del puente recti-

ficador de onda completa sobre la reistencia

de carga

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3. Conclusiones

En este trabajo se estudio la curva caractersticas de los diodos, tanto comunes

como del tipo Zener, y se analizaron aplicaciones de los mismos.

Las curvas caractersticas obtenidas concuerdan con los comportamientos espera-dos dados en la Introduccion, dando como tension umbral 0, 7V para el diodo comun

y 0, 8V para el diodo Zener cuya tension de ruptura en inversa esta dada por aproxi-madamente 5V.

Se puede concluir ademas que el diodo es un dispositivo electronico muy importanteque permite aplicaciones tales como la rectificacion de una senal alterna. Para ello se

montaron dos dispositivos, el rectificador de media onda y el puente rectificador de ondacompleta Ambos dispositivos estan compuestos por diodos, resistencias y capacitores,

de los que fue posible obtener una senal rectificada de alrededor de 10V en ambos casospara una tension de entrada Vpp = (22 1)V. De estas dos aplicaciones se pudo ver

que son muy importantes los valores de los dispositivos del circuito para obtener unabuena rectificacion.

Si se comparan ambos circuitos rectificadores se puede ver que el puente rectificadorde onda completa presenta ventaja respecto del de media onda, en que la carga y ladescarga del capacitor se produce en la mitad de tiempo, mejorando asi el rendimientoya que se desacarga menos y la carga se realiza en un tiempo menor.

Referencias

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