EXPERIMENTO Nº 1

I. OBJETIVO:

Utilizar características de operación de los diodos semiconductores.

II. INFORME PREVIO

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 sería 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 él. 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.

DIODO RECTIFICADOR

Los diodos rectificadores son aquellos dispositivos semiconductores que solo conducen en polarización directa (arriba de 0.7 V) y en polarización inversa no conducen. Estas características son las que permite a este tipo de diodo rectificar una señal.

Los hay de varias capacidades en cuanto al manejo de corriente y el voltaje en inverso que pueden soportar.

Los diodos, en general se identifican mediante una referencia. En el sistema americano, la referencia consta del prefijo “1N” seguido del número de serie, por ejemplo: 1N4004. La “N” significa que se trata de un semiconductor, el “1” indica el número de uniones PN y el “4004” las características o especificaciones exactas del dispositivo. En el sistema europeo o continental se emplea el prefijo de dos letras, por ejemplo: BY254. En este caso, la “B” indica el material (silicio) y la “Y” el tipo (rectificador). Sin embargo muchos fabricantes emplean sus propias referencias, por ejemplo: ECG581.

DIODO ZÉNER

Un diodo zener es un semiconductor que se distingue por su capacidad de mantener un voltaje constante en sus terminales cuando se encuentran polarizados inversamente, y por ello se emplean como elementos de control, se les encuentra con capacidad de ½ watt hasta 50 watt y para tensiones de 2.4 voltios hasta 200 voltios.

El diodo zener polarizado directamente se comporta como un diodo normal, su voltaje permanece cerca de 0.6 a 0.7 V.

Los diodos zener se identifican por una referencia, como por ejemplo: 1N3828 ó BZX85, y se especifican principalmente por su voltaje zener nominal (VZ) y la potencia máxima que pueden absorber en forma segura sin destruirse (PZ)

DIODO EMISOR DE LUZ (LED)

Es un diodo que entrega luz al aplicársele un determinado voltaje. Cuando esto

sucede, ocurre una recombinación de huecos y electrones cerca de la unión

NP; si este se ha polarizado directamente la luz que emiten puede ser roja,

ámbar, amarilla, verde o azul dependiendo de su composición.

Los LED’s se especifican por el color o longitud de onda de la luz emitida, la

caída de voltaje directa (VF), el máximo voltaje inverso (VR), la máxima

corriente directa (IF) y la intensidad luminosa. Típicamente VF es del orden de

4 V a 5 V. Se consiguen LED’s con valores de IF desde menos de 20 mA hasta

más de 100 mA e intensidades desde menos de 0.5 mcd (milicandelas) hasta

más de 4000 mcd. Entre mayor sea la corriente aplicada, mayor es el brillo, y

viceversa. El valor de VF depende del color, siendo mínimo para LED’s rojos y

máximo para LED’s azules.

Los LED’s deben ser protegidos mediante una resistencia en serie, para limitar

la corriente a través de este a un valor seguro, inferior a la IF máxima.

También deben protegerse contra voltajes inversos excesivos. Un voltaje

inverso superior a 5V causa generalmente su destrucción inmediata del LED.

DIODO TÚNEL

Los diodos túnel, también conocidos como diodos Esaki. Se caracterizan por

poseer una zona de agotamiento extremadamente delgada y tener en su curva

una región de resistencia negativa donde la corriente disminuye a medida que

aumenta el voltaje. Esta última propiedad los hace muy útiles como detectores,

amplificadores, osciladores, multiplicadores, interruptores, etc., en aplicaciones

de alta frecuencia.

FOTODIODOS

Los fotodiodos son diodos provistos de una ventana transparente cuya corriente inversa puede ser controlada en un amplio rango regulando la cantidad de luz que pasa por la ventana e incide sobre la unión PN. A mayor cantidad de luz incidente, mayor es la corriente inversa producida por que se genera un mayor número de portadores minoritarios, y viceversa. Son muy utilizados como sensores de luz en fotografía, sistemas de iluminación, contadores de objetos, sistemas de seguridad, receptores de comunicaciones ópticas y otras aplicaciones.

II.6 Principales características comerciales:

A la hora de elegir un diodo para una aplicación concreta se debe cuidar que presente unas características apropiadas para dicha aplicación. Para ello, se debe examinar cuidadosamente la hoja de especificaciones que el fabricante provee. Las características comerciales más importantes de los diodos que aparecen en cualquier hoja de especificaciones son:

1. Corriente máxima en directa : IFmax o IFM (DC forward current): Es la corriente continua máxima que puede atravesar el diodo en directa sin que este sufra ningún daño, puesto que una alta corriente puede provocar un calentamiento por efecto Joule excesivo. Los fabricantes suelen distinguir tres límites:

o Corriente máxima continua (IFM) o Corriente de pico transitoria (Peak forward surge current), en la que se

especifica también el tiempo que dura el pico

o Corriente de pico repetitivo (Recurrent peak forward current), en la que se especifica la frecuencia máxima del pico

2. Tensión de ruptura en polarización inversa: (Breakdown Voltage, BV; Peak Inverse Voltage, PIV): Es la tensión a la que se produce el fenómeno de ruptura por avalancha.

3. Tensión de pico inverso: (Maximun Working Inverse Voltage): Es la tensión que el fabricante recomienda no sobrepasar para una operación en inversa segura.

4. Corriente en inversa : IR (Reverse current): Es habitual que se exprese para diferentes valores de la tensión inversa

Resistencia dinámica

A la derivada de la tensión con respecto a la corriente en el punto de operación se le llama resistencia dinámica del diodo rD, y su expresión puede determinarse a partir del modelo exponencial del diodo, teniendo en cuenta que si VDQ es mayor que VT puede despreciarse la unidad frente al término exponencial:

Como VT 25 mV, la expresión válida para el cálculo de la resistencia dinámica de un diodo en función de la corriente de polarización continua puede escribirse de la siguiente forma, llamada aproximación de Shockley:

Esta aproximación sólo es válida en la región de conducción en polarización directa del diodo.

DIODO SEMICONDUCTOR

MATERIALES Y EQUIPOS:

1. Una fuente de corriente continua variable

2. Un multímetro

3. Un miliamperímetro y un microamperimet4ro

4. Un diodo semiconductor de SI y GE

5. Un voltímetro de cc

6. Resistencia de 1kΩ

7. Cables y conectores

IV. PROCEDIMIENTO

1. Usando el ohmímetro, medir las resistencias directas e inversas del diodo de silicio .registra los datos en la tabla 1.

2. Armar el circuito de la figura 1

a) Ajustando el voltaje con el potenciómetro, observar y medir la corriente y el voltaje directo del diodo, registrar sus datos en la tabla 2.

b) Invertir el diodo verificando al mismo tiempo la polaridad de los instrumentos procedentes como en a) registrando los datos en la tabla 3.

Tabla 2

R directa R inversa

30 Ω ∞

Vcc(v) 0,935 1,315 2,095 2,985 3,65 5,38 5,72 10,55 15,56 20,41Id(mA) 0,1 0,2 0,4 0,8 1,6 2,5 5 10 15 20Vd(v) 0,47 0,49 0,529 0,563 0,598 0,62 0,65 0,685 0,71 0,72

0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.750

5

10

15

20

25

GRAFICA DE LA TABLA 2

Vd(v)

Id(m

A)

Calculando la resistencia dinamica del diodo:

Para ID=0,2 mA

rD=25mV0,2mA = 125Ω

Para ID= 0,4mA

rD=25mV0,4mA

=62,5Ω

Para ID= 5mA

rD=25mV5mA

=5Ω

Tabla 3

vcc(v) 0 2 4 6 8 10 12 15 20Vd(v) 0 0,595 0,638 0,66 0,675 0,686 0,696 0,708 0,718Id(µA) 0 1350 3450 5330 7400 9490 11400 14440 19400

Calculando la resistencia dinamica del diodo:

Para ID= 1350 µA

rD=25mV1350µA = 18,5Ω

Para ID= 3450 µA

rD=25mV3450µA

=7,25Ω

Para ID= 7400 µA

rD=25mV7400µA

=3,38Ω

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.80

5000

10000

15000

20000

25000

GRAFICA DE LA TABLA 3

Vd(v)

Id(µ

A)

3. Usando el ohmímetro, medir la resistencia directa e inversa del diodo de germanio. Registrar los datos en la tabla 4

TABLA 4

4.- Repetir el circuito de la figura 1 para el diodo de germanio de manera similar al paso 2 procederes a llenar la tabla 5 y 6.

R directa R inversa

26 Ω ∞

vcc(v) 0,26 0,769 1,178 2,318 2,638 3,161 5,78 8,89 10,96 13,05 16,15 20,03Id(mA) 0 0,2 0,4 0,8 1,6 2,5 5 8 10 12 15 20Vd(v) 0,26 0,522 0,562 0,594 0,628 0,649 0,684 0,707 0,718 0,727 0,738 0,75

TABLA 5

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.80

5

10

15

20

25

GRAFICA DE LA TABLA 5

Vd(v)

Id(m

A)

Calculando la resistencia dinamica del diodo:

Para ID=0,2 mA

rD=25mV0,2mA = 125Ω

Para ID= 0,8mA

rD=25mV0,8mA

=31,25Ω

Para ID= 2,5mA

rD=25mV2,5mA

=10Ω

vcc(v) 0 1 2 4 6 8 10 12 15 18 20

Vd(v) 0 0,558 0,6210,664 0,687 0,702 0,714 0,723 0,734 0,743 0,749

Id(µA) 0 370 1300 3400 5300 7200 920011000 14000

17000

19100

TABLA 6

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.80

5000

10000

15000

20000

25000

GRAFICA DE LA TABLA 6

Vd(v)

Id(µ

A)

Para ID= 370 µA

rD=25mV370µA = 67,56Ω

Para ID= 3400 µA

rD=25mV3400µA

=7,35Ω

Para ID= 9200 µA

rD=25mV9200 µA

=2.72Ω

Conclusiones:

Tanto el diodo de silicio como el de germanio conducen cuando lo polarizamos directamente, se comportan como cortocircuito. Cuando estos se polarizan de

manera inversa se comportaran como circuito abierto teóricamente pero en realidad existe una pequeña corriente fluye por el diodo en el orden de los microamperios (µA)

I. INFORME PREVIO

El rectificador de media onda es un circuito empleado para eliminar la parte negativa o positiva de una señal de corriente alterna de lleno conducen cuando se polarizan inversamente. Además su voltaje es positivo.

EL RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA

Polarización directa

En este caso, el diodo permite el paso de la corriente sin restricción. Los voltajes de salida y de entrada son iguales, la intensidad de la corriente puede calcularse mediante la ley de ohm.

Polarización inversa En este caso, el diodo no conduce, quedando el circuito abierto. No existe corriente por el circuito, y en la resistencia de carga RL no hay caída de tensión, esto supone que toda la tensión de entrada estará en los extremos del diodo.

Vo = 0 Vdiodo = Vi

I = 0

RECTIFICADORES Y FILTROS

RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA CON FILTRO RC

Un circuito RC sirve como filtro para hacer que el voltaje alterno se vuelva directo casi como el de una batería, esto es gracias a las pequeñas oscilaciones que tiene la salida del voltaje, las cuales son prácticamente nulas.

La primera parte del circuito consta de una fuente de voltaje alterna, seguido de un diodo que en esta ocasión será ideal (simplemente para facilitar la comprensión del funcionamiento) y finalmente el filtro RC.

El circuito funciona de la siguiente manera:

1. Entra la señal alterna al circuito, la cual se rectifica con el diodo. (Solo permite pasar un semi-ciclo de la señal, que en este caso es el semi-ciclo positivo)2. En el momento que el voltaje sale del diodo el condensador se empieza a cargar y la caída de voltaje se recibe en la resistencia.3. En el entender que es lo que está pasando y como calcular el filtro.

FORMA DE ONDA QUE SE OBSERVARIA EN EL OSCILOSCOPIO

RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA

Un rectificador de onda completa es un circuito empleado para convertir una señal de corriente alterna de entrada (Vi) en corriente continua de salida (Vo) pulsante. A diferencia del rectificador de media onda, en este caso, la parte negativa de la señal se convierte en positiva o bien la parte positiva de la señal se convertirá en negativa, según se necesite una señal positiva o negativa de corriente continua.

Circuito de un rectificador de onda completa con filtro

FORME DE ONDA QUE SE OBSERVARIA EN EL OSCILOSCOPIO

UTILIZANDO UN CONDENZADOR COMO FILTRO

Rectificador puente

El puente rectificador es un circuito electrónico usado en la conversión de corriente alterna en corriente continua. También es conocido como circuito o puente de Graetz, en referencia a su creador, el físico alemán Leo Graetz (1856-1941).

Consiste en cuatro diodos comunes, que convierten una señal con partes positivas y negativas en una señal únicamente positiva. Un simple diodo permitiría quedarse con la parte positiva, pero el puente permite aprovechar también la parte negativa. El puente, junto con un condensador y un diodo Zener, permite convertir la corriente alterna en continua. El papel de los cuatro diodos comunes es hacer que la electricidad vaya en un solo sentido, mientras que el resto de componentes tienen como función estabilizar la señal

Circuito rectificador puente

El filtro por condensador es uno de los más sencillos y por eso es de los más utilizados. No obstante existen otros que sólo describiremos brevemente.

Filtro R-C:

Si colocamos una resistencia en serie con el condensador, conseguiremos un efecto de filtrado mayor, pues como es sabido, la constante de tiempo de un condensador es t=R·C, con lo que el tiempo de carga del condensador aumenta y por lo tanto el rizado disminuye.

No obstante, la resistencia R del filtro R-C produce cierta caída de tensión y la consiguiente pérdida de energía.

Filtro L-C:

Se suelen utilizar cuando la corriente por la carga es elevada. En este caso, se conecta en serie con el condensador una bobina y es la bobina la que proporciona la resistencia para la constante de tiempo, con la ventaja de que su resistencia es tan baja que apenas produce caída de tensión en continua, porque sólo interviene la de los arrollamientos.

TIPOS DE FILTROS

Filtro en Pi:

En este caso se montan dos condensadores en paralelo unidos por una bobina. Es el que mejores resultados da, pero es más voluminoso y costoso que los anteriores.

II. MATERIALES Y EQUIPOS

1.- Osciloscopio

2.-Cables conectores y coaxiales

3.-Multímetro

4.-R: 100, 1K, 10K ohms

5.-Transformador

6.-C: 100, 470, 1000 y 2200 uF

7.- Bobina de coche

8.-Diodos: 4 x 1N4004

9.-Miliamperímetro

III. PROCEDIMIENTO

a. Verificar los componentes con el Multímetro Digital. Llenar las tablas 1 a y 1 b

TABLA 1. A

Resistores R 1 R 2 R 3 Capacitores C 1 C 2 C 3 C 4

Teórico 100 Ω

1 KΩ 10 KΩ Teórico 100

uF470 uF

1000 uF

2200 uF

Medido 98 Ω 981 Ω

9,86K Ω Medido 100

uF470 uF

1000 uF

2200 uF

Tabla 1.b

Diodos D 1 D 2 D 3 D 4

Directa (Ω) 41 40 42 42,5

Inversa (Ω) ∞ ∞ ∞ ∞

b. Armar el circuito de la figura 1 y medir lo indicado

Figura 1

REALIZADO COON UN TRANSFORMADOR DE 9V

RL 1K Ω 10K Ω

C SIN C 100 uF 2200 uF SIN C 100 uF 2200 uF

Vop-p 16,6 2,6 0,6 16,8 0,6 0,6

Vorms 6,77 0,664 0,072 6,85 0,074 0,018

Vodc 6,74 15,40 16,06 5,45 16,63 16,65

Vsrms 2,843 6,11 6,30 2,84 6,33 6,35

Iodc(mA) 5,4 16 16,5 0,6 1,7 1,8

c. Colocar el condensador de 100 y 2200 uF en paralelo a RL y llenar el cuadro anterior. Anotar las observaciones

- Usar la fila Vorms como V rp-p cuando se usen condensadores. ( Con un voltímetro CA)

- Utilizar el O.R.C en D.C para medir la componente continua y sobre el eje de 0 voltios y en AC para las componentes alternas de la salida V o.

Dibujar las formas de onda obtenidas (Medir también Vodc con un voltímetro DC).

OBS:

SIN CONDENSADOR:

CON CONDENSADOR:

a. Para el rectificador de onda completa de la figura 2 medir :

TABLA 3

RL 1K Ω 10K Ω

C SIN C 100 uF 2200 uF SIN C 100 uF 2200 uF

Vop-p 12,6 1,4 0,4 12,8 0,6 0,4-0,6

Vorms 4,45 12,08 12,47 4,5 12,74 12,79

Vodc 17,24 17,19 17,21 17,36 17,36 17,36

Vsrms 9,44 9,42 9,42 9,43 9,46 9,43

Iodc(mA) 8 12 12,5 0,8 1,3 1,3

e. Colocar el condensador de 100 y 2200 uF en paralelo a RL y llenar el cuadro anterior. Anotar las observaciones. Dibujar las formas de onda obtenidas.

SIN CONDENSADOR:

CON CONDENSADOR:

f. Armar el circuito de la figura 3; procediendo como en los casos anteriores.

Tabla 4

RL 1K Ω 10K Ω

C SIN C 100 uF 2200 uF

SIN C 100 uF 2200 uF

Vop-p 25,2 3,2 1,6-2,4 25,2 1,6 1,2

Vorms 8,49 5,75 10 8,55 78,3mv 125mv

Vodc 16,03 23,83 24,44 16,4 25,54 22,6

Vsrms 10,54 11,95 11,61 10,6 11,97 11,03

Iodc(mA) 16 30-70 40 a+ 1,6 2,6 100 a+

g. Colocar el condensador de 100 y 2200 uF en paralelo a RL y llenar el cuadro anterior. Anotar las observaciones. Dibujar las formas de onda obtenidas.

SIN CONDENSADOR:

CON CONDENSADOR: